0 引言
在大型工程机械的维修过程中，由于车轮直径比较大，其重量一般都有300～400多kg，维护更换都是一件非常费力和困难的事情。尤其是大型工程机械在野外作业时，若需要现场更换车轮，一般只能靠手工操作，极大影响了工程机械的日常使用和维修。研发一种适合大型工程机械和重型汽车等可行驶装备的零部件装卸工具，显得十分必要。
目前重型车轮的装拆机构大多采用悬叉式。其悬叉由门架支承，并沿门架上下移动实现对车轮的举升，动作由液压和螺旋机构来驱动，装拆车轮时只能做垂直方向的移动，水平移动需要人工手动完成，造成轮胎的水平对中调整困难。从受力方面来看，由于悬叉为悬臂结构，受力条件差，需要有较大的结构刚度。这使得装拆机构结构庞大，不便于随车携带。本文针对此问题，提出了一种新的折叠式轮胎举升机构，通过减速器调节两摆杆机构的相对转动来实现对轮胎的垂直和水平两方向的移动和调整，使其结构简单，操作方便，重量轻。同时将机构设计成可折叠式，使得该机构具有体积小、便于车载和野外使用等特点。
1 折叠式摆杆举升机构
1.1 机构简介
该机构主要由摆杆机构、支承机构、减速机构和折叠机构组成，如图1。
图1 折叠式摆杆举升机构结构图
1.滚筒2.扶手3.扶手插销4.支承框架5.蜗杆减速器6.万向轮7.摆杆轴
8.摆杆座9.摆杆10.插销11.右支腿12.左支腿13.左折叠支座
左右对称的两摆杆机构固定在支承机构的两个侧支腿上，摆杆机构由摆杆9、滚筒1和摆杆轴7等组成，摆杆轴7的一端与蜗杆减速器5的输出端联接，折叠扶手2固定在支承框架4的横梁上，支承框架4装有4个万向轮6。支承框架可左右折叠。为了增加支承框架水平面的刚度和承载能力，在支承框架的开口处可设置一附加拉杆，附加拉杆根据工作状况可活动的卡上或取下。
1.2 工作原理
需要装拆车轮时，推动扶手将本装置沿地面插入车轮下，通过驱动机构蜗轮蜗杆的转动，分别带动摆杆轴转动，使重型车轮支承在滚筒上。控制摆杆的角度来确定和调节轮胎在支承滚筒上的位置。两摆杆相对合拢或张开、同向左右转动等可实现轮胎的举升、下降和左右移动。支承机构实现拆装时的前后移动和零部件的转移。4个万向轮的支承，使支承机构的受力为简支梁结构，相对现有的悬臂式结构受力大为改善，并减轻了装置的重量。
不工作时，启用折叠机构。将左右支腿设计成能向内折叠，扶手的上端向下折叠的模式。使得装置收藏体积变小，提高可携带性。
1.3 设计参数
本装置的结构尺寸应根据车轮的尺寸和重量来设计，要求强度高、体积小、重量轻、宜操作。保证车轮举升调整范围为上下左右150mm内。本设计适于车轮直径不大于1500mm，轮宽不大于500mm，轮重G不大于400kg。主要的设计参数有：摆杆轴间距Lj，摆杆长lg，支承滚筒半径Rt，支承滚筒宽度Wt，减速机传动比i等。
2 举升机构的设计
2.1 受力分析及主要零部件的设计
装拆车轮时，轮胎中心的运动轨迹存在最左、最右、最上和最下等数个极限位置。利用CAD作图原理模拟出滚子和摆杆与车轮的接触模型及极限位置，如图2所示。设定各零件的结构参数后，可确定摆杆的初始角和终止角，以及摆动范围。
图2 机构轨迹区域边界
经分析可知，当被举升的车轮中心位置处在最下方时，车轮对滚筒的正压力F达到最大值。故可根据该状态进行受力分析。车轮的受力分析图见图3，求出作用在摆杆机构上的力F1、F2：
图3车轮受力分析图式中，G为车轮的重量，如摆杆两边位置对称布置，车轮处于最下方时，α=β。代人参数即可求得F1、F2的值，作为摆杆机构设计的重要参数之一。
图3 车轮受力分析图
为选择减速器的功率及传动比，以及验算摆杆轴的强度都需要求出作用在摆杆轴即减速器输出轴上的扭矩T。如图4，当忽略零件与滚筒之间摩擦力Ff后，扭矩T可根据零件作用在滚筒上的正压力F乘以到摆杆轴中心的垂直距离h来确定：
其中，h=lg·sin(90°+θ-α)。
当摆杆处于不同位置，即θ变化时，F和h均为变量。举升机构是按T最大进行设计的，故取车轮处于最下方时几何参数，代入公式中求得T。
本设计选用了RV50铝合金方箱蜗杆蜗轮减速器，其功率、转矩和传动比均能满足要求，大大减轻了装置的重量，能实现反行程自锁，保证了工作时不会反转，使被举升的零件有相对固定的位置和运动。滚筒、摆杆轴、摆杆的设计，可根据上述所求力F1、F2、T，分别画出受力分析图和弯扭矩图，由弯曲强度、扭转强度条件，确定各主要尺寸，并进行结构设计得到。设计主要结果有：摆杆轴间距Lj=1000mm；摆杆长lg=150mm；摆杆轴直径dz=30mm；支承滚筒宽度Wt=700mm；支承滚筒直径Dt=50mm；减速机传动比i=40。
图4 扭矩计算示意图
2.2 三维实体建模与仿真
采用三维造型工具进行产品结构设计，能更直观地反映折叠式轮胎举升机构的构造。可以很好地检验具有装配关系的零部件是否会发生干涉，直观地观察到结构是否合理，特别是针对一些复杂零件及工作原理（如折叠过程）。通过实体模型的预装配与运动仿真分析，可以大量减少设计错误。因此在完成装置的初步结构设计以后，利用了三维设计软件Autodesk Inventor对该装置进行了三维建模和运动仿真分析。
利用Inventor软件创建了完整的数字样机，借助其运动仿真功能模块，根据实际工况添加载荷和运动约束，了解装置在真实条件下的运行状况。通过应力分析模块检验了其设计的可行性。折叠式轮胎举升机构的实体模型如图5所示。
图5 折叠式摆杆举升机构模型
2.3 折叠机构的设计
为适应重型车辆野外工作环境，满足体积小、重量轻、便于携带和车载的要求。该装置设计了3处折叠，分别是左、右支腿和扶手的折叠。如图1所示，左、右支腿与底座横梁通过铰链连接在一起。为满足折叠空间的需要，左支腿靠近左折叠支座的位置设有1根方形钢管，插入左折叠支座内部，可沿其内表面滑动。
机构在工作状态时，左、右支腿与横梁左、右侧的销孔分别对齐，分别插入上端带圆环的插销固定。2个支腿与底座横梁的接触面相互配合，同铰链一起承受主要载荷，插销仅起到定位和固定作用。
机构完成工作任务，需要装箱时，首先拔出右侧插销，将右支腿转动90°靠向底座横梁，然后拔出左侧插销，将左支腿向内侧转动90°，在折叠过程中需将左支腿略微向外侧拉出，以避开已经完成折叠的右支腿。扶手可以沿底座上的扶手插销小幅度上下移动，向上提起扶手后即可将其折叠。
按照折叠机构的设计方案，可以依次折叠数字样机的右支腿、左支腿和扶手，各零部件没有出现干涉或错误，完成折叠动作后的装置如图6所示。
经过折叠，该装置可以收纳在内部净尺寸（长×宽×高）为1000mm×400mm×500mm的方形箱体中，存放、运输和搬动都非常方便。由此，该装置的折叠机构达成了设计初衷，满足了其小型化、轻量化，便于携带搬运的实际需求。
图6 折叠后举升机构效果图
3 结语
本设计从实际应用出发，解决了大型工程机械和重型汽车在维护更换零部件时的装卸难题，既省力又省时。Autodesk Inventorde软件的应用，使设计更直观，更优化，效率更高。该机构结构简单，操作方便，通过蜗杆蜗轮减速机来控制摆杆的摆动角度，可满足被拆装零部件的位置对中要求。由于该设备设计成折叠式，大大方便了车载和野外作业。本项目得到了“汽车零部件技术湖北省协同创新中心”的大力支持。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：折叠式轮胎举升机构的设计
相关文章
