機(jī)械設(shè)計計算（12）——舵機(jī)輪的設(shè)計計算

面壁深功

有一個雙舵輪AGV，其兩個舵輪在車體中心前后分布。載重2000Kg，行走輪的外徑250mm,水平依靠滾子回轉(zhuǎn)支承，變向機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)帶1:10的行星減速機(jī)，行星減速機(jī)的出軸上裝m=2，Z=24的齒輪，帶動m=2，Z=114的齒輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
在設(shè)計一個雙舵輪AGV時，我們需要考慮多個因素來確保AGV能夠平穩(wěn)、準(zhǔn)確地移動和轉(zhuǎn)向。以下是一個基于給定參數(shù)的詳細(xì)計算：
已知參數(shù)
載重：2000Kg； 行走輪外徑：250mm； 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：伺服電機(jī)帶1:10的行星減速機(jī)，出軸上裝m=2, Z=24的齒輪，帶動m=2, Z=114的齒輪
計算步驟
1. 行走輪半徑
行走輪半徑 r=2250=125 mm
2. 所需驅(qū)動力矩
為了簡化計算，我們假設(shè)AGV在水平地面上移動，且不考慮滾動阻力系數(shù)（這在實際中需要更詳細(xì)的參數(shù)）。然而，為了驅(qū)動2000Kg的載重，我們需要考慮靜摩擦力和動態(tài)摩擦力。
靜摩擦力 Fs=μs×W，其中 μs 是靜摩擦系數(shù)，W 是載重。
動態(tài)摩擦力 Fk=μk×W，其中 μk 是動摩擦系數(shù)。
由于沒有這些摩擦系數(shù)的具體值，因此可以使用一個估算值。假設(shè) μs=0.08（這是一個相對較高的值，用于安全估算），則：
Fs=0.08×2000×9.81=1569.6 N
為了簡化，我們假設(shè)動態(tài)摩擦力與靜摩擦力相同（在實際中，動態(tài)摩擦力通常小于靜摩擦力）。但在此，我們?nèi)允褂渺o摩擦力來計算所需的驅(qū)動力矩，以確保安全。
所需的驅(qū)動力矩 T=Fs×r=1569.6×0.125=196.2 Nm
由于AGV有兩個舵輪，每個舵輪需要承擔(dān)的力矩為總力矩的一半，但考慮到實際運行中可能存在的不均勻分布，我們可以按經(jīng)驗力的分配折算。假設(shè)每個舵機(jī)承擔(dān)60%的總力矩（這是一個經(jīng)驗值，可以根據(jù)實際情況調(diào)整）：
T舵機(jī)=0.6×T=0.6×196.2=117.72 Nm
但考慮到之前的計算是基于單個舵輪完全承擔(dān)所有力矩的假設(shè)，而實際上兩個舵輪會共同分擔(dān)，因此每個舵輪實際所需的力矩應(yīng)小于上述計算值。為了安全起見，我們?nèi)允褂?17.72 Nm作為每個舵機(jī)的設(shè)計力矩。
3. 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)計算
3.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的負(fù)載扭矩計算
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由滾動圓轉(zhuǎn)支承來承載垂直壓力，滾動摩擦系數(shù)定為0.05。但需要注意的是，這里的滾動摩擦系數(shù)主要用于估算滾動支承的摩擦力矩，而不是用于計算驅(qū)動AGV所需的力矩。然而，為了簡化計算，我們可以假設(shè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)向時所需的扭矩與滾動支承的摩擦力矩相關(guān)。但這是一個粗略的估算，實際中可能需要更詳細(xì)的模型來計算。
假設(shè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)向時所需的扭矩為滾動支承摩擦力矩的某個倍數(shù)（這個倍數(shù)取決于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的效率和設(shè)計），我們暫時將其設(shè)為1（即假設(shè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)效率為100%，這是一個理想情況）。
由于我們沒有滾動支承的具體參數(shù)（如直徑、寬度等），因此無法準(zhǔn)確計算其摩擦力矩。但在此，我們可以假設(shè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所需的扭矩為某個經(jīng)驗值或根據(jù)類似設(shè)計進(jìn)行估算。然而，為了與之前的計算保持一致，并考慮到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可能需要的額外扭矩（如齒輪傳動損失、軸承摩擦等），我們可以假設(shè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所需的扭矩為每個舵機(jī)驅(qū)動力矩的一定比例（例如60%，這是一個經(jīng)驗值）。
因此，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所需的扭矩 T回轉(zhuǎn)=0.6×T舵機(jī)=0.6×117.72=70.632 Nm
但請注意，這個計算是基于多個假設(shè)和估算的，實際中可能需要更詳細(xì)的計算和測試來確定轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所需的扭矩。
3.2 伺服電機(jī)扭矩計算
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)通過行星減速機(jī)驅(qū)動。行星減速機(jī)的減速比為1:10，因此輸出扭矩是輸入扭矩的10倍。
小齒輪的齒數(shù) Z1=24，模數(shù) m1=2；大齒輪的齒數(shù) Z2=114，模數(shù) m2=2。
由于模數(shù)相同，我們可以直接比較齒數(shù)來計算齒輪比：
齒輪比 i=Z2/Z1=114/24=4.75
因此，大齒輪上的扭矩是小齒輪上的4.75倍。但在此計算中，我們更關(guān)心的是伺服電機(jī)通過行星減速機(jī)后輸出的扭矩。
考慮到行星減速機(jī)的減速比和齒輪比，伺服電機(jī)需要提供的扭矩為：
Tmotor= T回轉(zhuǎn)/(10×i)=70.632/(10×4.75)=1.48 Nm
當(dāng)然，這個計算值可能偏小，因為在實際中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可能需要更大的扭矩來克服摩擦、慣性等。因此，在選擇伺服電機(jī)時，我們應(yīng)該考慮一個更大的安全裕量。
4. 伺服電機(jī)選擇
根據(jù)所需的扭矩和速度要求（這取決于AGV的設(shè)計速度和加速度），我們可以選擇合適的伺服電機(jī)。通常，伺服電機(jī)的選擇還需要考慮其動態(tài)性能、控制精度和可靠性等因素。此外，還需要考慮電機(jī)的尺寸、重量和安裝方式等是否與AGV的設(shè)計相匹配。
5、計算后的結(jié)論
以上計算提供了一個基于給定參數(shù)的AGV舵機(jī)設(shè)計的初步估算。在實際設(shè)計中，還需要考慮更多因素，如電機(jī)的熱管理、齒輪的強(qiáng)度和耐久性、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性等。此外，還需要進(jìn)行詳細(xì)的測試和驗證來確保AGV的性能和安全性。在市場化的產(chǎn)品設(shè)計中，應(yīng)該使用更廣泛場景參考以及更詳細(xì)的模型來進(jìn)行計算和設(shè)計。

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盧Tiger

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