李 悅

( 武警工程大學(xué) 研究生管理大隊，西安 710086)

1 研究背景和設(shè)計要求

汽車輪胎是汽車最柔弱的部位，對破損輪胎拆卸修補(bǔ)，是駕駛員高強(qiáng)度體能消耗的一項經(jīng)常性作業(yè)。由于輪胎與輪輞為過盈配合，汽車行駛中頻繁的制動作用，使車輪產(chǎn)生高熱造成輪胎鋼圈外緣與輪胎內(nèi)緣橡膠發(fā)生粘連，同時鋼質(zhì)輪輞表面受雨水侵蝕和廢氣的作用氧化銹蝕，加劇了輪輞表面與輪胎內(nèi)緣的粘連［1］，造成拆卸困難，不僅增加了駕駛員輪胎拆卸時間和體能消耗，而且影響和降低了部隊摩托化輸送的技術(shù)速度。

部隊現(xiàn)行的輪胎拆卸修補(bǔ)機(jī)具為固定安裝的專用機(jī)電設(shè)備，造價高，且不能隨車攜帶。部隊摩托化行軍途中的輪胎拆卸作業(yè)還是撬胎棒加大錘的原始人工體能作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，且易造成輪胎內(nèi)緣破損和輪胎鋼圈的變形損壞［2］。據(jù)統(tǒng)計，重大任務(wù)中實(shí)施輪胎更換和修補(bǔ)作業(yè)占駕駛員實(shí)施車輛維護(hù)作業(yè)量的38%左右，尤其是在高寒缺氧和炎熱高溫地區(qū)實(shí)施輪胎更換和修補(bǔ)作業(yè)付出的勞動強(qiáng)度是內(nèi)地的3 ～6 倍。

實(shí)現(xiàn)便攜式汽車輪胎拆卸工具的創(chuàng)新，要按照輕便、高效、節(jié)省體能的要求，研究解決以下問題:輪胎與輪輞粘連的分離問題、液壓驅(qū)動與機(jī)械傳導(dǎo)問題、輕便快捷與生產(chǎn)成本問題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

液壓式手提汽車輪胎壓胎機(jī)采用液壓與機(jī)械組合的設(shè)計理念，采用分體組合的結(jié)構(gòu)形式完成整體設(shè)計。

2.1 功能指標(biāo)

按照功能要求確定技術(shù)參數(shù)指標(biāo)( 表1)。

2.2 結(jié)構(gòu)模型

按照設(shè)計理念和功能要求，液壓式手提汽車輪胎壓胎機(jī)由液壓裝置、功能部件和卡緊固定裝置3 部分組成，組合模型效果見圖1［3］。

表1 壓胎機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 液壓式手提汽車輪胎壓胎機(jī)

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

采用相對運(yùn)動原理和機(jī)械分離的方法，簡單易行，解決了輪胎粘連部分的分離問題。采用“楔形”塞鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用鎖環(huán)與輪胎之間的間隙，解決了機(jī)械分離的“切入點(diǎn)”問題。采用液壓驅(qū)動與機(jī)械聯(lián)動分體組合形式，并使用快速接頭連接，輕便快捷、安全省力，解決了快速組合分離的問題。采用活塞及缸筒結(jié)構(gòu)以及彈簧機(jī)械復(fù)位方式，簡單實(shí)用，解決了液壓泵自動回油和活塞自動回位問題。采用外置式卡勾連桿機(jī)構(gòu)加連接臂( 可調(diào))輔助固定機(jī)構(gòu)，適用性強(qiáng)，避免運(yùn)動干涉，解決了不同規(guī)格型號鎖環(huán)式輪胎的拆卸問題。

2.4 功能部件的設(shè)計

功能部件運(yùn)用相對運(yùn)動原理，實(shí)現(xiàn)受力傳導(dǎo)和粘連分離的雙重作用。采用活塞缸與缸內(nèi)變截面活塞導(dǎo)桿組合結(jié)構(gòu)［3］( 見圖2)，活塞缸與缸內(nèi)變截面活塞導(dǎo)桿分別與“楔形”塞鐵底座連接，形成相對運(yùn)動和受力傳導(dǎo)的偶合體。

截面變小的活塞導(dǎo)桿部分與活塞缸之間安裝回位彈簧，活塞導(dǎo)桿頂部受到液壓缸推力作用，推動楔入輪胎與鎖環(huán)之間的“楔形”底座塞鐵的運(yùn)動，從而帶動輪胎內(nèi)緣與鎖環(huán)的相對運(yùn)動，達(dá)到解除輪胎與輪輞粘連的目的。當(dāng)停止液壓力作業(yè)、打開回油閥門時，活塞在回位彈簧的作用下恢復(fù)到自由狀態(tài)［4］，液壓泵自動回油。

圖2 功能部件

2.5 卡緊固定裝置的設(shè)計

卡緊固定裝置設(shè)計為雙搖桿機(jī)構(gòu)［4］。機(jī)架作為其中一個支點(diǎn)，固結(jié)于活塞缸外部［3］( 見圖3)，卡箍作為另一個支點(diǎn)，固定在活塞缸外部，相對高度可以調(diào)節(jié)。當(dāng)后拉桿運(yùn)動時，通過連接臂帶動卡爪運(yùn)動。后拉桿圍繞機(jī)架做圓周運(yùn)動，卡爪在連接臂的作用下做相應(yīng)圓弧運(yùn)動，形成作業(yè)范圍?？ㄣ^抓扣在輪輞的內(nèi)緣上，起支撐與穩(wěn)固作用?？紤]到不同裝備車型輪胎直徑大小的差異，通過調(diào)整卡箍的高度和后拉桿的長度來調(diào)整整體工作長度，以適應(yīng)不同直徑的輪胎使用，擴(kuò)展了功能作業(yè)的范圍。

3 主要零部件的校核

3.1 整體受力分析

壓胎機(jī)的液壓裝置取自有快速接頭的3t 級分體式液壓泵成品，滿足要求，無需進(jìn)行強(qiáng)度校核?？ňo裝置適應(yīng)不同直徑的輪胎使用，在壓胎機(jī)工作時主要起支撐與穩(wěn)固作用，受力較小，也無需進(jìn)行強(qiáng)度校核。工作部件是主要工作和受力部分，因此只需對工作部件進(jìn)行強(qiáng)度校核即可。

圖3 卡緊固定裝置

分離輪胎和輪輞的粘連所需的力F 是外胎固有的橡膠彈力F1以及輪胎和輪輞粘連力F2之和。部隊裝備車輛以中小型為主，現(xiàn)以8 t 運(yùn)輸車為校核對象，取車輪輪輞半徑約0.5 m，輪胎彈性模量E1=5 MPa［5］。

壓胎機(jī)作業(yè)時外胎的作業(yè)點(diǎn)部分受力變形如圖4 所示，為方便計算，可近似簡化為圖5。

變形面積S1=0.52 -1/4 × ×0.52 =0.055 m2

變形彈力F1= E1×S1=5 MPa×0.055 m2=2 750 N

輪胎外緣與輪輞、鎖環(huán)的粘連部分近似為圓環(huán)( 圖6)，

圓環(huán)寬度取0.05 m，粘連力密度E2=3 MPa。

粘連面積S2=1/4 ×2 ×0.5 ×0.05 =0.039 m2

粘連力F2= E2×S2=3 MPa×0.039 m2=1 170 N

故分離粘連所需的力最大為F =F1+F2=2 750 N +1 170 N=3 920 N

圖6 輪胎外緣與輪輞、鎖環(huán)的粘連部分

3.2 功能部件的強(qiáng)度計算

壓胎機(jī)采用的材料為45 號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，許用應(yīng)力［σb］=180 MPa［6］。

校核時取極限狀態(tài)Fmax=3 920 N。顯然，壓胎機(jī)工作時活塞導(dǎo)桿受軸向壓縮作用，受力強(qiáng)度最大，其余部件無需校核?；钊麑?dǎo)桿的最小直徑為dmin=30 mm，其軸向應(yīng)力計算如下:

所以滿足強(qiáng)度要求。

3.3 卡緊固定裝置的適用范圍校核

通過調(diào)節(jié)卡箍固定在活塞缸外部的高度和后拉桿的角度，卡爪的工作臂長度可調(diào)范圍為6 ～12 英寸(15 ～30 cm)。普通國產(chǎn)鎖環(huán)式車輪的輪輞直徑為16 ～20 英寸( 40.64 ～50.8 cm)，鋼圈外緣與輪輞內(nèi)緣的距離范圍為6 ～8 英寸(15 ～20.3 cm)。

6 ～8 英寸(15 ～20.3 cm)?6 ～12 英寸(15 ～30 cm)，所以壓胎機(jī)的卡緊固定裝置可以適應(yīng)不同直徑和型號的輪胎使用，功能范圍滿足不同規(guī)格型號鎖環(huán)式輪胎的要求。

經(jīng)上述分析和計算校核，壓胎機(jī)的各項設(shè)計均符合技術(shù)要求。

4 作業(yè)實(shí)現(xiàn)過程

輪胎平置于地面，正面朝上。將液壓式手提汽車輪胎壓胎機(jī)放置在輪胎上，塞鐵的楔形前端插入輪胎與輪輞鎖環(huán)縫隙之間，卡勾抓扣輪輞內(nèi)緣起固定和支撐作用，然后套裝液壓泵推桿，連接液壓泵。上述工作完成后，即可操作液壓泵。液壓泵推動連接的活動塞鐵相對于其兩側(cè)的固定塞鐵向下運(yùn)動，并擠壓與輪輞鎖環(huán)結(jié)合處的輪胎外側(cè)，使輪胎與輪輞鎖環(huán)分離，從而解除輪胎內(nèi)緣與輪輞外緣的粘連。工作完成后打開液壓泵的回油閥門，在復(fù)位彈簧的彈力作用下，液壓泵回油，活塞和活動塞鐵恢復(fù)原位。

不同型號尺寸的鎖環(huán)式輪胎，可調(diào)節(jié)卡箍在機(jī)殼上的高低位置，通過改變連桿機(jī)構(gòu)桿件的相對位置實(shí)現(xiàn)固定塞鐵、活動塞鐵與卡勾之間的位置改變，適應(yīng)多種型號輪胎拆卸時不同作業(yè)位置的需要( 圖7)［3］。

圖7 作業(yè)示意圖

5 應(yīng)用前景

液壓式手提汽車輪胎壓胎機(jī)可作為隨車工具配發(fā)到班組，保障完成輪胎的及時修補(bǔ)，提高破損輪胎的修復(fù)利用，提高部隊機(jī)動保障能力。該項目已被列入后勤保障裝備物資采購目錄，在部隊?wèi)?yīng)用期間，多次保障了部隊運(yùn)輸任務(wù)途中的輪胎修補(bǔ)任務(wù)，有力地確保了部隊遂行任務(wù)的圓滿完成，產(chǎn)生了積極的作用并具有重大的軍事效益和政治意義。同時，該壓胎機(jī)軍民通用，是替代大錘加撬杠的第二代人工拆卸輪胎專用工具，適用于公路沿途補(bǔ)胎作坊和各種維修站，具有廣泛的用戶和服務(wù)群體，潛在著巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造:下冊［M］.5 版. 北京:人民交通出版社，2006:200-219.

［2］［美］哈奇.當(dāng)代汽車修理技師叢書［M］. 宋建才，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:178-182.

［3］茅正新.機(jī)械工程圖學(xué)［M］. 北京: 國防工業(yè)出版社，1989:297-300.

［4］李國斌.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2010:83-86.

［5］呂百齡.實(shí)用橡膠手冊［M］. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2010:114-116.

［6］汪菁.工程力學(xué)［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:315-318.