轮胎螺母拧紧机的设计及应用

王磊 王韬

摘 要：为了解决轮胎螺母拧紧机在应用中出现的无法柔性化对轮胎五个螺母在分度圆不同的情况下同线拧紧问题，在对现场工况和要求进行充分的分析后，对轮胎螺母拧紧机的各个组成部分重新进行设计，提出了通过气缸与直线滑轨结合的方式驱动拧紧轴进行五轴自动变径的设计方案，并且分析了该方案的可行性。经现场使用表明，该设计方案切实可行，设备运行稳定，可以满足轮胎五个螺母在分度圆不同的情况下同线拧紧要求，在保证质量的同时提高了生产效率。

关键词：轮胎螺母拧紧机;分度圆;自动变径

中图分类号：U463.341  文献标识码：A  文章编号：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

目前轮胎螺母拧紧机在国内外各大型汽车生产厂家已经得到广泛的应用，轮胎螺母拧紧机代替了以往的手工轮胎螺母拧紧。因为采用电动拧紧设备进行拧紧，具有精度高、效率高、速度快、噪音小等优点[1，2]。现阶段各主机厂为节约成本，提高生产效率，往往会将不同的车型放置在同一生产线上组装，而不同的车型，有可能其轮胎螺母分度圆不一样，这就要求轮胎螺母拧紧机能进行柔性化生产。为了达到这个生产要求，我们设计出了一种可以自动变径的轮胎螺母拧紧机。既满足了生产要求，又降低了设备成本和人工成本。

1 轮胎螺母拧紧机的基本结构及原理

文中为悬挂安装的卧式轮胎螺母拧紧机[3]，其主要由随行装置、悬挂装置、拧紧轴箱、辅助结构、拧紧系统等部分组成。在生产线左右各安装一台，分别吊装在钢结构下方。钢结构下方吊装铝轨，铝轨间安装随行小车，小车下方安装悬挂装置，可以左右平移和升降，悬挂装置下方安装拧紧轴操作体。轮胎螺母拧紧机的结构示意图如图1所示。

1.1 随行装置

随行装置采用轨道系统，轨道材料为铝合金，导轨两端装有减震器及用于指示随行小车的位置限位开关。导轨末端设置限位开关，当随行小车到达导轨末端还未完成拧紧时，主线停线以保证设备安全。随行小车采用普通SEW电机驱动，仅用于拧紧后的返回。当需要返回时，控制电机升降的 气缸伸出，使电机上的摩擦轮与导轨接触，电机启动，随行小车运行;随行时，气缸缩回，摩擦轮与导轨分离，随行小车随生产线运动。随行装置用于随行小车与车辆同步运行，进行轮胎螺母拧紧作业。拧紧完成后，随行小车自动返回原位置或下一个待拧轮胎位置附近。

1.2 悬挂装置

悬挂装置主要是用于悬挂拧紧操作体，便于操作员拧紧作业。悬挂装置主要包含竖直方向的升降和水平方向的前进后退。竖直方向的升降动力采用单杆锁紧气缸，配精密减压阀调整好气压来保证整体的平衡状态。在手动状态下，人工可以轻松的调节上下高度。同时也可以根据车型自动调整拧紧装置的高度以适应不同车型轮胎高度的变化。水平方向前进后退采用无杆气缸驱动，配合直线轴承和光轴进行导向，使空间布局更加的紧凑，运行更加平稳。轴箱水平方向的位置在无杆气缸控制下可以适应不同车型轮距变化。

1.3 拧紧轴箱

拧紧軸箱为圆筒结构，前方安装一个单排交叉滚柱式回转支撑，五把拧紧轴所在的变径结构固定在回转支撑的内圈上，在拧紧轴前端安装三个气缸，当拧紧完成后，将拧紧轴推离轮胎，保证退出无阻滞。轴箱外部主要是触摸屏和手柄。触摸屏上可以显示拧紧结果及设备所处的状态。手柄有两个，分布在轴箱的前后位置上，靠近车体的手柄是可以随着回转支撑一起转动的，与回转支撑固定在一起的转盘设置了限位，控制旋转范围在±40°，以适应轮胎相位角的偏转。远离车体的手柄上设置了进退、升降、启动等按键。通过两个手柄的操作，工人可以方便的操作设备对准螺母。

1.4 辅助结构

辅助结构主要包括固定整个拧紧设备的钢结构以及拖链电缆。钢结构主要是由工字钢搭成的平行结构，下方悬挂着铝合金轨道，用于拧紧设备在拧紧螺母的同时与车体一起随行。电缆装在拖链中，拖链宽度足够，电缆不会受挤压，电缆与气管采用高柔性抗弯曲疲劳材质，一端进控制柜，另外一端进拧紧设备，与整个拧紧设备一起随行。

1.5 拧紧系统

拧紧轴是轮胎螺母拧紧机的核心部件，国内的拧紧轴因为制造工艺水平、精确性和可靠性等方面与国外的拧紧轴有一定的差距，因此国内各大汽车厂商绝大多数使用的都是欧美进口的拧紧轴[2]。比较常见的拧紧轴品牌有阿特拉斯-科普柯（Atlas Copco）、博世（BOSCH）、艾佩克斯（APEX）等。文中的设备采用博世（BOSCH）品牌的拧紧轴。表1是博世品牌的一些关键性参数。

表1  博世品牌关键参数

典型的螺纹拧紧控制方法有扭矩法、扭矩/转角法、屈服点法以及螺栓长度法这四种方法[4-6]。本设备的螺母拧紧控制方式采用的是扭矩控制、角度控制以及屈服点控制。在指定扭矩开始反转，按PLC指令工作，在设定时间段内保持扭力、消除拧紧工件的扭力衰减。

拧紧控制器对拧紧轴反馈的数据进行收集，通过分析给出拧紧结果，拧紧结果通过控制柜上不同颜色指示灯进行反馈，同时增加螺母漏打、松脱、滑丝等报警。当异常报警出现时，在控制柜显示屏上会显示报警信息。

2 变径设计

2.1 轮胎基本参数

汽车厂商的生产线会同时生产两种或者两种以上车型，不同车型的轮胎，其螺母分度圆有可能不一样。现有两种螺母分度圆不同的轮胎参数如表2所示。

2.2 拧紧轴箱变径结构

由于轮胎有两种不同分度圆的五个螺母会出现在同一生产线上，因此，设计出了具有变径结构的拧紧轴箱，以满足现场的生产要求。拧紧轴箱的基本结构如图2所示，拧紧轴变径结构如图3所示。

该变径结构主要由气缸、直线滑轨、拧紧轴固定板等组成。拧紧轴安装在固定板上，固定板与直线滑轨的滑块固定在一起，气缸的伸缩杆与固定板连接在一起。通过气缸的动作，可以实现拧紧轴在直线滑轨方向上的运动。当要求实现变径时，五个气缸同时伸出（或者缩回），使拧紧轴运动到一定的分度圆位置。这个位置由固定板前后的限位来保证，当固定板撞到其前方的中心限位轴时，则五根拧紧轴的分度圓直径为114.3mm;当固定板撞到其后方的限位块时，则五根拧紧轴的分度圆直径为120mm。当变距完成后，会有相应的检具进行精度检查确认。在每根轴附近安装了传感器，以此来检测其切换位置，并且变距到位后通过检测信号控制锁紧气缸动作，锁紧轴的位置。

拧紧轴在拧紧螺母的过程中，会有扭矩力产生。为了减少扭矩对滑块滑动方向上的影响，将直线滑轨布置在拧紧轴的直径方向上。而在拧紧螺母的时候，整个设备会与车体随行，在这个过程中车体对拧紧轴产生的力则主要由气缸的推力来吸收[7，8]。通过这样的设计，拧紧轴在使用的过程中就不会发生位置的偏移，从而保证拧紧结果的稳定性以及准确性。

3 结论

本文介绍了轮胎螺母拧紧机的基本结构及原理，设计出了一种五个拧紧轴自动变径的拧紧轴箱，成功的解决了轮胎五个螺母在 分度圆不同的情况下共线拧紧问题，极大的提高了生产线的智能化水平，保证了生产效率和产品质量，同时也为企业创造了效益。

参考文献

[1] 吴拓.汽车总装车间六-五轴混合自动变位螺母拧紧机方案设计及应用[J].汽车实用技术，2017（11）：56-57+60.

[2] 余练练.轮胎螺母拧紧机的应用研究[J].装备制造技术，2011（09）： 186-190.

[3] 卫道柱. 螺纹自动拧紧机的研制[D].合肥工业大学，2004.

[4] 朱博.工业拧紧技术发展现状分析[J].中国设备工程，2019（24）：232 -233.

[5] 杨坤怡，杜海若.智能螺栓拧紧机自动控制系统设计[J].机床与液压，2008（04）：114-116.

[6] 黄恭伟.螺纹拧紧技术研究及拧紧机控制系统设计[D].合肥工业大学，2007.

[7] 濮良贵，纪名刚，机械设计[M].北京：高等教育出版社，1996年5月.

[8] 杨伯源，材料力学（I）[M].北京：机械工业出版社，2002年1月.