折疊式輪胎舉升機構的設計

勾頻， 張洪汛

（武漢科技大學，武漢430081）

0 引言

在大型工程機械的維修過程中，由于車輪直徑比較大，其重量一般都有300～400多kg，維護更換都是一件非常費力和困難的事情。尤其是大型工程機械在野外作業時，若需要現場更換車輪，一般只能靠手工操作，極大影響了工程機械的日常使用和維修。研發一種適合大型工程機械和重型汽車等可行駛裝備的零部件裝卸工具，顯得十分必要。

目前重型車輪的裝拆機構大多采用懸叉式。其懸叉由門架支承，并沿門架上下移動實現對車輪的舉升，動作由液壓和螺旋機構來驅動，裝拆車輪時只能做垂直方向的移動，水平移動需要人工手動完成，造成輪胎的水平對中調整困難。從受力方面來看，由于懸叉為懸臂結構，受力條件差，需要有較大的結構剛度［1］。這使得裝拆機構結構龐大，不便于隨車攜帶。本文針對此問題，提出了一種新的折疊式輪胎舉升機構，通過減速器調節兩擺桿機構的相對轉動來實現對輪胎的垂直和水平兩方向的移動和調整，使其結構簡單，操作方便，重量輕。同時將機構設計成可折疊式，使得該機構具有體積小、便于車載和野外使用等特點。

1 折疊式擺桿舉升機構

1.1 機構簡介

該機構主要由擺桿機構、支承機構、減速機構和折疊機構組成，如圖1。

左右對稱的兩擺桿機構固定在支承機構的兩個側支腿上，擺桿機構由擺桿9、滾筒1和擺桿軸7等組成，擺桿軸7的一端與蝸桿減速器5的輸出端聯接，折疊扶手2固定在支承框架4的橫梁上，支承框架4裝有4個萬向輪6。支承框架可左右折疊。為了增加支承框架水平面的剛度和承載能力，在支承框架的開口處可設置一附加拉桿，附加拉桿根據工作狀況可活動的卡上或取下。

圖1 折疊式擺桿舉升機構結構圖

1.2 工作原理

需要裝拆車輪時，推動扶手將本裝置沿地面插入車輪下，通過驅動機構蝸輪蝸桿的轉動，分別帶動擺桿軸轉動，使重型車輪支承在滾筒上。控制擺桿的角度來確定和調節輪胎在支承滾筒上的位置。兩擺桿相對合攏或張開、同向左右轉動等可實現輪胎的舉升、下降和左右移動。支承機構實現拆裝時的前后移動和零部件的轉移。4個萬向輪的支承，使支承機構的受力為簡支梁結構，相對現有的懸臂式結構受力大為改善，并減輕了裝置的重量［1］。

不工作時，啟用折疊機構。將左右支腿設計成能向內折疊，扶手的上端向下折疊的模式。使得裝置收藏體積變小，提高可攜帶性。

1.3 設計參數

本裝置的結構尺寸應根據車輪的尺寸和重量來設計，要求強度高、體積小、重量輕、宜操作。保證車輪舉升調整范圍為上下左右150 mm內。本設計適于車輪直徑不大于1 500 mm，輪寬不大于500 mm，輪重G不大于400kg。主要的設計參數有：擺桿軸間距Lj，擺桿長lg，支承滾筒半徑Rt，支承滾筒寬度Wt，減速機傳動比i等。

2 舉升機構的設計

2.1 受力分析及主要零部件的設計

圖2 機構軌跡區域邊界

圖3 車輪受力分析圖

裝拆車輪時，輪胎中心的運動軌跡存在最左、最右、最上和最下等數個極限位置。利用CAD作圖原理模擬出滾子和擺桿與車輪的接觸模型及極限位置，如圖2所示。設定各零件的結構參數后，可確定擺桿的初始角和終止角，以及擺動范圍。

經分析可知，當被舉升的車輪中心位置處在最下方時，車輪對滾筒的正壓力F達到最大值。故可根據該狀態進行受力分析。車輪的受力分析圖見圖3，求出作用在擺桿機構上的力F1、F2：

式中，G為車輪的重量，如擺桿兩邊位置對稱布置，車輪處于最下方時，α=β。代入參數即可求得F1、F2的值，作為擺桿機構設計的重要參數之一。

為選擇減速器的功率及傳動比，以及驗算擺桿軸的強度都需要求出作用在擺桿軸即減速器輸出軸上的扭矩T。如圖4，當忽略零件與滾筒之間摩擦力Ff后，扭矩T可根據零件作用在滾筒上的正壓力F乘以到擺桿軸中心的垂直距離h來確定：

其中，h=lg·sin（90°＋θ－α）。

圖4 扭矩計算示意圖

當擺桿處于不同位置，即θ變化時，F和 h均為變量。舉升機構是按T最大進行設計的，故取車輪處于最下方時幾何參數，代入公式中求得T。

本設計選用了RV50鋁合金方箱蝸桿蝸輪減速器，其功率、轉矩和傳動比均能滿足要求，大大減輕了裝置的重量，能實現反行程自鎖，保證了工作時不會反轉，使被舉升的零件有相對固定的位置和運動。滾筒、擺桿軸、擺桿的設計，可根據上述所求力F1、F2、T，分別畫出受力分析圖和彎扭矩圖，由彎曲強度、扭轉強度條件，確定各主要尺寸，并進行結構設計得到。設計主要結果有：擺桿軸間距Lj=1 000 mm；擺桿長lg=150 mm；擺桿軸直徑dz=30 mm；支承滾筒寬度Wt=700 mm；支承滾筒直徑Dt=50 mm；減速機傳動比i=40。

2.2 三維實體建模與仿真

采用三維造型工具進行產品結構設計，能更直觀地反映折疊式輪胎舉升機構的構造。可以很好地檢驗具有裝配關系的零部件是否會發生干涉，直觀地觀察到結構是否合理，特別是針對一些復雜零件及工作原理（如折疊過程）。通過實體模型的預裝配與運動仿真分析，可以大量減少設計錯誤。因此在完成裝置的初步結構設計以后，利用了三維設計軟件Autodesk Inventor對該裝置進行了三維建模和運動仿真分析。

利用 Inventor軟件創建了完整的數字樣機，借助其運動仿真功能模塊，根據實際工況添加載荷和運動約束，了解裝置在真實條件下的運行狀況。通過應力分析模塊檢驗了其設計的可行性。折疊式輪胎舉升機構的實體模型如圖5所示。

圖5 折疊式擺桿舉升機構模型

2.3 折疊機構的設計

為適應重型車輛野外工作環境，滿足體積小、重量輕、便于攜帶和車載的要求。該裝置設計了3處折疊，分別是左、右支腿和扶手的折疊。如圖1所示，左、右支腿與底座橫梁通過鉸鏈連接在一起。為滿足折疊空間的需要，左支腿靠近左折疊支座的位置設有1根方形鋼管，插入左折疊支座內部，可沿其內表面滑動。

機構在工作狀態時，左、右支腿與橫梁左、右側的銷孔分別對齊，分別插入上端帶圓環的插銷固定。2個支腿與底座橫梁的接觸面相互配合，同鉸鏈一起承受主要載荷，插銷僅起到定位和固定作用。

機構完成工作任務，需要裝箱時，首先拔出右側插銷，將右支腿轉動90°靠向底座橫梁，然后拔出左側插銷，將左支腿向內側轉動90°，在折疊過程中需將左支腿略微向外側拉出，以避開已經完成折疊的右支腿。扶手可以沿底座上的扶手插銷小幅度上下移動，向上提起扶手后即可將其折疊。

按照折疊機構的設計方案，可以依次折疊數字樣機的右支腿、左支腿和扶手，各零部件沒有出現干涉或錯誤，完成折疊動作后的裝置如圖6所示。

經過折疊，該裝置可以收納在內部凈尺寸（長×寬×高）為1 000 mm×400 mm×500 mm的方形箱體中，存放、運輸和搬動都非常方便。由此，該裝置的折疊機構達成了設計初衷，滿足了其小型化、輕量化，便于攜帶搬運的實際需求。

圖6 折疊后舉升機構效果圖

3 結語

本設計從實際應用出發，解決了大型工程機械和重型汽車在維護更換零部件時的裝卸難題，既省力又省時。Autodesk Inventorde軟件的應用，使設計更直觀，更優化，效率更高。該機構結構簡單，操作方便，通過蝸桿蝸輪減速機來控制擺桿的擺動角度，可滿足被拆裝零部件的位置對中要求。由于該設備設計成折疊式，大大方便了車載和野外作業。本項目得到了“汽車零部件技術湖北省協同創新中心”的大力支持。

［參考文獻］

［1］張洪汛.一種車輪舉升機構的設計研究［J］.制造業自動化，2013（13）：103-106.

［2］張洪汛，吳小珍，勾頻.一種重型車輪拆裝裝置：中國，CN201010235333.4［P］.2011-11-05.

［3］楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設計基礎［M］.北京：高等教育出版社，2006：131-290.

［4］歐特克公司.Autodesk Inventor 2011進階培訓教程［M］.北京：電子工業出版社，2011：165-220.

［5］唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和運動仿真［M］.北京：機械工業出版社，2009：113-151.