驱动轮直流电机选择计算

驱动轮直流电机选择计算 The final edition was revised on December 14th, 2020.

驱动轮电机用于驱动 AGV 的运行，包括AGV 的直行及差速转弯。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。

3.1.1 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 g i ——减速机减速比；

q T ——电机输出转矩； t T ——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t F ，该力即为驱动轮的驱动力[29] 。驱动力为： 式中 q R ——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q R 。

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f F 、空气阻力w F 、坡度阻力r F 、加速度阻力j F 。这些阻力均由驱动力t F 来克服，因此：

(1) 滚动阻力f F

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

式中

F——车轮与轴承间阻力；

fz

F——车轮与道路的滚动摩擦阻力。

fg

其中，车轮轴承阻力

F为：

fz

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

M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m ax

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—，μ

=。

F为：

车轮与道路的滚动摩擦阻力

fg

式中Q——车轮承受载荷，Q=1000N；

f——路面摩擦阻力系数，f=。

则：

F：

(2)空气阻力

w

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及侧向力两部分组成。空气阻力与AGV 沿行驶方向的投影面积以及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F[31]。

≈

w

F：

(3)坡度阻力

r

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F，表达式为：

力

r

式中G——AGV 满载总重量；

α——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 以上的长度范围内，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（含），对于 AGV 精确定位的停车点，路面坡度需要小于（含）[33]。取坡度：

因此：

F：

（4）加速度阻力

j

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j F 。 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 δ——旋转惯量换算系数；

m ——满载总质量。

δ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 δ=，根据设计要求2max m/s 5.0=a 。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；

η——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，即85.0=η。

（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： 97.0=η，30g =i ，将相关参数带入上式得 m N 56.0⋅≈T 。

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 m ax v ——小车的最高行驶速度，min /m 60max =v ；

D ——车轮直径，m 2.0=D 。

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。