一种新型汽车轮毂螺栓装配工具的设计

王磊， 张建中， 朱路生， 梁本磊

（合肥工业大学，机械与汽车工程学院，合肥230009）

一种新型汽车轮毂螺栓装配工具的设计

王磊， 张建中， 朱路生， 梁本磊

（合肥工业大学，机械与汽车工程学院，合肥230009）

汽车装配维修中涉及很多重复性操作。文中以汽车装配维修中的螺栓装配为研究对象，设计了一种简易的装配维修工具。该汽车轮毂螺栓装配工具可以有效地减少重复装配，既减轻了操作者的劳动强度，又提高了装配维修的效率和装配质量，有效地提升了汽车的安全性、舒适性和可靠性。该装配维修工具使得原本重复的螺栓装配工作组合起来，操作人员通过手柄一次完成整个装配过程。通过软件仿真和可行性分析，证明了机构的合理性和可操作性。

螺栓装配；安全性；舒适性；可靠性；连杆

0 引言

螺纹联接因为具有精度高、装配方便、易于维护、标准化程度高等优点，所以被广泛地应用于汽车行业。但是螺纹联接失效问题也是机器故障的重要问题之一。轮毂螺栓作为将汽车车轮轮毂和车轮坚固连为一体的联接件，其装配质量直接影响汽车的安全性、舒适性、可靠性。对此，研究出了能够帮助提升螺纹装配质量和效率的螺栓拧紧机构。

王崴、肖强明等［1］针对结合面微观几何形貌和螺栓装配工艺对螺栓连接性能影响的重要性，利用逆向工程和有限元仿真，建立了螺栓预紧力大小、速度和连接性能的关键模型；赖思琦、张立红等［2］针对连杆螺栓装配工序的特点和技术要求，设计了该工序的夹具，为企业创作了良好效益；孙骅［3］改进了SUN_1型车式液压双头拉伸机械手的结构，并将其用于多数大型设备轴承螺栓的装配。

随着电子技术和计算机技术的发展，电动螺栓拧紧机及数控螺纹拧紧机逐步发展并走向成熟。按照轴分类可分为单轴和多轴拧紧机。单轴电动拧紧机凭借控制方便、噪声小、力矩控制精度高、调整方便等优点，在生产装配维修中得到了普及。但在日常生活中使用的低成本快捷的多轴拧紧机器领域则鲜有介入，这一方面使得人们因为缺乏工具而无法从繁琐的装配维修工作中解放，另一方面也无法保证汽车轮毂的螺栓安装质量，造成螺栓断裂和松脱，这将直接影响到汽车的安全性、舒适性和可靠性。

1 整体设计方案

一种新型汽车轮毂螺栓装配工具由人工手柄、支撑板、输入轴、扭转离合器、联接螺柱、伸缩式万向调节连杆、快速调整套筒组成，如图1所示。其独特之处是：在轮毂螺栓装配工具的前端由人机两用扭转离合器实现扭矩保护输入，带动支撑板平面运动实现多轴输出，通过伸缩式万向调节连杆和快速调整套筒可以轻松地实现径向分布调整、进给和套筒位置姿态与轮毂螺栓的快速配合。工作原理：人工或外接动力通过扭矩离合器将动力传递给输入轴，输入轴带动支撑板进行平面运动，而与支撑板相连接的可拆式输出轴则随着支撑板实现圆周运动，最后通过套筒拧紧螺栓。

图1 新型汽车轮毂螺栓装配工具分解图

2 关键结构

新型汽车轮毂螺栓装配工具优化过程中的关键结构主要包括：可调式扭矩离合器、并联输出机构、可拆式输出轴和快速调节套筒。

2.1 可调式扭矩离合器

本设计中使用了一种新型的可调式扭矩离合器，其外观三维模型如图2所示。剖视图如图3所示。主动部分的设计采用了联轴器形式，可以联接外部动力或者手动。其上分布有2个带有压缩弹簧的销轴压块、滚珠、带槽的联轴器本体。当拧紧销轴压块中螺母时便可以调整弹簧的压缩量，从而控制滚珠的压紧力。当主动轴转动时，凭借弹簧压块压力对滚珠在槽中的定位，销轴压块便会与从动部分的凸台咬合从而传递动力。当扭矩超出弹簧压力对滚珠在槽中的限位能力时，带有压缩弹簧的销轴压块中的滚珠便会跃出槽外，无法继续扭矩传递，从而实现扭矩的调整和保证。当再次使用时需要使用扳手将压块拨正，使滚珠回到槽中。

图2 可调式扭矩离合器

图3 离合器剖视图

2.2 可拆式输出轴

由于在现实使用中可能存在螺栓的径向分布和拧紧时的进给问题，如果输出轴使用一体化设计则无法满足使用要求，可以将输出轴做出一定的改进，改进后输出轴结构如图4所示。

图4 可拆式输出轴结构

1）径向分布可调。通过在原有输出轴本体中增加调节连杆，由于万向节具有变角度动力传递和改变传动轴线方向的位置的功能，所以其能够在一定范围内达到径向调整效果。

2）套筒的同步进给。汽车轮毂螺栓一般使用右旋螺纹，在设计中为了保证在拧紧和放松时都不至于使得调节杆松脱失效，所以在输出轴本体和调节连杆连接处有小孔可塞入销钉防松。

2.3 快速调节套筒

在日常对汽车轮毂螺栓的装配拆卸中，会存在各个螺栓的位置姿态不一致的问题，因而本文重新设计了输出轴与套筒之间的连接结构。一般六边形在初始状态下经过60°旋转后与原来图形位置相同，只要在设计中能够保证套筒拥有60°的调整量便可以通过调节套筒与任何位置的螺栓进行配合。

据此本文设计了如图5所示的联接结构。该结构可以保证在可联接的前提下，输出轴与套筒之间有60°的调整间隙。

图5 改进后的连接结构

2.4 并联输出机构

汽车轮毂螺栓的数量通常是4个或5个，而并联输出机构的作用正好可以将一根轴的转动变为多个轴的转动，如图6所示。

图6 并联输出机构

3 结语

本文主要解决了以下问题：

1）汽车轮毂螺栓装配工具在使用中的螺栓定位问题。设计中通过使用双万向节增加连杆数目，解决了针对螺栓径向分布及动力传输问题。

2）汽车轮毂螺栓装配工具在日常使用受限制的问题。设计中将繁杂的设计单元剔除，简化了工具结构，使其可以随车携带，不受动力源、设备体积等限制，从而满足使用需求。

3）汽车轮毂螺栓装配工具中套筒与螺栓之间初次配合问题。在分析螺栓位置的情况下，设计了一种特殊的套筒与输出轴连接，使得套筒可以有60°的调整空间用于精确配合。

4）汽车轮毂螺栓装配工具中工具的进给问题。当螺栓在螺孔中下沉时工具必须随之同步进给，为此在设计中将输出轴设计为三部分组成。中间部分使用带有弹簧的可伸缩万向节实现进给。

［1］ 王崴，肖强明.逆向工程和有限元仿真在螺栓装配工艺研究中的应用［J］.机床与液压，2012，40（23）：127-139.

［2］ 赖思琦，张立红.连杆螺栓装配液压夹具设计［J］.机械设计制造，2010（10）：239-240.

［3］ 孙骅.一种特型液压双头拉伸机械手的设计与研制——大型设备轴承螺栓装配专用工具［J］.液压与气动，2003（5）：40-42.

（编辑立 明）

Design of a New Car Wheel Bolts Assembly Tool

WANG Lei,ZHANG Jianzhong,ZHU Lusheng,LIANG Benlei
（School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China）

There involves a lot of repetitive operations in automobile assembly.A new car wheel bolt assembly tool was designed in the study of automobile repair.The main purpose of this design was to minimize repetitive motion,reduce the operator’s labor intensity,improve the efficiency and quality of assembly,and effectively enhance the safety, comfort and reliability of the car.Repeated bolt assembly work was combined by using this car wheel bolt assembly tool.The mechanism was proved to be reasonable and workable through software simulation and feasibility analysis.

bolts assembly;safety;comfort;reliability;link

TH 131.3

A

1002－2333（2014）05－0030－02

王磊（1989—），硕士，研究方向为机械设计、智能算法。

2014-02-26

2013安徽省自然科学研究项目（KJ2013B064）