一种电动叉车轮边减速器有限元分析.pdf

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1、 一种电动叉车轮边减速器一种电动叉车轮边减速器有限元分析有限元分析 摘摘 要要 本文以一种带湿式制动功能的电动叉车轮边减速器作为研究载体，主要的研究 对象是轮边减速器里边的核心传动装置行星齿轮系及壳体，借助大型有限元分析软 件 ANSYS 对行星齿轮系中的太阳轮与行星齿轮进行了静态接触分析，用分析得到的 结果结合材料受力条件进行比较，并通过选用合适的变位系数多次验证最终得出适 合于材料受力的齿轮参数，同时也对壳体进行了分析，分析发现壳体满载时所受的 应力及发生的应变不符合材料要求，根据学者的经验，对壳体参数进行优化，得到 了适合壳体的参数。二者的分析对轮边减速器的结构改进和性能优化提供重要的理

2、 论依据和数据参考。 通过 Pro/E 软件完成了渐开线齿轮及壳体的参数化建模。通过 Pro/E 软件的参 数化建模模块，可以往对话框中输入想要建模的齿轮的基本参数，可以实现在已建 模的齿轮模型基础上，得到不同参数的齿轮模型，大大提高了建模的速度。 由于 Pro/E 与 ANSYS 间具有非常好的数据传输接口，利用这有利条件，把需要 分析的模型导入 ANSYS 后划分网格生成有限元模型。通过牛顿-拉普森迭代法对太阳 轮和行星轮齿轮副的接触应力及弯曲应力进行了静力学分析求解。从静态分析结果 得知最大弯曲应力出现在行星轮上，且数值超出了齿轮材料要求的许用弯曲疲劳强 度，于是对齿轮副的参数进行优化；

3、优化后的齿轮副经再一次的静态分析符合设计 及材料要求，说明通过有限元分析可以短时间内算出导入模型的应力值，用计算出 的应力值与规定值比较还能得知模型的选材及设计是否合理，不合理即可以采用优 化方式，直到计算出的数值在规定范围之内。除此之外，用相同的分析方法对壳体 也进行有限元分析，分析结果表明，最终确定的壳体尺寸更合理。通过有限元分析 可以为轮边减速器的结构改进和性能改善提供具有建设性的理论依据和数据参考。 关键词关键词：电动叉车；轮边减速器；壳体；齿轮；参数化建模；有限元法 Finite Element Analysis on Hub Reduction Gear of One Kind o

4、f Electric Forklift Abstract This paper takes hub reduction gear of one kind of electric forklift with wet brake function as the research carrier, and the main research objects are the core transmission gear planetary gear system and shell inside hub reduction gear. It carried out static contact ana

5、lysis on sun wheel and planetary gear in planetary gear system by virtue of large-scale finite element analysis software ANSYS, and conducted comparison with the results obtained from analysis combining with stress condition of material. In addition, after multiple verifications via selecting approp

6、riate modification coefficient, it finally obtained the gear parameters suitable to material stress. Meanwhile, it carried out analysis on shell, and optimized shell parameter and obtained the parameters suitable to the shell. The analysis on the two can provide important theoretical basis and data

7、reference to the structural improvement and performance optimization of hub reduction gear. Parametric modeling on involute gear and shell was finished via Pro/E software. The basic parameters of gear to be modeled can be input in the dialog box via the parametric modeling module of Pro/E software,

8、which can obtain the gear model of different parameters basing on the modeled gear model, thus it can greatly improve modeling speed. As Pro/E and ANSYS have very good data transmission interface, the module needed to be analyzed can be imported to ANSYS to generate finite element model after meshin

9、g. It carried out statics analysis and resolving on the contact stress and bending stress of sun wheel and planet wheel gear pair via Newton-Raphson iterative method. It can be seen from statics analysis results that the maximum bending stress occurs on planetary gear, and its value had exceeded the

10、 allowable endurance bending strength required by gear pair. Then it optimized the parameters of gear pair, and the gear pair after optimization is in conformity with design and material requirements after another statics analysis. It shows that the stress value of imported model can be calculated i

11、n a short period of time via finite element analysis; optimization mode can be adopted if it is unreasonable until the calculated value is within the regulated scope. Meanwhile, finite element analysis was also carried out on shell via ANSYS, and the parameters suitable to reduction gear shell were

12、also obtained via optimization. Therefore, finite element analysis can provide constructive theoretical basis and data reference for the structural improvement and performance optimization of hub reduction gear. Key words ： Electric Forklift ； Hub Reduction Gear ； Shell； Gear ； Parametric Modeling；F

13、inite Element Method 致谢致谢 本论文得以如期顺利的完成，离不开大家的帮助与支持，特此感谢所有在学习 和生活上曾给予我关心和帮助的人们。 首先我要感谢担任本人导师的张代胜教授。我的论文能顺利完成与张教授的关 心和悉心指导是分不开的。张教授渊博的专业知识背景和在研究方向上独到的洞察 力，给我的启迪极大、感受深刻；他的宽容和耐心给了我自由的发挥空间。回想在 学习研究中，张教授也给了我很多很多教诲，在此我衷心地感谢我的导师张代胜教 授。 其次我要感谢工程硕士同学、同事及各位老师的大力帮助：他们包括汪绍杰老 师、研究生办公室沈媛媛老师、张庆军师姐等。还有感谢提供给我完成论文必需的

14、文献资料的朋友们，他们的帮助和支持对于我而言犹如雪中送炭般的温暖。 另外我非常感谢我的家人，特别感谢他们多年以来对我的理解与支持，他们是 我前进的动力，促进我努力实现人生的梦想。 最后，向参加本论文评阅和答辩工作的专家致以衷心的感谢。 作 者：张燕 2013 年 11 月 21 日 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 研究背景及意义. 1 1.2 三支点电动叉车简介 . 2 1.2.1 国外电动叉车的发展概述 2 1.2.2 国内电动叉车的发展概述 3 1.2.3 三支点电动叉车类型 3 1.2.4 三支点电动叉车的其他特点 4 1.3 轮边减速器的概况. 5 1.4 论文主要研究内

15、容. 6 第二章第二章 三支点前驱电动叉车的轮边减速器介绍三支点前驱电动叉车的轮边减速器介绍 7 2.1 轮边减速器在三支点前驱电动叉车的应用. 7 2.1.1 国内外研究现状和发展趋势 7 2.1.2 轮边减速器在三支点前驱电动叉车的应用 9 2.1.3 轮边减速器齿轮零部件的材料及润滑 10 2.2 三支点前驱电动叉车轮边减速器的结构原理及传动方案 11 2.2.1 轮边减速器的结构原理 11 2.2.2 轮边减速器的传动方案 14 2.3 行星轮系在轮边减速器中的应用. 16 2.4 本章小结 . 17 第三章第三章 行星轮系均载特性分析及轮系模型的建立行星轮系均载特性分析及轮系模型的建

16、立 18 3.1 行星轮系均载的意义 . 18 3.2 均载分析的现状与发展趋势. 18 3.3 行星轮系均载的解决方法. 18 3.3.1 均载装置的类型与选择 20 3.3.2 电叉车行星轮系使用的均载装置 20 3.4 齿轮参数确定. 24 3.4.1 渐开线直齿轮的形成过程 24 3.4.2 齿轮参数的确定 26 3.5 行星齿轮机构三维模型的建立. 27 3.5.1 三维造型软件 Pro/E 简介 27 3.5.2 行星轮系三维模型的建立 28 3.6 本章小结. 34 第四章第四章 行星轮系静态接触分析行星轮系静态接触分析 35 4.1 齿轮啮合及接触理论介绍 . 35 4.1.1

17、 齿轮啮合理论 35 4.1.2 啮合齿轮对接触条件 36 4.2 有限元法介绍 . 36 4.2.1 有限元法的发展 36 4.2.2 有限元法的特点 . 37 4.3 接触应力有限元算法 . 38 4.3.1 赫兹接触计算假设 38 4.3.2 接触应力的有限元算法 38 4.4 接触应力的有限元计算. 44 4.4.1 模型导入有限元软件 44 4.4.2 网格划分 45 4.4.3 接触单元定义 47 4.4.4 边界条件的定义与载荷的施加 49 4.4.5 求解 50 4.5 计算结果分析. 51 4.6 齿轮的修形分析. 51 4.7 本章小结. 54 第五章第五章 减速器壳体静力

18、分析减速器壳体静力分析 55 5.1 减速器壳体的结构与特点 . 55 5.2 减速器壳体三维模型的建立. 56 5.3 减速器壳体的有限元分析. 58 5.3.1 壳体三维模型的导入 58 5.3.2 减速器壳体有限元模型的建立 59 5.3.3 边界条件的定义与载荷的施加 60 5.3.4 求解 60 5.4 计算结果分析. 62 5.5 壳体优化分析. 62 5.6 螺栓受力分析. 64 5.7 本章小结. 66 第第 6章章 结论与展望结论与展望 67 参考文献参考文献 69 插图清单插图清单 图 1-1 三支点前驱电动叉车 2 图 2-1 轮边减速器实物图 . 9 图 2-2 驱动电

19、机实物图 9 图 2-3 驱动电机与轮边减速器装配布置图 9 图 2-4 三支点前驱电动叉车结构示意图 10 图 2-5 轮边减速装置在车架上的固定 10 图 2-6 轮边减速器的行星齿轮结构方案 13 图 2-7 轮边减速器三维装配模型实体图 . 14 图 2-8 轮边减速器三维装配模型透视图 . 14 图 2-9 三支点前驱电动叉车轮边减速器传动示意图 . 14 图 2-10 行星齿轮传动 16 图 3-1 NGW 型行星轮系太阳轮的载荷分布 22 图 3-2 内齿圈的装配关系结构图 . 23 图 3-3 内齿圈三维模型图 . 24 图 3-4 齿圈牙嵌三维模型图 . 24 图 3-5 渐

20、开线的形成 . 24 图 3-6 基圆半径对渐开线形状的影响 . 25 图 3-7 齿轮各部分定义 . 26 图 3-8 行星轮系二维简图 . 27 图 3-9 齿轮模型建立框图 . 28 图 3-10 添加齿轮参数 . 29 图 3-11 添加齿轮参数关系 . 29 图 3-12 输入渐开线坐标方程 . 30 图 3-13 形成渐开线 31 图 3-14 带单个齿槽的拉伸特征 . 31 图 3-15 全齿模型特征 . 32 图 3-16 行星轮最终效果图 . 32 图 3-17 太阳轮与齿圈模型特征 . 33 图 3-18 行星轮与齿圈装配图 33 图 3-19 行星轮与太阳轮装配图 . 3

21、3 图 3-20 行星轮系总装配图 . 34 图 4-1 直齿圆柱齿轮传动受力分析 35 图 4-2 两圆柱体外接触示意图 38 图 4-3 直接迭代法 . 40 图 4-4 牛顿-拉斐逊法 . 41 图 4-5 接触示意图 . 42 图 4-6 接触位置关系图 . 43 图 4-7 接触应力计算过程 . 44 图 4-8 星齿轮啮合对装配与简图 . 45 图 4-9 SOLID95 单元 46 图 4-10 行星齿轮啮合对有限元模型 . 46 图 4-11 创建接触对 . 47 图 4-12 接触对有限元模型 . 48 图 4-13 对行星轮加载圆周切向力 . 49 图 4-14 加载图 .

22、 50 图 4-15 原方案啮合齿轮对分析应力云图 . 50 图 4-16 原方案轮齿齿面接触应力云图 . 51 图 4-17 方案一太阳轮轮齿根弯曲应力云图 . 52 图 4-18 方案一齿面接触应力云图 . 53 图 4-19 方案二太阳轮轮齿根弯曲应力云图 . 53 图 4-20 方案二齿面接触应力云图应力云图 . 53 图 5-1 壳体二维示意图 . 55 图 5-2 三支点前驱电动叉车结构示意图 . 56 图 5-3 壳体及部件布置实物图 . 56 图 5-4 壳体三维图 . 57 图 5-5 盖板三维图 . 57 图 5-6 端盖及输出轴三维图 . 57 图 5-7 组合三维图 .

23、 58 图 5-8 减速器壳体三维实体模型 . 59 图 5-9 减速器壳体有限元模型 . 59 图 5-10 加载图 . 60 图 5-11 满载壳体应力云图 . 61 图 5-12 满载壳体应变图 . 61 图 5-13 空载壳体应力云图 . 62 图 5-14 空载壳体应变图 . 62 图 5-15 满载壳体应力云图 . 63 图 5-16 满载壳体应变图 . 63 图 5-17 螺栓三维实体模型图 . 64 图 5-18 有限元模型图 . 64 图 5-19 空载螺栓应变图 . 65 图 5-20 空载螺栓应力图 . 65 图 5-21 满载螺栓应变图 . 65 图 5-22 满载螺栓

24、应力图 . 66 表格清单表格清单 表 2-1 轮边减速器齿轮材料及技术要求 11 表 2-2 电动叉车轮边减速器齿轮设计参数 26 表 3-1 行星齿轮机构参表 . 26 表 4-1 太阳轮与行星轮啮合参数 45 表 4-2 接触对明细表 48 表 4-3 行星轮加载 . 50 表 4-4 太阳轮与行星轮修形啮合参数优化方案 52 表 4-5 各方案比较 54 表 5-1 太阳轮与行星轮修形啮合参数优化方案 58 表 5-2 各方案比较 60 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 研究背景及意义研究背景及意义 20世纪50年代，英国科学家罗伯特发明了电动汽车轮毂。其核心理念是将电动 机、

25、减速器、传动系统以及制动系统进行一体化设计。通用电气公司于1968年首次 将这种电动轮毂驱动装置运用到大型的矿用自卸车上，并命名为“电动轮” 1。而近 年来，随着各类电动车辆的兴起，简单实用的轮毂电机驱动形式又重新得到了重 视。由于轮毂电机驱动系统的布置方式灵活，即可以将由驱动电机直接带动的减速 系统安装在车轮轮毂内，省去了传统车辆装置所使用的变速箱、主减速器、差速器 以及制动器等部件，因而简化了整车配置、提高了车辆的传动效率 2。同时应用现代 计算机控制技术来直接控制各电动轮以此实现电子差速。由于这种轮毂电机驱动系 统相较于传统车辆动力传动系统，其结构形式更加简单、布置紧凑灵活、占用空间 小

26、，因而也更容易实现全轮驱动 3,4。由于这些突出的优势，电动轮驱动模式为电动 车的市场提供了非常好的前景。 叉车作为物流的一种关键工具，在所有领域的搬运作业中充当着关键角色，就 目前来看，各种类型的叉车中电动叉车在研制、使用推广等方面都领先于其他叉 车。电动叉车不使用燃油而运用电能作为其动力能源，安全又环保。由于电动叉车 使用时具有安全可靠、操作便利、安静、环保等优势，所以于各行各业中都得到了 较为广泛的应用，在很多工业强国，物流几乎均使用电动叉车很少使用内燃叉车， 出现这种趋势，和当下社会呼吁节能环保这一理念是分不开的，食品、服装等轻工 业这一趋势更是明显，在这些行业，电动叉车将成为其未来唯

27、一的物流工具 5。与此 同时，世界叉车制造商随着叉车领域的快速发展不断生产制造出符合市场需求的不 同种类的电动叉车。从驱动形式来分，分为传统前驱和后驱型及全轮驱动三种形 式，过去前两种传统的驱动形式运用较广泛，将来运用电动轮毂驱动技术的全轮驱 动型电动叉车将成为叉车发展的主导方向。而作为轮边驱动的一种结构装置，其作 用是将动力从驱动电机直接传递给车轮，通过降低转速、增加转矩，使驱动电机的 输出动力能够满足电动轮车辆的动力需求，其在传统工业车辆上作为二级减速装置 已获得了较为广泛的应用。在综合电动轮的优势下，将轮边减速结构形式应用到电 动叉车的研制当中，这一举措必将使利用轮毂来驱动的这一类型电动

28、叉车的性能得 到增强，使得电动轮在物流行业的运用越来越受欢迎。 2 1.21.2 三支点电动叉车简介三支点电动叉车简介 图 1-1 三支点前驱电动叉车 1.2.1 国外电动叉车的发展概述 各大工业的迅速发展，使得工业物流工具的需求量越来越大。叉车作为常用的 物流工具之一，有自行的轮式底盘且能垂直升降和倾斜货物 6。叉车作为物流的一 种关键工具，在所有领域的搬运作业中充当着关键角色，大量出现在各大货运地 点。叉车产生于 20 世纪初，20 世纪 20 年代美国克拉克公司 7首家研制出叉车，且 叉车的动力也是由该公司自主制造的。Towmotor 公司和耶鲁公司紧接着先后也研制 出叉车，增加了美国的

29、叉车种类 8。第二次世界大战期间，鉴于众多战争物资的搬 运，加快了叉车的发展。战争结束之后，如何使仓库有限的空间能得到高效利用存 放更多物资的方法得到广泛推广，高效利用仓库空间对叉车体积的大小，灵活程度 要求越来越高。基于此，各大叉车公司生产出适合于不同环境的种类多样的叉车。 若依据动力装置分类，叉车包括了以下两类：内燃叉车及电动叉车。内燃叉车 应用发动机作为动力装置，使用燃油作为动力能源，既不经济也不环保，还有安全 隐患；电动叉车不使用燃油而运用电能作为其动力能源，安全又环保。由于电动叉 车使用时具有安全可靠、操作便利、安静、环保等优势，所以于各行各业中都得到 了较为广泛的应用，这也加快了电

30、动叉车的发展。下面用日本电动叉车产量变化情 况为例分析，75 年电动叉车产量为 8283 台，只占叉车总量的 164，80 年、83 年、92 年、2000 年生产的电动叉车分别占叉车总量的 1919、2159、 3792、357。欧洲叉车的生产量居全球之首，数据显示，80 年代西欧(特指 德国和意大利)生产的所有叉车，电动叉车的比例占 60%以上。2000 年初整个欧洲售 出的物流叉车数量比例为：电动叉车:内燃叉车=7:3，瑞典的 BT 公司只生产电动叉车 3 9。在很多工业强国，物流几乎均使用电动叉车很少使用内燃叉车，出现这种趋势， 和当下社会呼吁节能环保这一理念是分不开的，食品、服装等轻

31、工业这一趋势更是 明显，在这些行业，电动叉车将成为其未来唯一的物流工具。 1.2.2 国内电动叉车的发展概述 由于我国工业经济的快速增长，货运、仓储等在经济增长过程中起着愈来愈关 键的作用。货运、仓储等技术在各工作环节的节奏情况，将明显的影响产品物流成 本。若节奏过慢，不利于成本的节约、不利于货物及资金的流通速度以及经济效益 的提高。在日常生产过程一个极小的改进都有可能在很大程度上提升生产效率和降 低生产成木，有助于提高经济效益。当今的市场上使用的叉车里面，由于内燃叉车 的功率优势、速度优势、爬坡角度大等优点，使得很多企业还在使用内燃叉车。不 过，内燃叉车上运用的动力装置质量高低不一，致使噪声

32、得不到良好控制，尾气排 放超标，恶化了作业现场。且叉车的工作特点要求其在运转时速度较低，叉车运转 速度越低，其动力装置转速就越低，燃油不能很充分的燃烧，使得冒浓烟，尾气排 放不达标。大量的有毒气体存在于尾气中，这些毒气可使人致病，不可忽视；其 次，内燃叉车引起的声音很大，长时间听取会损坏人类的听觉。学者实验结果说 明，人体健康的声强范围是 20-40 分贝，若不在这个范围，声音很高的话，时间久 了人体的听觉就要受到很大的影响，严重了还会造成其他更严重的疾病。然而内燃 叉车发出的声强范围是 8095 分贝 10，远远的超出 20-40 分贝的健康范围。电动叉 车采用健康、安全、环保的电能作为其动

33、力，彻底解决了内燃叉车排放超标的问 题，动力装置采用电动机而不再采用发动机，叉车的驾驶人员远离噪声，听觉得到 了保护。现在，凡是对工作环境在噪音、环保、安全等方面有极高要求的地方，物 流工具一般均采用电动叉车而非内燃叉车 11。 2000 年以来，我国叉车市场非常活跃，产销量一路不断飙升，仅 6 年的时间， 销量已超十万台次，是 2000 年的将近 7 倍。且电动叉车在销售中占据较高的比例， 并且每年电动叉车的销量以大约 15的速度在持续增长。仅 7 年的时间我国叉车的 产出量在全世界仅次于美国 12。由于电动叉车在中国的起步较晚，目前在市场上的 份额与内燃叉车还有一定距离，但电动叉的销售一直

34、呈增长态势，不久将来，内燃 叉车将会被电动叉车代替，国外电动叉车也必将会被我国电叉车取缔。 1.2.3 三支点电动叉车类型 三支点电动叉车除了与其他形式的叉车一样具有噪音小、无污染、操作方便等 优点之外，三支点电动叉车的突出优点在于，三支点的支承形式使叉车在 90转向 时比其他形式叉车的转弯半径更小，更适合在狭窄通道或有限作业空间内进行物料 转运，越狭小的空间越能体现其优越性。随着我国经济的快速发展，全国各地的地 价日益升高，经济发达地区尤为明显，为了降低仓储成本，企业已经开始关注如何 利用小空间来容纳较多的物资，所以众多场合为了提高小空间的利用率，他们都会 4 改建原来的仓储空间，改造后的仓

35、库通道将会越来越窄，电动叉车企业不可能因为 他们的仓库改建而去缩小叉车的体积，因此转弯半径小的叉车将会适应这种场合， 然而转弯半径小正好是三支点电叉车的最大优势，基于以上分析三支点电叉车将会 得到广泛应用 6。 叉车按其吨位可分为小吨位叉车(2 吨及以下)，中吨位叉车(23 吨)，大吨位 叉车(56 吨)。国内也有 l0 吨与 16 吨的大型产品，电动叉车的起重量由于受到电 瓶容量的限制，一般都小于 3 吨，集装箱叉车一般大于 20 吨。本文涉及的三支点电 叉车由于考虑了稳定性因素，起重量只为 2 吨及以下 13。 根据驱动类型来分电动叉车可以分作以下三类：前轮驱动、全轮驱动及后轮驱 动。 后

36、轮驱动三支点电动叉车是指叉车后轮具有驱动和转向两大功能，且利用电能 为动力的叉车。后轮驱动叉车由于载重货物在前端，使得后轮驱动桥的负荷很小， 所以处于后轮的驱动系统匹配的电动机功率要求不高、结构不复杂节约了成本，由 于结构不复杂，使得转弯半径很小，这也成为了后轮驱动电叉车的一大优势。后轮 驱动电叉车的劣势在于当其工作时负荷几乎集中在前端，车体前倾，后轮轮压减 小，后轮的附着力也会跟着减小，致使牵引力下降，降低了叉车的爬坡能力，使得 叉车在负载爬坡工况下出现动力不足的情况 14。因此后轮驱动叉车适合在路况较好 的平路上行驶。 前轮驱动三支点电动叉车把驱动和转向两大功能分开，前轮完成驱动功能，后

37、轮实现转向功能。驱动系统共有两种类型为：前轮集中驱动和前轮分别驱动 13。前 轮集中驱动形式为共用一个驱动电机，动力的传递路径为先由变速箱再到差速器， 之后通过两个半轴驱动左右车轮转动。这种传动形式只是简单的把内燃机换成了电 动机，当三支点电动叉车90转弯时，三支点支承形式能实现更小半径的优势体现 不出来，因此前轮集中驱动形式一般不采用。现今，在国外三支点前驱电动叉车使 用的一般为前轮分别驱动形式，即以驱动电机和轮边减速器为一个驱动单元，通过 半轴或是输出端直接带动前轮。左右车轮各采用一个驱动单元，每个单元在结构上 相互独立，互不干扰，只有在行驶转弯时，通过相应的电控系统来分别控制两个电 机的

38、转速大小，从而实现电子控制左右两个驱动轮的速度之差。第二种驱动方式的 两个牵引电机集中安放在叉车前腔，两个电机体积都不大，整体结构紧凑。由于三 支点叉车的大部分载荷分布于前轮驱动桥上，特别当满负荷时前驱动桥所承受的载 荷为全叉车总重量的九成，因此叉车满载时运转所需的驱动功率也更大。后轮因为 负载较小，可采用双轮胎并置以加强三支点结构的稳定性 14。本文涉及的电动叉车 采用的驱动形式为前轮分别驱动，即为前轮驱动三支点电动叉车。 1.2.4 三支点电动叉车的其他特点 三支点电叉车与其他叉车一样，所有叉车具有的特点也都在其上得到一一体 现： 5 (1)宽视野门架的采用。三支点叉车一般运用的门架视眼均

39、比较开放，其伸缩范 围为2000mm到6000mm,门架种类很多，不同的使用者可选择不同的配置。在其他国 家，双“T”型结构被广泛运用。两个液压缸控制左、右两个门架，尽可能的削减前 部悬架的承重，使稳定性得到改良。 (2)采用助力转向：当前的三支点电动叉车通常运用液压或电子等方式来完成助 力转向，缓减转向盘的阻力，使操作者轻松驾驶 15。 (3)先进控制器的使用：微电子技术的应用越来越常见，它的使用，使得输出的 电流平稳性良好，节省电能。先进电控技术的使用使得电动叉车电池效率更高，它 对电瓶及电路的优良保护功能，使得电叉车的寿命得到了很大的延长。 (4)电能回收利用：当叉车不加速或制动的时候，

40、牵引电机此时就会发电，蓄电 池的电能即得到了补充，电能重复利用，减少浪费。这一特点延长了电动车工作时 间，同时降低了制动线及制动磨擦片的磨损，减少了使用成本 18。 1.31.3 轮边减速器的概况轮边减速器的概况 轮边减速器除了运用在小型物流工具上之外，在大型的重型机械及军用机械上 也得到了非常广泛的采用。通常轮边减速器有两种类型：圆锥行星齿轮式轮边减速 器；圆柱行星齿轮式轮边减速器。轮边减速器可以实现大传动和高离地间隙。其功 能是在原来基础上继续降速增扭，完成机械运行的要求；而且它还降低主减速器和 变速箱的传动比，使得相关零部件传递的转矩减小了，体积也变小了，节省了机械 的空间 19。轻型电

41、叉车通常使用圆柱行星齿轮式轮边减速器，它的运用可减小主减 速器的直径，提高叉车的离地间隙，有利于叉车的通过性。 轮边减速器利用行星齿轮结构实现减速增扭，行星齿轮传动是齿轮减速传动的 类型之一，此类型对于三支点电动叉车的行驶需求是非常适合的。 行星齿轮传动的种类和分类方法非常多，我们目前运用了前苏联 B.H库的略 夫采夫的分类方法，此分法是依据基本构件。行星轮系的基本构件代号为：K-中心 轮，H-行星架，V-输出轴。行星齿轮的分类主要有：2K-H、3K 和 K-H-V三种基本形 式，其他结构型式的行星齿轮传动几乎都是在三种基本形式的基础上做一定的改变 而来的。三种基本形式的特点为：2K-H 型行

42、星齿轮结构便于制造、好安装、整体尺 寸不大，质量小、传动效率高等优点，另外两种传动比大、效率也高，可整体尺寸 较大、质量也较大、难制造，且NGW型行星齿轮传动除了2K-H型行星齿轮传动的优点 之外，传动比还不被限制、也不被工作制度和使用功率限制。而所说的2K-H负号机 构，是指当转臂固定时，太阳轮与外齿圈的转向相反，或行星架固定时的传动比 i0。在轻型电动叉车上，欲让减速器结构更加紧凑，传动比更大，叉车通过性更 佳，因此运用 NGW 型圆柱行星齿轮减速器是最为理想的型式。将轮边减速结构形式 应用到电动叉车的设计中势必会提高轮毂驱动形式电动叉车的性能，对电动轮的广 泛应用也起到推动作用。 6 1

43、.1.4 4 论文论文主要研究内容主要研究内容 本文依托一种前驱电动叉车轮边减速器，在其设计研发过程中，对行星轮系中 的太阳轮和行星齿轮进行参数核算，为后期有限元分析准备所需的数据。经 ANSYS 初步分析发现行星轮系中太阳轮与行星齿轮的啮合齿面接触强度及齿根弯曲强度不 能满足齿轮材料要求，根据以前学者研究结果，可对齿轮参数进行优化，防止在齿 轮啮合传动过程中出现齿面点蚀、齿根微裂纹甚至断齿等齿轮传动失效现象。同时 也利用大型有限元分析软件 ANSYS 对减速器壳体进行静态应力的分析，分析发现壳 体满载时所受的应力及发生的应变不符合材料要求，通过对壳体尺寸进行优化，优 化后的壳体受力及变形均符

44、合使用要求，增加减速器工作的可靠性。 本文在结构上主要包括以下几个部分： 第二章主要介绍本文依托的项目对象即一种前驱电动叉车轮边减速器的概况、 工作原理、结构及行星轮系的特点。 第三章分析电叉车轮边减速器的传动装置行星轮系的均载特性，从均载性意 义、常用均载装置、解决行星轮系均载问题三方面分析，且借助 Pro/E 造型软件， 建立行星齿轮传动系统三维实体模型。 第四章是利用大型有限元分析软件 ANSYS 对太阳轮和行星齿轮啮合齿轮副进行 静态应力的分析，从分析结果发现齿根弯曲强度不能满足齿轮材料要求，经过参数 优化，确定出符合齿轮材料要求的参数。 第五章同样利用大型有限元分析软件 ANSYS

45、对减速器壳体进行静态应力的分 析，分析发现壳体满载时所受的应力及发生的应变不符合材料要求，通过对壳体尺 寸进行优化，优化后的壳体受力及变形均符合使用要求。 第六章是对本文的总结与展望，以及在后续的工作中应该完成的工作。 7 第第二二章章 三支点前驱电动叉车的轮边减速器介绍三支点前驱电动叉车的轮边减速器介绍 2.12.1 轮边减速器在三支点前驱电动叉车的应用轮边减速器在三支点前驱电动叉车的应用 2.1.1 国内外研究现状和发展趋势 电动叉车轮边减速器多以行星齿轮为主，全球部分工业强国，如日本、美国 等，他们尤其专注于行星齿轮传动的研制及推广使用，这些国家在传动性能、传递 功率、结构优化、转矩等领

46、域一直都具有很大优势。在行星齿轮传动动力学方面尤 其突出，成绩卓然，90 年代后由福特汽车公司出资，组建了由美国国家航空航天 局、美国军事研究中心为核心的研究组织，深入研究了行星齿轮的动力学，如自由 振动、均载特性等均做了非常深入的研究。 因为我国经济和科技方面的原因，针对行星齿轮动力学的研究才刚起步，研究 水准一直没有太大的突破。这么些年以来，国家加大了对机械制造业的扶持力度， 并且科学技术持续发展，这一领域的从业人员刻苦专研并吸取先进国家的经验，使 得行星齿轮理论研究和优化设计等方面取得了一些成绩，行星齿轮传动非线性动力 学模型和方程研究是我国关于行星齿轮传动动力学的代表，这两方面的研究获

47、得了 较好的成绩，他们已经把多项技术与现实生产相结合，并且使用效果良好。除此之 外，行星齿轮传动也利用了先进的优化设计理论，优化方案的选择由优化目的决 定，实际生产中各自的优化要求都不一样，所以相应的就会出现许多不一样的优化 方案，因此通过建立不同的轮边减速器行星齿轮数学模型，相应的运用适合的优化 方案。在目前取得的成果中，有针对行星轮均载特性及功率分流方面的优化，有针 对行星齿轮传动啮合效率、结构性能、体积的多目标优化设计研究，还有关于噪 声、振动、固有频率特性研究，对于以上取得的成绩的研究在提升国内机械类从业 人员行星传动技术方面的能力发挥了很大的作用。由于新理论及新数学计算方法的 应用，

48、行星齿轮减速器的研究也得到了很大的推进，很多新理论及新算法被运用到 了行星齿轮机构的优化研制当中，如可靠性工程理论、遗传算法、模糊数学、可靠 性工程理论等的运用。它们的采用使得行星轮系的研制、优化更有理论依据，对行 星轮系转动。 对于行星齿轮减速器结构设计上，目前比较常用的有 CAD，CAM 等设计方法，这 些方法都是从三维的角度去设计零件参数的，最终得到一个 3D 的实体模型,和之前 使用的传统二维设计方法相比，3D 实体模型设计技术对于机械设计与制造领域来说 是翻天覆地的变革。三维结构设计与优化设计二者并用，实现一体化工作，缩减工 作时间 20。现阶段，国外的一些企业结合产品的自身特点，独

49、立研发符合某类产品 的专属优化设计模块，专用模块之间能够很顺畅的进行数据的对接，产品的几何模 型可以通过其实体造型模块的优化结果直接输出，此设计方法极大提高了工作效 率，产品开发周期变短，对于提升公司研发设计实力有很大的帮助，产品研发能力 强，新品研发时间短，这些因素都可以让企业在市场竞争中占据强大优势 21。 8 今天，国内机械领域已经在快速发展，设计能力也有很大的进步。这几年，修 形理论在齿轮结构设计方面得到大量的运用，Lee Cw 和 Lin HH 22- 23研究齿向 修形在加载情况下对高重合度圆柱直齿轮的应力的影响。Maruyama 24通过鼓形修整 的最佳量降低了齿轮的传动误差。Sigg 推荐了一组螺旋角修形的齿廓修形和规则来 更正轴的扭转和弯曲变形，使载荷的分布趋于均匀。Conry 提供了一个优化设计流程 对斜齿轮进行齿向修形，他以沿接触线的载荷分布为目标函数，通过计算机编程对 齿轮对的接触方程求解。其他研究人员根据不同的修形参数和类型，提出了直齿轮 和斜齿轮不同的修形方法 25。Gopinath26基于有限元的轴的变形分析的方法进行了 研究。Sigg 认为，为了使齿轮因负荷所产生的变形与轴的