叉车转向系统

叉车转向系统Steering System of Forklift Truck2010.10 .第一节 叉车转向系统概述 11.1 叉车转向系统的定义、作用及叉车转向的特点 11.2 与整车机动性有关的主要考核指标 11.3 叉车转向系统的要求 41.4 叉车转向系统的组成 41.5 叉车转向系统的类型 5第二节 全液压转向系统 72.1 全液压转向系统的工作原理 72.2 全液压转向系统的组成 82.3 转向器的工作原理第三节叉车转向原理3.1 叉车转向原理3.2 车辆转向方式3.3 叉车在行驶中转向的基本条件第四节转向桥4.1叉车转向桥概述11.11 11 13 1516161.1.1 叉车转向桥的类型 161.1.2 横置油缸转向桥的构造 191.1.3 叉车转向桥的作用 214.2 1-1.8t焊接转向桥结构 224.3 转向桥安装及车轮定位型式 254.3.1 转向桥的安装方式 254.3.2 转向轮的定位254.3.3 叉车转向轮的定位方式 27第五节 叉车转向系统的设计 295.1 转向系统的设计方法 295.2 横置油缸式转向梯形的优化设计 305.2.1 转向梯形的类型305.2.2 曲柄滑块式转向梯形的优化设计 325.3 转向传动机构的设计计算 355.3.1 转向阻力矩的计算355.3.2 转向传动机构的受力计算 385.4 转向桥的设计计算395.4.1 转向桥的受力分析 395.4.2 转向桥强度计算 405.5 衡量叉车转向操纵轻便性的主要指标 415.5.1 方向盘最大作用力确定 425.5.2 方向盘回转圈数435.6 全液压转向器的选择 43第六节 叉车转向系统的试验 456.1 转向性能试验456.1 转向桥的疲劳试验 486.1.1 转向桥体疲劳试验台简介 486.1.2 转向桥体的疲劳试验 49i叉车转向系统6.3 整车强化试验51第七节 转向系统的安装调试及维护保养 517.1 转向桥安装注意事项 517.2 转向桥的调整527.3 转向系统的维护保养 53第八节 转向系统的主要故障及排除 538.1 转向系统重装后检查 538.2 转向系统故障排除 548.3 叉车的蛇行现象 54叉车转向系统第一节 叉车转向系统概述叉车主要用于货场仓库的装卸或短途运输，工作场地较小，转向频繁，常需要原地转 向。因此，叉车对转向要求比其他车辆更高，转向要求轻快灵活，转弯半径小，机动性能 好。1.1 叉车转向系统的定义、作用及叉车转向的特点1 .转向系统的定义：车辆转向系统是用来对转向车轮或较接车架的方位（正中位置或左、右偏转位置）和偏转角度实行操纵控制的全套机构， 它保证驾驶员对车辆行驶方向的控 制。驾驶员可以根据作业的需要、行驶的条件和环境，或者保持车辆平稳地直线行驶，或 者灵活地改变行驶方向和曲线行驶。2 .叉车转向系统的作用： 改变叉车的行驶方向 保持叉车直线行驶。3 .叉车转向特点： 后轮（桥）转向 轻快灵活 转弯半径小 机动性能好1.2 与整车机动性有关的主要考核指标Wmin 1 = -； CSin OC maxW=Min （ Wmin1 , Wmin2）图1-1叉车最小转弯半径简图1、最小外侧转弯半径 W:叉车空载运行状态，转向轮转到最大转角后，叉车车体最外 侧的回转半径.,B式中：s0= r内+2s产l cL叉车轴距；a max一外轮最大偏转角；C转向主销至车体最外侧的水平距离。最小内侧转弯半径（r内）：1-1.5t100mm1.8t 95mm2 2.5t 160mm3-3.5t 200mm5-10t200mm注：最小外侧转弯半径是决定叉车机动性能 （在最小面积内转弯的能力）的主要参数。 在不做特殊说明时，叉车的最小转弯半径就是指最小外侧转弯半径。车体外侧距转弯中心最远的地方，通常在叉车尾部平衡重处（货叉加长时也可能在叉尖处），最小转弯半径愈小，叉车的机动性能越好。影响最小转弯半径的因素有：轴距（L）、后轮轮距（与M有关）、车轮的最大偏转角 以及叉车的外形尺寸（车长）和尾部形状。止匕外，转向车轮的直径对叉车的最小转弯半径 影响很大，因而在保证车轮具有必需的承载能力的前提下，应尽可能选用外形小的轮胎。2.最小直角通道宽度 转弯时通道的最小宽度。当车体可以通过时：S：叉车空载运行状态，货叉最大开档时，叉车可直角（90度）CB B 1Si =Wmin -(0 -)X: a25当货物可以通过时:图1-2叉车最小直角通道宽度简图S2 = W min - ( S0 -) X a2.2式中a:间隙（国内计算取100mm,国外取0mm） b：货物宽度（通常取1000mm）标准货物：12t时S1S2;大于2t 时 S12RASA=W+K+b+a图1-3叉车最小直角堆垛通道宽度简图图1-4叉车最小直角通道宽度与最小直角堆垛通道宽度对比1.3 叉车转向系统的要求(1)、工作可靠：转向系统各零、部件应有足够的强度、刚度和寿命；(2)、满足正确的运动规律：叉车转弯时应使各转向轮无滑动地滚动，并应使转向轮 有较大的偏转角，以获得尽量小的转弯半径；(3)、操纵轻便：叉车作业时转向频繁，常常需以很小的转弯半径转向，故要求操纵 轻便，施加在方向盘上的手力不应大于100N。方向盘的回转圈数要少，一般从中间位置向 一个方向转动至极限位置的圈数，不应超过 4-5圈；(4)、要有路感：转向时转向轮所受的侧向力要适当地反馈到方向盘上，使驾驶员操 作时心中有数。但反馈不能太大，以免出现“打手”现象，避免使转向系统零件承受过大 的冲击载荷；(5)、转向灵敏：方向盘从中间位置向左、右转动的空行程不应超过15 ;(6)、调整、维修方便。我国机械行业标准0.5-10t平衡重式叉车技术条件JB/T2391-2007中还规定：转向 应轻便灵活，采用动力转向的叉车，转向时，作用在方向盘上的手操作力应为6N20M左右转向作用力相差应不大于5No当叉车以最大速度直线行驶时，不准有明显的蛇行现象。1.4 叉车转向系统的组成叉车转向系统是指由驾驶员操纵的、用来使车轮偏转的一整套机构，一般包括:图1-5叉车转向系统构成图转向操纵机构：（包括方向盘、转向轴、转向管柱、方向盘锁紧调整机构 ）用来传递并 放大驾驶员作用在方向盘上的转矩，将其转动改变为转向杆系的摆动；转向杆系：使内、外转向轮有不同的偏转角，以满足转向规律要求的转向机构；转向支承装置：（包括转向节、主销和转向桥体）用以支承转向车轮，并限定车轮在转 向时绕主销偏转。对于全液压转向系统，还包括液压管路。1.5 叉车转向系统的类型转向系统按照转向所用能源分为机械转向系统 （又称人力转向系统）和动力转向系统两 大类。机械转向系统完全依靠驾驶员的体能来操纵转向，克服转向阻力矩。动力转向系统 中，用来克服转向阻力矩所消耗的能量由原动机提供，驾驶员对系统操纵，以控制转向。叉车转向系统主要分为以下两类：1、机械转向系统：以驾驶员手力为动力的转向称为机械转向，其中所有传力件都是机械的。机械式转向 系统安全可靠，制造精度要求低，但操纵不便，对于转向频繁的叉车，特别是转向桥负荷 较大的大、中吨位的叉车，很难满足转向轻便和安全可靠的要求。如图 1-6所示。图1-6机械转向系统1方向盘2 纵拉杆3扇形板4 横拉杆5 转向节6转向桥体7转向器图1-7双轮偏转式机械转向系统1方向盘2 转向器3纵拉杆4 扇形板5横拉杆6 梯形臂7 转向桥8-转向垂臂2、动力转向系统：装卸搬运车辆轴压大、转向阻力矩大，转向频繁，为了使转向操纵轻便和灵敏，往往 需用动力转向系统。中等吨位和大吨位的装卸车辆几乎全部采用动力转向系统。根据工作 介质不同。动力转向系统分为气压式和液压式。液压式动力转向系统由于液体压缩性小， 工作压力高，因而有结构紧凑，重量轻，滞后时间短等优点，故被广泛采用。叉车作业时，转向频繁，经常需要原地转向，叉车空载时，转向桥的负荷约占车重的 60%,为了减轻驾驶员的劳动强度，叉车趋于采用液压动力转向。叉车液压动力转向系统 主要分为液压助力转向装置（图1-8）和全液压转向装置（图1-9）两大类。液压助力转向 是在机械转向的基础上，在纵拉杆处加装转向助力器。全液压转向装置与液压助力转向装 置不同之处是以全液压转向器取代机械转向器和纵拉杆等机械元件，且用高压油管将全液 压转向器和转向油缸联通。全液压转向装置操纵轻便，安装容易，易于总体布置，因而应 用更加广泛。图1-8液压助力转向系统1转向器2 纵拉杆3 助力油缸4 转向杆系5 tWj压油管图1-9全液压转向系统1方向盘2 全液压转向器3高压油管4转向油缸5扇形板第二节 全液压转向系统2.1 全液压转向系统的工作原理如图1-9所示，叉车转向时，司机在方向盘（转向操纵机构）上施加转向力矩，使方向 盘产生旋转位移，并通过转向轴传给转向器，转向器根据方向盘回转的角度大小，计量地 将分流阀分流过来的压力油通过管路传递给转向油缸，再通过转向梯形带动转向轮实现转向。2.2 全液压转向系统的组成目前，叉车转向系统主要由转向操纵机构、转向器及管路等组成。1 .转向操纵机构：主要由方向盘、转向轴、转向管柱、方向盘调整机构等组成。管柱上焊一支架，通过锁紧杆与支架相连。驾驶员可根据需要来调整前、后角度，调 整范围为4.566Oo为了操纵方便，在叉车的方向盘上，多数装有急转弯手柄，司机左手 转动方向盘，右手可同时操纵分配阀或变速箱换档手柄。装配时，急转弯手柄放在左侧，一般控制在 7点10点之间。2 .全液压转向器转向器是转向系统中的减速传动装置，它将驾驶员作用在转向盘上的力矩予以增大， 将转向盘的转动减速变为转向油缸的摆动，带动转向传动机构，使转向轮偏转。转向器要 有较大的传动比，以使操纵轻便；转向器还要有适当的传动效率，既容易克服车轮的转向 阻力矩，又要避免路面对转向轮的冲击完全传递到转向盘上来。它既要使转向灵敏，又要 保持一定的转向盘空程，使驾驶员操纵不过于紧张。同时结构还要紧凑。这些对转向器的 要求，使转向器成为一种特殊的传动装置。（1）转向器的作用：增力。通过转向器的传动比，将司机加在方向盘上的力予以增大； 传递运动。（2）转向器的类型：转向器有许多型式，目前机械转向系统主要采用循环球式转向器、球面蜗杆滚轮式转 向器。全液压转向系统以全液压转向器取代了机械转向器，全液压转向器按配油阀的结构 型式，可分为摆线转阀式和摆线滑阀式两种，叉车常用的是摆线转阀式全液压转向器，又 称奥尔比特转向器，转向器主要由三个部分组成：行星针齿摆线泵、控制阀、阀体。全液压 转向器是全液压转向装置的核心部分，它具有操作轻便，动作迅速，重量轻，体积小，便 于安装的特点。目前，116t内燃叉车及1 3t电瓶叉车采用的是BZZ型摆线转阀式全液压转向器， 它为开式无路感（又称为开心式无反应式，开心指是指转向器处于中位时，进油口和回油 口相通；无反应指是指转向器处于中位时候，作用在转向轮上的外力，在方向盘上不引起 感觉，即没有路感）全液压转向装置。BZZ型转向器在中间位置时，转向器进、回油口是 相通的，转向油缸的两腔是封闭的，作用在转向油缸上的外力传递不到方向盘上，驾驶员 手上无道路颠簸的感觉。它根据方向盘转动的角度计量地将分流阀输来的压力油输送给转 向油缸而实现转向。当发动机熄火时，油泵不供油，事故阀起作用，可实现人力转向。（3）转向器由三个部分组成：（1）行星针齿摆线泵（2）控制阀（3）阀体行星针齿摆线泵由转子（件7）和定子（件8）组成，定子相当于7个圆弧针齿齿形的固 定内齿轮。定子与一个有着6个短幅外摆线等距离曲线齿廓的转子啮合。定子中心与转子 中心之间有一偏心距。如无偏心距，则构不成压油、吸油。控制阀包括阀芯（件3）和阀套（件9）,阀芯通过销轴和联动轴（件4）与转子相连。阀芯 与方向盘、转向轴联成一体。在阀套上开有多排油孔，在阀芯上也开有油孔和油槽，当方 向盘不转动时，回位弹簧片（件5）使阀套居于中间位置。配油盘起着向摆线泵输配油的作用。 在阀体中的高压进油道和低压回油道之间装有单向阀，转向器正常工作时，单向阀关闭。 当发动机熄火，油泵停止供油，摆线泵作手泵使用时，单向阀开启，供摆线泵吸油用。阀体一在阀体内腔开有4排长槽，分别与转向器的4个油口相连。另外，开了 1排 配油口，与配油盘相通。图2-1摆线式全液压转向器1.限位柱 3.阀芯 5.弹簧片7.转子9. 阀套2.阀体4.联动轴6.连接片8.定子图27转陶式液压转向器1 一阀体2-那套3一转子4 一碳I柱5一定子6-秘芯7连接轴 箱子9-定位弹管H一转向轴11一单向邮阀体是转向器的壳体，所有零件都装在阀体内。阀体上有四个油孔：油口 A和液压泵相连，油口 B与油箱接通；油口 C和D分别与转向液压缸的两腔相连。控制阀由阀芯和阀套组成，两者用销子8连接，用片弹簧9定位。由于阀芯上销孔比阀套销孔大，阀芯可相对于阀套左右转动各8左右。阀芯通过外端榨头与方向盘转向轴相连。阀套通过销子8、连接轴7和计量马达的转子相连。计量马达的结构如图（2-2a）所示，它由定子5和转子3组成。定子和阀体固定在一起，转子通过连接轴7和控制阀阀套相连。定子有七个齿、转子有六个齿，转子以偏心距e为半径，围绕定子中心转动。转子围绕定子转动（称公转），同时还以反方向绕自己轴线旋转 （自转）。转子自转一周的同时绕定子公转六周，即转子的 公转转速是其自转转速的六倍。2.3转向器的工作原理1 .摆线泵的工作原理因转子、定子之间有偏心距，转子在转动过程中，一方面绕自身轮心转动，另一方绕 定子作公转，构成行星运动，传动的速比i= Z转=6,负号表示转子自转的方向与公转 相反。转子旋转时(工作时)，齿隙油腔容积不断变化，各油腔变为 3个压油腔，3个吸油 腔，1个困油腔。压油腔的油液通过配油盘通向转向油口，摆线泵的排量：q = -(D12 - D22) B 6 ml/r式中：D1一定子齿根圆直径；D2一定子齿顶圆直径；B一齿宽转子旋转时，齿隙油腔不断地关闭与开启。当转向时，半数齿隙处于油泵输出的高压 油的作用下，另一半则将油液挤出，送往转向油缸，完成转向动作。2 .控制阀工作原理中位：方向盘不动，阀套上小孔与阀芯上小孔相通，油液经小孔进入阀芯内腔，经长 槽上小孔接通回油口，回油箱。动作过程：方向盘带动阀芯转动，启闭油孔，带动摆线泵中转子转动，压油腔中油液 通过油口、油槽流向转向口，另一腔油液也通过油口、油槽流向回油口，完成循环。同时， 转子带动联动轴使阀套随阀芯转动，使之趋于关闭。弹簧片使阀套回到中位，停止配油。 当方向盘继续转动时，摆线泵把与方向盘成比例的油量送入转向油缸， 从而完成转向动作第三节叉车转向原理3.1 叉车转向原理车辆在行驶过程中，驾驶员需要控制车辆的行驶方向，根据作业和行驶的需要，或者 使车辆保持稳定的直线行驶，或者灵活地改变车辆的行驶方向，这统称为车辆的转向。它 对车辆的作业效率及行驶安全至关重要。要使车辆能够改变行驶方向，实现曲线行驶，就 必须改变其部分车轮或全部车轮运动方一向，同时路面对车轮的附着力必须足以防止车轮 的侧滑。轮式车辆在转向或直线行驶过程中，经常要求左右车轮以不同的角速度旋转，其 理由是：1、转向时，外侧车轮所走过的路程较内侧车轮长；2、当左右车轮轮胎、载荷、气压不等或磨损不均时，其实际滚动半径不等；3、在高低不平的道路上行驶时，两侧车轮实际走过的路程不同。因此，为了减少转向和直线行驶时的功率损耗、轮胎磨损及地面阻力，改善操纵性，对轮式车辆转向提出的基本要求是：尽可能的保证车辆在地面上只有滚动而不产生滑动 （包括侧滑、纵向滑和滑转）。为此，轮式车辆转向必须满足下列基本原理：叉车行驶转向时，必须保证所有车轮作纯滚动而无滑动，以减小轮胎磨损，减小行驶 阻力。要实现这个要求，必须使叉车在转向过程中，所有车轮直线速度矢量的垂线相交于 一点，这一点就是瞬时转弯中心。由图3-1可见，对于三支点叉车不论转向轮是一个车轮或两个并置车轮，转向轮都同 时绕一根垂直于地面的轴线偏转，故称单轴线式转向方式。转向时前、后轮轴线的延长线 总交于一点，总能满足所有车轮纯滚动的要求。图3-1三支点叉车图3-2四支点叉车而对于四支点叉车（图3-2）,要使所有车轮作纯滚动，两后轮的偏角是不等的，内转 向轮的偏角B要比外转向轮偏转角a大，它们应符合下式关系：Mctga重口二1（3-1）式中：L叉车轴距；M主销中心距（两个转向主销延长线与地面交点间的距离） :外轮偏转角；1 内轮偏转角。上式又称为叉车转向的纯滚动条件，无论采用怎样的转向机构，都要尽可能保证叉车 在转向时，转向轮的内外偏转角符合式 3-1。要使内外车轮在转向时具有不同的偏转角， 采用梯形机构便可达到目的。设计转向梯形时，必须保证内外车轮的转角符合或接近车轮 纯滚动条件。为了使转向灵活，曲线行驶的阻力小，要求车辆曲线行驶时所有车轮都作纯滚动而不 滑动。这就需要：所有车轮的轴线交于同一垂直线上，即交于车辆的瞬时转向中心线； 各个车轮的转速与各车轮滚动平面至转向中心线的距离成正比，为此要求驱动桥两侧车 轮之间装有差速器，以适应车辆曲线行驶时车轮不同转速的需要；从动轮则能自动适应这 一转速需要。3.2 车辆转向方式装卸搬运车辆因构造不同，其转向方式分为两类：偏转车轮转向方式和校接车架转向 方式。1 .偏转车轮转向方式偏转车轮转向方式就是车辆有部分车轮或全部车轮相对车架偏转一定角度.以实现车辆转向的构造方式。其中又可分为单轮偏转、双轮偏转、全轮偏转等多种方式。(1) .单轮偏转转向方式对于三支点车辆，转向时都是将位于车辆纵向中心面处的单个车轮(或两个并置的车轮)作为转向轮，绕垂直于路面的轴线转动一个角度，偏转后前后车轮轴线始终交于转向 中心线上，曲线行驶时总能满足所有车轮作纯滚动的要求。(2) .双轮偏转转向方式四支点车辆中，只有两个车轮作为转向轮，分别绕各自的主销轴线偏转，为了使各车 轮轴线交于车辆转向中心线，两个转向轮的转角必须不同，且需满足一定的几何关系。可得此关系为：ctgP-ctgaODJOEM(3-2)说明两个转向轮转角的关系与转向轮主销中心距 M对车辆轴距L的比值有关，转角a、 B足了上式的关系才能保证各个车轮作纯滚动。(3) .全轮偏转转向方式四支点车辆中，四个车轮全部为转向轮，分别绕各自的主销轴线偏转。为了使各个车 轮轴线交于转向中心线上，且转向中心线位于横向中心面内，两个前转向轮和两个后转向 轮的转角，均须满足如下几何关系式：一 一 2MCtgP -Ctga =(3-3)车辆的转向方式直接影响车辆的机动性，如车辆轴距L、转向轮最大偏转角a max及外形尺寸相同，那么从转向中心 。至车辆纵向中心线的距离 OA可以用来表征车辆机动性的 好环。OAt小，则理论转弯半径愈小，机动性愈好。图3-3车辆转向方式简图a)单轮偏转方式双轮偏军专方式全轮偏车专方式;d)较接车架方式单轮偏转方式：Rl=OA=Lctg a max双轮偏转方式：R 2= OA =Lctg a max+M/2全轮偏转方式：R 3=OA = (L/2)ctg a max +M/2很明显看出：R2 Ri, R2 R30即采用单轮偏转转向方式的三支点车辆，其机动性比采用双 轮偏转转向方式的四支点车辆要好，但三支点车辆其横向稳定性差，重力和离心力的合力 线容易超出横向倾覆边，所以只有轻小型车辆在平坦良好的路面上工作又需要机动性好的 条件下，才采用这种转向方式。四支点车辆如采用全轮偏转转向方式，虽然机动性很好，前后车轮轨迹重合，但驱动 轮也需偏转，需做成转向驱动桥，使结构复杂，因此应用很少。在被牵引的挂车上，由于 全部车轮都是从动轮，为了提高机动性，常采用这种转向方式。自行的四支点车辆还是以 双轮偏转转向方式为主。不论单轮偏转还是双轮偏转转向方式，都可能有两种情况：一为前轮转向，另一为后轮转向。采用何种结构主要视车辆的用途及工作条件而定。原则上以轮压小的车轮作转向 轮，以使转向轻便；轮压大的车轮作驱动轮，以使驱动力大。汽车、牵引车等前轴负荷小 后轴负荷大，故都是前轮转向；叉车、单斗装载机等前轴负荷大后轴负荷小，故以后轮转 向。2 .较接车架转向方式在全部车轮均为驱动轮的车辆上，若采用偏转车轮转向方式，则必须采用转向驱动桥, 使得构造复杂。较接车架转向方式正适用于全轮驱动的车辆。其特点是车辆的车架不是整 体的，而是做成前后两段车架，中间用垂直钱销连接起来。转向时，用液压缸使前后车架 绕银销相对转动一个角度。前后驱动桥各自连接于前后车架上，车轮对车架都没有相对偏 转。前后车架的相对转动使前后车桥也相对转过同一角度，两桥的轴线交于转向中心线， 即所有车轮的轴线交于转向中心线，车轮之间又有差速器，故满足曲线行驶的要求。校接车架转向方式的优点：首先是转向半径小，机动性好，车辆作业效率高。据统计， 用钱接车架转向方式的单斗装载机的转向半径约为用后轮偏转转向方式的装载机转向半 径的70%,作业效率可提高20%。其次是结构简单、制造方便。它的缺点是：转向状态下 车辆横向稳定性差；转向过程车轮有横向滑移，转向阻力矩大，转向后不能自动回正。3.3 叉车在行驶中转向的基本条件叉车在行驶中转向是依靠转向轮的纯滚动平面与叉车的行驶方向偏离一定的角度而 实现的，在一定程度上可以讲：当其他条件不变时，转向轮的偏转角度越大，转弯半径就 越小。但是当转向轮偏转角度超过一定数值时，车轮可能在路面上产生滑移，而叉车的行 驶方向并不改变。为保证转向时不出现转向轮的滑移现象，转向轮的最大偏转角应遵循下面公式的理论 依据。如图3-4所示，假设Pi、P2为车架传给左右转向轮的推力，在车轮转向平面内的分力 分别为Pi?cosa、P2?GsB，车轮克服阻力向前滚动的条件为：Pi ?COS a f?Zi; P2?COs B f?Z2式中f:转向车轮滚动阻力系数；Zi、Z2：两轮的垂直负荷。转向时要使转向车轮不出现滑移现象，必须满足下面条件:P1 ?Sin a J(5z1)2 ( fz1)2P2 ?Sin B 式中中：转向车轮与路面粘着系数;(Z)2(fZ2)2(3-4)B分别位外轮和内轮的偏转角。综合以上各式，就得到了叉车在行驶中转向的基本条件:(3-5)tg a y/8 2一 f 2叉车在坚硬干燥的路面上行驶时，粘着系数远远大于滚动阻力系数，上述条件完全可 以满足，但当路面潮湿松软时，粘着系数减小，滚动阻力系数增大，要满足条件，车轮转 角必须减小，也不能进行急转弯，否则会出现滑移，叉车将失去操纵。例如，叉车在雨后 的土路上转弯，中=0.3, f=0.15,内轮转角B 60图3-4叉车转向时车轮受力图第四节转向桥4.1 叉车转向桥概述由于叉车工作装置布置在其前端，叉车满载工作时，前轮负荷较大（承担货物重量和 车体自重的90%以上），为了减小转向阻力矩，使司机转向操纵轻便，通常叉车一般以后 桥作为转向桥。4.1.1 叉车转向桥的类型叉车转向桥悬挂装置（又称叉车悬架），是车架与转向桥或直接与转向轮相连接的全 套零件的总称。根据叉车悬架导向装置的结构及运动特点，一般可将悬架分为三支点和四 支点两种类型。四支点悬架较三支点重心低，稳定性好，本文主要研究四支点悬架机构。 四支点悬架根据是否采用弹性元件和两转向轮之间的相互关系，一般可分为三种结构形 式：1、相关弹性悬架。在这种结构中，两个转向轮和转向桥硬性联系，而转向桥悬挂在连接车架的弹簧上， 因此在运动中一个车轮的位置和另一个车轮的位置具有相关的联系，故称为相关弹性悬 架。此种结构如图4-1所示。转向桥通过两个纵向半椭圆弹簧悬挂在车架上，每个弹簧是由6个簧片及两个弹簧箍所组成，弹簧片用中心螺栓将其固定在转向桥上。弹簧的前弯耳 则通过摆动吊杆悬挂在车架后部横梁的托架上。半椭圆弹簧除了可以传递垂直力和缓和冲击外，同时兼起导向作用，故可将半椭圆弹簧看成以上两种元件的组合。1痔宛展，!. B一横向拄舁 1|动杠杆,4鼻JW, 6 *一主钩1T转向节胃.图4-1相关弹性悬架相关弹性悬架的另外一种型式为橡胶套管式悬架，如图4-2所示。这种结构省去了两个半椭圆弹簧，所以比上一种型式要简单得多。减振作用是靠转向梁中间较接轴中的橡胶 套来达到。虽然减振作用不及半椭圆弹簧明显，但是其结构较为简单。1图4-2橡胶套管式弹性悬架2、独立弹性悬架。这种结构型式是每个车轮单独的悬挂在车架上，除该装置中的平衡装置可相互传递载荷外，两车轮的位置互不影响，故称此装置为独立悬架。这种悬架结构如图4-3所示1 一座奖第麻，2 玄蚓 曰一一贵耳或描1一钠于, J7咤旗.工一钠，$下管，& , w畤同节+ c 主鞘f rnt 11上h* I* 一即肝，i凡15手折柢fh J4 他好 1U 一轮幅，图4-3独立弹性悬架图中所示的转向桥结构中，实质上并没有一根连接两边车轮并承受两轮载荷的梁。每 个车轮都通过两个摆动臂及一根支柱悬挂在车架的纵梁上，而转向节则较接到支柱上。平 衡杠杆的作用是将一边车轮的载荷传递到另一边车轮使其保持平衡。导向装置为上臂11和下臂4,弹性元件则为能够承受扭矩的扭杆 12,当叉车在不平道路上行驶时，就会引起 悬架挂在上下臂上的转向轮发生振动，这种振动则由扭杆12所吸收。这种结构比较复杂，检修保养均较困难。这种结构除旧式叉车外，近代叉车实际早已不用。3、刚性悬架这种悬架又称中间较轴式悬架，它的两个转向轮和转向桥刚性联接，转向桥不通过任 何弹性元件，直接与车架后部的支座较接相连，故称为刚性悬架，如图4-4所示。这种结构的特点是悬架系统中无弹性元件，所以地面不平引起的冲击载荷可直接传递 到车体上，使其运行性能不良，但此结构简单，零部件少，自重轻，目前国内外叉车制造 厂家普遍采用的横置油缸转向桥就属于这种悬架类型。图4-4刚性悬架4.1.2 横置油缸转向桥的构造横置油缸式转向桥采用曲柄滑块机构，压力油推动转向油缸活塞杆通过连杆带动转向 节转向，使转向轮偏转，从而实现转向。横置油缸式转向桥特点为：结构简单，布置方便、紧凑；左右转向时方向盘转角相同；最大转角大（最大可达 85。），转向角误差小，机构传动角大；缺点是在转向过程中，油缸活塞杆要承受径向力。横置油缸式转向桥主要由转向桥体、转向油缸、连杆、转向节和转向轮等零件组成 其机构如图4-5:图4-5转向桥总成1.转向桥体 2.连杆3.转向油缸4.转向节5.转向轮1 .转向桥体桥体通常采用工字形断面焊接而成。桥体 与转向节的连接方式，通常有拳形和叉形两种 结构，本公司生产的叉车转向桥体均采用叉形 结构。转向油缸通过支架固定在桥体上，13t 车采用限位螺钉装在桥体筋板上用来控制最大 转向角限位（外限位）；510t车采用转向油缸 限位（内限位）。2 .转向节转向节位于桥体两端，通过转向主销，将 转向节、推力轴承、滚针轴承、防尘罩、“O” 形圈装在转向桥体两端的上下之间，转向节与 转向主销的固定采用紧定螺钉，可绕桥体转动， 外载由桥体上部的推力轴承来承受。图4-6转向桥体与转向节连接简图a）拳形结构b）叉形结构3.转向轮转向轮总成由轮毂、轮胎、轴承、端盖、油封、紧固件等组成，承受车体的重量和地 面上的各种力。轮毂用两个圆锥滚子轴承及紧固件等装在转向节轴上，车轮通过轮物撬到 轮毂上，轴承内侧装有油封，使润滑脂保持在轮毂和转向节腔内，螺母用来调整轴承松动 程度。4.轴承转向桥共有3种轴承：推力轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承。轴承主要是根据转向桥 的受力情况来选择。目前110t车用的轴承如下：号吨名称推力轴承圆锥轴承(大)圆锥轴承(/、)滚针轴承1 1.8t982057208E7206E942/2523t1989067201E7207E943/323.54t82087214E7211E943/3257t82097515E7511E942/45810t82117515E7511E942/45推力轴承一一主要承受作用在叉车整机的垂直重量；圆锥轴承主要承受转向车轮上的径向力和侧向力；滚针轴承主要承受径向力(以平衡车轮的径向力和侧向力)5.转向油缸横置式的转向油缸为贯通双作用活塞式，两端与连杆相连，活塞密封件采用支承环和“O”形圈的组合密封，导向套与活塞杆之间采用 Yx圈轴向密封，导向套与缸筒间采用“O” 形圈轴向密封，活塞与活塞杆焊成一体。a型内燃车和电瓶车在油缸内加浮动轴套，通过两侧缸盖把油缸固定在桥体上；H2000型内燃车油缸内无轴套，通过缸筒上的支架把油缸 固定在转向桥体上。活塞杆头部装有关节轴承，即可润滑又可调节摆动量。横拉杆式的转向油缸式双作用活塞式，油缸一端接头总成安装在车体支座上，另一端活塞杆装在转向桥的三连板上。活塞密封件采用支承环和“ O”形圈的组合密封，导向套 与活塞杆之间采用Yx圈轴向密封，导向套与缸筒间采用“ O”形圈轴向密封，活塞与活塞 杆之间通过紧固件连接在一起。4.1.3叉车转向桥的作用叉车主要用于货场仓库的装卸或短途运输，工作场地较小，转向频繁，常需要原地转 向。因此，叉车对转向要求比其他车辆更高，转向要求轻快灵活，转弯半径小，机动性能 好。叉车转向桥的安装采用中间支承式，通过缓冲垫或轴承座连接到车架后部尾架上，其 作用主要有：(1)、转向桥承担叉车的后部重量；(2)、承受行驶时道路对叉车后轮的各种作用力和力矩，并且吸收振动和冲击；(3)、将车架传来的垂直力、纵向力或横向力传给转向轮，以保证叉车能够正常行驶或转向4.2 1-1.8t焊接转向桥结构国产1-1.8t叉车焊接式横置油缸转向桥总成零件爆炸视图如图4-7所示:图4-7国产1-1.8t叉车横置油缸式转向桥总成现有1-1.8t叉车横置油缸式转向桥的构成零件如下表所示:序号名称序号名称1转向桥体总成23紧定螺钉2连杆24螺母M123转向油缸总成25螺母M164减震块26衬套5支架27直通式润滑油嘴6右转向节总成28左转向节总成7平间推力轴承29螺栓M12X358滚针轴承30弹簧垫圈9转向节主销31。型圈10销32油封11调整垫33衬套12U型密封圈34螺栓 M10X1.25X4013转向节调整垫35弯颈式润滑油嘴14螺母36螺栓M6X1215防尘圈37垫圈（）616轴承3020838挡板17轴承3020639连杆销18螺母40ES型向心关节轴承19垫圈41调整垫20销42垫圈（）1621轮毂盖43螺栓M16X5522轮毂44垫圈表4-1 1-1.8t横置油缸式转向桥的零件结构表（1）、转向桥体焊接转向桥体通常采用箱形横断面的结构形式，由上下桥板、左右筋板、中间腹板、 前后支承座以及四个轴承座焊接而成。1-1.8t叉车的转向桥桥体（件1）与左右转向节（件 6、件28）的连接方式均采用叉形结构。转向油缸通过支架固定在桥体上，通过装在桥体 筋板上的限位螺钉（件34）来控制转向轮的最大转向角。（2）、转向节和转向主销转向节位于桥体两端，通过转向主销（件 9）,将转向节、推力轴承（件7）、主销衬套 （件8）、防尘圈（件15）、。型圈（件31）装在转向桥体两端，转向节与转向主销采用固定 销（件23）连接，可绕桥体转动，桥体负荷由桥体两端的推力轴承（件7）来承受。（3）、转向轮转向轮总成由轮毂、转向轮总成、轴承、轮毂盖、U型密封圈、紧固件等组成，承受车体的重量和地面上的各种力。轮毂用两个圆锥滚子轴承及紧固件等装在转向节上，轴承 内侧装有油封，用来密封轮毂和转向节腔内的润滑脂， 轴承的游隙通过调整螺母进行调节。转声轮总成图4-8转向轮(4)、转向油缸油缸为双作用活塞式，活塞密封件采用支承环和 O型密封圈组合密封，缸盖和活塞杆 之间采用U型圈轴向密封。油缸通过缸体上的支座固定在转向桥体上。图4-9焊接桥转向油缸1.缸筒总成2.活塞杆3.支承环 4.支撑环 5.O 型圈6.O型圈 7.活塞8.钢球9.O型圈 10.钢背轴承 11.U 型密封圈12.缸盖 13.防尘圈4.3转向桥安装及车轮定位型式4.3.1 转向桥的安装方式转向桥为中间支承式，H2000型、G系列叉车转向桥通过缓冲垫连接到车架后部尾架 上，其余转向桥通过轴承座连接到车架后部尾架上。当车轮通过不平的路面时，转向桥绕 中间轴回转，车轮随路面高低情况而上下摆动，左右摆动 3度（路面不平、离心力），其 最大的摆动量为60mm当摆动量过大时，易与车体、平衡重干涉；当摆动量过小时，易造 成叉车倾翻。设计时要确保摆动过程中车轮与尾架、平衡重不干涉。4.3.2 转向轮的定位为了保证车辆能稳定地直线行驶，应使转向轮有自动回正作用，即车辆直线行驶时转 向轮偶遇外力作用而发生偏转时，在外力消失后，转向轮应有自动回到直线行驶位置的能 力。这不仅使车辆行驶平稳，还使驾驶员操纵轻便。这主要通过转向轮的适当安装定位来 达到。转向轮的定位参数包括主销后倾角、 主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束。对汽车、 牵引车等车辆，转向轮的四种定位参数都可能有，对于叉车、装载机等装卸车辆，主要采 用主销内倾角和车轮外倾角。1 .主销后倾角Y对于以前桥作为转向桥的车辆，将主销轴线在纵向垂直平面内后倾一定角度丫（如图4-10a）,即主销上端靠后、下端靠前，这样上销轴线与路面的交点a将位于车轮着地点b的前面当转向轮偶遇外力作用而稍有偏转时（例如图示车轮向右偏转），车辆曲线运动将受 到本身质量离心力的作用，而路面将给车轮以侧向反力Y,此反力Y作用于车轮着地点b处，对主销轴线形成一个迫使车轮回正的力矩，当车轮回正以后，车辆直线行驶，车辆离 心力及路面给车轮的侧向反力不再存在，自动回正力矩消失。对于以后桥作为转向桥的车 辆（如叉车）主销在纵向垂直平面内应该前倾，同样，当车轮偏转时也有自动回正作用。车 辆的行驶速度对自动回正力矩有直接影响，车速高，离心力及路面对车轮侧向反力均大， 自动回正力矩大。自动回正力矩有利于车辆直线稳定行驶，但当车辆需要转向或曲线行驶 时，这种力矩反过来成为操纵力矩的阻力矩， 使驾驶员的操纵力增大，因此主销后倾角（或 主销前倾角）不能太大，一般在3以内。叉车等装卸车辆由于车速低，主销前倾的自动回 正效果不显著，为简化转向桥结构和制造工艺，取 丫 =0。而主要采用主销内倾角来保叉车转向系统 证转向轮的自动回正。2 .主销内倾角B即将主销轴线在横向垂直面内倾斜一个角度9 ,其上端向内，如图（4-10b）所示。主销内倾也使转向轮有自动回正作用，当转向轮在外力作用下由直线行驶位置偏转一个角 度时，转向节绕主销转动一个角度，并使主销有所抬高（从相对运动来看，如主销高度不 动，车轮绕主销转动将使车轮着地点陷入路面以下），同时也将转向桥梁及整车抬起一个高度，从能量观点看，车辆抬高，其重力势能增加，处于不稳定平衡状态。当迫使转向轮 偏转并使车辆抬高的外力矩消除后，就放出势能而使车辆回复到势能最小的稳定平衡位 置，即直线行驶位置。从受力来看，转向轮偏转 a角后，路面对车轮的垂直反力 Zi对主销 轴线有一个分力力矩 Zisin 0 - esin a ,此力矩使转向轮回复到原来中间位置，是自动回 正力矩。止匕外，主销内倾还使得主销轴线与路面交点到车轮滚动平面的距离e减小，转向阻力矩相对减小，从而使转向操纵轻便。但内倾角不宜过大，如过大则回正力矩增大；距离 e 也不宜过小，如过小则转向时转向轮与路面间的滑动摩擦阻力矩增加，这些都使转向操纵 变得沉重。一般9角不大于8。图4-10主销后倾角与主销内倾角a）主销后倾 b ）主销内倾3 .车轮外倾和车轮前束车轮外倾即直线行驶时转向车轮滚动平面不垂直，上部向外倾斜，而与垂直平面成一夹角小（图4-11a）如果转向轮轻载时正好垂直路面，则重载时将因转向桥的变形而使转 内轮内倾，造成轮胎内侧的偏磨损，并加重了转向轮外端小轴承的负荷， 降低了轴承寿命。 为了使转向轮轮胎磨损比较均匀和减轻外端小轴承的负荷，安装车轮时预先使车轮有一定26叉车转向系统的外倾角，以防止使用中出现车轮内倾。车轮外倾角是在设计转向节时确定的，即将转向 节轴线设计得不是完全水平，而是外端向下倾斜一个 小角。车轮外倾角不宜过大，否则同 样会使车轮轮胎外侧偏磨损。小一般在11.5 。车轮有了外倾角后，在滚动时。就类似于滚锥，导致两侧车轮有向外滚开的趋势。由 于转向桥和转向横拉杆的约束，使车轮不可能向外滚开，但在滚动时存在车轮对路面的横 向滑动，从而增加了轮胎的磨损。为了消除车轮外倾带来的这种不良后果，在前桥为转向 桥的前进车辆上，安装车轮时，使两个前轮的中心面不平行，两轮前边缘距离B小于后边缘距离A,A、B之差值称为前束。这样可使车轮在每一瞬时滚动方向接近于向着正前方， 从而车轮的磨损减小。车轮前束通过调整横拉杆长度而得到。装卸车辆由于前进后退机会 相近，不宜采用前束。图4-11转向轮的外倾与前束a）转向轮外倾 b ）转向轮前束4.3.3 叉车转向轮的定位方式为了保证叉车直线行驶的稳定性和转向轻便，叉车转向轮主要采用车轮外倾角和主销 内倾角，它们称为转向轮的定位角。1、转向车轮外倾角：直线行驶时转向车轮滚动平面不垂直，上部向外倾斜，而与垂 直平面成一夹角。如果转向轮轻载时正好垂直路面，则重载时将因转向桥的变形而使转向 轮内倾，造成轮胎内侧的偏磨损，并加重了转向外端小轴承的负荷，降低轴承寿命。为解 决这一问题，设计上预先使车轮有一定的外倾角，主要目的为在叉车承载后，迫使车轮回到中立位置。外倾角不宜过大，否则同样会使轮胎的外侧偏磨损，一般为11.5度。车轮外倾角能使车轮轮毂轴承和主销衬套中存在的间隙，受载后消失，这时仍能保证车轮平面与路面垂直，以保证车轮正常的行驶和转向。2、主销内倾角：主销有了内倾角后，转向节的轴线与主销孔的轴线不再相互垂直， 给转向节的加工带来困难；但主销轴线与地面交点至车轮支承中心点的距离确由ei减小为e,从而减小了转向轮偏转的阻力矩，还可以减小不平路面对转向系的冲击负荷。此外， 还可以使转向轮有自动回正作用，易于保持叉车直线行驶，减少蛇行现象。主销内倾角一 般为为57。a)图4-12主销内倾角与车轮外倾角在全液压和液压助力转向系统中，可由液压系统保证转向轮的回正，故主销内倾角为0。机械横拉杆式转向桥的主销内倾角为 7,叉车等装卸车辆由于车速低，主销前倾的自动回正效果不显著，为简化转向桥结构和 制造工艺，一般不采用主销后（前）倾角。由于叉车的前进后退的机会几乎相等，故一般 不采用车轮前束角。内燃叉车、蓄电池四支点叉车最大内转角为78 /54 ； 1 3t小轴距叉车（因实心轮胎外径小，与机构的干涉少）最大内转角为840 /560。第五节 叉车转向系统的设计5.1转向系统的设计方法56*骑庭双曲柄铸商机构需数校费转向机构的转向性能01胎已知嘉鼓和智束打其机构的代勒性能蟀I构科科要出转向油鼠密枸尺寸编定转向标等部件三维建携W轴承的受力及寿命计算转向桥零部件神液核由整事部件弱伏*图5-1横置油缸式焊接转向桥的设计步骤5.2横置油缸式转向梯形的优化设计5.2.1转向梯形的类型对于四支点叉车，为了保证两转向轮的偏转角满足式（3-1）,必须采用一套杆系机构将左右转向轮联接起来，使两轮同时偏转，实现不同的偏角，这套机构称之为梯形机构， 常用的梯形机构有单梯形和双梯形两种形式。（1）单梯形机构：单梯形机构是最简单的4杆机构，它以转向桥体作为固定机架，两个分别与左右转向 节固定并绕左右主销转动的摇杆称为梯形臂，左右梯形臂的转角即为左右转向轮的偏转 角。连接左右梯形臂的连杆称为横拉杆。转向时，纵拉杆带动转向节臂，转向节臂与一侧 的转向节固连，带动该侧转向节偏转，通过转向梯形机构再带动另一侧的转向节偏转。单 梯形机构的转向轮偏转角一般不大于 45。图5-3单梯形机构外置式图5-4汽车用转向梯形a）内置式 b）根据梯形机构在叉车上的安装位置，可分为 内置式和外置式。梯形布置在转向桥和驱动桥之 问时称为内置式，梯形机构布置在转向桥之外的 称为外置式（图5-3）。两种型式的两梯形臂的延 长线都交于纵向中心线上。汽车大都使用单梯形机构，内轮的偏转角一 般为3540 。（2）双梯形机构叉车机动性要好，要有较小的转弯半径。为此，必须使瞬时转弯中心尽量靠近叉车。要达到这个目的，除了尽可能缩短叉车轴距L和主销中心间距M外，还必须在满足式（3-1） 的条件下，同时增大内外转向轮的偏转角度。目前叉车内轮的偏转角大多在75085之 间，单梯形机构已经无法满足，只有采用对称的 6连杆机构才能满足要求，6连杆机构型 式较多，统称为双梯形转向机构。叉车上常用的双梯形机构的布置形式有交叉式和八字式（图5-5）。八字式梯形优于交叉式梯形，它的转向节左右对称，便于制造；左右横拉杆和转向节臂在同一平面内，球头销朝上，磨损后不会出现横拉杆脱落的危险。八字式梯形易于实现转向车轮更大的转角， 可使转向时内外转向轮的误差减小。它的缺点是转向节臂和横拉杆在转向中有可能重合为 一条直线，出现死点。图5-5双梯形机构a）交叉式b）八字式在液压动力转向的车辆中，在两个转向车轮（转向节）之间采用双曲柄滑块式6杆机构联系起来，可视作将扇形板扩大为无穷大的一种八字式转向双梯形机构（图 5-6）。在这 种机构中，将转向油缸固定在转向桥体上，油缸活塞杆双向伸出，作为六杆机构的主动杆 件（滑块）。这种机构除了能够获得比较理想的转向轮转角外，因转向油缸、转向梯形机 构和转向桥体合装在一起，构成一个独立的部件，给车辆的总体布置和安装调试带来方便； 且油缸两腔的面积相等，使得左右的转向效果完全相同，因而这种机构是目前应用在叉车 转向桥部件中最为广泛的一种转向机构。但这种转向机构中活塞杆要受到侧向力，因此活塞杆刚性要好，密封件要耐磨，以免 渗漏。5.2.2曲柄滑块式转向梯形的优化设计曲柄滑块式转向梯形机构（图5-6）,除主销中心距m外，还有4个独立变量，即曲柄 （相当于梯形臂）长度r,曲柄初始角9 ,连杆长度l ,滑块（即活塞）中心线至机架（即 转向桥）中心线的距离 e。为了实现车轮作纯滚动的转向原理，内外转向车轮的偏转角必 须满足式3-1 ,即驱动油缸推动内轮偏转后，相应的曲柄滑块结构拉动外轮的实际偏转角 与外轮理论偏角的误差应为最小。若按常规的设计方法，如用图解法或试凑法选择机构参数不能保证机构的优越性。这是因为：杆件几何精度达不到要求，从而影响机构工作性能；由于结构中涉及4个待定参数，计算过程很繁琐；考虑液压缸活塞杆受力对密封件性能的 影响，在进行力学分析和设计计算过程中，也必须考虑转向运动过程对密封件性能的影响。 因此我们选择了采用优化设计的方法，实现机构参数的确定。对于m/L= 0.480.62的车辆，以曲柄滑块机构的4个独立参数作为设计变量，为了变量的无因次化，取_t _一 _ _tr leT=Xi,X2,X3,m =Ko,Ki,K2,8，式中 Ko = ,Ki=,K? =； m r m建立优化设计的目标函数：当内轮转角由0一 B max时，评价转向梯形运动精度的外转向轮转角相对误差的绝对值：f=a理论一a实际最小。0t理论tan 1tan -1 Rtan:(2-11),其中R= m/L转向特性参数；L为叉车轴距;实际=0 -tan-cosk2 +k2 + (Tm +Sm)2 -k2k22k0 V1r(1 +Sm)2 +k2(2-12)般优化设计的结果，转角的误差f不超过1图5-6曲柄滑块式转向梯形此外，为了满足转向油缸布置要求、活塞杆的受力变形（推力、弯矩、挠度）要求和 曲柄滑块机构的传动性能，还必须建立机构