輪胎螺母擰緊機的設計及應用

王磊 王韜

摘 要：為了解決輪胎螺母擰緊機在應用中出現的無法柔性化對輪胎五個螺母在分度圓不同的情況下同線擰緊問題，在對現場工況和要求進行充分的分析后，對輪胎螺母擰緊機的各個組成部分重新進行設計，提出了通過氣缸與直線滑軌結合的方式驅動擰緊軸進行五軸自動變徑的設計方案，并且分析了該方案的可行性。經現場使用表明，該設計方案切實可行，設備運行穩定，可以滿足輪胎五個螺母在分度圓不同的情況下同線擰緊要求，在保證質量的同時提高了生產效率。

關鍵詞：輪胎螺母擰緊機;分度圓;自動變徑

中圖分類號：U463.341? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-112-03

Abstract： In order to solve the problem that the tire nut tightening machine cannot be flexible in application， the five nuts of the tire are tightened in the same line under different reference circle. After a thorough analysis of the on-site working conditions and requirements， the tire nut tightening machine of each component of the system was redesigned， and a design scheme for driving the tightening shaft through the combination of the cylinder and the linear slide rail for five-axis automatic reducing was proposed， and the feasibility of the scheme was analyzed. Field use shows that the design scheme is practical and stable， and the equipment runs stably， which can meet the same-line tightening requirements of the five nuts of the tire under different reference circle， which improves production efficiency while ensuring quality.

Keywords： The tire nut tightening machine; Reference circle; Automatic reducing

CLC NO.： U463.341? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-112-03

前言

目前輪胎螺母擰緊機在國內外各大型汽車生產廠家已經得到廣泛的應用，輪胎螺母擰緊機代替了以往的手工輪胎螺母擰緊。因為采用電動擰緊設備進行擰緊，具有精度高、效率高、速度快、噪音小等優點[1，2]。現階段各主機廠為節約成本，提高生產效率，往往會將不同的車型放置在同一生產線上組裝，而不同的車型，有可能其輪胎螺母分度圓不一樣，這就要求輪胎螺母擰緊機能進行柔性化生產。為了達到這個生產要求，我們設計出了一種可以自動變徑的輪胎螺母擰緊機。既滿足了生產要求，又降低了設備成本和人工成本。

1 輪胎螺母擰緊機的基本結構及原理

文中為懸掛安裝的臥式輪胎螺母擰緊機[3]，其主要由隨行裝置、懸掛裝置、擰緊軸箱、輔助結構、擰緊系統等部分組成。在生產線左右各安裝一臺，分別吊裝在鋼結構下方。鋼結構下方吊裝鋁軌，鋁軌間安裝隨行小車，小車下方安裝懸掛裝置，可以左右平移和升降，懸掛裝置下方安裝擰緊軸操作體。輪胎螺母擰緊機的結構示意圖如圖1所示。

1.1 隨行裝置

隨行裝置采用軌道系統，軌道材料為鋁合金，導軌兩端裝有減震器及用于指示隨行小車的位置限位開關。導軌末端設置限位開關，當隨行小車到達導軌末端還未完成擰緊時，主線停線以保證設備安全。隨行小車采用普通SEW電機驅動，僅用于擰緊后的返回。當需要返回時，控制電機升降的 氣缸伸出，使電機上的摩擦輪與導軌接觸，電機啟動，隨行小車運行;隨行時，氣缸縮回，摩擦輪與導軌分離，隨行小車隨生產線運動。隨行裝置用于隨行小車與車輛同步運行，進行輪胎螺母擰緊作業。擰緊完成后，隨行小車自動返回原位置或下一個待擰輪胎位置附近。

1.2 懸掛裝置

懸掛裝置主要是用于懸掛擰緊操作體，便于操作員擰緊作業。懸掛裝置主要包含豎直方向的升降和水平方向的前進后退。豎直方向的升降動力采用單桿鎖緊氣缸，配精密減壓閥調整好氣壓來保證整體的平衡狀態。在手動狀態下，人工可以輕松的調節上下高度。同時也可以根據車型自動調整擰緊裝置的高度以適應不同車型輪胎高度的變化。水平方向前進后退采用無桿氣缸驅動，配合直線軸承和光軸進行導向，使空間布局更加的緊湊，運行更加平穩。軸箱水平方向的位置在無桿氣缸控制下可以適應不同車型輪距變化。

1.3 擰緊軸箱

擰緊軸箱為圓筒結構，前方安裝一個單排交叉滾柱式回轉支撐，五把擰緊軸所在的變徑結構固定在回轉支撐的內圈上，在擰緊軸前端安裝三個氣缸，當擰緊完成后，將擰緊軸推離輪胎，保證退出無阻滯。軸箱外部主要是觸摸屏和手柄。觸摸屏上可以顯示擰緊結果及設備所處的狀態。手柄有兩個，分布在軸箱的前后位置上，靠近車體的手柄是可以隨著回轉支撐一起轉動的，與回轉支撐固定在一起的轉盤設置了限位，控制旋轉范圍在±40°，以適應輪胎相位角的偏轉。遠離車體的手柄上設置了進退、升降、啟動等按鍵。通過兩個手柄的操作，工人可以方便的操作設備對準螺母。

1.4 輔助結構

輔助結構主要包括固定整個擰緊設備的鋼結構以及拖鏈電纜。鋼結構主要是由工字鋼搭成的平行結構，下方懸掛著鋁合金軌道，用于擰緊設備在擰緊螺母的同時與車體一起隨行。電纜裝在拖鏈中，拖鏈寬度足夠，電纜不會受擠壓，電纜與氣管采用高柔性抗彎曲疲勞材質，一端進控制柜，另外一端進擰緊設備，與整個擰緊設備一起隨行。

1.5 擰緊系統

擰緊軸是輪胎螺母擰緊機的核心部件，國內的擰緊軸因為制造工藝水平、精確性和可靠性等方面與國外的擰緊軸有一定的差距，因此國內各大汽車廠商絕大多數使用的都是歐美進口的擰緊軸[2]。比較常見的擰緊軸品牌有阿特拉斯-科普柯（Atlas Copco）、博世（BOSCH）、艾佩克斯（APEX）等。文中的設備采用博世（BOSCH）品牌的擰緊軸。表1是博世品牌的一些關鍵性參數。

表1? 博世品牌關鍵參數

典型的螺紋擰緊控制方法有扭矩法、扭矩/轉角法、屈服點法以及螺栓長度法這四種方法[4-6]。本設備的螺母擰緊控制方式采用的是扭矩控制、角度控制以及屈服點控制。在指定扭矩開始反轉，按PLC指令工作，在設定時間段內保持扭力、消除擰緊工件的扭力衰減。

擰緊控制器對擰緊軸反饋的數據進行收集，通過分析給出擰緊結果，擰緊結果通過控制柜上不同顏色指示燈進行反饋，同時增加螺母漏打、松脫、滑絲等報警。當異常報警出現時，在控制柜顯示屏上會顯示報警信息。

2 變徑設計

2.1 輪胎基本參數

汽車廠商的生產線會同時生產兩種或者兩種以上車型，不同車型的輪胎，其螺母分度圓有可能不一樣。現有兩種螺母分度圓不同的輪胎參數如表2所示。

2.2 擰緊軸箱變徑結構

由于輪胎有兩種不同分度圓的五個螺母會出現在同一生產線上，因此，設計出了具有變徑結構的擰緊軸箱，以滿足現場的生產要求。擰緊軸箱的基本結構如圖2所示，擰緊軸變徑結構如圖3所示。

該變徑結構主要由氣缸、直線滑軌、擰緊軸固定板等組成。擰緊軸安裝在固定板上，固定板與直線滑軌的滑塊固定在一起，氣缸的伸縮桿與固定板連接在一起。通過氣缸的動作，可以實現擰緊軸在直線滑軌方向上的運動。當要求實現變徑時，五個氣缸同時伸出（或者縮回），使擰緊軸運動到一定的分度圓位置。這個位置由固定板前后的限位來保證，當固定板撞到其前方的中心限位軸時，則五根擰緊軸的分度圓直徑為114.3mm;當固定板撞到其后方的限位塊時，則五根擰緊軸的分度圓直徑為120mm。當變距完成后，會有相應的檢具進行精度檢查確認。在每根軸附近安裝了傳感器，以此來檢測其切換位置，并且變距到位后通過檢測信號控制鎖緊氣缸動作，鎖緊軸的位置。

擰緊軸在擰緊螺母的過程中，會有扭矩力產生。為了減少扭矩對滑塊滑動方向上的影響，將直線滑軌布置在擰緊軸的直徑方向上。而在擰緊螺母的時候，整個設備會與車體隨行，在這個過程中車體對擰緊軸產生的力則主要由氣缸的推力來吸收[7，8]。通過這樣的設計，擰緊軸在使用的過程中就不會發生位置的偏移，從而保證擰緊結果的穩定性以及準確性。

3 結論

本文介紹了輪胎螺母擰緊機的基本結構及原理，設計出了一種五個擰緊軸自動變徑的擰緊軸箱，成功的解決了輪胎五個螺母在 分度圓不同的情況下共線擰緊問題，極大的提高了生產線的智能化水平，保證了生產效率和產品質量，同時也為企業創造了效益。

參考文獻

[1] 吳拓.汽車總裝車間六-五軸混合自動變位螺母擰緊機方案設計及應用[J].汽車實用技術，2017（11）：56-57+60.

[2] 余練練.輪胎螺母擰緊機的應用研究[J].裝備制造技術，2011（09）： 186-190.

[3] 衛道柱. 螺紋自動擰緊機的研制[D].合肥工業大學，2004.

[4] 朱博.工業擰緊技術發展現狀分析[J].中國設備工程，2019（24）：232 -233.

[5] 楊坤怡，杜海若.智能螺栓擰緊機自動控制系統設計[J].機床與液壓，2008（04）：114-116.

[6] 黃恭偉.螺紋擰緊技術研究及擰緊機控制系統設計[D].合肥工業大學，2007.

[7] 濮良貴，紀名剛，機械設計[M].北京：高等教育出版社，1996年5月.

[8] 楊伯源，材料力學（I）[M].北京：機械工業出版社，2002年1月.