Vorwort
Die Leistung einesFahrerloses Transportfahrzeug (AGV)oder einAutonomer mobiler Roboter (AMR)wird maßgeblich durch die Auslegung seines Antriebssystems bestimmt. Ein integriertes Antriebssystem besteht aus vier Schlüsselkomponenten: demAGV-Antriebsrad, Niederspannungs-Servomotor, Untersetzungsgetriebe, UndServoantrieb. Zusammen bestimmen sie Fahrzeugtraktion, Beschleunigung, Steigfähigkeit, Positionierungsgenauigkeit, Bewegungsstabilität und langfristige Betriebszuverlässigkeit.
In der praktischen Technik werden viele Antriebsprobleme nicht durch unzureichende Motorleistung verursacht, sondern durch unvollständige Berechnungen der Fahrdynamik. Die Auswahl eines Motors ausschließlich auf der Grundlage der Nutzlast und unter Berücksichtigung von Rollwiderstand, Steigungswiderstand, Beschleunigungsträgheit und Rad-{1}}Bodenhaftung führt häufig zu schlechter Startleistung, Motorüberlastung, Radschlupf und verringerter Betriebseffizienz.
Plutools ist einer der führenden chinesischen Hersteller mobiler Roboterantriebssysteme, spezialisiert auf die Entwicklung und Produktion vonAGV-Antriebsräder, Lenkantriebsräder, Differenzialantriebsräder, Niederspannungs-Servomotoren, Servoantriebe und integrierte Antriebslösungen für AGVs und AMRs. Basierend auf umfangreicher technischer Erfahrung und den in derHandbuch für mechanische KonstruktionIn diesem Leitfaden wird der vollständige dynamische Berechnungsprozess für die Auswahl des AGV-Antriebssystems erläutert und praktische Referenzen für Ingenieure bereitgestellt, die Hochleistungsantriebssysteme für mobile Roboter entwerfen.
1. Analyse des Fahrwiderstands von AGV-Fahrzeugen
Für industrielle AGVs, die mit den folgenden Geschwindigkeiten betrieben werden1 m/sDer Luftwiderstand kann im Allgemeinen vernachlässigt werden. Das Antriebssystem muss vor allem drei Arten von Widerständen überwinden:
Rollwiderstand
Hangwiderstand
Beschleunigungswiderstand
Die treibende Kraft muss Folgendes erfüllen:
Fdrive Größer oder gleich Ff + Fθ + Fa
Wo:
| Symbol | Beschreibung | Einheit |
|---|---|---|
| Fdrive | Gesamtzugkraft | N |
| Ff | Rollwiderstand | N |
| Fθ | Hangwiderstand | N |
| Fa | Beschleunigungswiderstand | N |
Nur wenn die verfügbare Traktion den gesamten Fahrwiderstand übersteigt, kann ein AGV reibungslos starten, einen stabilen Betrieb aufrechterhalten und Steigungen sicher erklimmen.
2. Berechnung des Rollwiderstands
Der Rollwiderstand wird durch die elastische Verformung zwischen Rad und Bodenoberfläche erzeugt und ist damit der grundlegendste Widerstand, der beim FTS-Betrieb auftritt.
Formel
Ff=(f × G) / r
Wo:
| Parameter | Beschreibung | Einheit |
|---|---|---|
| Ff | Rollwiderstand | N |
| f | Rollwiderstandskoeffizient | m |
| G | Fahrzeuggewicht | N |
| r | Antriebsradradius | m |
Typische technische Werte
| Rad- und Bodenzustand | Empfohlener Wert |
|---|---|
| Rad aus Polyurethan + Boden aus Epoxidharz | 0.0018–0.0025 |
| Stahlrad | 0.0010–0.0015 |
Technischer Tipp
Einige technische Referenzen geben den Rollwiderstandskoeffizienten in anZentimeter (cm)anstattMeter (m). Konvertieren Sie die Einheit immer vor der Berechnung, um Fehler zu vermeiden, die das Hundertfache überschreiten können.
3. Berechnung des Hangwiderstands
Industrielle AGVs sind in der Regel mit einer Steigfähigkeit von ca2%.
Für kleine Pisten:
sinθ ≈ tanθ ≈ Steigungsverhältnis
Daher:
Fθ = 0.02 × G
Beispiel
Für ein 500 kg AGV:
Fahrzeuggewicht:
G = 500 × 9.81 = 4905 N
Hangwiderstand:
Fθ = 98.1 N
Bei steileren Steigungen sollten für genauere Berechnungen die tatsächlichen trigonometrischen Funktionen verwendet werden.
4. Berechnung des Beschleunigungswiderstands
Durch häufiges Beschleunigen und Abbremsen entstehen Trägheitslasten, die bei der Auslegung des Antriebssystems berücksichtigt werden müssen.
Nach Newtons zweitem Gesetz:
Fa=M × a
Wo:
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| M | Fahrzeugmasse (kg) |
| a | Beschleunigung (m/s²) |
Empfohlene Werte
| Anwendung | Empfohlene Beschleunigung |
|---|---|
| Standard-Logistik-FTF | 0.5 m/s² |
| Kollaborativer mobiler Roboter | 0.2–0.3 m/s² |
Eine geringere Beschleunigung reduziert Spitzenlasten und verbessert die langfristige Zuverlässigkeit des Antriebssystems.
5. Beispiel für die Berechnung des Fahrzeugwiderstands
Designparameter
| Artikel | Wert |
|---|---|
| Fahrzeugmasse | 500 kg |
| Antriebsradradius | 65 mm |
| Rollwiderstandskoeffizient | 0.002 |
| Maximale Steigung | 2% |
| Beschleunigung | 0.5 m/s² |
Berechnungsergebnisse
| Widerstand | Ergebnis |
|---|---|
| Fahrzeuggewicht | 4905 N |
| Rollwiderstand | 150.92 N |
| Hangwiderstand | 98.10 N |
| Beschleunigungswiderstand | 250 N |
| Totaler Widerstand | 499.02 N |
Designempfehlung
Das Antriebssystem sollte eine Mindestzugkraft von ca499 N. In der Ingenieurspraxis a20–50 % Sicherheitsmargewird empfohlen, um Startstöße, unebene Bodenbedingungen und langfristige mechanische Abnutzung auszugleichen.
6. Berechnung des Antriebsrad-Ausgangsdrehmoments
Das Ausgangsdrehmoment eines AGV-Antriebsrads wird erhalten, nachdem das Nennmotordrehmoment durch das Getriebe verstärkt wird.
Formel
Twheel=Tmotor × i × η
Wo:
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Rad | Antriebsrad-Abtriebsdrehmoment (Nm) |
| Tmotor | Nenndrehmoment des Motors (Nm) |
| i | Übersetzungsverhältnis |
| η | Getriebeeffizienz |
Typischer Getriebewirkungsgrad
| Getriebetyp | Effizienz |
|---|---|
| Planetengetriebe | ≈0.85 |
| Schneckengetriebe | 0.60–0.70 |
Verschiedene Getriebetypen weisen deutlich unterschiedliche Übertragungswirkungsgrade auf. Die Verwendung eines falschen Effizienzwerts kann zu ungenauen Drehmomentberechnungen und einer falschen Motorauswahl führen.
7. Berechnung der Zugkraft des Antriebsrads
Das vom Antriebsrad abgegebene Drehmoment kann mithilfe der folgenden Beziehung in Zugkraft umgewandelt werden:
F = T / r
Wo:
F=Zugkraft (N)
T=Antriebsrad-Abtriebsdrehmoment (Nm)
r=Radradius (m)
Für AGV-Systeme mit zwei-Antrieben:
Ftotal=2 × F
Bei Konfigurationen mit mehreren-Antrieben ist die Gesamtzugkraft die Summe aller Antriebsräder.
Beispiel
Gegeben:
Nenndrehmoment des Motors: 0,4 Nm
Übersetzungsverhältnis: 30
Getriebewirkungsgrad: 0,85
Radradius: 65 mm (0,065 m)
Dann:
Abtriebsdrehmoment:
Twheel=0.4 × 30 × 0.85=10.2 Nm
Einzelrad-Zugkraft:
F = 10.2 / 0.065 ≈ 157 N
Dieser Parameter bestimmt direkt, ob das AGV den gesamten Systemwiderstand überwinden kann.
8. Berechnung der maximalen Betriebsgeschwindigkeit
Die theoretische Höchstgeschwindigkeit eines AGV wird durch Motordrehzahl und Übersetzungsverhältnis bestimmt:
V = (2 × π × r × n) / i
Wo:
V=lineare Geschwindigkeit (m/min)
r=Radradius (m)
n=Motordrehzahl (U/min)
i=Übersetzungsverhältnis
Beispiel
Motorgeschwindigkeit: 2500 U/min
Übersetzungsverhältnis: 30
Radradius: 65 mm
V ≈ 34 m/min (≈ 0,57 m/s)
Wird die erforderliche Drehzahl nicht erreicht, kann die Motordrehzahl erhöht oder die Getriebeübersetzung reduziert werden. Drehmoment und Zugkraft müssen jedoch entsprechend erneut überprüft werden.
9. Überprüfung der Motorleistung
Nach der Drehmomentberechnung muss auch die Motorleistung überprüft werden.
Formel
P = (T × n) / 9550
Wo:
P=Leistung (kW)
T=Drehmoment (Nm)
n=Geschwindigkeit (U/min)
Beispiel
Drehmoment: 0,4 Nm
Geschwindigkeit: 2500 U/min
P ≈ 0,105 kW
Technische Empfehlung
Drehmomentsicherheitsfaktor:1.2–1.5×
Leistungssicherheitsmarge:20–50%
Dies gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb unter Dauer- und Spitzenlastbedingungen.
10. Berechnung der Radhaftung und Vorspannkraft
Um Radschlupf zu vermeiden, muss folgende Bedingung erfüllt sein:
μ × FN Größer oder gleich F
Daher:
FN Größer oder gleich F/μ
Wo:
μ=Reibungskoeffizient zwischen Rad und Boden
FN=normale Vorspannkraft
Beispiel
Einzelrad-Zugkraft: 157 N
Reibungskoeffizient: 0,54
Dann:
FN ≈ 291 N
Im praktischen Design, a10 % Sicherheitsmargeempfohlen, also eine Federvorspannung von ca320 Nwird ausgewählt, um Ermüdungserscheinungen im Laufe der Zeit auszugleichen.
Typische Reibungskoeffizienten
| Oberflächenzustand | μ |
|---|---|
| Trockener Epoxidboden | 0.75 |
| Nasser Beton | 0.35 |
| Trockener Kies | 0.65 |
| Trockener Boden | 0.54 |
| Nasse Oberfläche | 0.30 |
| Eis/Schnee | 0.25 |
11. Verfahren zur Auswahl des AGV-Antriebssystems
Ein vollständiger Entwurf eines AGV-Antriebssystems folgt normalerweise den folgenden Schritten:
Fahrzeugparameter definieren: Gewicht, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Steigung, Raddurchmesser
Berechnen Sie den Roll-, Steigungs- und Beschleunigungswiderstand
Erzielen Sie den vollständigen Fahrwiderstand
Bestimmen Sie die Zugkraft einzelner Räder
Berechnen Sie das erforderliche Abtriebsdrehmoment
Getriebeübersetzung auswählen
Passend zum Niederspannungs-Servomotor
Überprüfen Sie die Kapazität des Servoantriebs
Überprüfen Sie die Geschwindigkeitsleistung
Überprüfen Sie die Radhaftung und die Vorspannkraft
12. Überlegungen zum technischen Design
Bei der Entwicklung von AGV-Systemen wird die Antriebsleistung nicht nur durch die Motorleistung, sondern durch mehrere Faktoren beeinflusst.
Zu den wichtigsten Überlegungen gehören:
Rollwiderstandskoeffizient und Reibungskoeffizient dürfen nicht verwechselt werden, da sie unterschiedliche physikalische Bedeutungen haben.
Der Getriebewirkungsgrad variiert erheblich zwischen Planeten- und Schneckengetriebesystemen und darf nicht als konstanter Wert betrachtet werden.
Bei der Auswahl von Motor und Servoantrieb müssen kontinuierliche Arbeitszyklen, häufige Start{0}}Stoppbedingungen und Spitzenlastauswirkungen berücksichtigt werden.
Mehrradsysteme müssen eine ausreichende Bodenkontaktkraft gewährleisten, um Radschlupf und Positionierungsabweichungen zu verhindern.
Abschluss
Der Entwurf eines AGV-Antriebssystems besteht nicht nur aus der Auswahl des Motors, sondern aus einem umfassenden Konstruktionsprozess, der Fahrzeugdynamik, mechanische Übertragung, elektrische Steuerung und Systemintegration umfasst.
Von der Widerstandsmodellierung und Zugkraftberechnung bis hin zur Auswahl des Servomotors, der Getriebekonfiguration, der Anpassung des Servoantriebs und dem Design des Antriebsrads wirkt sich jeder Parameter direkt auf die Systemleistung und Betriebszuverlässigkeit aus.
