一種新型汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具的設(shè)計(jì)

王磊， 張建中， 朱路生， 梁本磊

（合肥工業(yè)大學(xué)，機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥230009）

一種新型汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具的設(shè)計(jì)

王磊， 張建中， 朱路生， 梁本磊

（合肥工業(yè)大學(xué)，機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥230009）

汽車(chē)裝配維修中涉及很多重復(fù)性操作。文中以汽車(chē)裝配維修中的螺栓裝配為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的裝配維修工具。該汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具可以有效地減少重復(fù)裝配，既減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了裝配維修的效率和裝配質(zhì)量，有效地提升了汽車(chē)的安全性、舒適性和可靠性。該裝配維修工具使得原本重復(fù)的螺栓裝配工作組合起來(lái)，操作人員通過(guò)手柄一次完成整個(gè)裝配過(guò)程。通過(guò)軟件仿真和可行性分析，證明了機(jī)構(gòu)的合理性和可操作性。

螺栓裝配；安全性；舒適性；可靠性；連桿

0 引言

螺紋聯(lián)接因?yàn)榫哂芯雀摺⒀b配方便、易于維護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)。但是螺紋聯(lián)接失效問(wèn)題也是機(jī)器故障的重要問(wèn)題之一。輪轂螺栓作為將汽車(chē)車(chē)輪輪轂和車(chē)輪堅(jiān)固連為一體的聯(lián)接件，其裝配質(zhì)量直接影響汽車(chē)的安全性、舒適性、可靠性。對(duì)此，研究出了能夠幫助提升螺紋裝配質(zhì)量和效率的螺栓擰緊機(jī)構(gòu)。

王崴、肖強(qiáng)明等［1］針對(duì)結(jié)合面微觀幾何形貌和螺栓裝配工藝對(duì)螺栓連接性能影響的重要性，利用逆向工程和有限元仿真，建立了螺栓預(yù)緊力大小、速度和連接性能的關(guān)鍵模型；賴(lài)思琦、張立紅等［2］針對(duì)連桿螺栓裝配工序的特點(diǎn)和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了該工序的夾具，為企業(yè)創(chuàng)作了良好效益；孫驊［3］改進(jìn)了SUN_1型車(chē)式液壓雙頭拉伸機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，并將其用于多數(shù)大型設(shè)備軸承螺栓的裝配。

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)螺栓擰緊機(jī)及數(shù)控螺紋擰緊機(jī)逐步發(fā)展并走向成熟。按照軸分類(lèi)可分為單軸和多軸擰緊機(jī)。單軸電動(dòng)擰緊機(jī)憑借控制方便、噪聲小、力矩控制精度高、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)裝配維修中得到了普及。但在日常生活中使用的低成本快捷的多軸擰緊機(jī)器領(lǐng)域則鮮有介入，這一方面使得人們因?yàn)槿狈ぞ叨鵁o(wú)法從繁瑣的裝配維修工作中解放，另一方面也無(wú)法保證汽車(chē)輪轂的螺栓安裝質(zhì)量，造成螺栓斷裂和松脫，這將直接影響到汽車(chē)的安全性、舒適性和可靠性。

1 整體設(shè)計(jì)方案

一種新型汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具由人工手柄、支撐板、輸入軸、扭轉(zhuǎn)離合器、聯(lián)接螺柱、伸縮式萬(wàn)向調(diào)節(jié)連桿、快速調(diào)整套筒組成，如圖1所示。其獨(dú)特之處是：在輪轂螺栓裝配工具的前端由人機(jī)兩用扭轉(zhuǎn)離合器實(shí)現(xiàn)扭矩保護(hù)輸入，帶動(dòng)支撐板平面運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多軸輸出，通過(guò)伸縮式萬(wàn)向調(diào)節(jié)連桿和快速調(diào)整套筒可以輕松地實(shí)現(xiàn)徑向分布調(diào)整、進(jìn)給和套筒位置姿態(tài)與輪轂螺栓的快速配合。工作原理：人工或外接動(dòng)力通過(guò)扭矩離合器將動(dòng)力傳遞給輸入軸，輸入軸帶動(dòng)支撐板進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，而與支撐板相連接的可拆式輸出軸則隨著支撐板實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)，最后通過(guò)套筒擰緊螺栓。

圖1 新型汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具分解圖

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

新型汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具優(yōu)化過(guò)程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要包括：可調(diào)式扭矩離合器、并聯(lián)輸出機(jī)構(gòu)、可拆式輸出軸和快速調(diào)節(jié)套筒。

2.1 可調(diào)式扭矩離合器

本設(shè)計(jì)中使用了一種新型的可調(diào)式扭矩離合器，其外觀三維模型如圖2所示。剖視圖如圖3所示。主動(dòng)部分的設(shè)計(jì)采用了聯(lián)軸器形式，可以聯(lián)接外部動(dòng)力或者手動(dòng)。其上分布有2個(gè)帶有壓縮彈簧的銷(xiāo)軸壓塊、滾珠、帶槽的聯(lián)軸器本體。當(dāng)擰緊銷(xiāo)軸壓塊中螺母時(shí)便可以調(diào)整彈簧的壓縮量，從而控制滾珠的壓緊力。當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，憑借彈簧壓塊壓力對(duì)滾珠在槽中的定位，銷(xiāo)軸壓塊便會(huì)與從動(dòng)部分的凸臺(tái)咬合從而傳遞動(dòng)力。當(dāng)扭矩超出彈簧壓力對(duì)滾珠在槽中的限位能力時(shí)，帶有壓縮彈簧的銷(xiāo)軸壓塊中的滾珠便會(huì)躍出槽外，無(wú)法繼續(xù)扭矩傳遞，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的調(diào)整和保證。當(dāng)再次使用時(shí)需要使用扳手將壓塊撥正，使?jié)L珠回到槽中。

圖2 可調(diào)式扭矩離合器

圖3 離合器剖視圖

2.2 可拆式輸出軸

由于在現(xiàn)實(shí)使用中可能存在螺栓的徑向分布和擰緊時(shí)的進(jìn)給問(wèn)題，如果輸出軸使用一體化設(shè)計(jì)則無(wú)法滿足使用要求，可以將輸出軸做出一定的改進(jìn)，改進(jìn)后輸出軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 可拆式輸出軸結(jié)構(gòu)

1）徑向分布可調(diào)。通過(guò)在原有輸出軸本體中增加調(diào)節(jié)連桿，由于萬(wàn)向節(jié)具有變角度動(dòng)力傳遞和改變傳動(dòng)軸線方向的位置的功能，所以其能夠在一定范圍內(nèi)達(dá)到徑向調(diào)整效果。

2）套筒的同步進(jìn)給。汽車(chē)輪轂螺栓一般使用右旋螺紋，在設(shè)計(jì)中為了保證在擰緊和放松時(shí)都不至于使得調(diào)節(jié)桿松脫失效，所以在輸出軸本體和調(diào)節(jié)連桿連接處有小孔可塞入銷(xiāo)釘防松。

2.3 快速調(diào)節(jié)套筒

在日常對(duì)汽車(chē)輪轂螺栓的裝配拆卸中，會(huì)存在各個(gè)螺栓的位置姿態(tài)不一致的問(wèn)題，因而本文重新設(shè)計(jì)了輸出軸與套筒之間的連接結(jié)構(gòu)。一般六邊形在初始狀態(tài)下經(jīng)過(guò)60°旋轉(zhuǎn)后與原來(lái)圖形位置相同，只要在設(shè)計(jì)中能夠保證套筒擁有60°的調(diào)整量便可以通過(guò)調(diào)節(jié)套筒與任何位置的螺栓進(jìn)行配合。

據(jù)此本文設(shè)計(jì)了如圖5所示的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以保證在可聯(lián)接的前提下，輸出軸與套筒之間有60°的調(diào)整間隙。

圖5 改進(jìn)后的連接結(jié)構(gòu)

2.4 并聯(lián)輸出機(jī)構(gòu)

汽車(chē)輪轂螺栓的數(shù)量通常是4個(gè)或5個(gè)，而并聯(lián)輸出機(jī)構(gòu)的作用正好可以將一根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槎鄠€(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6所示。

圖6 并聯(lián)輸出機(jī)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要解決了以下問(wèn)題：

1）汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具在使用中的螺栓定位問(wèn)題。設(shè)計(jì)中通過(guò)使用雙萬(wàn)向節(jié)增加連桿數(shù)目，解決了針對(duì)螺栓徑向分布及動(dòng)力傳輸問(wèn)題。

2）汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具在日常使用受限制的問(wèn)題。設(shè)計(jì)中將繁雜的設(shè)計(jì)單元剔除，簡(jiǎn)化了工具結(jié)構(gòu)，使其可以隨車(chē)攜帶，不受動(dòng)力源、設(shè)備體積等限制，從而滿足使用需求。

3）汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具中套筒與螺栓之間初次配合問(wèn)題。在分析螺栓位置的情況下，設(shè)計(jì)了一種特殊的套筒與輸出軸連接，使得套筒可以有60°的調(diào)整空間用于精確配合。

4）汽車(chē)輪轂螺栓裝配工具中工具的進(jìn)給問(wèn)題。當(dāng)螺栓在螺孔中下沉?xí)r工具必須隨之同步進(jìn)給，為此在設(shè)計(jì)中將輸出軸設(shè)計(jì)為三部分組成。中間部分使用帶有彈簧的可伸縮萬(wàn)向節(jié)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。

［1］ 王崴，肖強(qiáng)明.逆向工程和有限元仿真在螺栓裝配工藝研究中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2012，40（23）：127-139.

［2］ 賴(lài)思琦，張立紅.連桿螺栓裝配液壓夾具設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)制造，2010（10）：239-240.

［3］ 孫驊.一種特型液壓雙頭拉伸機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研制——大型設(shè)備軸承螺栓裝配專(zhuān)用工具［J］.液壓與氣動(dòng)，2003（5）：40-42.

（編輯立 明）

Design of a New Car Wheel Bolts Assembly Tool

WANG Lei,ZHANG Jianzhong,ZHU Lusheng,LIANG Benlei
（School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

There involves a lot of repetitive operations in automobile assembly.A new car wheel bolt assembly tool was designed in the study of automobile repair.The main purpose of this design was to minimize repetitive motion,reduce the operator’s labor intensity,improve the efficiency and quality of assembly,and effectively enhance the safety, comfort and reliability of the car.Repeated bolt assembly work was combined by using this car wheel bolt assembly tool.The mechanism was proved to be reasonable and workable through software simulation and feasibility analysis.

bolts assembly;safety;comfort;reliability;link

TH 131.3

A

1002－2333（2014）05－0030－02

王磊（1989—），碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、智能算法。

2014-02-26

2013安徽省自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2013B064）