3 РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ОШИПОВКИ КОЛЕС

3.1 Обоснование разработки. Анализ существующих конструкций

Проектируемый на СТО шиномонтажный участок должен располагать достаточно широким спектром оборудования и оснастки для проведения различных специализированных шиномонтажных работ.

В данном разделе проекта предлагается усовершенствовать стенд для ошиповки шин грузовых автомобилей и тракторов. В качестве базы для разработки был выбран стенд Ш-803, выпускавшийся заводом “Автоспецоборудование”. Данный стенд предназначен для ошиповки колес различных типоразмеров. В качестве конструкторской разработки предлагается разработать устройство для установки и монтажа шины на стенде.

В настоящее время на рынке оборудования для автосервиса достаточно широко представлено оборудование для ошиповки автомобильной авторезины. Комплекты такого оборудования обычно включают в себя высокоскоростные (до 40000 об/мин) сверлильные устройства с пневматическим приводом для сверления глухих отверстий в резине с помощью спирального сверла со специальной заточкой и стенды для запрессовки шипов в протекторы шин, оснащенные пневмопрессами или пневмопистолетами.

Для ошиповки шин наиболее часто применяются отечественные стенды Ш-803 и Ш-816.

Стенд Ш-803 представляет собой стационарный стенд, с питанием 380 В, требующий подвода магистрали сжатого воздуха под давлением 0,6-0,8 МПа. Стенд имеет габариты в плане 1200х640 мм, в своем составе стенд имеет сварную пространственную раму, пневматическую сверлильную машину UG-38, с частотой вращения 25000 об/мин, пневмопистолет AS-8-9-10-11, вибропитатель UF-8, для правильной ориентировки шипов.

На стенде Ш-803 имеется возможность проведения технологических операций сверления и запрессовки шипов без снятия шины со стенда. Это особенно важно, поскольку при этом уменьшается трудоемкость ошиповки, связанная со снятием и перемещением шины, а также уменьшается время на ошиповку одной шины.

Стенд Ш-816 представляет собой стационарный стенд, предназначенный для ошиповки шин легковых автомобилей. Стенд имеет в своем комплекте ручной пневматический инструмент: сверлильная машина и пневматический пистолет Ш-305 с вибропитателем. Шины могут быть как размонтированы, так и смонтированы на ободьях. Стенд крепится на специальном фундаменте. Питание пистолета и сверлильной машины осуществляется от магистрали сжатого воздуха, питание вибропитателя- от электрической сети 220В, 50 Гц. Производительность до 20-25 шин в смену.

Габариты установки 860х980х1800 мм. Масса 264 кг. Применяемые шипы Ш-802А (длина шипа 16 мм, диаметр 8 мм).

3.2 Устройство и принцип действия стенда

Схема стенда на базе Ш-803 с конструкторской разработкой устройств установки, подъема и монтажа шины на стенд представлена на рис. 3.1.

Р ис 3.1 -Устройство стенда для ошиповки

Стенд состоит из основания 1, на котором жестко закреплена сваркой пространственная неподвижная рама 2. В верхней части рамы находится поперечина 3, на которой находятся крепления для установки на них сменных пневматического пистолета и пневматической сверлильной машины. Стенд также содержит изогнутый по профилю шины 5 кондуктор 4, который с помощью кронштейнов 6 закрепляется на боковых стойках рамы 2. В средней части рамы 2 расположен опорный механизм 7 шины 5, содержащий тороидальный сектор 8, выполненный по внутренней поверхности шины 5, который укреплен грибовидно через стойку 9 на поворотной горизонтальной оси 10, размещенной в подшипнике 11 скольжения. На концевой части горизонтальной оси 10 жестко закреплена шестерня 12, взаимодействующая с горизонтальной зубчатой рейкой 13 и силовым цилиндром 14 поворота тороидального сектора 8. Зубчатая рейка 13 поддерживается роликом 15 и имеет возможность перемещения в направляющих 16 до упора 17. Для исключения качания опорного механизма 7 при появлении возможных зазоров в сочленениях в процессе эксплуатации шестерня 12 стопорится зубчатым фиксатором 18. Положение шины 5 в продольной плоскости стабилизируется роликами 19, установленными на неподвижной раме 2.

Для ориентации относительно устройств ошиповки, для подъема и опускания шины 5 при ее введении и извлечении из стенда служит механизм 20 подъема-опускания шины 5. Этот механизм включает в себя раму 21, установленную внутри основания 1 и снабженную парными боковыми ребрами 22 с каждой стороны, причем боковые ребра 22 соединены своими верхними частями с силовыми цилиндрами 23, установленными шарнирно на основании 1 по обе ее стороны. Кроме того, ребра 22 снабжены осевым ограничителем 24, имеющим возможность перемещаться в пазах стоек 25, жестко закрепленных на основании 1. В средней части рамы располагаются опорные ролики 26.

Для подачи шины 5 в установку и ее извлечения из нее будет применяться рычажное устройство, состоящее из горизонтального поворотного рычага 27, шарнирно смонтированного на неподвижной раме 2 и имеющего два рычага консоли 28 и 29. При этом, один из рычагов выполняется телескопическим. Для управления системой пневматического привода механизма подъема шины 5, а также привода пистолета и сверлильной машины на стенде имеется пульт управления 30.

Стенд работает следующим образом.

Горизонтальный поворотный рычаг 27 поворачивается за пределы габаритов стенда, а рычаг 29 выдвигается на максимальную длину. Шина 5 устанавливается (вручную или грузоподъемным устройством) своими бортами на рычаги 28 и 29 горизонтального поворотного рычага 27. Тороидальный сектор 8 опорного механизма 7 переводится в нижнее положение при помощи силового цилиндра 14, зубчатой рейки 13 и шестерни 12, жестко связанной с горизонтальной осью 10. После этого горизонтальный рычаг 27 с шиной 5 поворачивается и шина вводится в внутреннюю часть установки, до упора в стабилизирующие ролики 19. Включаются силовые цилиндры 23 механизма 20 подъема-опускания шины 5, который своими опорными роликами 26 поднимает шину на требуемую высоту. После подъема шины 5 рычаг 29 отводится вместе с рычагом 28 за габариты стенда. Горизонтальная ось 10 поворачивается силовым цилиндром 14 до установки тороидального сектора 8 в верхнее положение с последующим его стопорением фиксатором 18. Затем шина 5 ориентируется поворотом на опорных роликах 26 своими “шашечками” для максимального удобства сверления и запрессовки шипов. Далее шину 5 поджимают при помощи механизма подъема и кондуктора 4. После этого производятся операции, согласно технологическому процессу ошиповки. После этого шину 5 разжимают, поворачивают на роликах 26 и продолжают ошиповку. После завершения процесса производится извлечение шины 5. Порядок извлечения шины является обратным порядку ее установки.

3.3 Инженерные расчеты деталей и узлов стенда

3.3.1 Расчет рамы

Рама стенда представляет собой четыре вертикальные стойки, соединяемые между собой горизонтальными поперечинами (ригелями).

Р асчетная схема рамы представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2- Расчетная схема рамы

Расчет рамы производится на изгиб с растяжением сжатием по предельным нагрузкам.

Принимаются поперечные сечения стоек- швеллер (рис. 4.3) №8, с размерами: h=80 мм, b=40 мм, t=7,4 мм, d=4,5 мм.

Для поперечин (ригелей) принимаются поперечные сечения- швеллер №5, с размерами: h=50 мм, b=32 мм, t=7 мм, d=4,4 мм.

Рис.3.3 -Схема швеллера

Предел текучести принимается для стали _Т=240 МПа.

При вертикальной нагрузке горизонтальные составляющие опорных реакций равны между собой (R_HA=R_HB=R_H), поэтому при одинаковой длине стоек будут равны друг другу и изгибающие моменты в узлах рамы.

Эпюра изгибающих моментов получается наложением на эпюру узловых моментов эпюры изгибающих моментов на поперечине (ригеле), рассматриваемой как балка, свободно лежащая на опорах.

Рис 3.4 -Эпюра изгибающих моментов

Из эпюры видно, что предельное состояние может наступить в двух случаях:

1. Предельное состояние наступит только на поперечине (ригеле)- в пролете в месте приложения нагрузки и в узлах С и D.

2. Предельное состояние наступит на поперечине (ригеле) и на участке около узла С.

Предварительно найдем величины моментов сопротивления.

Для сечения поперечины (ригеля):

W_РИГ=I_РИГ/(h/2), м³, (3.1)

W_СТ=I_СТ/(h/2), м³, (3.2)

где W- момент сопротивления изгибу;

I- момент инерции сечения, который определяется по формуле:

I=(h³b-(b-d)(h-2d)³)/12, м⁴ (3.3)

Для поперечины (ригеля):

I_РИГ=((0,05)³0,032-(0,032-0,007)(0,05-0,014)³)/12=2,2810^-7 м⁴

Для стойки:

I_СТ=((0,08)³0,04-(0,04-0,0045)(0,08-0,009)³)/12=8,9410^-7 м⁴

Тогда:

W_РИГ=2,2810^-7/(0,05/2)=9,1210^-9 м³,

W_СТ=8,9410^-7/(0,08/2)=3,5810^-8 м³,

На эпюре (рис. 3.5) представлен первый вариант предельного состояния рамы.

Р ис. 3.5 -Эпюра изгибающих моментов

Проведем расчет для первого варианта наступления предельного состояния рамы.

Из эпюры предельного состояния рамы (рис.4.5) следует:

_прМ_БАЛ=2 _прМ_РИГ, Нм (3.4)

Отсюда предельный момент балки рассчитывается по формуле:

_прМ_БАЛ=2(Р_ПРll)/(22l)=2(Р_ПРl)/2, Нм (3.5)

Тогда, предельный момент в поперечине (ригеле) будет рассчитываться по формуле:

_прМ_РИГ= _прМ_РИГ/2=(Р_ПРl)/4, Нм (3.6)

Продольная сила в поперечине (ригеле) будет вычисляться по формуле:

_прN_РИГ= _прМ_РИГ/H=(Р_ПРl2)/(4l)=Р_ПР/2, Н (3.7)

Условие предельного состояния:

_прМ_РИГ=(Р_ПРl)/4=_ТW_P, Нм (3.8)

Отсюда предельная сила будет вычисляться по формуле:

Р_ПР=(4_ТW_P)/l, Н (3.9)

Р_ПР=(42400912)/1200=7296 Н

Проведем расчет предельного состояния на поперечине (ригеле) под действием груза и на стойке около узла С.

Рис 3.6-Эпюра предельного состояния на стойке около узла С

Из эпюры предельного состояния (рис. 4.6) следует:

_прМ_БАЛ=_прМ_РИГ+_прМ_СТ=(Р_ПРl)/4, Нм (3.10)

_прN_РИГ=_прМ_СТ/H=2_прМ_СТ/l, Н (3.11)

_прN_СТ=R_A=Р_ПР/2, Н (3.12)

Тогда условие предельного состояния для этого варианта без учета продольных сил примет вид:

_прМ_РИГ+_прМ_СТ=(Р_ПРl)/4, Нм (3.13)

Отсюда:

Р_ПР=4(_прМ_РИГ+_прМ_СТ)/l=4(_ТW_P+_ТW_СТ)/l, Н (3.14)

Р_ПР=4(2400912+2400358)/1200=10160 Н

Для оценки влияния продольной силы найдем величину относительной погрешности выполненного расчета по формуле:

А=(_прN_СТ)²/(_прМ_СТ4_Тd), (3.14)

где d- толщина стенки швеллера (для стойки d=45 мм).

Продольная сила в правой стойке рассчитывается по формуле (4.12), при расчетах принимаем предельную силу первого варианта Р_ПР=7296 Н.

_прN_СТ=Р_ПР/2=7296/2=3648 Н

Предельный изгибающий момент рассчитывается по формуле:

_прМ_СТ=_ТW_СТ, Нм (3.15)

_прМ_СТ=3582400=859200 Нм

Подставляя полученные данные в формулу (4.14) получается:

А=(3648)²/(859200424004,5)=0,0036

Таким образом, погрешность из за пренебрежения продольными силами составляет менее 1%, поэтому в данном случае пересчета с учетом продольных сил не требуется.

Расчетная сила, действующая на раму стенда, с учетом массы подъемного механизма, поворотного рычага и легковой автомобильной шины диаметром 15 составляет Р_РАСЧ=1560 Н.

Таким образом:

Р_РАСЧ=1560 НР_ПР=7296 Н

Следовательно, рассчитываемая рама обладает достаточным запасом на изгиб с растяжением сжатием.

3.3.2 Расчет стойки

3.3.2.1 Расчет стойки на изгиб

В данном случае стойка рассматривается как нагруженная изгибающими моментами, действующими при поднятии легковой шины механизмом подъема-опускания в верхнее рабочее положение. Наибольшему воздействию подвержена стойка, на которой при помощи сварки закреплено устройство для заведения шины внутрь стенда.

В качестве стоек для стенда принимается швеллер №8, материал- сталь Ст.3, высота швеллера 1050 мм, осевой момент инерции I_X=89,4 см⁴, момент сопротивления при изгибе W_X=22,4 см³, радиус инерции сечения i_X=3,16 см, площадь сечения F=8,98 см².

Изгибающий момент, действующий на наиболее нагруженную стойку, определяется по формуле:

М_И=Рl_K, Нм (3.16)

где Р- нагрузка, приходящаяся на стойку (принимается нагрузка от всех механизмов и узлов стенда на наиболее нагруженную стойку 1000 Н),

l_K- плечо приложения силы (в расчетах принимается 0,6 м).

Рис. 3.7- Расчетная схема стойки

М_И=Рl_K=0,61000=600 Нм

Напряжение изгиба в стойке:

_И=М_И/W_X_И, МПа, (3.17)

где _И=160 МПа- предельно допустимое напряжение изгиба,

W_X=W_X^ШВ- момент сопротивления стойки изгибу, равная моменту сопротивления изгибу швеллера W_X=0,0000224 м³.

_И=600/0,0000224=26,79Мпа_И=160 МПа

Таким образом, условие прочности стойки на изгиб выполняется.