一种车轮举升机构的设计研究

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Doi：1 0.3969/J.1ssn.1 009-01 34.201 3.06(下).30 ·- U 刖 置在重型汽车、大型工程机械和大型可行驶装备的维修过程中，其重型车轮、变速箱等部件因其体积大和重量重，维护更换是-件非常费力和困难的事情，特别是车辆在野外现场的车轮更换 。现有的举升机多采用悬叉式举升机构，即悬叉沿门架上下移动举升。因悬叉受力形式为悬臂结构，其受力条件较差，结构刚度较低；悬叉的移动需要门架支承造成设备的体积较大；悬叉式举升机构多由液压和螺旋机构驱动，举升时只能做垂直方向的举升 ，水平调整需要人工手动完成，造成物体的水平对中调整困难。本文针对此问题，提出-种新的摆杆式举升机构，即是通过控制两摆杆相对转动来实现对物体的举升，同时实现垂直和水平两方向的举升和调整。并对其结构性能进行分析和模拟仿真，通过车轮举升装置的设计实例和现场应用表明该机构具有，结构简单、操作方便、体积孝重量轻，便于车载和野外使用的特点。

1 摆杆式举升机构1.1举升机构的结构摆杆式举升机构由左右对称的两摆杆机构组成，摆杆机构固定在U型框架5上，如图1所示。摆杆机构由摆杆3、滚筒2和摆杆轴4组成，摆杆轴4的- 端与减速机6的输出端联接，扶手l固定在U型框架5的横梁上，U型框架5的下面装有四个滚轮7。

为了增加 u”型框架水平面的刚度和承载能1.扶手；2.滚筒；3.摆杆；4.摆杆轴；5.U型框架；6.减速机；7.滚轮图l摆杆式举升机构结构视图力，在 U”型框架的开口处设置-附加拉杆，附加拉杆根据工作状况可活动的卡上或取下。

1.2举升机构的工作原理车轮举升机构的工作原理为：推动扶手1使U框架沿地面插入车轮，通过分别转动两减速机带动摆杆轴转动，车轮支承在滚筒上，控制摆杆的角度来调整支承在滚筒上车轮的位置。

车轮举升调整：两摆杆相对合拢或张开实现车轮的举升或下降移动；当两摆杆同向左右转动，实现车轮左右移动；调整两摆杆可获得调整车轮所需的举升或移动。

转动滚筒通过磨擦力使车轮绕其中心轴线旋转，实现车轮圆周方向的对中调整；前后推拉扶手，通过U型框架上的滚轮使本装置前进和倒退。实现车轮轮辋螺孔与轮毂螺栓对准后的结合或将车轮拆卸的拔出。

1.3设计参数本装置的结构尺寸需根据车轮的尺寸、重量确定，在保证车轮举升调整范围的基础上，做到敢稿日期：2013-O1-13基金项目：湖北省自然科学基金 (2006ABA289)作者简介：张洪讯 (1954-)，男，湖北人，副教授，学士，研究方向为机械设计。

第35卷 第6期 2013-06(下) [103] I 訇 似强度高、体积孝重量轻、便操作，影响举升量的主要的参数有：摆杆轴间距L，摆杆长e，支承滚筒直径D，举升量h等。

2 作图法确定举升机构运动轨迹-、萼r～、、 I 里/，- -～ ～ ～ 、、I/ --- 、、1T 、 L 1、图2 机构轨迹区域边界由于摆杆机构举升运动轨迹的非线性，造成机构有效举升量难以确定。本文通过CAD几何作图法，模拟举升机构运动轨迹区域，分析影响轨迹区域的因素，结合举升物体要求来确定机构有效举升量。

2.1车轮在机构上的位置状态在车轮举升机构摆杆转动过程中，车轮在举升机构上有三种位置状态，如图2所示。

1)调整位置状态：车轮由左右两摆杆滚筒支撑，车轮处于可调整状态。车轮中心可通过对摆杆角度的控制，处于上边界与下边界之间ADBC的区域内；2)轨迹区域边界位置状态：车轮的-侧由摆杆滚筒支撑，另-侧由摆杆轴支撑。转动左摆杆滚筒，车轮绕右摆杆轴转动，车轮中心处在轨迹区域的下边界AC。转动右摆杆滚筒，车轮绕左摆杆轴滚筒转动，车轮中心处在轨迹区域的上边界AD：3)最低点位置状态：车轮有两摆杆轴支撑，车轮中心处在最低点。

2.2机构轨迹区域边界的确定根据车轮在举升机构上位置状态，以举升机构上车轮中心为质点，采用CAD作图方法，获得车轮举升机构轨迹区域边界，为图2所示的ADBC区域。

机构轨迹区域的下边界确定，是车轮绕着摆杆轴转动得到车轮中心的轨迹线，即以摆杆轴0a为圆心，以摆杆轴到车轮中心的最小连线R R轴R轮为半径得到圆弧AC，左右对称的两圆弧的交点C为机构轨迹的最低点。

机构轨迹区域的上边界确定，同理以摆杆轴[104] 第35卷 第6期 2013-06(下)0a为圆心，以摆杆轴到车轮中心的最大连线RbR杆R轮为半径，得到圆弧BD，左右对称两侧圆弧的交点D为机构轨迹的最高点。

举升机构轨迹区域为棱形，其区域的大型形状受摆杆长度e和两摆杆轴间距L影响。

3 运动仿真为了直观的反映装置的工作情况，得到车轮中心的上、下、左、右极限距离，以及运动过程中能够覆盖的区域，了解主要参数摆杆轴间距L和摆杆长e对举升调整区域的影响，利用Pro/E软件中运动学仿真功能对车轮的运动状态进行仿真分析。

3.1仿真思路本文在Pro/E中采用轨迹跟踪的方法 ，对车轮中心的轨鉴行动态跟踪，得到车轮中心可能的运动区域，从而了解摆杆式举升机构的调整范围。由于本机构两摆杆运动是互相独立的，因此在进行仿真前须先确定车轮的极限位置和设置两摆杆不同摆动频率，以保证车轮中心任何位置的跟踪，得到车轮中心的轨迹范围。

∞ /- - l L I图3 摆杆极限位置示意图3.2摆杆起止摆动位置确定摆杆的极限位置为车轮与-侧摆杆轴相切，在另-侧摆杆和车轮的半径同线，如图3。摆杆起止摆动位置决定了仿真时摆杆的初始位置、终止位置和摆动幅度，只有确定了摆杆起止摆动位置后，才能精确地进行动态仿真。图3中 0。和 0 为左摆杆的初始角和终止角，13 和13 为右摆杆的初始角和终止角，摆杆的摆动范围分别为A 0。

由图3，得 0，180。-6-Y其中：6180-arccos[(L Ra2-Rb )/(2L×Ra)Yarcos[(Ra2B -R×a2)/(2RaXe)0 11 80。-arccos[(L Ra2.Rb )/(2L X Ra)-arcos[(Ra2B2-R×a2)/(2Rae) (1)0 2180-13 l 匐 化13 1arccos(Rb L2-Ra )/(2Rb×L) (2)13 2180-0 lA 00 l-0 2 (3)举例：Ra(D轮d轴)/2765mm；R×a(D轮D滚)/2780mm；Rb(D轮D滚)/2e900mm；L1000mm；e120mm：D轮 1500mm ；D滚 60mmd；轴 30mm得：0 127.62。，0 2132.85。，13l-47.15。，13 2152.38。。

3.3运动模拟基于举升机构在Pro/E中的三维装配图，选择应用程序机构 (E)，进入机构仿真状态。

1)为了使仿真的结果更精确，应使左右摆杆的周期相差旧能大。

2)为了不出现重复的轨迹，设置运动分析的时间为二分之-个周期。

3)为了使车轮能够处在正确的位置状态，运动模拟需要在存在重力的环境下进行。

图4 车轮运动轨迹区域仿真选择 动态，在 外部载荷选项卡中勾选 启用重力选项，最后 运行，产生运动分析文件，轨迹如图4所示。

在Pro/E中通过改变举升机构的摆杆轴间距L和摆杆长e，得到不同形态的运动轨迹区域和轨迹区域参数a、b和宽高比系数a/b，仿真结果如表1。

表1 仿真结果对比 参数 e/mm(L1000) L/mm(e150)结柬 150 20 250 1Oo 11oo 120o a水平 305.95 398.49 495.83 305.79 278.14 255.O3b高度 244.23 303.69 361.92 244.24 263-38 291.2la/b宽高比 1.25 1.3l l-37 1.25 lo6 0.883.4运动模拟分析1)改变e和L影响工作区域的形状；2)调整e对工作区域的宽度a影响明显。

4)设计时考虑到举升车轮重力变形的影响，工作区域宽高比a/b≤1。

4 举升机构设计与应用本次现场试验对象为WS型车辆重型车轮，车轮直径1500mm，轮宽650mm，轮重400kg，举升调整范围120X 120mm。

4.1主要结构尺寸确定根据表1仿真结果，考虑车轮重力的影响选取a/b 1，得摆杆式举升机构主要结构尺寸，如表2所示。

表2 装置结构尺寸参 数 尺 寸摆杆轴间距L/mm l20o摆杆长度eulnl 150支承滚筒宽度W/mm 700支承滚筒直径/Dmm 50水平a/mm 255.03高度b/mm 291.21宽高比a/b 0-88减速机传动比f 564.2机构轨迹有效区域的确定通过CAD几何作图法模拟举升机构运动轨迹区域，如图5棱形ADBC，测得其矩形有效工作区域为136×132mm，大于举升调整范围120"120mm的要求，举升量满足设计要求。

若 在 A B C D中 确 定 圆 形 效 工 作 区 域 为190mm，确定有效举升量完成结构设计。机构的调整范围能满足车轮安装的的调整范围要求。

图5 举升机构轨迹区域边界4.3实际应用据表1中的结构参数，在完成强度设计后，研制出摆杆式车轮举升装置，并对WS越野车进行野外车轮换装，采用本装置后操作由4人减为2人，第35卷 第6期 2013-06(下) 1o5