汽車輪胎螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備

王亮亮 李建松 王松虎 董彬

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備越來越多地引進(jìn)到整車裝配工藝中。在保證工作效率的同時(shí)，為減輕操作者的工作負(fù)擔(dān)，集成的電動(dòng)擰緊工具出現(xiàn)在了新型的汽車流水線上。其結(jié)構(gòu)形式是將數(shù)根擰緊軸進(jìn)行組合，通過工裝將擰緊軸定位后集成電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化。操作者只需進(jìn)行一些簡單操作，設(shè)備將自動(dòng)擰緊輪胎螺栓。實(shí)現(xiàn)了輪胎多組螺栓的自動(dòng)同步擰緊，并保證了較高的擰緊力矩。但是，該項(xiàng)設(shè)備的核心部件仍然由國外壟斷，國內(nèi)在此領(lǐng)域的生產(chǎn)制造存在很大差距，研究空間很大。

1 汽車輪胎螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

汽車輪胎螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備的基本構(gòu)成，如圖1所示。

1）軌道小車系統(tǒng)包括平行于線體的運(yùn)行軌道和垂直于線體的操作軌道，還包括了沿著線體滑動(dòng)的小車和垂直于線體方向運(yùn)行的小車及相關(guān)的氣路系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案的不同，設(shè)備的軌道一般采用KBK 軌道或鋁合金軌道，主要用于設(shè)備沿線體方向的隨行與垂直于線體方向的進(jìn)給。要求小車運(yùn)行輕便靈活且阻力小。

2）懸掛系統(tǒng)包括懸掛的高度調(diào)整機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、立柱以及防墜落安全帶等。由于擰緊過程中，需要設(shè)備隨線體自動(dòng)運(yùn)行，所以懸掛機(jī)構(gòu)需要設(shè)置剛性立柱，根據(jù)車型的不同要求進(jìn)行高度的調(diào)整。

3）組合擰緊軸箱體需要將所有的擰緊軸按照輪胎螺栓分度圓的半徑進(jìn)行固定，對(duì)正操作過程中，可以將擰緊軸繞箱體中心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)與輪胎螺栓的對(duì)正。擰緊箱體還要集成部分操作系統(tǒng)，例如操作控制面板及操作手柄等。

4）擰緊軸系統(tǒng)包括擰緊軸總成、動(dòng)力電纜、控制電纜以及擰緊軸控制器。

5）電氣控制系統(tǒng)包括PLC、變壓器、低壓電器及工控機(jī)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的整體控制和通訊。

操作過程為:當(dāng)整車到達(dá)擰緊工位時(shí)，操作工轉(zhuǎn)動(dòng)擰緊設(shè)備與輪胎螺栓進(jìn)行對(duì)中后，按下操作手柄的啟動(dòng)按鈕，擰緊箱體及擰緊軸系統(tǒng)在軌道系統(tǒng)的作用下向垂直于線體的方向自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)行壓緊。到位后，擰緊軸系統(tǒng)帶動(dòng)輪胎緊固件自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到力矩要求后，擰緊軸自動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)輪胎緊固件與輪胎的擰緊，整個(gè)擰緊過程中所有擰緊軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)力矩情況獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)了輪胎螺栓的自動(dòng)擰緊。

2 汽車輪胎螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備存在的主要問題

1）由于汽車底盤設(shè)計(jì)的原因，前后輪中心距離地面的高度有細(xì)微的差別，個(gè)別車型的設(shè)計(jì)中，這種差別已經(jīng)達(dá)到毫米級(jí)，而目前的設(shè)備高度調(diào)整多數(shù)采用氣缸升降的形式，氣缸由于受到主氣源壓力的影響，無法實(shí)現(xiàn)高精度的高度調(diào)整，往往出現(xiàn)偏差。操作工在進(jìn)行對(duì)中時(shí)操作不順利，時(shí)間較長，出現(xiàn)了劃傷車身的現(xiàn)象。

2）在設(shè)備擰緊過程中，垂直方向的壓緊力一般都是由軌道小車系統(tǒng)中的氣路提供。擰緊過程中設(shè)備的受力[1]均處于懸臂狀態(tài)，這種情況對(duì)設(shè)備和作業(yè)工件都很不利。擰緊軸在旋轉(zhuǎn)過程中需要與輪轂壓緊，依靠壓力轉(zhuǎn)化成隨線體運(yùn)行的側(cè)向力。該力主要來源于軌道小車系統(tǒng)隨線體運(yùn)行的摩擦力，整個(gè)系統(tǒng)安裝的平整度及平行度都影響著側(cè)向力的大小。如果側(cè)向力太大，導(dǎo)致擰緊軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與輪轂接觸，一方面影響了力矩控制，另一方面會(huì)對(duì)輪轂產(chǎn)生磨損。

3）力矩控制和檢測(cè)。ISO5393 中規(guī)定，螺栓的電動(dòng)擰緊工具需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)。整車緊固件按照其重要程度分為4 個(gè)等級(jí)，其中輪胎緊固件的擰緊歸入最關(guān)鍵的等級(jí)中，如果緊固作用失效，將危害到駕駛?cè)说娜松戆踩?。輪胎螺栓擰緊時(shí)螺栓的狀態(tài)，如圖2 所示。

此狀態(tài)下整個(gè)車身被輸送的吊架吊起，輪胎沒有落地，螺栓只承受輪胎的質(zhì)量，擰緊設(shè)備所施加的預(yù)緊力絕大多數(shù)轉(zhuǎn)化為螺栓的連接扭矩。設(shè)備通過傳感器的作用，將施加的力換算成力矩反饋給擰緊系統(tǒng)的控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于螺栓力矩的控制。但是，汽車在行駛過程中，輪胎的螺栓需要承受整個(gè)車身的質(zhì)量，螺栓是在一種切向受力的狀態(tài)下使用的。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，螺栓等緊固件要避免切向受力[2]。當(dāng)處于圖2 所示的狀態(tài)時(shí)，無法對(duì)輪胎螺栓的力矩進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)楫?dāng)力矩扳手施加力矩時(shí)，輪胎會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致無法測(cè)量，從整車狀態(tài)上看，這種測(cè)量也存在問題。如果要對(duì)使用狀態(tài)的輪胎螺栓扭矩進(jìn)行檢測(cè)，需要在車身落地后再進(jìn)行扭矩的二次測(cè)量。此時(shí)，由于車身的質(zhì)量完全由輪胎來支撐，螺栓的預(yù)緊力大部分用來抵消車身質(zhì)量。當(dāng)測(cè)量完成后，扭矩的測(cè)量值往往與設(shè)備控制系統(tǒng)中設(shè)定的扭矩目標(biāo)值相差較大。

4）不同車型輪胎螺栓型號(hào)不同，需要在擰緊設(shè)備上快速更換另一套擰緊套筒。但是，套筒需要傳遞擰緊軸輸送來的高額力矩，必須保證在工作過程中不會(huì)出現(xiàn)竄動(dòng)，套筒必須與擰緊軸相對(duì)固定。所以，該過程在高速的生產(chǎn)節(jié)拍下很難實(shí)現(xiàn)，經(jīng)常出現(xiàn)停線的情況。對(duì)于需要安裝防盜螺栓的情況，由于輪胎固定過程中無法保證防盜螺栓的位置，而擰緊設(shè)備由于控制電纜及動(dòng)力電纜的原因，無法實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，使得防盜螺栓緊固問題一直無法解決，需要專人進(jìn)行手工擰緊。

3 問題處理方案

1）對(duì)于設(shè)備懸掛系統(tǒng)的高度調(diào)整，可以采用平衡器來解決。需要對(duì)平衡器進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至達(dá)到輕便的狀態(tài)。但是，對(duì)于較重的擰緊設(shè)備總成，需要考慮對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行中間限位來實(shí)現(xiàn)快速的高度調(diào)整。

2）在擰緊設(shè)備隨線運(yùn)行時(shí)，為減少或者消除側(cè)向力的影響，可以采取2 種方案。一種是增加一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，擰緊過程中與生產(chǎn)線時(shí)時(shí)通訊，讀取生產(chǎn)線的輸送速度，從而來匹配自身設(shè)備的運(yùn)行速度。該方案對(duì)生產(chǎn)線輸送速度的精度及設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的移動(dòng)精度都有較為嚴(yán)格的要求，實(shí)現(xiàn)起來十分復(fù)雜。另一種是在箱體系統(tǒng)上增加工裝夾具，讓它和輪胎進(jìn)行夾緊限位，擰緊設(shè)備運(yùn)行的側(cè)向力依靠輪胎提供，擰緊軸可在一種比較自由的狀態(tài)下完成擰緊。

3）在力矩控制和檢測(cè)方面，如何將擰緊軸控制的動(dòng)態(tài)力矩轉(zhuǎn)化成輪胎落地后的靜態(tài)檢測(cè)力矩還沒有很明確的計(jì)算方法。輪胎螺栓的變形情況及預(yù)緊力的其他轉(zhuǎn)化都十分復(fù)雜，需要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出規(guī)律性結(jié)論后才能定論。

對(duì)于以上問題，在擰緊設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以考慮采用擰緊軸與輸出端進(jìn)行分體的方式。

4 結(jié)論

輪胎螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備在國內(nèi)汽車廠已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于擰緊設(shè)備的研究也取得了良好成果。但是，設(shè)備所涉及到的很多關(guān)鍵技術(shù)還沒有國產(chǎn)化，關(guān)鍵部件仍需要大量進(jìn)口。技術(shù)人員還需要不懈的努力去克服技術(shù)上的難題，從而縮短我國與其他國家在該項(xiàng)技術(shù)方面的差距。