轿车备胎支架的设计

张旭忠，王苗苗

（运城学院机电工程系，山西 运城 044000）

摘要：轮胎是汽车使用过程中非常重要的安全部件，每辆轿车都安装有备胎，但由于轿车自身结构的限制，现有轿车备胎大都安放在后备箱中，空间狭小，更换时比较费力。因此，设计了一种轿车备胎安装支架，采用气弹簧支架，安装布置在后备箱中，此设计结构简单，同时能够减少更换备胎时的难度。

关键词：备胎支架；气弹簧支撑杆；设计

0 引言

汽车轮胎是非常重要的安全部件，为了防止旅行途中轮胎漏气而无法继续前行，每辆汽车都有备胎。目前，重型车、越野车备胎都是通过备胎支架悬挂等方式安装在车架或车身后部，结构简单，更换方便。而家庭小轿车由于空间的限制，备胎大都安放在后备箱中，在更换备胎时非常费力，尤其是女性司机，更是不能独立完成备胎的更换。本文设计了一种备胎安装支架，结构简单，省时省力。

1 轿车备胎支架方案设计

本文设计轿车用备胎安装支架，在充分利用后备箱狭小空间的基础上，方便备胎的更换，而且结构简单。本文提出两种方案。

方案一：联想到抽屉的形式，将备胎放置在抽屉中，使用时，以直接抽拉的形式就可以完成。这种结构简单，但是，这种结构会破坏后端保险杠结构，降低汽车的整体安全系数。

方案二：设计一个四连杆机构，轮胎安放在托盘上，以托盘作为连杆，连架杆可以伸缩，这样，四杆机构在转动过程中能够把备胎托起来，而且不会与轿车后备箱的其他部位干涉。该结构简单，但是需要对车身后备箱底部结构做一些改进。

综合上述方案，本设计确定采用方案二。

2 轿车备胎支架结构设计

此备胎支架是在现有轿车雪弗兰MALIBU车型的基础上完成的，该车型后备箱尺寸如图1所示。

2.1 备胎托盘

备胎的托盘作为连杆机构的连架杆，选用Q235A厚度t4钢板冲压成型。为了加强其刚度，四周圆弧折边，为减轻托盘重量，中间采用挖空结构，见图2。

2.2 气弹簧的选取

目前已知备胎重量为25kg，由三维软件求出其体积为1.3×106mm3，确定备胎托盘重量为10.2kg，所以备胎与托盘的重量总和为35.2kg。由备胎的初始位置和最终位置的相对关系，选定气弹簧支架的行程为240mm。初选气弹簧型号为GS-22-10-240-295，以这种气弹簧作为连架杆。图3是该型号气弹簧的安装尺寸。

图1 后备箱尺寸

图2 托盘

下面计算此气弹簧支架是否能满足要求：

备胎与备胎托架的总质量为35.2kg，由重力G= Mg可得G=344.46N。

GS系列气弹簧支架的工作压力为100N～500 N，现选取工作压力F=300N。考虑到支撑稳定性，则选取三件同种型号气弹簧，则F=300×3=900N。因为F＞G，所以此气弹簧支架满足要求。

图3 气弹簧安装尺寸

2.3 弹簧支架安装位置确定

在确定气弹簧位置时，需考虑到安装空间的狭小，所以必须保证其在运动过程中不会出现干涉现象。

首先，在后备箱后端最容易干涉的部位划出一条线，偏移40mm作为间隙量。然后依据备胎的水平位置以及高度可以确定出SDB脚架，在备胎托盘位置右侧以气弹簧安装支架中心为圆心，以收缩后气弹簧的长度为半径画圆，此圆与斜线的交点即为右边气弹簧后盖的安装脚架转轴装配位置。接着确定气弹簧的间距，尽可能扩大气弹簧的间距，因为大的气弹簧间距可以提高机械结构的整体刚度。如图4所示，受整个空间的限制，在水平方向上气弹簧的间距为224mm。

图4 气弹簧的起点位置与终点位置

2.4 运动轨迹

备胎的运动轨迹如图5所示。

图5 备胎运动轨迹

在此过程中有两个问题需要校核：①整个运动行程中是否会出现干涉；②在受力最大位置，气弹簧能否提供足够的压力顶出备胎。在图5中有备胎经过的3个位置，在第一个位置气弹簧开始动作，所以在第一个位置要验证气弹簧能否提供足够的顶出力。针对以上两个问题分析如下：

（1）整个运动过程中，只要备胎支架升起以后，不与后备箱盖最低点发生干涉碰撞，则备胎就能顺利地被举升起来。两处最近的直线距离为24mm，由此可知不会出现干涉问题，备胎顶出后能够达到预定的位置。

（2）针对第二个问题，首先要在装配图上找到气弹簧受力最大的位置，然后进行节点受力分析。根据受力分析判断，在初始位置，托盘与气弹簧夹角最小，是气弹簧受力最大的位置点，只要在初始位置，气弹簧能够顶出备胎，则在其他任何位置也能够实现其运动。现分析在初始位置处气弹簧的受力情况，如图6所示。

只要节点2对节点1的转矩大于备胎重力对节点1的阻力矩，备胎就可以升起来。在图6所示位置，备胎托盘与气弹簧之间的夹角θ=48.74°，节点1和节点2上两气弹簧水平距离L=224mm，备胎重心与节点2的水平距离l=50mm，节点2处安装2根气弹簧。则：

节点2对节点1的转矩为：

将相关数据代入式（1）得：M21=101.02Nm。

备胎对节点2的阻力矩为：

将相关数据代入式（2）得：M阻=94.5Nm。

M21＞M阻，并且气弹簧升起后夹角会增大，相应地M21会增加，M阻会减小。

图6 初始位置处气弹簧受力分析

最后在SolidWorks中建立所设计的轿车备胎支架三维装配图如图7所示。

图7 轿车备胎支架三维示意图

3 结语

现有备胎支架主要应用在重型卡车及越野车中，而对于轿车，由于轿车空间原因，人们对轿车备胎支架的设计较少，随着，家用轿车的社会保有量增多，女性司机增多，轿车备胎的更换相对变得很困难，此设计，原理结构都很简单，能够减少备胎更换时的体力，通过SolidWork动态干涉检查，无干涉现象，能够满足设计要求。

（参考文献：和英文摘要参考文献：

［1］ 李百强，马颖.设备中升降机构导向装置的设计［J］.铸造设备与工艺，2009（4）：1-2.

［2］ 王殿武.四连杆铰链气弹簧助力式开启机构的设计［J］.汽车技术，1999（5）：7-9.

［3］ 李子阳，李柏林.一种备胎升降器：中国，101905716［P］. 2010-12-08.

［4］ 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2012.

［5］ 沈萌红.机械设计［M］.武汉：华中科技大学出版社，2012.

Design of Car Spare Tire Bracket

ZHANG Xu-zhong，WANG Miao-miao
（Mechanical and Electrical Engineering Department，Yuncheng University，Yuncheng 044000，China）

Abstract：Tires are very important components in cars，every car is equipped with a spare tire，due to the structure of car itself，the spare tire is mostly placed in the trunk，and the space is narrow，so it is difficult for a driver to replace a tire independently.In this paper，a spare tire bracket installed in the trunk is designed，which uses a gas spring，to make the replacement of spare tire more easier.

Key words：spare tire bracket；air spring strut；design

中图分类号：U463.341

文献标识码：A

文章编号：1672-6413（2016）01-0124-02

收稿日期：2015-09-06；

修订日期：2015-11-27

作者简介：张旭忠 （1982-），男，山西吕梁人，助教，硕士。