液壓式手提汽車輪胎壓胎機的設計與實現

李 悅

( 武警工程大學 研究生管理大隊，西安 710086)

1 研究背景和設計要求

汽車輪胎是汽車最柔弱的部位，對破損輪胎拆卸修補，是駕駛員高強度體能消耗的一項經常性作業。由于輪胎與輪輞為過盈配合，汽車行駛中頻繁的制動作用，使車輪產生高熱造成輪胎鋼圈外緣與輪胎內緣橡膠發生粘連，同時鋼質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速度。

部隊現行的輪胎拆卸修補機具為固定安裝的專用機電設備，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還是撬胎棒加大錘的原始人工體能作業，勞動強度大，且易造成輪胎內緣破損和輪胎鋼圈的變形損壞［2］。據統計，重大任務中實施輪胎更換和修補作業占駕駛員實施車輛維護作業量的38%左右，尤其是在高寒缺氧和炎熱高溫地區實施輪胎更換和修補作業付出的勞動強度是內地的3 ～6 倍。

實現便攜式汽車輪胎拆卸工具的創新，要按照輕便、高效、節省體能的要求，研究解決以下問題:輪胎與輪輞粘連的分離問題、液壓驅動與機械傳導問題、輕便快捷與生產成本問題。

2 結構設計

液壓式手提汽車輪胎壓胎機采用液壓與機械組合的設計理念，采用分體組合的結構形式完成整體設計。

2.1 功能指標

按照功能要求確定技術參數指標( 表1)。

2.2 結構模型

按照設計理念和功能要求，液壓式手提汽車輪胎壓胎機由液壓裝置、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 壓胎機技術參數

圖1 液壓式手提汽車輪胎壓胎機

2.3 功能實現

采用相對運動原理和機械分離的方法，簡單易行，解決了輪胎粘連部分的分離問題。采用“楔形”塞鐵的結構設計，利用鎖環與輪胎之間的間隙，解決了機械分離的“切入點”問題。采用液壓驅動與機械聯動分體組合形式，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。采用活塞及缸筒結構以及彈簧機械復位方式，簡單實用，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構加連接臂( 可調)輔助固定機構，適用性強，避免運動干涉，解決了不同規格型號鎖環式輪胎的拆卸問題。

2.4 功能部件的設計

功能部件運用相對運動原理，實現受力傳導和粘連分離的雙重作用。采用活塞缸與缸內變截面活塞導桿組合結構［3］( 見圖2)，活塞缸與缸內變截面活塞導桿分別與“楔形”塞鐵底座連接，形成相對運動和受力傳導的偶合體。

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

圖2 功能部件

2.5 卡緊固定裝置的設計

卡緊固定裝置設計為雙搖桿機構［4］。機架作為其中一個支點，固結于活塞缸外部［3］( 見圖3)，卡箍作為另一個支點，固定在活塞缸外部，相對高度可以調節。當后拉桿運動時，通過連接臂帶動卡爪運動。后拉桿圍繞機架做圓周運動，卡爪在連接臂的作用下做相應圓弧運動，形成作業范圍。卡鉤抓扣在輪輞的內緣上，起支撐與穩固作用。考慮到不同裝備車型輪胎直徑大小的差異，通過調整卡箍的高度和后拉桿的長度來調整整體工作長度，以適應不同直徑的輪胎使用，擴展了功能作業的范圍。

3 主要零部件的校核

3.1 整體受力分析

壓胎機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，無需進行強度校核。卡緊裝置適應不同直徑的輪胎使用，在壓胎機工作時主要起支撐與穩固作用，受力較小，也無需進行強度校核。工作部件是主要工作和受力部分，因此只需對工作部件進行強度校核即可。

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，現以8 t 運輸車為校核對象，取車輪輪輞半徑約0.5 m，輪胎彈性模量E1=5 MPa［5］。

壓胎機作業時外胎的作業點部分受力變形如圖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、鎖環的粘連部分近似為圓環( 圖6)，

圓環寬度取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、鎖環的粘連部分

3.2 功能部件的強度計算

壓胎機采用的材料為45 號優質碳素鋼，許用應力［σb］=180 MPa［6］。

校核時取極限狀態Fmax=3 920 N。顯然，壓胎機工作時活塞導桿受軸向壓縮作用，受力強度最大，其余部件無需校核。活塞導桿的最小直徑為dmin=30 mm，其軸向應力計算如下:

所以滿足強度要求。

3.3 卡緊固定裝置的適用范圍校核

通過調節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范圍為6 ～12 英寸(15 ～30 cm)。普通國產鎖環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)，所以壓胎機的卡緊固定裝置可以適應不同直徑和型號的輪胎使用，功能范圍滿足不同規格型號鎖環式輪胎的要求。

經上述分析和計算校核，壓胎機的各項設計均符合技術要求。

4 作業實現過程

輪胎平置于地面，正面朝上。將液壓式手提汽車輪胎壓胎機放置在輪胎上，塞鐵的楔形前端插入輪胎與輪輞鎖環縫隙之間，卡勾抓扣輪輞內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的固定塞鐵向下運動，并擠壓與輪輞鎖環結合處的輪胎外側，使輪胎與輪輞鎖環分離，從而解除輪胎內緣與輪輞外緣的粘連。工作完成后打開液壓泵的回油閥門，在復位彈簧的彈力作用下，液壓泵回油，活塞和活動塞鐵恢復原位。

不同型號尺寸的鎖環式輪胎，可調節卡箍在機殼上的高低位置，通過改變連桿機構桿件的相對位置實現固定塞鐵、活動塞鐵與卡勾之間的位置改變，適應多種型號輪胎拆卸時不同作業位置的需要( 圖7)［3］。

圖7 作業示意圖

5 應用前景

液壓式手提汽車輪胎壓胎機可作為隨車工具配發到班組，保障完成輪胎的及時修補，提高破損輪胎的修復利用，提高部隊機動保障能力。該項目已被列入后勤保障裝備物資采購目錄，在部隊應用期間，多次保障了部隊運輸任務途中的輪胎修補任務，有力地確保了部隊遂行任務的圓滿完成，產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，適用于公路沿途補胎作坊和各種維修站，具有廣泛的用戶和服務群體，潛在著巨大的社會經濟效益。

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

［2］［美］哈奇.當代汽車修理技師叢書［M］. 宋建才，譯.北京:機械工業出版社，2007:178-182.

［3］茅正新.機械工程圖學［M］. 北京: 國防工業出版社，1989:297-300.

［4］李國斌.機械設計基礎［M］. 北京: 機械工業出版社，2010:83-86.

［5］呂百齡.實用橡膠手冊［M］. 北京: 化學工業出版社，2010:114-116.

［6］汪菁.工程力學［M］. 北京:化學工業出版社，2004:315-318.