Giới thiệu

AGV kéo được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống hậu cần kho và sản xuất thông minh. Một trong những thách thức cốt lõi trong thiết kế của họ nằm ở chỗ liệu khả năng bám đường của hệ thống truyền động có phù hợp với tổng tải trọng của xe hay không và liệu mô-men xoắn có xảy ra không đủ trong quá trình khởi động và tăng tốc hay không.

Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, nhiều thiết kế AGV tùy chỉnh vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp lựa chọn động cơ theo kinh nghiệm, chỉ sử dụng công suất động cơ hoặc mô-men xoắn định mức làm tài liệu tham khảo. Điều này thường dẫn đến các vấn đề sau:

Quá tải động cơ khi khởi động

Lực kéo không đủ dẫn đến không thể kéo xe đúng cách

Phản ứng tăng tốc chậm

Tác động quá mức hoặc hư hỏng của cấu trúc đệm

Vì vậy, cần thiết lập một mô hình và phương pháp tính toán thống nhất cho tải trọng truyền động, lực cản gia tốc và hệ đệm lò xo dựa trên nguyên lý cơ học cổ điển.

2. Định nghĩa tải hệ thống AGV

Cơ sở tính toán công suất kéo của AGV là tổng khối lượng của hệ thống:

M=m_AGV + m_load

Ở đâu:

m_AGV: trọng lượng của bản thân AGV

m_load: Xe kéo hoặc khối lượng tải trọng

M: Tổng khối lượng hệ thống

Tổng tải trọng của xe là:

W = M × g

Trong đó g=9.8 m/s².

3. Phân tích lực cản dẫn động (Cơ sở thiết kế cốt lõi)

Trong quá trình chuyển động thẳng theo phương ngang, các lực cản chính tác dụng lên AGV bao gồm lực cản lăn và lực cản quán tính khi tăng tốc.

3.1 Lực cản lăn (Sức cản trạng thái ổn định sơ cấp{1}})

Lực cản lăn được tạo ra do biến dạng giữa bánh xe và bề mặt tiếp xúc với mặt đất:

Ff=f × M × g

Trong đó f là hệ số lực cản lăn, thường nằm trong khoảng từ 0,03 đến 0,06.

Cần lưu ý rằng trong điều kiện quay vòng hoặc bề mặt sàn không bằng phẳng, điện trở này thường tăng từ 5%–10%. Do đó, phải dành đủ biên độ thiết kế trong các ứng dụng kỹ thuật để tránh không đủ năng lượng khi vào cua.

3.2 Lực cản của không khí (Không đáng kể ở tốc độ thấp)

Trong các hệ thống AGV trong nhà, tốc độ vận hành thường thấp nên lực cản không khí có ảnh hưởng tối thiểu:

Fw=0.5 × rho × Cd × A × v²

Trong hầu hết các tính toán kỹ thuật, thuật ngữ này thường bị bỏ qua.

3.3 Lực cản quán tính tăng tốc (Quan trọng khi khởi động)

Trong quá trình khởi động hoặc tăng tốc, AGV phải vượt qua quán tính của toàn bộ khối lượng hệ thống:

Fj=M × a

Nếu xét quán tính quay của động cơ, bộ giảm tốc và các bộ phận quay khác, phương trình có thể được mở rộng thành:

Fj=M × a + Σ(Ji × alpha_i / ri)

Tuy nhiên, trong thiết kế kỹ thuật thực tế, mô hình đơn giản hóa thường được áp dụng:

Fj ≈ M × a

3.4 Tổng động lực cần thiết

Do đó, tổng lực kéo cần thiết cho hoạt động của AGV là:

F_total=M × a + f × M × g

Phương trình này đóng vai trò là cơ sở cốt lõi cho việc lựa chọn hệ thống truyền động.

4. Mối liên hệ giữa lực dẫn động bánh xe và mô men xoắn

Bánh xe dẫn động là bộ phận quan trọng chịu trách nhiệm chuyển đổi mô-men xoắn của động cơ thành lực kéo mặt đất.

4.1 Mối quan hệ cơ học cơ bản

F = T / r

Ở đâu:

F: Lực kéo mặt đất

T: Mô-men xoắn đầu ra của bánh lái

r: Bán kính bánh dẫn động

Có thể thấy, bán kính bánh xe nhỏ hơn sẽ tạo ra lực kéo lớn hơn trong cùng điều kiện mô-men xoắn, đây là hướng tối ưu hóa quan trọng trong thiết kế AGV hạng nhẹ.

4.2 Hệ thống bánh xe dẫn động đa{1}}

Đối với hệ thống có n bánh dẫn động:

T_tổng=n × T_wheel

Xét hiệu suất truyền động và giảm hộp số:

T_wheel=(T_motor × i × eta) / n

Ở đâu:

i: Tỉ số giảm tốc

eta: Hiệu suất truyền tải (thường là 0,9–0,95)

5. Xác minh gia tốc và mô-men xoắn động cơ

Thiết kế AGV không chỉ xác định liệu chiếc xe có thể di chuyển hay không mà còn xác minh xem liệu nó có thể đạt được hiệu suất tăng tốc mục tiêu hay không.

5.1 Công thức gia tốc

Thay thế động lực vào định luật II Newton:

a=(F_total - f × M × g) / M

Mở rộng hơn nữa:

a = (n × T / r - f × M × g) / M

Công thức này dùng để đánh giá khả năng tăng tốc thực tế của hệ thống.

5.2 Yêu cầu mômen khởi động

Giai đoạn khởi động là quan trọng nhất vì hệ thống phải đồng thời vượt qua ma sát tĩnh và quán tính:

T_bắt đầu=((M × a + f × M × g) × r) / n

5.3 Mô-men xoắn trạng thái chạy ổn định{1}}

Trong điều kiện vận hành ở tốc độ-không đổi, chỉ cần khắc phục lực cản lăn:

T_ổn định=(f × M × g × r) / n

6. Phân tích ví dụ kỹ thuật (Tính toán đã sửa)

Lấy điều kiện vận hành AGV điển hình làm ví dụ:

M=100 kg

r = 0.015 m

f = 0.05

n = 2

Gia tốc mục tiêu:

a = 0.5 m/s²

6.1 Lực cản lăn

Ff=100 × 9,8 × 0.05=49 N

6.2 Tổng động lực

F_total=M × a + f × M × g

F_tổng=100 × 0.5 + 49=99 N

6.3 Yêu cầu về mô men xoắn của một bánh xe

T=(F_total × r) / n

T = (99 × 0.015) / 2 = 0.7425 N·m

Kết luận kỹ thuật

Kết quả trên chứng tỏ rằng:

Thiết kế hệ thống điện AGV phải dựa trên mục tiêu tăng tốc thực tế

Việc lựa chọn động cơ không thể chỉ dựa vào công suất động cơ hoặc mô-men xoắn định mức

Mặt khác, có thể xảy ra tình huống khi thiết kế có vẻ khả thi về mặt lý thuyết nhưng lại thất bại trong điều kiện vận hành thực tế.

7. Thiết kế lựa chọn lò xo đệm

Trong quá trình lắp ghép hoặc chống{0}}va chạm, AGV kéo cần có hệ thống lò xo để hấp thụ năng lượng va chạm.

7.1 Mô hình cơ bản (Định luật Hooke)

F = k × x

Ở đâu:

k: Độ cứng của lò xo

x: Chuyển vị nén

7.2 Thiết kế phân phối tải lò xo đa{1}}

Nếu hệ thống sử dụng lò xo n_s:

Tải lò xo đơn:

F_lò xo=(M × g) / n_s

Thiết kế độ cứng của lò xo:

k=F_spring / x

7.3 Nguyên tắc thiết kế

Nguyên tắc cốt lõi của thiết kế hệ thống lò xo không phải là “càng cứng thì càng tốt” mà là:

Tải trọng phải được phân bố đều

Phải đảm bảo đủ hành trình nén

Phải tránh truyền tác động cứng tới kết cấu xe

8. Tóm tắt thiết kế cốt lõi

Việc thiết kế hệ thống điện kéo AGV phải tuân theo các nguyên tắc sau:

Thiết kế hệ thống truyền động thực chất là sự cân bằng giữa lực kéo, lực cản và quán tính

Bán kính bánh xe r, mô-men xoắn động cơ và tỷ số giảm tốc cùng quyết định hiệu suất của hệ thống

Tăng tốc phải được đưa vào như một mục tiêu thiết kế chứ không chỉ đơn thuần là một kết quả xác minh

Công suất không thể thay thế phân tích mô-men xoắn

Hệ thống đệm phải được thiết kế có cấu trúc dựa trên sự phân bổ tổng tải trọng