Thiết kế hệ thống treo bánh xe dẫn động AGV: Giảm xóc-Hấp thụ cấu trúc nổi trong điều kiện đường không bằng phẳng

Với sự chuyển đổi và nâng cấp của ngành sản xuất cũng như sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ hậu cần thông minh, việc áp dụng AGV (Phương tiện dẫn hướng tự động) đã mở rộng nhanh chóng từ các nhà kho truyền thống với môi trường được kiểm soát đến các tình huống ngày càng phức tạp như xưởng sản xuất, bến cảng và khu vực kiểm tra ngoài trời. Việc mở rộng các kịch bản ứng dụng và chuyển đổi thường xuyên giữa các môi trường, đặc biệt là hoạt động trong nhà-sang-ngoài trời, đặt ra các yêu cầu cao hơn nhiều về khả năng thích ứng với môi trường của AGV. Trong số các yếu tố này, khả năng thích ứng của mặt đường là đặc biệt quan trọng.

Là cấu trúc cơ khí cốt lõi đảm bảo chuyển động trơn tru của xe, khả năng chịu tải đáng tin cậy và tuổi thọ dài của bộ truyền động, việc thiết kế hợp lý và lựa chọn cấu trúc nổi hấp thụ sốc{0}}đóng vai trò quyết định. Để đáp ứng các yêu cầu về bố trí khung gầm và tải trọng khác nhau, nhiều loại cấu trúc treo nổi khác nhau đã được phát triển. Bài viết này xem xét một cách có hệ thống các cấu trúc nổi hấp thụ sốc AGV-thường gặp, phân tích cơ chế hoạt động, các hạn chế trong thiết kế và đặc tính hiệu suất của chúng, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo lý thuyết và hướng dẫn thực tế cho việc thiết kế và lựa chọn hệ thống treo.

1. Chức năng cốt lõi của sốc-Hấp thụ cấu trúc nổi

Mục tiêu cơ bản của cấu trúc nổi hấp thụ sốc-là đảm bảo AGV hoạt động ổn định trên bề mặt đường không bằng phẳng và phức tạp. Mục tiêu này đạt được thông qua ba cơ chế liên quan chặt chẽ.

(1) Đảm bảo sự tiếp xúc mặt đất phối hợp của hệ thống bánh xe

Trong cấu hình AGV nhiều bánh, nếu bánh dẫn động được lắp ở vị trí nhô ra hơn so với bánh xe phụ để đảm bảo lực kéo thì bánh phụ có thể mất tiếp xúc với mặt đất. Điều này dẫn đến sự tập trung tải trọng quá mức lên bộ truyền động, làm giảm khả năng chịu tải hiệu quả và ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định khi lái xe.

Bằng cách tạo ra sự tự do đàn hồi thông qua lò xo treo, cấu trúc nổi hấp thụ sốc-cho phép bộ truyền động di chuyển theo phương thẳng đứng. Dưới trọng lượng bản thân của AGV, bánh dẫn động có thể được ấn trở lại cùng độ cao với các bánh phụ, cho phép tất cả các bánh xe tiếp xúc với mặt đất cùng một lúc. Điều này đảm bảo đủ lực kéo cho bánh dẫn động đồng thời cho phép các bánh phụ chia sẻ một phần tải trọng, giúp phân bổ tải trọng tối ưu trên toàn xe.

(2) Thích ứng với những bất thường trên đường và chướng ngại vật

Khi vận hành trên mặt đường không bằng phẳng mà không có khả năng giảm xóc, bánh dẫn động có thể bị mất lực kéo khi bị lún hoặc bị chướng ngại vật nâng lên cứng nhắc, khiến xe bị rung, lệch hoặc mất ổn định. Với hệ thống treo nổi, lò xo cho phép bánh dẫn động liên tục bám theo mặt đường.

Khi gặp phần nhô ra, lực nén của lò xo sẽ ​​ngăn bộ phận dẫn động nâng toàn bộ xe lên một cách cứng nhắc. Khi đi qua chỗ lõm, lực phục hồi của lò xo sẽ ​​đẩy bánh dẫn động xuống dưới để duy trì tiếp xúc với mặt đất. Điều này đảm bảo lực kéo liên tục và khả năng lái ổn định trong các điều kiện đường khác nhau.

(3) Đệm tải tác động và bảo vệ bộ truyền động

Những bất thường trên đường và chướng ngại vật tạo ra tải trọng tác động nhất thời được truyền trực tiếp đến động cơ, hộp số, vòng bi và các bộ phận quan trọng khác. Theo thời gian, những tải trọng này làm tăng tốc độ hao mòn.

Lò xo treo hấp thụ và đệm năng lượng tác động thông qua biến dạng đàn hồi, chuyển tải trọng va đập đột ngột thành năng lượng đàn hồi được giải phóng dần dần. Điều này làm giảm đáng kể tải tối đa được truyền tới bộ truyền động, kéo dài tuổi thọ của bộ phận và giảm chi phí bảo trì.

2. Các ràng buộc thiết kế và mô hình toán học (Định dạng văn bản{1}}thuần túy)

Để đạt được các chức năng trên một cách đáng tin cậy, các cấu trúc nổi hấp thụ sốc phải đáp ứng một loạt hạn chế về mặt cơ học. Biến thiết kế cốt lõi là sự phù hợp chính xác của độ cứng lò xo k. Dựa trên ba điều kiện vận hành điển hình-mặt đất bằng phẳng, chỗ lõm và chỗ lồi lõm-các mối quan hệ thiết kế chính được thiết lập bên dưới bằng cách sử dụng các biểu thức văn bản-đơn giản{6}}thân thiện với kỹ thuật.

Định nghĩa tham số chính

k: độ cứng của lò xo treo đơn
lambda: chiều cao nhô ra của bánh dẫn động so với bánh phụ
delta : mặt đường không bằng phẳng (gấp=+delta, lõm=-delta)
Delta: tải trước lò xo
n : số lượng lò xo trên mỗi đơn vị truyền động
G: tổng trọng lượng AGV khi đầy tải
mu1 : hệ số ma sát giữa bánh chủ động và mặt đất
mu2 : hệ số cản lăn của AGV
Fmax1 , Fmax1_limit : tải trọng định mức và giới hạn của bánh dẫn động
Fmax2 , Fmax2_limit : tải trọng định mức và giới hạn của bánh xe phụ

(1) Điều kiện mặt đất bằng phẳng (trường hợp cơ bản)

Đây là điều kiện hoạt động phổ biến nhất. Tất cả các bánh xe phải duy trì sự tiếp xúc với mặt đất, tải trọng phải duy trì trong giới hạn định mức và phải tránh trượt bánh dẫn động.

Tải trọng bình thường của bánh dẫn động:

FN1=(Delta + lambda) * n * k

Giới hạn tải trọng của bánh dẫn động:

FN1<= Fmax1

Tải trọng bánh xe phụ FN2 phải thỏa mãn:

FN2<= Fmax2

(Lưu ý: FN2 được lấy từ trạng thái cân bằng lực tĩnh của hệ thống bánh xe là hàm số của FN1 và tổng trọng lượng xe G.)

Điều kiện chống{0}}trượt:

FN1 * mu1 > G * mu2

(2) Tình trạng đường bị lún

Khi đường bị lõm, lò xo giãn ra xa hơn, làm giảm tải trọng bánh dẫn động và tăng tải trọng bánh phụ. Để tránh mất tiếp xúc với bánh dẫn động, phải thỏa mãn điều kiện hình học sau:

lambda > đồng bằng

Tải trọng bình thường của bánh dẫn động:

FN1_depressed=(Delta + lambda - delta) * n * k

Các ràng buộc về tải (cho phép-giới hạn ngắn hạn):

FN1_chán nản<= Fmax1_limit
FN2_chán nản<= Fmax2_limit

Điều kiện chống{0}}trượt:

FN1_chán nản * mu1 > G * mu2

(3) Tình trạng đường lồi lõm

Khi AGV gặp phần nhô ra, lò xo bị nén thêm và tải trọng của bánh dẫn động đạt giá trị cực đại. Lực lò xo không được nâng toàn bộ xe lên làm bánh phụ mất tiếp xúc.

Tải trọng bình thường của bánh dẫn động:

FN1_bump=(Delta + lambda + delta) * n * k

Điểm chung{0}}ràng buộc liên hệ
(đối với cấu hình AGV bốn bánh thông thường):

2 * FN1_bump < G

Hạn chế tải (cho phép-giới hạn ngắn hạn):

FN1_bump<= Fmax1_limit

(4) Xác định phạm vi độ cứng toàn diện

Bằng cách kết hợp tất cả các ràng buộc bất đẳng thức từ các điều kiện đường bằng phẳng, lõm và nhô ra, có thể thu được phạm vi khả thi cho độ cứng k của lò xo.

Trong phạm vi khả thi này, nên chọn các giá trị thích hợp của Delta tải trước lò xo và lambda nhô ra của bánh dẫn động.

Trong thực hành kỹ thuật, hướng dẫn sau đây thường được áp dụng:

lambda=(1,5 đến 2,0) * delta

Điều này cung cấp đủ giới hạn an toàn cho mặt đường không bằng phẳng.

3. Các loại sốc AGV phổ biến-Hấp thụ cấu trúc nổi

(1) Kiểu xoay có khớp nối

Bộ truyền động được kết nối với khung xe thông qua khớp xoay và có thể lắc lư dưới tác dụng của mô-men xoắn khôi phục-được tạo ra bằng lò xo. Cấu trúc này cung cấp khả năng khuếch đại cơ học, cho phép một lực lò xo tương đối nhỏ tạo ra lực tiếp xúc mặt đất lớn. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa hành trình nổi và lực nén của lò xo là phi tuyến tính.

Mặc dù khả năng thích ứng cao nhưng vẫn tồn tại sự khác biệt về tải hai chiều. Trong quá trình vận hành lên dốc, tải trọng của bánh dẫn động tăng lên đáng kể, đòi hỏi phải kiểm tra độ bền kết cấu một cách cẩn thận. Loại này được sử dụng rộng rãi trong các AGV hạng nặng-có đủ không gian lắp đặt.

(2) Loại cột dẫn hướng dọc

Bộ truyền động di chuyển theo chiều dọc dọc theo các cột dẫn hướng tuyến tính hoặc ống dẫn hướng, với lò xo nén giúp hấp thụ sốc. Cấu trúc nhỏ gọn,-tiết kiệm chi phí và dễ bảo trì.

Yêu cầu thiết kế quan trọng là các cột dẫn hướng phải được bố trí đối xứng và căn giữa so với điểm tiếp xúc với mặt đất-của bánh xe. Việc căn chỉnh không đúng cách có thể tạo ra thêm mômen, dẫn đến kẹt hoặc mòn bất thường. Loại này phù hợp với AGV tải nhẹ- đến trung bình-với các giới hạn nghiêm ngặt về chiều cao.

(3) Kiểu liên kết cắt kéo-

Chuyển động nổi được thực hiện thông qua cơ cấu liên kết cắt kéo và thường được tích hợp với các module lái vi sai để tiết kiệm không gian lắp đặt. Tuy nhiên, khi bánh dẫn động bên trái và bên phải gặp những độ cao đường khác nhau, cấu trúc thiếu khả năng tự thích ứng và có thể khiến khung xe bị nâng theo đường chéo.

Loại này chủ yếu được sử dụng trong các mô-đun dẫn động lái vi sai tích hợp cụ thể và có khả năng thích ứng tương đối kém với các bề mặt đường không bằng phẳng nói chung.

(4) Kiểu trục xoay-

Hai bánh xe được gắn chắc chắn trên một trục duy nhất có thể xoay quanh bản lề trung tâm. Đường không bằng phẳng được khắc phục bằng cách xoay toàn bộ trục, xử lý hiệu quả hai bánh xe như một bánh xe lớn ảo duy nhất.

Trong hệ thống nhiều bánh xe, nhiều trục xoay có thể được kết hợp để giảm hệ thống bánh xe xuống cấu hình ba{1}}tiếp đất tương đương, giải quyết cơ bản các vấn đề về tiếp đất. Cấu trúc này đơn giản và chắc chắn, khiến nó rất phù hợp cho xe AGV nhiều{4}}bánh xe, tải trọng-nặng và ngoài trời.

(5) Bốn-loại liên kết

Dựa trên nguyên tắc liên kết hình bình hành, cấu trúc liên kết bốn{0}}cho phép di chuyển theo chiều dọc trong khi vẫn duy trì hướng cố định của bộ truyền động. So với các loại xích đu có khớp nối, các lực vẫn thẳng hàng, loại bỏ tải trọng xoắn trong chuyển động nổi.

Mặc dù phức tạp hơn về mặt cấu trúc và tốn nhiều không gian-, nhưng thiết kế này mang lại độ ổn định vượt trội và rất phù hợp cho các AGV-hạng nặng có yêu cầu nghiêm ngặt về độ nghiêng của bánh xe, chẳng hạn như AGV loại xe nâng-sử dụng bánh dẫn động AGV thẳng đứng.

4. Hướng dẫn so sánh và lựa chọn cấu trúc nổi hấp thụ sốc-

So sánh các loại cấu trúc nổi phổ biến

Tóm tắt đề xuất lựa chọn

Bố trí ổ đĩa vi sai:
Khi mục tiêu chính là cấu trúc nhỏ gọn và chi phí thấp thì loại cột dẫn hướng dọc là lựa chọn phù hợp. Nếu cần tích hợp hệ thống lái và không gian lắp đặt cho phép thì loại liên kết-cắt kéo có thể được xem xét. Đối với các ứng dụng có yêu cầu cao về khả năng thích ứng với đường và độ chính xác khi chuyển động, nên sử dụng loại xích đu có khớp nối hoặc loại liên kết bốn-.

Sơ đồ dẫn động lái:
Cấu trúc cột dẫn hướng dọc được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tải nhẹ- đến{1}}trung bình. Trong các tình huống tải-nặng, loại xích đu có khớp nối là giải pháp chủ đạo. Đối với các AGV loại xe nâng-cần căn chỉnh bánh dẫn động theo chiều dọc nghiêm ngặt, loại liên kết bốn-mang lại những lợi thế rõ ràng.

Bố cục dành cho hoạt động nhiều-bánh xe nặng-đặc biệt hoặc ngoài trời:
Loại trục xoay-hoặc sự kết hợp của nhiều trục xoay là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để đảm bảo tiếp xúc mặt đất đáng tin cậy trên địa hình phức tạp và không bằng phẳng.

5. Kết luận

Cấu trúc nổi hấp thụ sốc-tạo nên ranh giới quan trọng giữa AGV và mặt đất. Hiệu suất của chúng quyết định trực tiếp đến khả năng vận hành và độ tin cậy của xe trong môi trường phức tạp. Cốt lõi của thiết kế hệ thống treo nằm ở việc khớp chính xác các thông số lò xo với các điều kiện vận hành cụ thể-bao gồm hình dạng đường, mức tải trọng và tốc độ xe-đồng thời đáp ứng nhiều hạn chế như khả năng tiếp xúc với mặt đất của nhiều bánh xe, cân bằng tải, hiệu suất chống trượt và khả năng giảm chấn.

Hiện tại, cấu trúc cột dẫn hướng dọc và xoay có khớp nối thống trị cả AGV dẫn động vi sai và dẫn động lái{1}}do những ưu điểm tương ứng của chúng. Bốn-cấu trúc liên kết thể hiện hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng -nặng-cao cấp, trong khi cấu trúc trục xoay-cung cấp các giải pháp độc đáo và hiệu quả cho AGV ngoài trời hạng nặng-nhiều bánh{8}}.

Trong tương lai, khi các kịch bản ứng dụng AGV tiếp tục mở rộng và đào sâu, các công nghệ hệ thống treo chủ động và bán{0} chủ động cũng như hệ thống treo thích ứng thông minh được tích hợp với khả năng nhận biết đường được kỳ vọng sẽ trở thành hướng phát triển chính nhằm giải quyết các yêu cầu về hiệu suất năng động cao hơn và các môi trường vận hành khắc nghiệt hơn.