叉車減小轉彎半徑的改進方案及其可行性研究

0 引言

叉車一般在較小的作業場地使用，其轉向操作頻繁，經常需要原地轉向，因此叉車對轉向機構的要求比較高[]。叉車的機動、靈活性主要取決于其轉彎半徑和外形尺寸。叉車轉彎半徑通常是指叉車空載狀態下，轉向機構轉到最大轉角后，瞬時轉彎中心距離車體最外側的距離，反映了叉車的通過能力，直接影響叉車的機動性能[2]。在保證叉車外形尺寸的前提下，要盡可能的減小轉彎半徑。

1叉車的轉向機構

對于四支點叉車來說，要讓所有車輪都做純滾動[3]，必須采用一套轉向機構將其左、右轉向輪聯接起來，使兩輪同時偏轉，實現不同的偏角，這套機構稱之為轉向梯形。目前四支點叉車最常用的是雙曲柄滑塊轉向機構，即將轉向液壓缸固定在轉向橋體上，轉向液壓缸活塞桿雙向伸出并作為六連桿機構的主動桿件（滑塊），由轉向液壓缸活塞桿通過連桿推動或拉動轉向節，從而實現叉車轉向[4]。叉車的雙曲柄滑塊轉向機構示意如圖1所示。

圖1中： r 為轉向臂長度，1為連桿長度，e為轉向液壓缸偏心距， C 為活塞桿長， L 為主銷的中心連線距離。

2基于市場需求的改進方案

接到市場反饋，部分行業要求7t叉車的轉彎半徑小于 3400mm ，而公司現有7t叉車的轉彎半徑為 3430mm 無法滿足客戶對轉彎半徑的需求。在保持車身結構不變前提下，將轉彎半徑減小到 3400mm 以下，通過增大轉向橋的轉角來降低轉彎半徑是最簡單實用的方法。而增大轉向橋的轉角可以通過增大轉向液壓缸的行程來實現。

已知7t叉車的整車軸距L為 2400mm ，轉向液壓缸活塞桿行程為 130mm ，對應轉向橋的轉角為 79^° 。將轉向液壓缸活塞桿的行程增大到 133mm ，對應轉向橋的轉角為 81^° 。通過模擬計算得出7t叉車的轉彎半徑為3370mm ，小于 3400mm ，滿足市場使用要求。

3改進方案的可行性研究

通過增大轉角來減小轉彎半徑的方案，僅需微調轉向液壓缸活塞桿行程即可實現減小轉彎半徑的目的。但將7t叉車轉向橋極限轉角增大，需要評估轉角增大可能帶來的影響。

3.1增大轉角對整車轉角誤差的影響

在Adams軟件中建立轉向機構的多體動力學模型。選用活塞桿長度、轉向臂長度、轉向臂角度、轉向液壓缸的偏心距作為設計參數，將外輪轉角誤差設為目標。計算得到轉角由 79^° 增大到 81^° 后，整車的轉角誤差基本不變，滿足設計要求。

3.2增大轉角對轉向橋體與輪胎間隙的影響

為了防止轉角增大后輪胎與轉向橋體產生干涉，對增大轉角后的轉向橋體進行三維模擬。模擬后得出輪胎與轉向橋體之間依然有15mm的間隙，可滿足使用要求。

3.3增大轉角對轉向液壓缸壓力的影響

3.3.1計算 81^° 轉角時轉向液壓缸壓力

利用轉向機構的多體動力Adams模型，計算得出轉角增大到 81^° 時，轉向液壓缸壓力曲線如圖2所示。由圖2可知，轉角增大到 81^° 時，轉向液壓缸壓力約為 8.7MPa 小于轉向液壓缸 12MPa 的溢流壓力，滿足使用要求。

3.3.2 空載實驗

按照JB/T3300—2010《平衡重式叉車整機試驗方法》，將7t空載實驗叉車換上 81^° 轉角的轉向橋進行原地轉向，檢測轉向液壓缸的轉向壓力。 81^° 轉角時轉向液壓缸壓力曲線如圖3所示。由圖3可知，在原地轉向過程中，轉向液壓缸的最大壓力約為 8.5MPa ，轉向器進油口溢流壓力約為12.2MPa。其中，轉向液壓缸的最大壓力實測值為 8.5MPa ，與理論計算的8.7MPa基本相當，轉向液壓缸壓力滿足設計要求。

3.4增大轉角對輪胎原地阻力矩的影響

3.4.1原地轉向時的總阻力

輪胎原地阻力矩發生變化，轉彎的時候轉動方向盤所需要的力就會隨之發生變化[5]。裝有充氣輪胎的叉車原地轉向時總阻力矩的計算公式如下：

M=G（fe+0.132μR）/η

式中： M 為叉車原地轉向時的總阻力矩， G 為后橋負荷， f 為滾動阻力系數， e 為轉向阻力臂， μ 為滑動摩擦系數， R 為輪胎半徑， η 為轉向梯形的傳動效率。由公式（1）可知，上述各項參數均與原地阻力矩的大小相關，但是與轉向橋的最大轉角無關。

3.4.2方向盤的操作力

在7t空載實驗叉車上測量方向盤操作力，在轉角79^° 和 81^° 時，原地轉向的方向盤操作力基本相當，滿足使用要求。轉角 79^° 與 81^° 時原地轉向的方向盤操作力對比如表1所示。

3.5增大轉角對轉向橋體受力的影響

增大轉角后，當輪胎轉到極限位置時轉向橋體的受力會發生變化，需要提前進行驗證。利用ANSYS有限元分析軟件對7t叉車的轉向橋體進行CAE分析。轉向橋體受力分析如圖4所示。由圖4可知，當轉角從 79^° 增大到 81^° 后，橋體在極限位置的受力增加約 1% ，受力基本相當，滿足橋體受力的設計要求。

4結束語

本文以7t叉車為例，研究了通過增大轉角來減小叉車轉彎半徑的改進方案，并對增大轉角后對整車轉角誤差、轉向橋體與輪胎間隙、轉向液壓缸壓力、輪胎原地阻力矩、橋體受力等方面的影響進行了可行性研究。改進后轉向橋的最大轉角從 79^° 增大到 81^° 以后，叉車轉彎半徑從 3430mm 減小到 3370mm ，提升了叉車的機動性、適用性。

參考文獻

[1]楊豐先.叉車轉向橋結構改進設計研究[J].內燃機與配件，2021（20）：29-30.

[2]應富強，馬亮亮，汪內利.叉車橫置油缸式轉向機構的設計與優化[J]中國機械工程，2019，30（19）：2329-2334.

[3] 趙勇生.電動平衡重式叉車新型轉向機構優化和電池更換技術研究[D].南寧：廣西大學.2013.

[4] 吳建軍，孫強.橫置油缸式轉向橋結構試析[J].齊齊哈爾大學學報.2001（2）：89-90.

[5]陶元芳，衛良保.叉車構造與設計[M].北京：機械工業出版社，2010.