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(yè)時，若需要現(xiàn)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(fā)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(gòu)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(xiàn)對車輪的舉升，動作由液壓和螺旋機構(gòu)來驅(qū)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(diào)整困難。從受力方面來看，由于懸叉為懸臂結(jié)構(gòu)，受力條件差，需要有較大的結(jié)構(gòu)剛度。這使得裝拆機構(gòu)結(jié)構(gòu)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(gòu)，通過減速器調(diào)節(jié)兩擺桿機構(gòu)的相對轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對輪胎的垂直和水平兩方向的移動和調(diào)整，使其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，重量輕。同時將機構(gòu)設(shè)計成可折疊式，使得該機構(gòu)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(gòu)
1.1 機構(gòu)簡介
該機構(gòu)主要由擺桿機構(gòu)、支承機構(gòu)、減速機構(gòu)和折疊機構(gòu)組成，如圖1。
圖1 折疊式擺桿舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
1.滾筒2.扶手3.扶手插銷4.支承框架5.蝸桿減速器6.萬向輪7.擺桿軸
8.擺桿座9.擺桿10.插銷11.右支腿12.左支腿13.左折疊支座
左右對稱的兩擺桿機構(gòu)固定在支承機構(gòu)的兩個側(cè)支腿上，擺桿機構(gòu)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(lián)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(shè)置一附加拉桿，附加拉桿根據(jù)工作狀況可活動的卡上或取下。
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(qū)動機構(gòu)蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動，分別帶動擺桿軸轉(zhuǎn)動，使重型車輪支承在滾筒上�？刂茢[桿的角度來確定和調(diào)節(jié)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(zhuǎn)動等可實現(xiàn)輪胎的舉升、下降和左右移動。支承機構(gòu)實現(xiàn)拆裝時的前后移動和零部件的轉(zhuǎn)移。4個萬向輪的支承，使支承機構(gòu)的受力為簡支梁結(jié)構(gòu)，相對現(xiàn)有的懸臂式結(jié)構(gòu)受力大為改善，并減輕了裝置的重量。
不工作時，啟用折疊機構(gòu)。將左右支腿設(shè)計成能向內(nèi)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(shè)計參數(shù)
本裝置的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)根據(jù)車輪的尺寸和重量來設(shè)計，要求強度高、體積小、重量輕、宜操作。保證車輪舉升調(diào)整范圍為上下左右150mm內(nèi)。本設(shè)計適于車輪直徑不大于1500mm，輪寬不大于500mm，輪重G不大于400kg。主要的設(shè)計參數(shù)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(gòu)的設(shè)計
2.1 受力分析及主要零部件的設(shè)計
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(shù)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(shè)定各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，可確定擺桿的初始角和終止角，以及擺動范圍。
圖2 機構(gòu)軌跡區(qū)域邊界
經(jīng)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(jù)該狀態(tài)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(gòu)上的力F1、F2：
圖3車輪受力分析圖式中，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。代人參數(shù)即可求得F1、F2的值，作為擺桿機構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)之一。
圖3 車輪受力分析圖
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(jù)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)。
當擺桿處于不同位置，即θ變化時，F(xiàn)和h均為變量。舉升機構(gòu)是按T最大進行設(shè)計的，故取車輪處于最下方時幾何參數(shù)，代入公式中求得T。
本設(shè)計選用了RV50鋁合金方箱蝸桿蝸輪減速器，其功率、轉(zhuǎn)矩和傳動比均能滿足要求，大大減輕了裝置的重量，能實現(xiàn)反行程自鎖，保證了工作時不會反轉(zhuǎn)，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(shè)計，可根據(jù)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(zhuǎn)強度條件，確定各主要尺寸，并進行結(jié)構(gòu)設(shè)計得到。設(shè)計主要結(jié)果有：擺桿軸間距Lj=1000mm；擺桿長lg=150mm；擺桿軸直徑dz=30mm；支承滾筒寬度Wt=700mm；支承滾筒直徑Dt=50mm；減速機傳動比i=40。
圖4 扭矩計算示意圖
2.2 三維實體建模與仿真
采用三維造型工具進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，能更直觀地反映折疊式輪胎舉升機構(gòu)的構(gòu)造。可以很好地檢驗具有裝配關(guān)系的零部件是否會發(fā)生干涉，直觀地觀察到結(jié)構(gòu)是否合理，特別是針對一些復(fù)雜零件及工作原理（如折疊過程）。通過實體模型的預(yù)裝配與運動仿真分析，可以大量減少設(shè)計錯誤。因此在完成裝置的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計以后，利用了三維設(shè)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(chuàng)建了完整的數(shù)字樣機，借助其運動仿真功能模塊，根據(jù)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(yīng)力分析模塊檢驗了其設(shè)計的可行性。折疊式輪胎舉升機構(gòu)的實體模型如圖5所示。
圖5 折疊式擺桿舉升機構(gòu)模型
2.3 折疊機構(gòu)的設(shè)計
為適應(yīng)重型車輛野外工作環(huán)境，滿足體積小、重量輕、便于攜帶和車載的要求。該裝置設(shè)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(shè)有1根方形鋼管，插入左折疊支座內(nèi)部，可沿其內(nèi)表面滑動。
機構(gòu)在工作狀態(tài)時，左、右支腿與橫梁左、右側(cè)的銷孔分別對齊，分別插入上端帶圓環(huán)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(gòu)完成工作任務(wù)，需要裝箱時，首先拔出右側(cè)插銷，將右支腿轉(zhuǎn)動90°靠向底座橫梁，然后拔出左側(cè)插銷，將左支腿向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動90°，在折疊過程中需將左支腿略微向外側(cè)拉出，以避開已經(jīng)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(gòu)的設(shè)計方案，可以依次折疊數(shù)字樣機的右支腿、左支腿和扶手，各零部件沒有出現(xiàn)干涉或錯誤，完成折疊動作后的裝置如圖6所示。
經(jīng)過折疊，該裝置可以收納在內(nèi)部凈尺寸（長×寬×高）為1000mm×400mm×500mm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(gòu)達成了設(shè)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(gòu)效果圖
3 結(jié)語
本設(shè)計從實際應(yīng)用出發(fā)，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(yīng)用，使設(shè)計更直觀，更優(yōu)化，效率更高。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)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(shè)備設(shè)計成折疊式，大大方便了車載和野外作業(yè)。本項目得到了“汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心”的大力支持。
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