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摘要
本文先通過對汽車輪轂方面的介紹主要的一些參數，以及它的種類及其優(yōu)缺點，還有輪轂的制造方式和在挑選輪轂時應注意的問題。再通過對夾具組成和主要作用的介紹，以及對夾具按不同方法分類，從而提出夾具的現狀和以后的發(fā)展方向，然后對夾具設計的基本要求做出簡要的說明。接著對本次設計進行分析，其中包括設計任務和要求、設計說明和所設計夾具的工作原理。再介紹了夾具零件的設計尺寸、外形等，并配合圖片表達出來。最后對于氣缸的選擇進行分析。
關鍵詞： 輪轂 夾具 設計
Abstract
This paper first through to the car wheels introduced some main parameters, as well as its types and its advantages and disadvantages, and methods of manufacturing hub and should pay attention to in the selection of the hub problem. Through the clamp and the main function are introduced, and the classification of the fixture by different methods, and puts forward the development direction of the status quo and future fixture, and then the basic requirements of the fixture design brief description. Then the design of analysis, including the design of tasks and requirements, design and fixture design principle. Then introduces the parts of fixture design, shape, size, and picture to express. Finally, for the selection of the cylinder were analyzed.
Keywords: hub fixture design
1 緒論
1.1 汽車輪轂
1.1.1輪轂介紹及其主要參數
輪轂是汽車的重要組成部分，很多初學者還是有時候比較難以正確去看清，有好多人會去叫它“輪胎”或者“轱轆”這樣的話，事實上，“輪轂”和“輪胎”是完全不相同的兩樣汽車部件。所說的“輪胎”就是車“轱轆”當中的橡膠部分，它本身是軟體的，所以輪胎內廓支撐輪胎的圓桶形的、中心 是裝在軸上的部件就叫輪轂。如圖1所示為輪轂。
圖1 輪轂
車輪轂的主要參數有：輪轂尺寸、PCD、偏距ET、中心孔
輪轂尺寸有兩個參數組成：胎環(huán)直徑和胎環(huán)寬度。表示方式有15x6.5 ； 15x6.5JJ ；15x6.5J ；1565 等等,在格式上沒有硬性的規(guī)定。前面的"15"表示胎環(huán)直徑,代表輪轂的胎環(huán)直徑是15英寸,后面的"6.5"(或者是6.5J、6.5JJ、65)是表示胎環(huán)寬度,代表輪轂的胎環(huán)寬度是6.5英寸。輪轂尺寸通常可以在輪轂的背面刻字上找到。
PCD：是指輪轂螺栓孔的節(jié)圓直徑。表示方式如5x114.3、10x100/114.3，"5"是表示螺栓孔的數目,代表有5個螺栓孔。"114.3"表示螺栓孔的節(jié)圓直徑是114.3mm
偏距：(也叫偏位或ET)是安裝面與輪轂中心線的距離，通常在輪轂的背面可以找到這個參數。偏距是用來調節(jié)輪距和保證車輪不與車體不干涉。
中心孔：就是輪轂中間的那個大孔，注意中心孔尺寸是從背面去測量才是正確的數據。各車都不一樣，BENZ一般66.6MM, BMW一般72.6MM.如輪圈的輪軸孔大，一定要用中孔套環(huán)，否則高速時車輪會抖動。
1.1.2輪轂分類及其優(yōu)劣
輪轂按材質可以分為二大類：鋼輪轂，合金輪轂。
就目前市場上的原廠輪轂按照材質可以分為鋼輪轂和合金輪轂，兩者各有利弊。
鋼質輪轂最為主要的優(yōu)點就是制造工藝簡單，成本相對來說較低，而且抗金屬疲勞的能力很強，也就是我們經常說的的便宜又結實。但鋼質輪轂的缺點也相對比較突出就是外觀丑陋，可以說沒什么外觀可言，重量較大相同的，就是說輪轂鋼材質要比鋁合金材質重很多，慣性阻力較大，散熱性也比較差，而且非常容易生銹。
而相對與合金輪轂來說，合金材質輪轂正好可以彌補這樣的問題，較輕的重量，慣性阻力小，制作精度高，在高速轉動時的變形小，慣性阻力小，有利于提高汽車的直線行駛性能，減輕輪胎滾動阻力，從而減少了油耗。合金材質的導熱性能又是鋼的三倍左右，散熱性好，對于車輛的制動系，輪胎和制動系統(tǒng)的熱衰減都能起到一定的作用。目前市場上的原廠車的合金輪轂都已鋁合金為主，當然很多改裝輪轂為了達到一定的特殊要求以及視覺的提升會選擇鉻、汰等元素作為基本材料。不過，跟鋼材質輪轂比起來，合金輪轂的價格要貴出不少，所以往往在很多中低端級別的原廠車中，鋼質輪轂會出現在低配車型上，而合金輪轂則是高配車型的標配。
鋼輪轂主要優(yōu)點是制造工藝簡單，成本相對較低，抗金屬疲勞能力強。 但是缺點也很明顯，如重量大，慣性阻力大，散熱性較差等等。
合金輪轂其優(yōu)點是重量輕，制造精度高，強度大，慣性阻力小，散熱能力強，視覺效果好等等，缺點是制造工藝復雜，成本高。
合金輪轂多以鋁為基本材料，適當加入錳、鎂、鉻、鈦等金屬元素而成。和鋼輪轂相比，合金輪轂具有節(jié)能、安全、舒適等特點，所以越來越多的汽車已經把合金輪轂列為標準配置。下面我們就來看看合金輪轂的三大特性。
1、節(jié)能 合金輪轂的重量輕，制造精度高，在高速轉動時的變形小，慣性阻力小，有利于提高汽車的直線行駛性能，減輕輪胎滾動阻力，從而減少了油耗。
2、安全 鋁合金的導熱系數是鋼的三倍，散熱效果非常好，從而增強了制動性能，提高了輪胎和制動碟的使用壽命，有效保障了汽車的安全行駛。
3、舒適 裝用合金輪轂的汽車一般都采用緩沖和吸震性能優(yōu)于普通輪胎的扁平輪胎，使汽車在不平坦的道路上或高速行駛時，舒適性大大提高。
1.1.3 輪轂的制造方式
鋁合金輪轂的制造方法有三種：重力鑄造、鍛造、低壓精密鑄造。
1、重力鑄造法 利用重力把鋁合金溶液澆注到模具內，成形后經車床處理打磨，即可完成生產。制造過程較簡單，不需精密的鑄造工藝，成本低而生產效率高，但是容易產生氣泡（砂眼），密度不均勻，表面平滑度不夠。吉利有相當一部車型配用的就是這種方法生產的輪轂，主要是早期生產的車型，新車型多已換用新款的輪轂。
2、鍛造法 整塊鋁錠由千噸的壓力機在模具上直接擠壓成型，好處是密度均勻，表面平滑細致，輪轂壁薄而重量輕，材料強度最高，比鑄造方法高三成以上，但由于需要較精良的生產設備，而且成品率只有五到六成，制造成本較高。
3、低壓精密鑄造法 在0.1Mpa的低壓下精密鑄造，這種鑄造方式的成形性好，輪廓清晰，密度均勻，表面光潔，既能達到高強度、輕量化，又能控制成本，而且成品在九成以上。是高品質鋁合金輪轂的主流制造方法。
1.1.4 輪轂的挑選
1、大小 不要盲目加大輪轂。有人為改善汽車性能而加大輪轂，在輪胎外徑不變的情況下，大輪轂勢必要配合寬而扁輪胎，車的橫向擺動倒是小了，穩(wěn)定性得到提高，過彎時有如蜻蜓點水，輕盈掠過。但車胎越扁，其厚度越薄，減震性能越差，舒適性方面就要做出較大犧牲。此外，稍微有石子等路障一硌，輪胎很容易損壞。因此盲目加大輪轂的代價不容忽視。 一般來講，根據原車輪轂大小加大一兩個號最為合適。
2、三距 這意味著挑選的時候不能隨心所欲挑自己喜愛的外形，還要聽從技師的建議考慮這三距是否合適。
3、形狀 結構復雜、密集的輪轂的確很美觀，顯得有檔次，但很容易在洗車的時候被拒洗或是多收錢，因為它洗起來太麻煩。簡約的輪轂反而動感十足，干凈利落。當然如果您不怕麻煩，倒也無妨。 時下深入人心的的鋁合金輪轂，與過去的鐵鑄輪轂相比，抗變形程度有了很大提高，重量大幅度減輕，車動力損失小，跑起來快，省油而且散熱性好，為廣大車主所喜愛。這里要提醒一點，有不少汽車經銷商為了迎合車主的口味，銷售汽車之前，事先把鐵輪轂換成鋁合金輪轂，但在價格上卻狠狠加上一筆。所以從經濟實惠的角度考慮，買車的時候不要太在意輪轂的材質，反正可以按照自己的風格來換，價錢上還可以節(jié)省一筆。
1.2 機床夾具
1.2.1夾具的組成及作用
機床夾具是在機械制造過程中用來固定加工對象，使之占有正確位置，以接受加工或檢測并保證加工要求的機床附加裝置，簡稱為夾具。如車床上使用的三爪自定心卡盤、銑床上使用的平口虎鉗等。
機床夾具的組成：
1、定位元件或定位裝置：起定位作用，保證工件相對于夾具的位置。
2、夾緊裝置：保證在加工時保持所限制的自由度。
3、導向元件或對刀裝置：保證刀具相對于夾具的位置。
4、連接元件：保證夾具和機床工作臺之間的相對位置。
5、夾具體：用于連接夾具各元件及裝置，使其成為一個整體的裝置。
6、其他元件及裝置：如動力裝置的操作系統(tǒng)等。
機床夾具的主要作用有：
1、保證加工精度；采用夾具裝夾可以準確地確定工件與機床的相對位置，并且工件的正確位置在加工中不致發(fā)生變動，因此能較穩(wěn)定地保證工件的加工精度。
2、提高勞動生產率；使用夾具能夠快速地裝夾工件。
3、擴大機床的工藝范圍；在普通機床上配置適當的夾具可以擴大機床的工藝范圍、實現一機多能。
4、降低對工人的技術要求和減輕工人的勞動強度。
夾具不同于其他環(huán)節(jié)，他在工藝系統(tǒng)中有著特殊地位，夾具的整體剛度對工件加工的動態(tài)誤差產生著非常特殊的影響。當夾具的整體剛度遠大于其他環(huán)節(jié)，工件加工的動態(tài)誤差基本上只取決于夾具的制造精度和安裝精度。因此設計夾具時，對夾具的整體剛度應給予足夠重視。如因工藝系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的剛度不足而引起較大的系統(tǒng)動態(tài)誤差時，也可以采取修正夾具定位元件的方法進行補償。這就是夾具的能動作用。
1.2.2夾具的分類
機床夾具的分類機床夾具的種類很多，形狀千差萬別。為了設計、制造和管理的方便，往往按某一屬性進行分類。
1、按機床夾具的通用特性分類按這一分類方法可將夾具分為通用夾具、專用夾具、可調夾具、組合夾具和隨行夾具等五大類。它反映夾具在不同生產類型中的通用特性，因此是選擇夾具的主要依據。
1)通用夾具 通用夾具是指已標準化、無需調整或稍加調整就可用于裝夾不同工件的夾具，如三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤、臺虎鉗、萬能分度頭、中心架、電磁吸盤等。這類夾具已商品化，且成為機床附件。采用這類夾具可縮短生產準備周期，減少夾具品種，從而降低生產成本。其缺點是夾具的加工精度不高，生產率也較低，且較難裝夾形狀復雜的工件，故適用于單件、小批量生產中。
2)專用夾具 專用夾具是專門為某一工件的一定工序加工而設計制造的夾具。其特點是針對性極強，結構緊湊，操作方便，但是沒有通用性。在產品相對穩(wěn)定、批量較大的生產中，常用各種專用夾具，可獲得較高的生產率和加工精度，因此適用于產品固定、批量較大的加工過程。
3)可調夾具 可調夾具是針對通用夾具和專用夾具的缺陷而發(fā)展起來的一類新型夾具。在加工完一種工件后，經過調整或更換個別元件，即可裝夾加工形狀相似、尺寸相近的工件。多用于中小批量生產。它一般又分為通用可調夾具和成組夾具兩種。通用可調夾具的通用范圍大、適用性廣，加工對象不太固定。成組夾具是專門為成組工藝中某組零件設計的，調整范圍僅限于本組內的工件。
4)組合夾具 組合夾具是根據成組加工工藝的原則，按工件一定工序的要求，由一套預先制造好的通用標準元件和可更換調整元件組合而成的夾具。組合夾具使用完后，可進行拆卸或重新組裝新夾具，具有縮短生產周期，元件能重復多次使用，減少專用夾具的品種、數量和存放面積等優(yōu)點。適用于新產品試制和單件、中小批多品種生產。
5)隨行夾具 隨行夾具是自動生產線夾具的一種。除了具有一般夾具所擔負的裝夾工件的任務外，還在使用中隨著工件一起運動，完成將工件沿著自動線從一個工位移至下一個工位進行加工的任務。
2、按工序所用機床分類這是專用夾具設計所用的分類方法。按工序所用的機床分類，可把夾具分為車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、磨床夾具、齒輪機床夾具、數控機床夾具等。
3、按夾具動力源來分類按夾具夾緊動力源可將夾具分為手動夾具和機動夾具兩大類。為減輕勞動強度和確保安全生產，手動夾具應有擴力機構與自鎖性能。常用的機動夾具有氣動夾具、液壓夾具、氣液夾具、電動夾具、電磁夾具、真空夾具和自夾緊夾具等。
1.2.3夾具現狀及發(fā)展方向
現代機床夾具的發(fā)展方向主要表現為標準化、精密化、高效化和柔性化等四個方面。
1、標準化：機床夾具的標準化與通用化是相互聯(lián)系的兩個方面。目前我國已有夾具零件及部件的國家標準：以及各類通用夾具、組合夾具標準等。機床夾具的標準化，有利于夾具的商品化生產，有利于縮短生產準備周期，降低生產總成本。
2、 高效化：高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時間和輔助時間，以提高勞動生產率，減輕工人的勞動強度。常見的高效化夾具有自動化夾具、高速化夾具和具有夾緊力裝置的夾具等。例如，在銑床上使用電動虎鉗裝夾工件，效率可提高5倍左右；在車床上使用高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在試驗轉速為9000r/min的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生產流水線、自動線配置相應的高效、自動化夾具外，在數控加床上，尤其在加工中心上出現了各種自動裝夾工件的夾具以及自動更換夾具的裝置，充分發(fā)揮了數控機床的效率。
3、精密化：隨著機械產品精密度的日益提高，勢必相應提高了對夾具的精密度要求。精密化夾具的結構類型很多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達±0.1；用于精密車削的高精度三爪自定心卡盤，其定心精度為5μm。
4、柔性化：機床夾具的柔性化與機床的柔性化相似，它是指機床夾具通過調整、組合等方式 ，以適應工藝可變因素的能力。工藝的可變因素主要有：工序特征、生產批量、工件的形狀和尺寸等。具有柔性化特征的新型夾具種類主要有：組合夾具、通用可調夾具、成組夾具、模塊化夾具、數控夾具等。為適應現代機械工業(yè)多品種、中小批量生產的需要，擴大夾具的柔性化程度，改變專用夾具的不可拆結構，發(fā)展可調夾具結構，將是當前夾具發(fā)展的主要方向。
我國夾具設計和制造分散于各行各業(yè)的企業(yè)之中。只有機床附件中的通用夾具與組合夾具形成了專業(yè)化的夾具制造產業(yè)，建立了行業(yè)標準化工作體系，制定了這兩類夾具的行業(yè)標準。其他門類的夾具，以及夾具標準件和功能部件等產品的行業(yè)標準幾乎空白，也沒有專業(yè)化制造企業(yè)。各種夾具產品標準的缺位，不僅制約著夾具產品向專業(yè)化、市場化轉化的進程，同時造成社會認知度低，對夾具產品缺乏具體的了解，導致市場營銷難度大，行業(yè)發(fā)展速度緩慢。夾具行業(yè)標準化工作是亟待加強的基礎工作。
1.2.4設計夾具的要求
機械加工中“機床—刀具—夾具—工件”這一工藝系統(tǒng)中，四要素構成了靜態(tài)/動態(tài)的幾何關系。如圖2a所示的夾具和機床、刀具、工件之間的聯(lián)系關系。由于夾具由各元件和組件構成，圖中點畫線框內即為夾具的各元件、組件與其他三要素的聯(lián)系關系。圖2b為四要素之間相互直接聯(lián)系的尺寸/幾何關系。因此設計夾具時最基本的要求，就是保證圖2b中工件加工尺寸在工序完成后，達到工序尺寸/幾何精度要求。過去只考慮簡單的一維精度，隨著零件精度的設計提高今后必須研究和分析二維，少數情況下甚至三維的尺寸和形狀位置精度。在此基礎上考慮如何提高生產率和降低成本等其他問題。
2 設計任務
2.1設計內容及要求
設計內容：
設計一臺汽車輪轂安裝孔鉆床的夾具，實現輪轂的精確定位及夾持，使操作方便，快捷，可靠，并能適用于不同直徑輪轂的夾持。
設計要求：
1、調研、收集資料，寫出文獻綜述；
2、擬定夾具的設計方案；
3、完成夾具的設計計算，確定結構參數；
4、輸出各零件工作圖和總裝配圖；
5、完成夾具的三維建模及運動仿真；
6、完成畢業(yè)論文的撰寫；
7、翻譯與本課題有關的外文資料，并撰寫外文摘要。
3.2 設計說明
機床夾具從產生以來，為了不斷滿足機械加工的需求，其種類在不斷的改變，發(fā)展非常迅速，因此為了提高工件加工的質量與效率，能否設計出一種精密、高效、簡單、操作方便的的夾具是我們最為注重的。本次設計的是汽車輪轂安裝孔鉆床夾具，要求要比傳統(tǒng)夾具夾緊可靠，操作方便、快捷、可靠，并能適應于不同直徑輪轂的夾持，工藝范圍較大。特別是采用的圓形機構能保證加工的定心性要求，使其定心精度比其他夾具較高，采用一面兩銷定位，使其定位可靠。該夾具采用氣缸氣動夾緊，利用氣缸作為動力源驅動卡爪使其夾緊，再利用氣缸驅動卡爪使其放松。
本次設計的夾具的原理相對其他同學的畢業(yè)設計較簡單，為了提高難度，把重點放在了三維建模和三維運動仿真上。通過三維實體模型配合二維圖紙來表達，可以清楚的表達出本次畢業(yè)設計的設計思想，因此本論文的三維截圖較多。
圖紙軟件版本為：AutoCAD 2008；三維建模軟件版本為：solidworks 2012。
3.3結構設計
1、結構原理選擇：
采用雙滑塊機構的原理可以實現不同直徑輪轂的夾持
2、動力源：
氣缸
3、工作原理：
先把輪轂放在工作臺上，通過工作臺中間的定位銷和輪胎氣門孔的拔銷定位，以實現基本的一面兩銷定位。輪轂放好之后，夾具開始進入工作時間，這時氣缸作為動力源開始運行，氣缸的活塞桿通過連接驅動其中的一個卡爪向輪轂運動。而這四個卡爪都通過連接板與圓形形機構相連接。所以當氣缸驅動的卡爪向輪轂運動時，其他三個卡爪通過圓形機構也與其一起同時向輪轂運動，也就實現了四個卡爪以同等大小的速度與位移向輪轂運動，并將其夾緊。在輪轂上的螺紋孔在加工過程中，四個卡爪夾緊輪轂不動。當加工完成之后，氣缸再次驅動卡爪反方向運動，相同的四個卡爪再以同等大小的速度與位移遠離輪轂，最后回到初始位置。
3 氣缸
3.1氣缸介紹及分類
氣缸引導活塞在其中進行直線往復運動的圓筒形金屬機件。工質在發(fā)動機氣缸中通過膨脹將熱能轉化為機械能；氣體在壓縮機氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力。
氣缸
氣缸是氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能的氣動執(zhí)行元件。氣缸有做往復直線運動的和做往復擺動的兩類（見圖）。做往復直線運動的氣缸又可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸4種。
①單作用氣缸：僅一端有活塞桿，從活塞一側供氣聚能產生氣壓，氣壓推動活塞產生推力伸出，靠彈簧或自重返回。
②雙作用氣缸：從活塞兩側交替供氣，在一個或兩個方向輸出力。
③膜片式氣缸：用膜片代替活塞，只在一個方向輸出力，用彈簧復位。它的密封性能好，但行程短。
④沖擊氣缸：這是一種新型元件。它把壓縮氣體的壓力能轉換為活塞高速（10～20米/秒）運動的動能，借以做功。做往復擺動的氣缸稱擺動氣缸，由葉片將內腔分隔為二，向兩腔交替供氣，輸出軸做擺動運動，擺動角小于 280°。此外，還有回轉氣缸、氣液阻尼缸和步進氣缸等
3.2氣缸的選擇
1、氣缸內徑、軸心內徑的選擇
根據夾具的工作環(huán)境以及鋁輪轂的屈服強度等因素.綜合考慮取活塞桿的拉力為800N。
氣缸出力一覽表
通過上表，就可以選擇氣缸的內徑為40mm，軸心內徑為16mm，種類為復動型。
2、氣缸行程的選擇
內徑
標準行程
最大行程
容許行程
20
25 50 75 80 100 125 150 160 175 200 250 300
500
800
25
25 50 75 80 100 125 150 160 175 200 250 300 350 400 450 500
800
1200
32
25 50 75 80 100 125 150 160 175 200 250 300 350 400 450 500
800
1200
40
25 50 75 80 100 125 150 160 175 200 250 300 350 400 450 500
1000
1500
根據畢業(yè)設計中卡爪的兩個極限位置和安裝的位置，由上表選取行程為125mm。
由上所述可定最后氣缸的型號為:MAL-U-40×125