汽车轮胎螺栓自动拧紧设备

王亮亮 李建松 王松虎 董彬

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

随着汽车工业的发展，先进的自动化设备越来越多地引进到整车装配工艺中。在保证工作效率的同时，为减轻操作者的工作负担，集成的电动拧紧工具出现在了新型的汽车流水线上。其结构形式是将数根拧紧轴进行组合，通过工装将拧紧轴定位后集成电气控制系统实现设备的自动化。操作者只需进行一些简单操作，设备将自动拧紧轮胎螺栓。实现了轮胎多组螺栓的自动同步拧紧，并保证了较高的拧紧力矩。但是，该项设备的核心部件仍然由国外垄断，国内在此领域的生产制造存在很大差距，研究空间很大。

1 汽车轮胎螺栓自动拧紧设备的结构形式

汽车轮胎螺栓自动拧紧设备的基本构成，如图1所示。

1）轨道小车系统包括平行于线体的运行轨道和垂直于线体的操作轨道，还包括了沿着线体滑动的小车和垂直于线体方向运行的小车及相关的气路系统。根据设计方案的不同，设备的轨道一般采用KBK 轨道或铝合金轨道，主要用于设备沿线体方向的随行与垂直于线体方向的进给。要求小车运行轻便灵活且阻力小。

2）悬挂系统包括悬挂的高度调整机构、导向机构、立柱以及防坠落安全带等。由于拧紧过程中，需要设备随线体自动运行，所以悬挂机构需要设置刚性立柱，根据车型的不同要求进行高度的调整。

3）组合拧紧轴箱体需要将所有的拧紧轴按照轮胎螺栓分度圆的半径进行固定，对正操作过程中，可以将拧紧轴绕箱体中心线进行旋转，实现与轮胎螺栓的对正。拧紧箱体还要集成部分操作系统，例如操作控制面板及操作手柄等。

4）拧紧轴系统包括拧紧轴总成、动力电缆、控制电缆以及拧紧轴控制器。

5）电气控制系统包括PLC、变压器、低压电器及工控机系统等，实现了设备的整体控制和通讯。

操作过程为:当整车到达拧紧工位时，操作工转动拧紧设备与轮胎螺栓进行对中后，按下操作手柄的启动按钮，拧紧箱体及拧紧轴系统在轨道系统的作用下向垂直于线体的方向自动运行，进行压紧。到位后，拧紧轴系统带动轮胎紧固件自动旋转，达到力矩要求后，拧紧轴自动停止，实现轮胎紧固件与轮胎的拧紧，整个拧紧过程中所有拧紧轴同时运动，根据力矩情况独立控制，实现了轮胎螺栓的自动拧紧。

2 汽车轮胎螺栓自动拧紧设备存在的主要问题

1）由于汽车底盘设计的原因，前后轮中心距离地面的高度有细微的差别，个别车型的设计中，这种差别已经达到毫米级，而目前的设备高度调整多数采用气缸升降的形式，气缸由于受到主气源压力的影响，无法实现高精度的高度调整，往往出现偏差。操作工在进行对中时操作不顺利，时间较长，出现了划伤车身的现象。

2）在设备拧紧过程中，垂直方向的压紧力一般都是由轨道小车系统中的气路提供。拧紧过程中设备的受力[1]均处于悬臂状态，这种情况对设备和作业工件都很不利。拧紧轴在旋转过程中需要与轮毂压紧，依靠压力转化成随线体运行的侧向力。该力主要来源于轨道小车系统随线体运行的摩擦力，整个系统安装的平整度及平行度都影响着侧向力的大小。如果侧向力太大，导致拧紧轴转动过程中与轮毂接触，一方面影响了力矩控制，另一方面会对轮毂产生磨损。

3）力矩控制和检测。ISO5393 中规定，螺栓的电动拧紧工具需要定期进行校准。整车紧固件按照其重要程度分为4 个等级，其中轮胎紧固件的拧紧归入最关键的等级中，如果紧固作用失效，将危害到驾驶人的人身安全。轮胎螺栓拧紧时螺栓的状态，如图2 所示。

此状态下整个车身被输送的吊架吊起，轮胎没有落地，螺栓只承受轮胎的质量，拧紧设备所施加的预紧力绝大多数转化为螺栓的连接扭矩。设备通过传感器的作用，将施加的力换算成力矩反馈给拧紧系统的控制器，实现对于螺栓力矩的控制。但是，汽车在行驶过程中，轮胎的螺栓需要承受整个车身的质量，螺栓是在一种切向受力的状态下使用的。根据《机械设计手册》，螺栓等紧固件要避免切向受力[2]。当处于图2 所示的状态时，无法对轮胎螺栓的力矩进行检测。因为当力矩扳手施加力矩时，轮胎会发生转动导致无法测量，从整车状态上看，这种测量也存在问题。如果要对使用状态的轮胎螺栓扭矩进行检测，需要在车身落地后再进行扭矩的二次测量。此时，由于车身的质量完全由轮胎来支撑，螺栓的预紧力大部分用来抵消车身质量。当测量完成后，扭矩的测量值往往与设备控制系统中设定的扭矩目标值相差较大。

4）不同车型轮胎螺栓型号不同，需要在拧紧设备上快速更换另一套拧紧套筒。但是，套筒需要传递拧紧轴输送来的高额力矩，必须保证在工作过程中不会出现窜动，套筒必须与拧紧轴相对固定。所以，该过程在高速的生产节拍下很难实现，经常出现停线的情况。对于需要安装防盗螺栓的情况，由于轮胎固定过程中无法保证防盗螺栓的位置，而拧紧设备由于控制电缆及动力电缆的原因，无法实现360°旋转，使得防盗螺栓紧固问题一直无法解决，需要专人进行手工拧紧。

3 问题处理方案

1）对于设备悬挂系统的高度调整，可以采用平衡器来解决。需要对平衡器进行反复调整，直至达到轻便的状态。但是，对于较重的拧紧设备总成，需要考虑对升降机构进行中间限位来实现快速的高度调整。

2）在拧紧设备随线运行时，为减少或者消除侧向力的影响，可以采取2 种方案。一种是增加一套驱动系统，拧紧过程中与生产线时时通讯，读取生产线的输送速度，从而来匹配自身设备的运行速度。该方案对生产线输送速度的精度及设备驱动系统的移动精度都有较为严格的要求，实现起来十分复杂。另一种是在箱体系统上增加工装夹具，让它和轮胎进行夹紧限位，拧紧设备运行的侧向力依靠轮胎提供，拧紧轴可在一种比较自由的状态下完成拧紧。

3）在力矩控制和检测方面，如何将拧紧轴控制的动态力矩转化成轮胎落地后的静态检测力矩还没有很明确的计算方法。轮胎螺栓的变形情况及预紧力的其他转化都十分复杂，需要经过反复试验得出规律性结论后才能定论。

对于以上问题，在拧紧设备的结构设计上可以考虑采用拧紧轴与输出端进行分体的方式。

4 结论

轮胎螺栓自动拧紧设备在国内汽车厂已经得到广泛应用，对于拧紧设备的研究也取得了良好成果。但是，设备所涉及到的很多关键技术还没有国产化，关键部件仍需要大量进口。技术人员还需要不懈的努力去克服技术上的难题，从而缩短我国与其他国家在该项技术方面的差距。