Einführung

Schlepp-FTFs werden häufig in intelligenten Produktions- und Lagerlogistiksystemen eingesetzt. Eine der zentralen Herausforderungen bei ihrer Konstruktion besteht darin, ob die Traktionsfähigkeit des Antriebssystems zur gesamten Fahrzeuglast passt und ob beim Anfahren und Beschleunigen ein unzureichendes Drehmoment auftritt.

In praktischen technischen Anwendungen stützen sich viele kundenspezifische AGV-Designs immer noch stark auf empirische Methoden zur Motorauswahl, wobei nur die Motorleistung oder das Nenndrehmoment als Referenz verwendet werden. Dies führt häufig zu folgenden Problemen:

Motorüberlastung beim Anlauf

Unzureichende Traktion führt dazu, dass die Wagen nicht ordnungsgemäß gezogen werden können

Langsame Beschleunigungsreaktion

Übermäßiger Einfluss oder Ausfall von Pufferstrukturen

Daher ist es notwendig, eine einheitliche Modellierungs- und Berechnungsmethode für Antriebslast-, Beschleunigungswiderstands- und Federpuffersysteme auf der Grundlage klassischer Mechanikprinzipien zu etablieren.

2. Lastdefinition des AGV-Systems

Die Grundlage für die Leistungsberechnung des Schlepp-AGV ist die Gesamtsystemmasse:

M=m_AGV + m_load

Wo:

m_AGV: AGV-Eigengewicht

m_load: Masse des gezogenen Wagens oder der Nutzlast

M: Gesamtsystemmasse

Die gesamte Schwerkraftlast des Fahrzeugs beträgt:

W = M × g

Wobei g=9.8 m/s².

3. Fahrwiderstandsanalyse (Basis des Kerndesigns)

Bei einer geraden horizontalen Bewegung bestehen die primären Widerstände, die auf ein AGV wirken, aus dem Rollwiderstand und dem Beschleunigungs-Trägheitswiderstand.

3.1 Rollwiderstand (Primärer stationärer Zustandswiderstand)

Der Rollwiderstand entsteht durch Verformung zwischen Rad und Bodenkontaktfläche:

Ff=f × M × g

Dabei ist f der Rollwiderstandskoeffizient, der typischerweise zwischen 0,03 und 0,06 liegt.

Es ist zu beachten, dass sich dieser Widerstand bei Kurvenfahrten oder unebenen Bodenoberflächen in der Regel um 5–10 % erhöht. Daher muss bei technischen Anwendungen ein ausreichender Designspielraum reserviert werden, um unzureichende Leistung bei Kurvenfahrten zu vermeiden.

3.2 Luftwiderstand (vernachlässigbar bei niedriger Geschwindigkeit)

In Indoor-FTF-Systemen ist die Betriebsgeschwindigkeit im Allgemeinen niedrig, sodass der Luftwiderstand nur einen minimalen Einfluss hat:

Fw=0.5 × rho × Cd × A × v²

In den meisten technischen Berechnungen wird dieser Begriff normalerweise vernachlässigt.

3.3 Beschleunigungsträgheitswiderstand (kritisch beim Start)

Beim Anfahren bzw. Beschleunigen muss das AGV die Trägheit der gesamten Systemmasse überwinden:

Fj=M × a

Wenn die Rotationsträgheit von Motoren, Untersetzungsgetrieben und anderen rotierenden Komponenten berücksichtigt wird, kann die Gleichung wie folgt erweitert werden:

Fj=M × a + Σ(Ji × alpha_i / ri)

In der praktischen Konstruktionsplanung wird jedoch häufig das vereinfachte Modell übernommen:

Fj ≈ M × a

3.4 Erforderliche Gesamtantriebskraft

Daher beträgt die für den AGV-Betrieb erforderliche Gesamtzugkraft:

F_total=M × a + f × M × g

Diese Gleichung dient als zentrale Grundlage für die Auswahl des Antriebssystems.

4. Zusammenhang zwischen Antriebsradkraft und Drehmoment

Das Antriebsrad ist die Schlüsselkomponente, die für die Umwandlung des Motordrehmoments in Bodenzugkraft verantwortlich ist.

4.1 Grundlegende mechanische Beziehung

F = T / r

Wo:

F: Bodenzugkraft

T: Abtriebsdrehmoment des Antriebsrads

r: Antriebsradradius

Es ist ersichtlich, dass ein kleinerer Radradius bei gleichen Drehmomentbedingungen eine größere Traktionskraft erzeugt, was eine wichtige Optimierungsrichtung bei der Leichtbau-AGV-Konstruktion darstellt.

4.2 Multi-Antriebsradsysteme

Für ein System mit n Antriebsrädern:

T_total=n × T_wheel

Unter Berücksichtigung der Getriebeeffizienz und Getriebeuntersetzung:

T_wheel=(T_motor × i × eta) / n

Wo:

i: Untersetzungsverhältnis

eta: Übertragungseffizienz (typischerweise 0,9–0,95)

5. Überprüfung der Beschleunigung und des Motordrehmoments

Beim FTS-Design sollte nicht nur festgestellt werden, ob sich das Fahrzeug bewegen kann, sondern auch überprüft werden, ob es die angestrebte Beschleunigungsleistung erreichen kann.

5.1 Beschleunigungsformel

Einsetzen der treibenden Kraft in Newtons zweites Gesetz:

a=(F_total - f × M × g) / M

Weiter ausgebaut:

a = (n × T / r - f × M × g) / M

Diese Formel wird verwendet, um die tatsächliche Beschleunigungsfähigkeit des Systems zu bewerten.

5.2 Anforderungen an das Anlaufdrehmoment

Die Anlaufphase ist die kritischste, da das System gleichzeitig Haftreibung und Trägheit überwinden muss:

T_start=((M × a + f × M × g) × r) / n

5.3 Dauerhaftes-Laufdrehmoment

Im Betrieb mit konstanter-Geschwindigkeit muss lediglich der Rollwiderstand überwunden werden:

T_steady=(f × M × g × r) / n

6. Technische Beispielanalyse (korrigierte Berechnung)

Am Beispiel eines typischen AGV-Betriebszustands:

M=100 kg

r = 0.015 m

f = 0.05

n = 2

Zielbeschleunigung:

a = 0.5 m/s²

6.1 Rollwiderstand

Ff=100 × 9,8 × 0.05=49 N

6.2 Gesamtantriebskraft

F_total=M × a + f × M × g

F_total=100 × 0.5 + 49=99 N

6.3 Drehmomentanforderungen für einzelne Räder

T=(F_total × r) / n

T = (99 × 0.015) / 2 = 0.7425 N·m

Technische Schlussfolgerung

Das obige Ergebnis zeigt, dass:

Das Design des AGV-Antriebssystems muss auf tatsächlichen Beschleunigungszielen basieren

Bei der Motorauswahl darf man sich nicht allein auf die Motorleistung oder das Nenndrehmoment verlassen

Andernfalls kann es zu Situationen kommen, in denen die Konstruktion theoretisch machbar erscheint, unter realen Betriebsbedingungen jedoch versagt

7. Auswahldesign der Pufferfeder

Bei Andock- oder Antikollisionsvorgängen benötigen ziehende AGVs Federsysteme, um die Aufprallenergie zu absorbieren.

7.1 Grundmodell (Hookes Gesetz)

F = k × x

Wo:

k: Federsteifigkeit

x: Kompressionsverschiebung

7.2 Multi-Federlastverteilungsdesign

Wenn das System n_s-Federn verwendet:

Einzelfederbelastung:

F_spring=(M × g) / n_s

Federsteifigkeitsdesign:

k=F_spring / x

7.3 Designprinzipien

Das Grundprinzip der Federsystemkonstruktion lautet nicht „je steifer, desto besser“, sondern:

Die Last muss gleichmäßig verteilt werden

Es muss ein ausreichender Kompressionshub gewährleistet sein

Eine starre Stoßübertragung auf die Fahrzeugstruktur ist zu vermeiden

8. Zusammenfassung des Kerndesigns

Die Konstruktion von AGV-Antriebssystemen muss den folgenden Grundsätzen folgen:

Beim Design des Antriebssystems geht es im Wesentlichen um ein Gleichgewicht zwischen Zugkraft, Widerstand und Trägheit

Radradius r, Motordrehmoment und Untersetzungsverhältnis bestimmen gemeinsam die Systemleistung

Die Beschleunigung muss als Entwurfsziel und nicht nur als Verifizierungsergebnis einbezogen werden

Leistung kann die Drehmomentanalyse nicht ersetzen

Puffersysteme müssen statisch auf die Gesamtlastverteilung ausgelegt sein