王磊， 張建中， 朱路生， 梁本磊

（合肥工業(yè)大學，機械與汽車工程學院，合肥230009）

一種新型汽車輪轂螺栓裝配工具的設計

王磊， 張建中， 朱路生， 梁本磊

（合肥工業(yè)大學，機械與汽車工程學院，合肥230009）

汽車裝配維修中涉及很多重復性操作。文中以汽車裝配維修中的螺栓裝配為研究對象，設計了一種簡易的裝配維修工具。該汽車輪轂螺栓裝配工具可以有效地減少重復裝配，既減輕了操作者的勞動強度，又提高了裝配維修的效率和裝配質量，有效地提升了汽車的安全性、舒適性和可靠性。該裝配維修工具使得原本重復的螺栓裝配工作組合起來，操作人員通過手柄一次完成整個裝配過程。通過軟件仿真和可行性分析，證明了機構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)接因為具有精度高、裝配方便、易于維護、標準化程度高等優(yōu)點，所以被廣泛地應用于汽車行業(yè)。但是螺紋聯(lián)接失效問題也是機器故障的重要問題之一。輪轂螺栓作為將汽車車輪輪轂和車輪堅固連為一體的聯(lián)接件，其裝配質量直接影響汽車的安全性、舒適性、可靠性。對此，研究出了能夠幫助提升螺紋裝配質量和效率的螺栓擰緊機構。

王崴、肖強明等［1］針對結合面微觀幾何形貌和螺栓裝配工藝對螺栓連接性能影響的重要性，利用逆向工程和有限元仿真，建立了螺栓預緊力大小、速度和連接性能的關鍵模型；賴思琦、張立紅等［2］針對連桿螺栓裝配工序的特點和技術要求，設計了該工序的夾具，為企業(yè)創(chuàng)作了良好效益；孫驊［3］改進了SUN_1型車式液壓雙頭拉伸機械手的結構，并將其用于多數大型設備軸承螺栓的裝配。

隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，電動螺栓擰緊機及數控螺紋擰緊機逐步發(fā)展并走向成熟。按照軸分類可分為單軸和多軸擰緊機。單軸電動擰緊機憑借控制方便、噪聲小、力矩控制精度高、調整方便等優(yōu)點，在生產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器領域則鮮有介入，這一方面使得人們因為缺乏工具而無法從繁瑣的裝配維修工作中解放，另一方面也無法保證汽車輪轂的螺栓安裝質量，造成螺栓斷裂和松脫，這將直接影響到汽車的安全性、舒適性和可靠性。

1 整體設計方案

一種新型汽車輪轂螺栓裝配工具由人工手柄、支撐板、輸入軸、扭轉離合器、聯(lián)接螺柱、伸縮式萬向調節(jié)連桿、快速調整套筒組成，如圖1所示。其獨特之處是：在輪轂螺栓裝配工具的前端由人機兩用扭轉離合器實現(xiàn)扭矩保護輸入，帶動支撐板平面運動實現(xiàn)多軸輸出，通過伸縮式萬向調節(jié)連桿和快速調整套筒可以輕松地實現(xiàn)徑向分布調整、進給和套筒位置姿態(tài)與輪轂螺栓的快速配合。工作原理：人工或外接動力通過扭矩離合器將動力傳遞給輸入軸，輸入軸帶動支撐板進行平面運動，而與支撐板相連接的可拆式輸出軸則隨著支撐板實現(xiàn)圓周運動，最后通過套筒擰緊螺栓。

圖1 新型汽車輪轂螺栓裝配工具分解圖

2 關鍵結構

新型汽車輪轂螺栓裝配工具優(yōu)化過程中的關鍵結構主要包括：可調式扭矩離合器、并聯(lián)輸出機構、可拆式輸出軸和快速調節(jié)套筒。

2.1 可調式扭矩離合器

本設計中使用了一種新型的可調式扭矩離合器，其外觀三維模型如圖2所示。剖視圖如圖3所示。主動部分的設計采用了聯(lián)軸器形式，可以聯(lián)接外部動力或者手動。其上分布有2個帶有壓縮彈簧的銷軸壓塊、滾珠、帶槽的聯(lián)軸器本體。當擰緊銷軸壓塊中螺母時便可以調整彈簧的壓縮量，從而控制滾珠的壓緊力。當主動軸轉動時，憑借彈簧壓塊壓力對滾珠在槽中的定位，銷軸壓塊便會與從動部分的凸臺咬合從而傳遞動力。當扭矩超出彈簧壓力對滾珠在槽中的限位能力時，帶有壓縮彈簧的銷軸壓塊中的滾珠便會躍出槽外，無法繼續(xù)扭矩傳遞，從而實現(xiàn)扭矩的調整和保證。當再次使用時需要使用扳手將壓塊撥正，使?jié)L珠回到槽中。

圖2 可調式扭矩離合器

圖3 離合器剖視圖

2.2 可拆式輸出軸

由于在現(xiàn)實使用中可能存在螺栓的徑向分布和擰緊時的進給問題，如果輸出軸使用一體化設計則無法滿足使用要求，可以將輸出軸做出一定的改進，改進后輸出軸結構如圖4所示。

圖4 可拆式輸出軸結構

1）徑向分布可調。通過在原有輸出軸本體中增加調節(jié)連桿，由于萬向節(jié)具有變角度動力傳遞和改變傳動軸線方向的位置的功能，所以其能夠在一定范圍內達到徑向調整效果。

2）套筒的同步進給。汽車輪轂螺栓一般使用右旋螺紋，在設計中為了保證在擰緊和放松時都不至于使得調節(jié)桿松脫失效，所以在輸出軸本體和調節(jié)連桿連接處有小孔可塞入銷釘防松。

2.3 快速調節(jié)套筒

在日常對汽車輪轂螺栓的裝配拆卸中，會存在各個螺栓的位置姿態(tài)不一致的問題，因而本文重新設計了輸出軸與套筒之間的連接結構。一般六邊形在初始狀態(tài)下經過60°旋轉后與原來圖形位置相同，只要在設計中能夠保證套筒擁有60°的調整量便可以通過調節(jié)套筒與任何位置的螺栓進行配合。

據此本文設計了如圖5所示的聯(lián)接結構。該結構可以保證在可聯(lián)接的前提下，輸出軸與套筒之間有60°的調整間隙。

圖5 改進后的連接結構

2.4 并聯(lián)輸出機構

汽車輪轂螺栓的數量通常是4個或5個，而并聯(lián)輸出機構的作用正好可以將一根軸的轉動變?yōu)槎鄠€軸的轉動，如圖6所示。

圖6 并聯(lián)輸出機構

3 結語

本文主要解決了以下問題：

1）汽車輪轂螺栓裝配工具在使用中的螺栓定位問題。設計中通過使用雙萬向節(jié)增加連桿數目，解決了針對螺栓徑向分布及動力傳輸問題。

2）汽車輪轂螺栓裝配工具在日常使用受限制的問題。設計中將繁雜的設計單元剔除，簡化了工具結構，使其可以隨車攜帶，不受動力源、設備體積等限制，從而滿足使用需求。

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

4）汽車輪轂螺栓裝配工具中工具的進給問題。當螺栓在螺孔中下沉時工具必須隨之同步進給，為此在設計中將輸出軸設計為三部分組成。中間部分使用帶有彈簧的可伸縮萬向節(jié)實現(xiàn)進給。

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

［2］ 賴思琦，張立紅.連桿螺栓裝配液壓夾具設計［J］.機械設計制造，2010（10）：239-240.

［3］ 孫驊.一種特型液壓雙頭拉伸機械手的設計與研制——大型設備軸承螺栓裝配專用工具［J］.液壓與氣動，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，研究方向為機械設計、智能算法。

2014-02-26

2013安徽省自然科學研究項目（KJ2013B064）