一种自动更换家用车轮胎机构的装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种自动更换汽车轮胎的机械装置及控制方法，包括机箱、机械臂、高压气体发生装置、螺旋千斤顶、自动寻位的螺母装卸机构、换向装置。本发明实现自动化更换轮胎作业，多颗螺母同时装卸，预紧力同步可调，能对轮毂进行自动寻位，提高了更换轮胎的效率、安全性和汽车的寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及自动装卸汽车轮胎领域，特别是涉及一种自动更换家用车轮胎机构的装置及控制方法。

背景技术

随着我国经济水平的快速发展和科技的发展，汽车已经成为人们的一种日常交通工具，汽车维修的工作也变得越来越多。目前家用车更换轮胎普遍采用千斤顶配合人力装卸轮胎，效率低、安全性也低；针对矿山大型装载机则为夹持轮胎的载具和千斤顶配合，难以实现自动化作业，效率低下。

中国专利CN110901303A公开了一种轮胎更换设备，包括动力腔、传动装置、轮胎更换装置，实现自动顶车，自动更换螺母，提高轮胎更换的效率。但在轮胎更换过程中，螺母是逐个装卸，无法保证各个螺栓的预紧力大小相同，降低了汽车的寿命和安全性。

中国专利CN107554211A公开了一种轿车轮胎自动装拆机构，包括滚轮、底座、自动扳手、进气管、固定盘、金属传感器、电机、气缸、夹持器、外壳、控制台、丝杠、气囊和气泵，通过控制台上的按钮实现轮胎的加紧和螺栓的拆卸，转动四个丝杠手柄实现轮胎的更换，即可实现对汽车轮胎的装拆，自动化程度高。但在装拆轮胎的过程中，自动扳手与轮毂对应的角度无法得到保证，调整不便；且整个更换过程需要拆下旧轮胎，移出车底，再夹持新轮胎重新去定位，效率较低。

发明内容

为解决上述问题，本发明就是为了克服现有轮胎更换装置螺栓预紧力大小不一、安全性低，更换效率低下等问题，提供一种自动更换家用车轮胎机构的装置及控制方法，实现自动化更换轮胎作业，多颗螺母同时装卸，预紧力可调，提高了更换轮胎的效率、安全性和汽车的寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种自动更换家用车轮胎机构的装置，包括机箱，机箱铰接有具有伸缩功能的机械臂，机械臂连接有换向装置，换向装置轴连接有螺母装卸机构，所述机箱内安装有螺旋千斤顶，所述机箱内还包括有导轨机构，导轨机构与机械臂相连；所述换向装置包括支撑板和底座，所述支撑板和底座之间安装有轴承，支撑板与螺母装卸机构相连接；所述螺母装卸机构包括壳体，所述壳体的两端分别安装有机械手，壳体的中部安装有第四伸拉装置，所述壳体内部固定有第一伸拉装置，第一伸拉装置上沿圆周方向安装有至少三个支撑柱，第一伸拉装置中部连接有第二伸拉装置，第二伸拉装置内固定有保持架，第二伸拉装置上沿圆周方向均匀安装有若干个自动扳手，自动扳手内部设置有第二行程开关，所述保持架上成型有与自动扳手对应的通孔；所述壳体成形有与支撑柱对应的通孔，壳体还成形有与自动扳手对应并且直径大于自动扳手直径的通孔；自动扳手之间沿节圆径向连接有弹簧，自动扳手的尾部设置为锥形或圆锥台形，第二伸拉装置与自动扳手尾部接触的底面对应地设置有坡面凹槽；所述第一伸拉装置和第二伸拉装置之间安装有扭力弹簧，第一伸拉装置表面内安装有棘轮机构，所述棘轮机构与第一行程开关连接。

进一步地，所述机箱内安装有高压气体发生装置，高压气体发生装置与储气罐连通，储气罐与动力装置连通，动力装置与螺旋千斤顶连通；高压气体发生装置内部安装有驱动电机，驱动电机下方连接有减速器，减速器下方安装有第一流量泵，第一流量泵下方安装有第二流量泵，第一流量泵的流量小于第二流量泵的流量，所述第一流量泵与第二流量泵之间安装有离合器，所述离合器的下方有摩擦片，所述摩擦片连接有气压缸。

进一步地，所述螺旋千斤顶包括有丝杆，丝杆螺纹连接有丝杆螺母，丝杆螺母固定连接有太阳轮；所述螺旋千斤顶还包括有下底座，下底座上安装有上底座，下底座轴接有输入圆柱齿轮，输入圆柱齿轮的内圈固定连接有行星架，行星架内行星轮轴接，内行星轮与太阳轮啮合。

进一步地，所述机箱内部下方安装滚轮支架，滚轮支架与丝杆固定连接，所述滚轮支架下方连接有万向轮，所述机箱开设有与万向轮对应的滚轮孔。

进一步地，所述机械臂包括有第一硬质管，第一硬质管套嵌有第二硬质管，所述第一硬质管和第二硬质管之间设置有若干滑轮，第二硬质管内部设置有复位弹簧，第一硬质管的末端与第二硬质管内部的复位弹簧相连接；所述机械臂内部安装有机械臂气缸，机械臂气缸连接有棘齿，机械臂内部设置有棘条；所述第一硬质管和第二硬质管的材质为不锈钢、钛或合金。

进一步地，所述第一伸拉装置、第二伸拉装置和第四伸拉装置均为气缸，第一伸拉装置、第二伸拉装置组合形成二级气缸。

进一步地，底座上安装有中心轴，所述底座上还有对称的两个换向气缸，换向气缸的周围布设有若干个定滑轮，换向气缸内部活塞上连接有钢丝绳，钢丝绳绕过定滑轮与中心轴的表面固定连接。

进一步地，所述棘轮机构包括有对称安装的两个第三伸拉装置，第三伸拉装置一端连接有棘爪，第一伸拉装置内球铰有复位装置，复位装置的另一端连接第二伸拉装置，第二伸拉装置的内侧设置有切齿弧条，切齿弧条的高度大于第一伸拉装置的最大伸拉行程。

进一步地，所述机械手包括机械手气缸，机械手气缸连接有沿圆周均匀分布的若干个爪夹。

本发明还公开一种自动更换家用车轮胎机构的装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：高压气体发生装置产生高压气体输入储气罐，压力满足工作压力，压力控制信号传递给动力装置，动力装置旋转使螺旋千斤顶伸出，到达预设高度后，压力控制信号传递给动力装置，螺旋千斤顶停止动作；

S2：导轨机构将机械臂和螺母装卸机构推出，机械臂旋转伸缩适应螺母装卸机构的位置，螺母装卸机构在平行于轮毂侧面的竖直面内平动；

S3：压力控制信号传递给螺母装卸机构的机械手气缸，机械手气缸控制爪夹收缩，一侧机械手夹持汽车的轮胎，另一侧的机械手夹持待替换的轮胎，爪夹同时缩短，为螺母装卸机构定心；

S4：压力控制信号传递给螺母装卸机构的第一伸拉装置，第一伸拉装置伸出，支撑柱压住轮毂表面，保证螺母装卸机构与轮毂侧面的平行度；位于螺母装卸机构中心的第四伸拉装置伸出，顶到轮毂中心；第一伸拉装置与轮毂表面脱离；

S5：第二伸拉装置推动自动扳手伸出，若自动扳手没有套入螺母，在第二伸拉装置的压力作用下，自动扳手会沿着坡面凹槽向外滑动，五个自动扳手的节圆直径增大，触动第一行程开关，第二伸拉装置缩回，自动扳手的节圆直径缩回；

S6：第二伸拉装置的缩回再次触动第一行程开关，第三伸拉装置控制棘轮机构旋转，带动第二伸拉装置转动一个齿，第二伸拉装置再次伸出；

S7：循环S至S，直到自动扳手正确套入轮毂螺栓，触动自动扳手内部的第二行程开关，循环结束；

S8：压力控制信号传递给螺母装卸机构的自动扳手，自动扳手卸下对应的螺母；

S9：换向装置将螺母装卸机构旋转180°，压力控制信号传递给导轨机构，导轨机构缩回，待替换轮胎装上汽车，机械爪内气缸伸长，释放替换轮胎和待替换轮胎，导轨机构气缸伸出；压力控制信号传递给换向装置；

S10：换向装置旋转180°；压力控制信号传递给导轨机构；导轨机构缩回，自动扳手装上轮毂螺母；压力控制信号传递给螺旋千斤顶；

S11：螺旋千斤顶反转，丝杆缩回，汽车放下，更换轮胎作业完成,装置复位。

本发明的优点如下：

1.通过螺母装卸机构中多个自动扳手的设置，实现多颗螺母同时装卸，预紧力同步可调，提高轮胎更换的安全性与效率。

2.该装置实现自动寻找五个轮毂螺母位置并完成装卸螺母的功能，通过弹簧、自动扳手锥形尾部和气缸凹槽的设置，实现自动扳手节圆直径可自适应调节的功能，适用于不同PCD(轮毂螺母节圆直径)的轮胎。

3.通过安装换向装置，实现平缓精准的换向操作，提高换胎过程的安全性。

4.机械臂具有自适应性，实现随螺母装卸机构位置变化而自适应伸缩转动并锁定的功能。

5.当千斤顶运作时，带动滚轮支架上升，提起万向轮，箱体底面接触地面，避免万向轮承受压力，增大了装置与地面的接触面积，提高装置的安全性。

6.通过高压气体发生装置可实现以小功率产生高压气体，并将工作气压自动维持在设定值之上的功能，增加轮胎更换过程中的精准性和安全性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中一种自动更换家用车轮胎机构的装置整体结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中机箱的正视剖面图的结构示意图。

图3为发明具体实施方式中机箱的俯视剖面图的结构示意图。

图4为本发明具体实施方式中空气压缩机的结构示意图。

图5为本发明具体实施方式中螺旋千斤顶的结构示意图。

图6为本发明具体实施方式中螺母装卸机构的整体结构示意图。

图7为本发明具体实施方式中第二气缸、保持架和自动扳手相对位置示意图。

图8为本发明具体实施方式中螺母装卸机构的左视图的结构示意图。

图9为图8中E-E剖面的结构示意图。

图10为本发明具体实施方式中第三气缸、棘爪和复位气缸的相对位置示意图。

图11为本发明具体实施方式中保持架和自动扳手的相对位置示意图。

图12为本发明具体实施方式中机械臂的结构示意图。

图13为本发明具体实施方式中换向装置的正视图的结构示意图。

图14为本发明具体实施方式中换向装置的侧视剖面图的结构示意图。

图15为本发明中一种自动更换家用车轮胎机构的装置气动控制的管路图。

具体实施方式

本申请的一种典型的实施方式中，如图1至图14所示，一种自动更换家用车轮胎机构的装置，包括机箱1，机箱1铰接有机械臂2，机械臂2的另一端连接有换向装置3，换向装置3轴连接有螺母装卸机构4。

所述机箱1内安装有高压气体发生装置7，高压气体发生装置7与储气罐8 连通，储气罐与气动马达10连通，气动马达10与螺旋千斤顶9连通，螺旋千斤顶9中设置有丝杆24。高压气体自高压气体发生装置7中生成，经储气罐8 进入螺旋千斤顶9的气动马达10中，螺旋千斤顶9顶起汽车，顶起到设定高度后，丝杆24接触行程开关，停止为气动马达10供气。

所述高压气体发生装置7内部安装有驱动电机17，驱动电机17下方连接有减速器16，减速器下方安装有第一流量泵15，第一流量泵15下方安装有第二流量泵12，第一流量泵15的流量较第二流量泵12小，所述第一流量泵15与第二流量泵12之间还安装有离合器14和气压缸13。压缩气体前期，驱动电机17 启动，动力通过减速器16输入第一流量泵15，离合器14接触，动力经离合器 14传给第二流量泵12，第一流量泵15与第二流量泵12同时工作，气压快速上升，所需力矩增加；到达设定压力后，压力检测装置输出信号给气压缸13，气压缸13伸出，推动离合器14分开，第二流量泵12失去动力停转，第一流量泵 15继续工作，输入第一流量泵15的力矩提高，继续产生高压气体，提高气压；当耗气量过大导致输出气压低于设定压力，压力检测装置输出信号给气压缸13，气压缸13收回，离合器14接触，动力通过离合器14输入第二流量泵12，第一流量泵15与第二流量泵12同时工作，压力快速回升。由此过程，该高压气体发生装置可实现以小功率产生高压气体，并将工作气压自动维持在设定值之上的功能。

所述螺旋千斤顶9采用ZUWGW型周转轮系结构，包括有丝杆24，丝杆24上设置有丝杆螺母25。所述螺旋千斤顶9还包括有下底座20，下底座20上安装有上底座19和输入圆柱齿轮18，输入圆柱齿轮18的内圈固定连接有行星架22，行星架22与外行星轮27、内行星轮26分别轴接，所述螺旋千斤顶9还包括有太阳轮23，太阳轮23与内行星轮26啮合，所述太阳轮23还与丝杆螺母25固定连接。气动马达10动力经圆柱齿轮18传给行星架22，行星架22带动内外行星轮绕行星架22轴线公转，内行星轮26自转带动太阳轮23转动，太阳轮23 与丝杆螺母25固连，丝杆螺母25旋转带动丝杆24顶出；矩形丝杆螺纹选取经过设计计算，具有自锁功能，气动马达10停转，丝杆副在摩擦力的作用下不滑动缩回，提高了安全性能；气动马达10反转，丝杆24缩回；完成重物升降作业，可实现小功率产生大力矩的功能。所述螺旋千斤顶9采用ZUWGW型周转轮系，避免了两个行星轮需要同心的条件，减小了装置的体积。

所述机箱内部下方安装滚轮支架6，滚轮支架6与丝杆24固定连接，所述滚轮支架下方连接有万向轮5，所述机箱1开设有与万向轮5对应的滚轮孔，便于装置整体移动；当丝杆24伸出，带动滚轮支架6上升，提起万向轮5，箱体 1底面接触地面，避免万向轮5承受压力，增大了装置与地面的接触面积，提高千斤顶的安全性。

所述机箱1内还包括有导轨机构11，导轨机构11与机械臂2相连，锁定机械臂2位置。

所述机械臂2包括有第一钢管201，第一钢管201套嵌有第二钢管202，第一钢管201内径大于第二钢管202，第一钢管201的末端与第二钢管202内部的复位弹簧38相连接，复位弹簧38与换向装置3相连。所述机械臂内部还安装有机械臂气缸40，机械臂气缸40连接有棘齿，机械臂内部还设置有棘条39，所述第一钢管201和第二钢管202之间还设置有若干滑轮41。

机械臂2的伸长缩短由螺母装卸机构4确定，螺母装卸机构4的机械爪33 夹持轮胎时，螺母装卸机构4会在平行于轮毂的竖直面内平动，进而拉伸或压缩机械臂2，到达工位时，气缸40与棘条39配合锁定机械臂长度，导轨11的棘轮机构会锁定机械臂2与水平面的角度，使后续换胎作业顺利开展；换胎作业完成后，气缸40缩回，机械臂2在复位弹簧38的作用下复位。该机械臂2 具有自适应性，实现随螺母装卸机构4位置变化而自适应伸缩转动并锁定的功能。

所述换向装置3包括支撑板311和底座312，所述支撑板311和底座312之间安装有轴承43，支撑板311与螺母装卸机构4相连接，底座312上安装有中心轴45，所述底座312上还有对称的两个换向换向气缸44，换向换向气缸44 的周围布设有若干个定滑轮46，换向换向气缸44内部活塞上连接有钢丝绳47，钢丝绳47绕过定滑轮46与中心轴45的表面固定连接。换向气缸44上下移动产生拉力通过钢丝传递到中心轴45表面，对中心轴45产生一个力矩，两侧换向气缸44反向移动使中心轴45受到方向相同大小相等的2个力矩作用产生转动，带动螺母装卸机构4转动，换向气缸44的行程与中心轴45的直径经过设计计算，保证换向气缸44的一个行程对应中心轴转动180°，实现匀速缓慢、平稳精确的换向动作。

所述螺母装卸机构4包括壳体401，壳体401上安装有半圆弧固定机构402，半圆弧固定机构402与换向装置3相连，壳体401中心安装有第四气缸34。所述壳体401的两端分别对称地安装有机械手33，机械手33包括机械手气缸331，机械手气缸331连接有沿圆周均匀分布的三个爪夹332。所述壳体401内部设置有第一气缸30，所述第一气缸30与所述机械手气缸331相连通，第一气缸30 的表面设置有多个支撑柱301，当第一气缸30伸出，支撑柱301压住轮毂表面，保证螺母装卸机构4与轮毂侧面的平行度。

高压气体输入机械手气缸331，机械手33的爪夹332持待替换的轮胎，另一面的爪夹332夹持汽车的轮胎，6个爪同时缩短，为螺母装卸机构4定心。第四气缸34伸出，顶到轮毂中心，支撑柱301与轮毂表面脱离，爪夹332抓紧汽车轮胎。

所述第一气缸30连接有第二气缸28，第一气缸30与第二气缸28形成二级气缸。第二气缸28内设置有保持架281，保持架281上沿圆周方向均匀安装有五个自动扳手32，自动扳手32内部设置有第二行程开关322。所述自动扳手32 上固定有滑块285,所述保持架281设置有对应的滑轨286。所述保持架281上成型有与自动扳手32对应的通孔；所述壳体401成形有与支撑柱301对应的通孔，壳体401还成形有与自动扳手32对应并且直径大于自动扳手32直径的通孔；自动扳手32之间沿节圆径向连接有弹簧321，保证五个自动扳手有一个张紧力；自动扳手32的尾部为锥形或圆台形，第二气缸28与自动扳手32尾部接触的底面对应地设置有坡面凹槽31。第二气缸28推动自动扳手32顶住轮毂表面，在压力的作用下，五个自动扳手32沿尾部锥面向坡面凹槽31内滑动，节圆直径增大；节圆直径达到114mm后，第二气缸28收缩，五个自动扳手32在弹簧321张紧力的作用下，沿锥面向坡面凹槽31外滑动，节圆直径缩小，自动扳手32复位。

所述第一气缸30和第二气缸28之间安装有扭力弹簧282，第二气缸28表面安装有棘轮机构29，棘轮机构29包括有对称安装的两个第三伸拉装置36，第三伸拉装置36一端连接有棘爪361，第一伸拉装置30内球铰有复位装置37，复位装置37的另一端连接第二伸拉装置28，第二伸拉装置28的内侧设置有切齿弧条283，切齿弧条283的高度大于第一伸拉装置30的最大伸拉行程。第二气缸28在扭力弹簧282的作用下转动，旋转到指定工位，棘爪361卡在切齿弧条283的齿槽中，第二气缸28的位置锁定。每次换胎作业完成后，复位气缸37 伸出，推动第二气缸28转动，压缩扭力弹簧282，第二气缸28复位。

当第二气缸28收缩后，接触第一行程开关284，第三气缸36收回，在扭力弹簧282的作用下，棘轮机构29转动一个齿，第三气缸36再伸出，带动棘爪 361卡入齿槽，接触第一行程开关284，发出下一个动作的控制信号，第一气缸 30伸出，支撑柱301抵住轮毂，螺母装卸机构4调整节圆直径。直到气动扳手 32正确套入轮毂螺栓，触动气动扳手32内部的第二行程开关322，循环结束。高压气体输入气动扳手32，五个螺母同时卸下，完成螺母的拆卸工作；导轨机构11将机械臂2和螺母装卸机构4推出，替换轮胎脱离汽车。

换向装置3将螺母装卸机构4旋转180°，导轨机构11缩回，待替换轮胎装上汽车，机械手气缸331伸长，释放替换轮胎和待替换轮胎。

导轨机构11伸出，换向装置3带动螺母装卸机构4旋转180°，导轨机构 11缩回，自动扳手32装上轮毂螺母。替换轮胎装上后，自动扳手32直接对准螺母位置，同时拧紧螺母，自动扳手32的预紧力大小能够同步调节，保证了5 个螺栓预紧力大小相同。

气动马达10反转，丝杆24缩回，螺旋千斤顶9放下汽车。装置复位，将装置整体拉出，换胎作业完成。

换胎作业完成后，复位气缸37伸出，推动第二气缸28旋转至初始位置，扭力弹簧被压缩，准备下一次的换胎作业。

以上所述，仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或者修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。