汽車輪胎螺栓自動擰緊設備

王亮亮 李建松 王松虎 董彬

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

隨著汽車工業的發展，先進的自動化設備越來越多地引進到整車裝配工藝中。在保證工作效率的同時，為減輕操作者的工作負擔，集成的電動擰緊工具出現在了新型的汽車流水線上。其結構形式是將數根擰緊軸進行組合，通過工裝將擰緊軸定位后集成電氣控制系統實現設備的自動化。操作者只需進行一些簡單操作，設備將自動擰緊輪胎螺栓。實現了輪胎多組螺栓的自動同步擰緊，并保證了較高的擰緊力矩。但是，該項設備的核心部件仍然由國外壟斷，國內在此領域的生產制造存在很大差距，研究空間很大。

1 汽車輪胎螺栓自動擰緊設備的結構形式

汽車輪胎螺栓自動擰緊設備的基本構成，如圖1所示。

1）軌道小車系統包括平行于線體的運行軌道和垂直于線體的操作軌道，還包括了沿著線體滑動的小車和垂直于線體方向運行的小車及相關的氣路系統。根據設計方案的不同，設備的軌道一般采用KBK 軌道或鋁合金軌道，主要用于設備沿線體方向的隨行與垂直于線體方向的進給。要求小車運行輕便靈活且阻力小。

2）懸掛系統包括懸掛的高度調整機構、導向機構、立柱以及防墜落安全帶等。由于擰緊過程中，需要設備隨線體自動運行，所以懸掛機構需要設置剛性立柱，根據車型的不同要求進行高度的調整。

3）組合擰緊軸箱體需要將所有的擰緊軸按照輪胎螺栓分度圓的半徑進行固定，對正操作過程中，可以將擰緊軸繞箱體中心線進行旋轉，實現與輪胎螺栓的對正。擰緊箱體還要集成部分操作系統，例如操作控制面板及操作手柄等。

4）擰緊軸系統包括擰緊軸總成、動力電纜、控制電纜以及擰緊軸控制器。

5）電氣控制系統包括PLC、變壓器、低壓電器及工控機系統等，實現了設備的整體控制和通訊。

操作過程為:當整車到達擰緊工位時，操作工轉動擰緊設備與輪胎螺栓進行對中后，按下操作手柄的啟動按鈕，擰緊箱體及擰緊軸系統在軌道系統的作用下向垂直于線體的方向自動運行，進行壓緊。到位后，擰緊軸系統帶動輪胎緊固件自動旋轉，達到力矩要求后，擰緊軸自動停止，實現輪胎緊固件與輪胎的擰緊，整個擰緊過程中所有擰緊軸同時運動，根據力矩情況獨立控制，實現了輪胎螺栓的自動擰緊。

2 汽車輪胎螺栓自動擰緊設備存在的主要問題

1）由于汽車底盤設計的原因，前后輪中心距離地面的高度有細微的差別，個別車型的設計中，這種差別已經達到毫米級，而目前的設備高度調整多數采用氣缸升降的形式，氣缸由于受到主氣源壓力的影響，無法實現高精度的高度調整，往往出現偏差。操作工在進行對中時操作不順利，時間較長，出現了劃傷車身的現象。

2）在設備擰緊過程中，垂直方向的壓緊力一般都是由軌道小車系統中的氣路提供。擰緊過程中設備的受力[1]均處于懸臂狀態，這種情況對設備和作業工件都很不利。擰緊軸在旋轉過程中需要與輪轂壓緊，依靠壓力轉化成隨線體運行的側向力。該力主要來源于軌道小車系統隨線體運行的摩擦力，整個系統安裝的平整度及平行度都影響著側向力的大小。如果側向力太大，導致擰緊軸轉動過程中與輪轂接觸，一方面影響了力矩控制，另一方面會對輪轂產生磨損。

3）力矩控制和檢測。ISO5393 中規定，螺栓的電動擰緊工具需要定期進行校準。整車緊固件按照其重要程度分為4 個等級，其中輪胎緊固件的擰緊歸入最關鍵的等級中，如果緊固作用失效，將危害到駕駛人的人身安全。輪胎螺栓擰緊時螺栓的狀態，如圖2 所示。

此狀態下整個車身被輸送的吊架吊起，輪胎沒有落地，螺栓只承受輪胎的質量，擰緊設備所施加的預緊力絕大多數轉化為螺栓的連接扭矩。設備通過傳感器的作用，將施加的力換算成力矩反饋給擰緊系統的控制器，實現對于螺栓力矩的控制。但是，汽車在行駛過程中，輪胎的螺栓需要承受整個車身的質量，螺栓是在一種切向受力的狀態下使用的。根據《機械設計手冊》，螺栓等緊固件要避免切向受力[2]。當處于圖2 所示的狀態時，無法對輪胎螺栓的力矩進行檢測。因為當力矩扳手施加力矩時，輪胎會發生轉動導致無法測量，從整車狀態上看，這種測量也存在問題。如果要對使用狀態的輪胎螺栓扭矩進行檢測，需要在車身落地后再進行扭矩的二次測量。此時，由于車身的質量完全由輪胎來支撐，螺栓的預緊力大部分用來抵消車身質量。當測量完成后，扭矩的測量值往往與設備控制系統中設定的扭矩目標值相差較大。

4）不同車型輪胎螺栓型號不同，需要在擰緊設備上快速更換另一套擰緊套筒。但是，套筒需要傳遞擰緊軸輸送來的高額力矩，必須保證在工作過程中不會出現竄動，套筒必須與擰緊軸相對固定。所以，該過程在高速的生產節拍下很難實現，經常出現停線的情況。對于需要安裝防盜螺栓的情況，由于輪胎固定過程中無法保證防盜螺栓的位置，而擰緊設備由于控制電纜及動力電纜的原因，無法實現360°旋轉，使得防盜螺栓緊固問題一直無法解決，需要專人進行手工擰緊。

3 問題處理方案

1）對于設備懸掛系統的高度調整，可以采用平衡器來解決。需要對平衡器進行反復調整，直至達到輕便的狀態。但是，對于較重的擰緊設備總成，需要考慮對升降機構進行中間限位來實現快速的高度調整。

2）在擰緊設備隨線運行時，為減少或者消除側向力的影響，可以采取2 種方案。一種是增加一套驅動系統，擰緊過程中與生產線時時通訊，讀取生產線的輸送速度，從而來匹配自身設備的運行速度。該方案對生產線輸送速度的精度及設備驅動系統的移動精度都有較為嚴格的要求，實現起來十分復雜。另一種是在箱體系統上增加工裝夾具，讓它和輪胎進行夾緊限位，擰緊設備運行的側向力依靠輪胎提供，擰緊軸可在一種比較自由的狀態下完成擰緊。

3）在力矩控制和檢測方面，如何將擰緊軸控制的動態力矩轉化成輪胎落地后的靜態檢測力矩還沒有很明確的計算方法。輪胎螺栓的變形情況及預緊力的其他轉化都十分復雜，需要經過反復試驗得出規律性結論后才能定論。

對于以上問題，在擰緊設備的結構設計上可以考慮采用擰緊軸與輸出端進行分體的方式。

4 結論

輪胎螺栓自動擰緊設備在國內汽車廠已經得到廣泛應用，對于擰緊設備的研究也取得了良好成果。但是，設備所涉及到的很多關鍵技術還沒有國產化，關鍵部件仍需要大量進口。技術人員還需要不懈的努力去克服技術上的難題，從而縮短我國與其他國家在該項技術方面的差距。