快速轮胎充气机的设计.docx

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快速轮胎充气机的设计

XX大学

毕业设计（论文）

快速轮胎充气机设计

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学号：

设计（论文）题目：

起迄日期:

设计（论文）地点:

指导教师:

专业教研室负责人:

2013年月日

摘要

本设计是通过对快速轮胎充气机工作原理、工作的环境和工作的特点进行分析，并结合实际，在进行细致观察后，对快速轮胎充气机的整体结构进行了设计，对组成的各元件进行了选型、计算和校核。

关键词：

快速轮胎充气机，设计，结构设计

Abstract

Thedesignisbasedonmetalnail-makingmachineworkingprinciple,theworkingenvironmentandtheworkingcharacteristicsoftheanalysis,andcombinedwiththepractice,thecarefulobservation,themetalnail-makingmachinestructureoftheoveralldesign,thevariouspartsoftheselection,calculationandchecking.

KeyWords:

metalnail-makingmachine,design,structuraldesign

第1章概述

1.1轮胎充气机发展概况

随着时代的发展，汽车已经进入了寻常百姓家，汽车工业也经历了有史以来最高速的发展期，同时也对汽车制造业提出了更高的要求。

快速轮胎充气机正是基于这样的状况下而产生的提高汽车轮胎装配效率的一种新型工具。

该课题的研究对于提高学生的工程能力，拓展生存空间有着非常重要的意义，以及为今后进一步研究快速充气机的研究做一个前期的准备工作，具有重要的社会意义。

自动充气机是通过微处理器和压力传感器自动调节轮胎气压的尖端科技产品，一次性完成对轮胎的充气/放气/检验，精度高、速度快、经久耐用、操作简单，带给轮胎更好的保护。

它的出现完全替代手动气压表消除误差、更好的保护轮胎。

1.2液压传动的工作原理及组成部分

1.2.1液压传动的工作原理

驱动的液压系统，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管组成。

它的工作原理：

液压泵由电动机带动旋转后，从油箱中吸油。

油液经滤油器进入液压泵，当它从泵中输出进入压力管后，将换向阀手柄、开停手柄方向往内的状态下，通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔，推动活塞和工作台向右移动。

这时，液压缸右腔的油经换向阀和回油管排回油箱。

如果将换向阀手柄方向转换成往外的状态下，则压力管中的油将经过开停阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔，推动活塞和工作台向左移动，并使液压缸左腔的油经换向阀和回油管排回油管。

工作台的移动速度是由节流阀来调节的。

当节流阀开大时，进入液压缸的油液增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，工作台的移动速度减小。

为了克服移动工作台时所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。

要克服的阻力越大，缸中的油液压力越高；反之压力就越低。

输入液压缸的油液是通过节流阀调节的，液压泵输出的多余的油液须经溢流阀和回油管排回油箱，这只有在压力支管中的油液压力对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。

所以，在系统中液压泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的，它和缸中的油液压力不一样大。

如果将开停手柄方向转换成往外的状态下，压力管中的油液将经开停阀和回油管排回油箱，不输到液压缸中去，这时工作台就停止运动。

从上面的例子中可以得到：

1）动是以液体作为工作介质来传递动力的。

2）液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传

动是不相同的。

3）压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的，

因此液压传动和液压控制常常难以截然分开。

1.2.2液压传动的组成部分

液压传动装置主要由以下四部分组成：

1）能源装置——把机械能转换成油液液压能的装置。

最常见的形式就是液压泵，它给液压系统提供压力油。

2）执行装置——把油液的液压能转换成机械能的装置。

它可以是作直线运动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。

3）制调节装置——对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。

例如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。

这些元件的不同组合形成了不同功能的液压系统。

4）辅助装置——上述三部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、油管等。

它们对保证系统正常工作也有重要作用。

1.3液压传动的优缺点

液压传动有以下一些优点：

1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力，因为

液压系统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大出30~40倍。

在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，结构紧凑。

液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12%左右。

2）液压装置工作比较平稳。

由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置

易于实现快速启动、制动和频繁的换向。

液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时可达500次/min，实现往复直线运动时可达1000次/min。

3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还

可以在运行的过程中进行调速。

4）液压传动易于自动化，这是因为它对液体压力、流量或流动方向易

于进行调节或控制的缘故。

当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。

5）液压装置易于实现过载保护。

液压缸和液压马达都能长期在失速状

态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。

液压件能自行润滑，使用寿命较长。

6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、

制造和使用都比较方便。

液压元件的排列布置也具有较大的机动性。

7）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。

液压传动的缺点是：

1）液压传动不能保证严格的传动化，这是由液压油液的可压缩性和泄

漏等原因造成的。

2）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失

等），长距离传动时更是如此。

3）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影

响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。

4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价

较贵，而且对油液的污染比较敏感。

5）液压传动要求有单独的能源。

6）液压传动出现故障时不易找出原因。

总的说来，液压传动的优点是突出的，它的一些缺点有的现已大为改善，有的将随着科学技术的发展而进一步得到克服。

1.4液压系统的设计步骤与设计要求

液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。

着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。

1.4.1设计步骤

    液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。

一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。

    1）确定液压执行元件的形式；

    2）进行工况分析，确定系统的主要参数；

    3）制定基本方案，拟定液压系统原理图；

    4）选择液压元件；

    5）液压系统的性能验算；

1.4.2明确设计要求

    设计要求是进行每项工程设计的依据。

在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。

    1）主机的概况：

用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等；

    2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；

    3）液压驱动机构的运动形式，运动速度；

    4）各动作机构的载荷大小及其性质；

    5）对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求；

    6）自动化程序、操作控制方式的要求；

    7）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求；

8）对效率、成本等方面的要求。

第2章快速轮胎充气机总体结构设计

2.1主机的功能结构

随着汽车工业的发展，传统的轮胎充气工艺远不能适应现代化生产规模的要求。

研制与轮胎流水作业生产线配套的，机械化、自动化、节能高效的充气设备是现代化汽车生产企业亟待解决的实际问题。

设备由本体台架、液压传动系统、气动系统、微机测控系统等4部分组成。

其中本体台架又由工作台、车轮传送机构、车轮定位机构、车轮卡紧机构、轮胎充气装置等5部分组成。

图2.1快速轮胎充气机的结构示意图

2.2工作原理

本公开了一种与现用打气筒操作方式完全不同并装有安全阀的新型式轮胎打气机。

它操作更省力、简便，工作效率提高，可避免轮胎打爆，适用于各种轮胎打气。

其特点是：

两个气筒内各放置一特制活塞体，并由一根推杆连接两活塞体，两个气筒的另一端，分别通过一个内装单向气门的弯管与一个过渡装气筒密封连接，在推杆的中点安装一个固定轴及轴套，与操作杆下端的开口滑头相配合，过渡装气筒上装设有安全阀。

使用时，在安全阀上设定轮胎的最大充气量，翻开并脚踩踏板，前后扳动手柄，当安全阀排气时，即完成充气。

2.3课题设计要求

（1）.最大锁紧力：

≥15000N；

（2）.下行速度：

20mm/sec；（3）.最大工作压力：

1Mpa；（4）.总体尺寸：

800X600X2000mm。

第3章快速轮胎充气机工作机构设计

快速轮胎充气机的工作机构主要是通过液压缸来进行实现的。

3.1液压缸的主要主要参数

课题的主要技术要求：

（1）.最大锁紧力：

≥15000N；

（2）.下行速度：

20mm/sec；（3）.最大工作压力：

1Mpa；（4）.总体尺寸：

800X600X2000mm。

快进时采用差动联接，并取无杆腔有效面积

等于有杆腔有效面积

的两倍，即

。

为了防止在滑台突然前冲，在回油路中装有背压阀，初选背压

。

最大工作压力：

1Mpa；

初选最大负载工进阶段的负载F=15000N，按此计算

则

（3.4）

液压缸直径

由

可知活塞杆直径

按GB/T2348-1993将所计算的D与d值分别圆整到最相近的标准直径，以便采用标准的密封装置。

圆整后得

按标准直径算出

3.2活塞杆强度计算

活塞杆在稳定工作下，如果仅受轴向拉力或压力载荷时，便可以近似的采用直杆承受拉、压载荷的简单强度计算公式进行计算，

活塞杆应力

（3.5）

或

（3.6）

式中P—活塞杆所受的轴向载荷

d—活塞杆直径

—活塞杆制造材料的许用应力

根据以上公式可知

液压缸

可见，活塞杆的强度均满足要求。

3.3液压缸活塞的推力及拉力计算

液压油作用在液压缸活塞上的作用力P，对于一般单边活塞杆液压缸来说，当活塞杆前进时的推力：

（3.7）

当活塞杆后退时的拉力：

（3.8）

当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的压力油）的推力：

（3.9）

式中D—活塞直径（即液压缸内径）cm

d—活塞杆直径cm

-液压缸的工作压力

当活塞杆前进时的推力：

当活塞杆后退时的拉力：

当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的压力油）的推力：

液压缸活塞的推力及拉力可以直接从附录中的有关计算中查出；大部分也可以从《机械设计手册》表11-133中直接读出。

表11-133为活塞杆直径d采用速度比计算得出，不同液压缸直径D和压力

下液压缸活塞上的推力

及拉力

数值。

图3.1液压缸活塞的受力

3.4活塞杆最大容许行程

根据《机械设计手册》表11-141和表11-142即可以概略的求出液压缸的最大容许行程。

两个液压缸均采用如图固定—自由模式进行安装。

图3.2安装型式简图

根据长度公式

（3.12）

（3.13）

可知切断液压缸活塞杆计算长度l和实际行程S分别为

=

=52.54cm

=52.54-6=46.5cm

液压缸活塞杆计算长度l和实际行程S分别为

=

=72.78-5.5=67.28cm

3.5液压缸内径及壁厚的确定

3.5.1液压缸内径计算

当P和p已知，则液压缸内径D可按公式得：

（3.14）

式中P—活塞杆上的总作用力，N

p—液压油的工作压力，KN

液压缸的内径为63mm。

3.5.2液压缸壁厚计算

一般，低压系统用的液压缸都是薄壁缸，薄壁可用下式计算：

（3.15）

式中，

—缸壁厚度，m

p—液压缸内工作压力，Pa

[σ]—刚体材料的许用应力

D—液压缸内径，cm

当额定压力Pn≤16MPA时，Pp=Pn×150/100

当额定压力Pn＞16MPA时，Pp=Pn×125/100

（3.16）

—缸体材料的抗拉强度，Pa

n—安全系数，一般可取n=5

应当注意，当计算出的液压缸壁较薄时，要按结构需要适当加厚。

因此，根据上述公式可得，

切断液压缸

液压缸

故切断液压缸的壁厚为18mm，液压缸的壁厚为15mm。

关于液压缸的安全系数，在设计液压缸时通常取n=5。

但是这在比较平稳的工作条件下，强度有些余量；相反，假如工作条件为动载荷或冲击压力超过超耐压力时，有时会出现危险状态。

因此合理的安全系数，应根据实际使用条件选取。

3.6液压缸筒与缸底的连接计算

缸体法兰连接螺栓计算

缸体与端部用法兰连接或拉杆连接时，螺栓或拉杆的强度计算如下：

图3.3缸体联接

螺纹处的拉应力

（3.17）

螺纹处的剪应力

（3.18）

合成应力

（3.19）

式中Z—螺栓或拉杆的数量

—材料为45钢时，

=30

3.7缸体结构材料设计

3.7.1缸体端部连接结构

采用简单的焊接形式，其特点：

结构简单，尺寸小，重量轻，使用广泛。

缸体焊接后可能变形，且内径不易加工。

所以在加工时应小心注意。

主要用于活塞式液压缸。

3.7.2缸体材料

液压缸缸体的常用材料为20、35、45号无缝钢管。

因20号钢的机械性能略低，且不能调质，应用较少。

当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，则应采用焊接性能比较号的35号钢，粗加工后调质。

一般情况下，均采用45号钢，并应调质到241~285HB。

缸体毛坯可采用锻钢，铸铁或铸铁件。

铸刚可采用ZG35B等材料，铸铁可采用HT200~HT350之间的几个牌号或球墨铸铁。

特殊情况可采用铝合金等材料。

3.7.3缸体技术条件

a.缸体内径采用H8、H9配合。

表面粗糙度：

当活塞采用橡胶密封圈时，Ra为0.1~0.4

，当活塞用活塞环密封时，Ra为0.2~0.4

。

且均需衍磨。

b.热处理：

调质，硬度HB241~285。

c.缸体内径D的圆度公差值可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值应按8级精度选取。

d.缸体端面T的垂直度公差可按7级精度选取。

e.当缸体与缸头采用螺纹联接时，螺纹应取为6级精度的公制螺纹。

f.当缸体带有耳环或销轴时，孔径或轴径的中心线对缸体内孔轴线的垂直公差值应按9级精度选取。

g.为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀以厚度为30~40

的铬层，镀后进行衍磨或抛光。

3.8活塞结构材料设计

3.8.1活塞与活塞杆的联接型式

表3.1活塞与活塞杆的联接型式

联接方式

备注说明

整体联接

用于工作压力较大而活塞直径又较小的情况

螺纹联接

常用的联接方式

半环联接

用于工作压力、机械振动较大的情况下

这里采用螺纹联接。

3.8.2活塞的密封

活塞与缸体的密封结构，随工作压力、环境温度、介质等条件的不同而不同。

常用的密封结构见下表

表3.2常用的密封结构

密封形式

备注说明

间隙密封

用于低压系统中的液压缸活塞的密封

活塞环密封

适用于温度变化范围大，要求摩擦力小、寿命长的活塞密封

O型密封圈密封

密封性能好，摩擦系数小；安装空间小，广泛用于固定密封和运动密封

Y型密封圈密封

用在20MPa下、往复运动速度较高的液压缸密封

结合本设计所需要求，采用O型密封圈密封比较合适。

3.8.3活塞的材料

液压缸常用的活塞材料为耐磨铸铁、灰铸铁（HT300、HT350）、钢及铝合金等，这里采用45号钢。

3.8.4活塞的技术要求

a.活塞外径D对内孔

的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。

b.端面T对内孔

轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。

c.外径D的圆柱度公差值，按9、10或11级精度选取。

图3.3活塞

3.9活塞杆结构材料设计

3.9.1端部结构

活塞杆的端部结构分为外螺纹、内螺纹、单耳环、双耳环、球头、柱销等多种形式。

根据本设计的结构，为了便于拆卸维护，可选用内螺纹结构。

3.9.2端部尺寸

如图，为内螺纹联接简图。

查表11-148，按照本设计要求，选用直径

螺距-螺纹长=

。

图3.2螺纹联接简图

3.9.3活塞杆结构

活塞杆有实心和空心两种，如下图。

实心活塞杆的材料为35、45号钢；空心活塞杆材料为35、45号无缝钢管。

本设计采用实心活塞杆，选用45号钢。

图3.3空心活塞杆图3.4实心活塞杆

3.9.4活塞杆的技术要求

a.活塞杆的热处理：

粗加工后调质到硬度为HB229~285，必要时，再经过高频淬火，硬度达HRC45~55。

在这里只需调质到HB230即可。

b.活塞杆的圆度公差值，按9~11级精度选取。

这里取10级精度。

c.活塞杆的圆柱度公差值，应按8级精度选取。

d.活塞杆的径向跳动公差值，应为0.01mm。

e.端面T的垂直度公差值，则应按7级精度选取。

f.活塞杆上的螺纹，一般应按6级精度加工（如载荷较小，机械振动也较小时，允许按7级或8级精度制造）。

g.活塞杆上工作表面的粗糙度为Ra0.63

为了防止腐蚀和提高寿命，表面应镀以厚度约为40

的铬层，镀后进行衍磨或抛光。

3.10活塞杆的导向、密封和防尘

3.10.1导向套

a.导向套的导向方式、结构

表3.3导向套的导向方式

导向方式

备注说明

缸盖导向

减少零件数量，装配简单，磨损相对较快

管通导套

可利用压力油润滑导向套，并使其处于密封状态

可拆导向套

容易拆卸，便于维修。

适用于工作条件恶劣、经常更换导向套的场合

球面导向套

导向套自动调整位置，磨损比较均匀

本设计采用缸盖导向。

b.导向套材料

导向套的常用材料为铸造青铜或耐磨铸铁。

由于选用的是和缸盖一体的导向套，所以材料和缸盖也是相同的，都选用耐磨铸铁。

c.导向套的技术要求

导向套的内径配合一般取为H8/f9，其表面粗糙度则为Ra0.63~1.25

。

3.10.2活塞杆的密封与防尘

这里仍采用O型密封圈，材料选择薄钢片组合防尘圈，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。

薄钢片厚度为0.5mm。

3.11缸盖的材料

液压缸的缸盖可选用35、45号锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT200、HT300、HT350铸铁等材料。

在这里选择ZG45铸钢。

缸盖按9、10或11级精度选取。

3.12自动定心装置

气动带动滑动体，然后带动平行四边形连杆体，气缸上升或下降，实现平行四边形连杆体松开或拧紧。

第4章快速轮胎充气机机架的设计

4.1机架的基本尺寸的确定

机架是支撑及其所有附件的可移动机构。

要保证拆装方便、安全；重量要轻，便于移动；架子要有足够的空间安装。

而且每个总成之间要考虑它们之间的协调关系。

考虑到这些方面的因素后要确定的一些尺寸根据这些数据，大概确定架子的长高。

这样架子的地面的结构就确定了。

支撑的部件是支撑板，支撑板固定在支承轴上，支承轴安装在机架上。

为了使机架能够方便移动，须在架子上装轮子，因此在架子的4个侧面通过螺栓各连接两个轮子，使得架子和轮子连接牢固。

靠近转盘这端安装有锁止装置，使得架子在任何位置都能停止固定。

4.2架子材料的选择确定

架子的结构确定后，就需要准备材料，买材料时要考虑钢材的性能，同时也要考虑成本，再者还要考虑到其美观，通过到市场调查分析后，台架选用60㎜×60㎜的方钢和50×50的角钢组合制作。

其规格如表一所示。

受力比较小的底架就用50㎜的角钢制作，其他的受力大的转架就用60㎜的方钢制作。

在转架与支撑板的固定处需要用轴连接。

表5-1钢材的尺寸

规格

60㎜×60㎜

50㎜×50㎜

横截面图

长度

500㎜

567㎜

材料

Q235

Q235

5.3主要梁的强度校核

估算支撑的质量为25㎏（250N），考虑到一些外在压力，按照重量为600N进行校核。

支承轴160㎜，查机械工程材料P105页表5-2得，Q235钢材的屈服强度σb=375～460MPa，取σb=375MPa

解：

和轴一样建立如图所示的坐标系。

以轴心为x轴，垂直上平面的直线为y轴，一端点为圆点建立如图6.1所示的平面直角坐标系。

因为：

FRD=600N，把RDE从D点移到E后的受力情况如图6.1所示。

图5.1

得到一个F和一个力矩M=Fab×Lbe=600×0.300N·M=180N·m

计算轴的集惯性矩Ip和抗弯截面系数Wz，因为材料和轴的是一样的，

所以σb=375MPa,

Ip=∫y2dA=10.16cm4;W=Ip/ymax=6773.6884×10--6m3

所以

σmax=Mmax/W=180/（6773.69×10--6）Pa=0.26MPa

也设安全系数：

K=5

故：

K×σmax=5×0.26MPa=1.5MPa﹤σb=375MPa

因此：

也可以做出结论转架在安全系数为5的情况下也是安全的。

所以可以进行制作。

解：

以轴心为x轴，垂直上平面的直线为y轴，一端点为圆点建立如图2.2.1所示的平面直角坐标系。

轴的受力分析。

轴的轴心受力简图如图2.2.1-b所示。

通过受力图可以明显看出轴的最大弯矩是在BE点之间。

把F从C点移到B后的受力情况如图2.2.1-b所示。

得到一个F和一个力矩M=F×Lbe=600×0.3N·M=180N·m

因为：

Fba+Fde=2F=1200N

由于轴的受力完全对称，故Fba=Fde=F=600N

B点和F点的弯矩为：

MB=WF=Fba×Lde+M=600×0.01+180N·m=601.8N·m

受力情况如图2.2.1所示.

计算轴的极惯性矩Ip和抗弯截面系数Wz因为材料和轴的是一样的，所以σb=375MPa,

Ip=∫y2dA=10.16cm4;W=Ip/ymax=6773.6884×10--6m3

所以

σmax=Mmax/W=305/（6773.69×10--6）Pa=0.45MPa

也设安全系数：

K=5

故：

K×σmax=5×0.45MPa=2.25MPa﹤σb=375MP