勾頻， 張洪汛

（武漢科技大學(xué)，武漢430081）

0 引言

在大型工程機(jī)械的維修過程中，由于車輪直徑比較大，其重量一般都有300～400多kg，維護(hù)更換都是一件非常費(fèi)力和困難的事情。尤其是大型工程機(jī)械在野外作業(yè)時(shí)，若需要現(xiàn)場更換車輪，一般只能靠手工操作，極大影響了工程機(jī)械的日常使用和維修。研發(fā)一種適合大型工程機(jī)械和重型汽車等可行駛裝備的零部件裝卸工具，顯得十分必要。

目前重型車輪的裝拆機(jī)構(gòu)大多采用懸叉式。其懸叉由門架支承，并沿門架上下移動實(shí)現(xiàn)對車輪的舉升，動作由液壓和螺旋機(jī)構(gòu)來驅(qū)動，裝拆車輪時(shí)只能做垂直方向的移動，水平移動需要人工手動完成，造成輪胎的水平對中調(diào)整困難。從受力方面來看，由于懸叉為懸臂結(jié)構(gòu)，受力條件差，需要有較大的結(jié)構(gòu)剛度［1］。這使得裝拆機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)龐大，不便于隨車攜帶。本文針對此問題，提出了一種新的折疊式輪胎舉升機(jī)構(gòu)，通過減速器調(diào)節(jié)兩擺桿機(jī)構(gòu)的相對轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)對輪胎的垂直和水平兩方向的移動和調(diào)整，使其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，重量輕。同時(shí)將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可折疊式，使得該機(jī)構(gòu)具有體積小、便于車載和野外使用等特點(diǎn)。

1 折疊式擺桿舉升機(jī)構(gòu)

1.1 機(jī)構(gòu)簡介

該機(jī)構(gòu)主要由擺桿機(jī)構(gòu)、支承機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)和折疊機(jī)構(gòu)組成，如圖1。

左右對稱的兩擺桿機(jī)構(gòu)固定在支承機(jī)構(gòu)的兩個(gè)側(cè)支腿上，擺桿機(jī)構(gòu)由擺桿9、滾筒1和擺桿軸7等組成，擺桿軸7的一端與蝸桿減速器5的輸出端聯(lián)接，折疊扶手2固定在支承框架4的橫梁上，支承框架4裝有4個(gè)萬向輪6。支承框架可左右折疊。為了增加支承框架水平面的剛度和承載能力，在支承框架的開口處可設(shè)置一附加拉桿，附加拉桿根據(jù)工作狀況可活動的卡上或取下。

圖1 折疊式擺桿舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

需要裝拆車輪時(shí)，推動扶手將本裝置沿地面插入車輪下，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動，分別帶動擺桿軸轉(zhuǎn)動，使重型車輪支承在滾筒上?？刂茢[桿的角度來確定和調(diào)節(jié)輪胎在支承滾筒上的位置。兩擺桿相對合攏或張開、同向左右轉(zhuǎn)動等可實(shí)現(xiàn)輪胎的舉升、下降和左右移動。支承機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拆裝時(shí)的前后移動和零部件的轉(zhuǎn)移。4個(gè)萬向輪的支承，使支承機(jī)構(gòu)的受力為簡支梁結(jié)構(gòu)，相對現(xiàn)有的懸臂式結(jié)構(gòu)受力大為改善，并減輕了裝置的重量［1］。

不工作時(shí)，啟用折疊機(jī)構(gòu)。將左右支腿設(shè)計(jì)成能向內(nèi)折疊，扶手的上端向下折疊的模式。使得裝置收藏體積變小，提高可攜帶性。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

本裝置的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)根據(jù)車輪的尺寸和重量來設(shè)計(jì)，要求強(qiáng)度高、體積小、重量輕、宜操作。保證車輪舉升調(diào)整范圍為上下左右150 mm內(nèi)。本設(shè)計(jì)適于車輪直徑不大于1 500 mm，輪寬不大于500 mm，輪重G不大于400kg。主要的設(shè)計(jì)參數(shù)有：擺桿軸間距Lj，擺桿長lg，支承滾筒半徑Rt，支承滾筒寬度Wt，減速機(jī)傳動比i等。

2 舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 受力分析及主要零部件的設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)構(gòu)軌跡區(qū)域邊界

圖3 車輪受力分析圖

裝拆車輪時(shí)，輪胎中心的運(yùn)動軌跡存在最左、最右、最上和最下等數(shù)個(gè)極限位置。利用CAD作圖原理模擬出滾子和擺桿與車輪的接觸模型及極限位置，如圖2所示。設(shè)定各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，可確定擺桿的初始角和終止角，以及擺動范圍。

經(jīng)分析可知，當(dāng)被舉升的車輪中心位置處在最下方時(shí)，車輪對滾筒的正壓力F達(dá)到最大值。故可根據(jù)該狀態(tài)進(jìn)行受力分析。車輪的受力分析圖見圖3，求出作用在擺桿機(jī)構(gòu)上的力F1、F2：

式中，G為車輪的重量，如擺桿兩邊位置對稱布置，車輪處于最下方時(shí)，α=β。代入?yún)?shù)即可求得F1、F2的值，作為擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。

為選擇減速器的功率及傳動比，以及驗(yàn)算擺桿軸的強(qiáng)度都需要求出作用在擺桿軸即減速器輸出軸上的扭矩T。如圖4，當(dāng)忽略零件與滾筒之間摩擦力Ff后，扭矩T可根據(jù)零件作用在滾筒上的正壓力F乘以到擺桿軸中心的垂直距離h來確定：

其中，h=lg·sin（90°＋θ－α）。

圖4 扭矩計(jì)算示意圖

當(dāng)擺桿處于不同位置，即θ變化時(shí)，F(xiàn)和 h均為變量。舉升機(jī)構(gòu)是按T最大進(jìn)行設(shè)計(jì)的，故取車輪處于最下方時(shí)幾何參數(shù)，代入公式中求得T。

本設(shè)計(jì)選用了RV50鋁合金方箱蝸桿蝸輪減速器，其功率、轉(zhuǎn)矩和傳動比均能滿足要求，大大減輕了裝置的重量，能實(shí)現(xiàn)反行程自鎖，保證了工作時(shí)不會反轉(zhuǎn)，使被舉升的零件有相對固定的位置和運(yùn)動。滾筒、擺桿軸、擺桿的設(shè)計(jì)，可根據(jù)上述所求力F1、F2、T，分別畫出受力分析圖和彎扭矩圖，由彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，確定各主要尺寸，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到。設(shè)計(jì)主要結(jié)果有：擺桿軸間距Lj=1 000 mm；擺桿長lg=150 mm；擺桿軸直徑dz=30 mm；支承滾筒寬度Wt=700 mm；支承滾筒直徑Dt=50 mm；減速機(jī)傳動比i=40。

2.2 三維實(shí)體建模與仿真

采用三維造型工具進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能更直觀地反映折疊式輪胎舉升機(jī)構(gòu)的構(gòu)造?？梢院芎玫貦z驗(yàn)具有裝配關(guān)系的零部件是否會發(fā)生干涉，直觀地觀察到結(jié)構(gòu)是否合理，特別是針對一些復(fù)雜零件及工作原理（如折疊過程）。通過實(shí)體模型的預(yù)裝配與運(yùn)動仿真分析，可以大量減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。因此在完成裝置的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以后，利用了三維設(shè)計(jì)軟件Autodesk Inventor對該裝置進(jìn)行了三維建模和運(yùn)動仿真分析。

利用 Inventor軟件創(chuàng)建了完整的數(shù)字樣機(jī)，借助其運(yùn)動仿真功能模塊，根據(jù)實(shí)際工況添加載荷和運(yùn)動約束，了解裝置在真實(shí)條件下的運(yùn)行狀況。通過應(yīng)力分析模塊檢驗(yàn)了其設(shè)計(jì)的可行性。折疊式輪胎舉升機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型如圖5所示。

圖5 折疊式擺桿舉升機(jī)構(gòu)模型

2.3 折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為適應(yīng)重型車輛野外工作環(huán)境，滿足體積小、重量輕、便于攜帶和車載的要求。該裝置設(shè)計(jì)了3處折疊，分別是左、右支腿和扶手的折疊。如圖1所示，左、右支腿與底座橫梁通過鉸鏈連接在一起。為滿足折疊空間的需要，左支腿靠近左折疊支座的位置設(shè)有1根方形鋼管，插入左折疊支座內(nèi)部，可沿其內(nèi)表面滑動。

機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)，左、右支腿與橫梁左、右側(cè)的銷孔分別對齊，分別插入上端帶圓環(huán)的插銷固定。2個(gè)支腿與底座橫梁的接觸面相互配合，同鉸鏈一起承受主要載荷，插銷僅起到定位和固定作用。

機(jī)構(gòu)完成工作任務(wù)，需要裝箱時(shí)，首先拔出右側(cè)插銷，將右支腿轉(zhuǎn)動90°靠向底座橫梁，然后拔出左側(cè)插銷，將左支腿向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動90°，在折疊過程中需將左支腿略微向外側(cè)拉出，以避開已經(jīng)完成折疊的右支腿。扶手可以沿底座上的扶手插銷小幅度上下移動，向上提起扶手后即可將其折疊。

按照折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，可以依次折疊數(shù)字樣機(jī)的右支腿、左支腿和扶手，各零部件沒有出現(xiàn)干涉或錯(cuò)誤，完成折疊動作后的裝置如圖6所示。

經(jīng)過折疊，該裝置可以收納在內(nèi)部凈尺寸（長×寬×高）為1 000 mm×400 mm×500 mm的方形箱體中，存放、運(yùn)輸和搬動都非常方便。由此，該裝置的折疊機(jī)構(gòu)達(dá)成了設(shè)計(jì)初衷，滿足了其小型化、輕量化，便于攜帶搬運(yùn)的實(shí)際需求。

圖6 折疊后舉升機(jī)構(gòu)效果圖

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，解決了大型工程機(jī)械和重型汽車在維護(hù)更換零部件時(shí)的裝卸難題，既省力又省時(shí)。Autodesk Inventorde軟件的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)更直觀，更優(yōu)化，效率更高。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，通過蝸桿蝸輪減速機(jī)來控制擺桿的擺動角度，可滿足被拆裝零部件的位置對中要求。由于該設(shè)備設(shè)計(jì)成折疊式，大大方便了車載和野外作業(yè)。本項(xiàng)目得到了“汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心”的大力支持。

［參考文獻(xiàn)］

［1］張洪汛.一種車輪舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究［J］.制造業(yè)自動化，2013（13）：103-106.

［2］張洪汛，吳小珍，勾頻.一種重型車輪拆裝裝置：中國，CN201010235333.4［P］.2011-11-05.

［3］楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2006：131-290.

［4］歐特克公司.Autodesk Inventor 2011進(jìn)階培訓(xùn)教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：165-220.

［5］唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和運(yùn)動仿真［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：113-151.