驱动轮直流电机选择计算

驱动轮电机用于驱动 AGV 的运行,包括AGV的直行与差速转弯.在选择电机时,我们通常需要计算出电机的额定功率、额定转矩、额定转速等[28].而在驱动电机的参数计算之前首先需要明确 AGV 的各项设计要求,如表3-1 所示.

表 3-1 AGV 设计要求

设计要求 整车拟定重量 m 最大负载Mmax 最高行驶速度vmax 最大加速度amax 设计参数 100kg 200kg 1m/s 0.5m/s2 电动机的选择

1. 驱动力与转矩关系

AGV 在地面行驶时,轮子与地面接触,AGV 克服摩擦力向前行驶,电机输出转矩Tq为小车提供驱动力.而Tq经减速机减速后得到输出转矩Tt输出至驱动轮,输出转矩Tt为： 式中

ig——减速机减速比；

Tq——电机输出转矩；

Tt——输出转矩；

——电机轴经减速机到驱动轮的效率.

驱动轮在电机驱动下在地面转动,此时相对于地将形成一个圆周力,而地面对驱动轮也将产生一个等值、反向的力Ft,该力即为驱动轮的驱动力[29] .驱动力为： 式中

Rq——驱动轮的驱动半径.

由于驱动轮一般刚性较好,视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同,均为Rq.

2. 驱动力与阻力计算

小车在行驶过程中要克服各种阻碍力,这些力包括：滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fr、加速度阻力Fj.这些阻力均由驱动力Ft来克服,因此：

(1) 滚动阻力Ff

滚动阻力在 AGV 行驶过程中,主要由车轮轴承阻力以与车轮与道路的滚动摩擦阻力所组成,Ff大小为：

1 / 4

.

式中

Ffz——车轮与轴承间阻力； Ffg——车轮与道路的滚动摩擦阻力.

其中,车轮轴承阻力Ffz为： 式中

P ——车轮与地面间的压力,AGV设计中,小车自重m为100kg,最大载重

量Mmax为200kg,因此最大整车重量为300kg,一般情况下,AGV前行过程中,有三轮同时着地,满足三点决定一平面的规则,各轮的压力为P=1000N[30]；

d ——车轮轴直径,驱动轮在本次设计中选择8寸的工业车轮,即d=48mm；

D——车轮直径,查文献[40]可知,驱动轮在本次设计中选择8 寸的工业车轮,即D=200mm；

μ——车轮轴承摩擦因数,良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为0.010—0.018,μ =0.015.

车轮与道路的滚动摩擦阻力Ffg为： 式中 则：

(2) 空气阻力Fw：

空气阻力是 AGV 行驶过程当中, 车身与空气间形成了相对运动而产生于车身上的阻力,该阻力主要由法向力以与侧向力两部分组成.空气阻力与AGV 沿行驶方向的投影面积以与车身与空气的相对运动速度有关, 但由于AGV工作于室内,基本工作环境中无风,且速度不快,同时 AGV 前后方的投影面积均不大,因此认为空气阻力Fw0[31].

(3) 坡度阻力Fr：

AGV 所实际行驶的路面并非理想化绝对平整,而是存在一定的坡度[32],当 AGV行驶到该坡度处时,重力将产生一个沿着坡度方向的阻力,这个阻力就被称之为坡度阻力Fr,表达式为： 式中

G——AGV 满载总重量； Q——车轮承受载荷,Q=1000N；

f——路面摩擦阻力系数,f=0.015.

——最大坡度.

在 GB/T 20721-2006\"自动导引小车国标〞中表示：路面坡度〔H/L〕定义为在 100mm 以上的长度X围内,路线水平高度差与长度的最大比值,路面坡度的最大比值需要小于 0.05〔含 0.05〕,对于 AGV 精确定位的停车点,路面坡度需要小于 0.01〔含 0.01〕[33]. 取坡度：

2 / 4

.

因此：

〔4〕 加速度阻力Fj：

小车加速时,需克服总体质量产生的惯性力,这个惯性力即为加速度阻力Fj. 质量可分为平移质量和转动惯量,前者将产生惯性力,后者将产生惯性力矩[34].一般情况下,将转动惯量换算成平移质量后再带入计算,加速度阻力计算式为： 式中

——旋转惯量换算系数；

m——满载总质量.

的值应该根据试验旋转部件的转动惯量〔包含主动轮与从动轮〕后进行计

算.但在一般满载情况下,查文献[40]可取 =1.04,根据设计要求amax0.5m/s2.因此,加速度阻力为： 总驱动力为：

3. 确定电机功率与转矩 <1> 估算电机功率

电机驱动功率的计算公式为：

式中 n——驱动电机的数量,本次设计中小车为差速驱动方式,可知 n=2；

——电机到驱动轮的总效率,以电机输出轴到驱动轮的总效率为0.85,

即0.85.

〔2〕 估算电机转矩

差速驱动,AGV 拥有两台电机用于驱动.因此,每台电机转矩的计算公式为：

0.97,ig30,将相关参数带入上式得 T0.56Nm. 4. 驱动电机的选型

根据上一节的计算,我们得知,电机估算参数为： 电机功率 电机转矩 减速机减速比

因此折算电机的最高转速n 式中

vmax——小车的最高行驶速度,vmax60m/min；

D——车轮直径,D0.2m.

根据上述,选择弗朗克电子的永磁无刷直流减速电机,型号为FBL-92H25301RS,其技术参数如表3-2所示.

该减速电机体积小、重量轻、力量大,无极调速,过载能力强,并且免维护.

表3-2

额定电压 额定功率 FBL-92H25301RS永磁无刷直流减速电机参数 额定转速 额定转矩 最大转矩 额定电流 减速比 3 / 4

.

VDC 24 W 250 r/min 3000 Nm 0.80 Nm 1.59 A 13.02 ig 30 4 / 4