一种新型AGV驱动单元结构设计与分析

张 军，雷川川

（郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001）

1 引言

在现代化工业中AGV的应用领域越来越广，生产过程的智能化水平和自动化要求不断提高，对AGV的性能要求也日渐提高[1]。传统的三轮机构和四轮机构已经不能够满足现代工业自动化的需求。跟随时代的发展和进步，AGV的发展逐步趋向于重载、全地形、全方位等方向。为了更好的实现与工业应用中的柔性连接，满足现代工业对于AGV的功能需求。六轮差速驱动机构应运而生。传统的六轮差速机构主要以前轮为万向轮，后轮为定向轮，动力单元刚性连接于车体中部等结构布局存在。六轮差速驱动机构的载重能力和平稳性比其他机构较强，但在工作时六轮同时着地，遇到地面的浅凹会导致车体中部驱动轮的悬空，进而导致附着力变小产生打滑现象，遇到地面的微凸会导致前后轮的悬空，引起摆动。

针对六轮差速驱动机构的现有问题，通过分析引起打滑现象出现的原因，对驱动单元进行结构优化设计。通过三种工况分析结构优化的合理性。传统的结构校核运用的是经典力学理论进行分析计算，其缺点：计算复杂、耗时长[2]。采用功能完善的ANSYS15.0对驱动单元结构进行分析，能够减少分析时间、降低成本。对AGV驱动单元结构的校核，能够确保AGV驱动单元结构优化的可行性、合理性和强度可靠性。

2 新型驱动单元结构设计

2.1 AGV驱动单元组成和工作过程

AGV动力单元主要包括：驱动电机、驱动轮、传动结构、驱动壳体、连接结构。AGV驱动单元主要依靠驱动电机为动力来源通过链传动、齿轮传动、带传动等传动机构传输动力给驱动轮，通过和车体的连接结构为整个AGV小车提供前进后退的动力。AGV驱动单元是整车运动中关键的组成部分。

2.2 新型驱动单元结构模型建立

新型驱动单元主要针对载重500kg，运行速度为30m/min的背负式AGV小车进行设计，所设计的独立悬挂的驱动单元与车体的连接方式为柔性连接，通过最大载荷选择适用的弹簧。根据参数要求通过AGV所受力的分析计算，及其相关因数影响的考量，从而得到AGV小车所需的总驱动力，再通过效率和传动比换算进而选择合适的电机。驱动轮采用聚氨酯和橡胶材料的较多，考虑聚氨酯的耐磨性，本设计采用聚氨酯驱动轮，相关滚动阻力系数参考值，如表1所示。

表1 滚动阻力系数参考值Tab.1 Reference Value of Rolling Resistance Coefficient

根据所选用的标准件尺寸运用SolidWorks软件建立相关的驱动壳体和连接结构模型。结构图，如图1所示。

图1 新型动力单元结构图Fig.1 Structure of a New Type of Power Unit

新型驱动单元的驱动壳体分左右两部分独立悬挂，上部通过弹簧和光轴与连接板柔性连接，可以保证驱动单元的上下运动。独立的驱动壳体与三个光轴以三角形的布局方式连接，保证了整个装置的稳定性。链传动具有稳定的传动比和稳定性，所以驱动电机和驱动轮通过链传动的传动方式连接。驱动壳体的前后端各种有两个直线导轨。

3 驱动单元与车体连接结构对比分析

现在大多厂区的地面是地坪漆，摩擦系数较小，地面也会有偶尔的浅凹和微凸。如果不能解决地形对AGV在运行中的影响，就不能保证其运行的平稳性和定位的可靠性。针对驱动单元与车体不同的连接方式（刚性和柔性），进行不同工况下的对比分析。两种连接结构时不同工况的工作示意图，如图2所示。

图2 驱动单元与车体不同连接方式工作示意图Fig.2 The Driving Unit and the Vehicle Body are Connected in Different Ways

3.1 驱动单元与车体刚性连接结构工况分析

在趋于平坦的工作地面，如图2（1）a工况所示。AGV小车六轮同时着地，驱动单元产生的驱动力足够满足小车工作时的动力需求，这是理想状态下的工作状态。AGV能够按照预先设定的运动轨迹进行运动。

图2（1）b工况，在一些工作厂区，地面没有严格的水平度，会出现一定程度的浅凹，在启动或运行过程中，前后两端的万向轮起到主要的支撑作用，中间的驱动轮会由于与车体是刚性连接而悬空或与地面产生的附着力减小，在此种情况下，驱动力大于附着力，会出现明显的打滑情况，AGV就不能按照预设的轨道上进行运动，失去工作的动力。

图2（1）c工况，地面的不平整度除了有浅凹，还会有微凸的情况。在遇到微凸的地况时，会出现驱动轮着地，而前后两端的万向轮一端着地的情况。在此情况下，由于万向轮的悬空，会引起AGV小车的前后摆动，进而导致AGV小车运行的稳定性减弱，对所运输的物体产生不必要的震动，破坏物体的表面，引起物体的变形。

3.2 新型驱动单元与车体柔性连接工况分析

图2（2）a工况，AGV小车采用前后车体通过车架固定为一体，驱动单元独立存在，通过直线导轨与车体相连，直线导轨可以保证驱动单元上下运动的同时可以实现驱动单元对车体的推力传递。托板以及所背负的重量通过连接板和弹簧直接施加到驱动单元上。为了更好的保障驱动单元能够根据地形的起伏进行相对于车体的上下运动，托板与车架通过四个导向光轴进行柔性连接。驱动单元下部的驱动轮分别通过电机单独控制，具有独立的驱动壳体，可有效的保障独立悬挂的驱动单元结构工作时的可靠性。

图2（2）b工况，此示意图表示新型驱动单元在遇到浅凹工作地面时的工作状态。当前后万向轮着地，驱动单元由于背负着大部分重量而相对于车体通过直线导轨向下攒动，从而与地面完全接触。增大了对于地面的正压力[3]。由于驱动轮与地面的压力完全由所背负的载重提供，所以所产生的摩擦力（地面附着力）大于驱动力，从而保证了AGV的正常工作，有效的避免了打滑不利现象的产生。

图2（2）c工况，此示意图表示新型驱动单元遇到微凸工作地面时的工作状态。由于新型驱动单元采用和车体柔性连接的方式，可以相对于车体上下运动，从而可以保证车体与地面时刻接触，不会出现前后车体的万向轮悬空。从根本上避免了车体的前后摆动，增强了AGV小车运行的稳定性。

4 新型驱动单元应力分析

有限元思想是一种将连续的求解域离散成为有限个单元组合，这些离散体是由单元、节点连接构成的集合，来无限的靠近原来连续的求解域，从而把连续问题转化为离散问题，把无限自由度问题转化为有限自由度问题，从而分析结果逼近事实结果[4]。本结构运用ANSYS15.0进行相关分析计算，验证是否可靠。

4.1 简化和导入分析模型

为了方便在计算中得到可靠的数据结果，对于所建立的三维模型进行模型简化，对于不影响受力和本身不受力传力的模型进行压缩。对于电机、直线导轨、齿轮进行压缩。然后保存为兼容格式（x-t）导入软件中，为分析计算做准备。

4.2 定义单元类型和网格划分

在分析过程中所分析目标不同，单元类型的采用也不一样，选择合适的单元类型对于所分析的结果也有一定的保障性。由于AGV驱动单元壳体是主要的受力部位，所以选用SOLID95单元。

网格划分在有限元分析中占有重要的地位，是把分析目标划分为有限个离散体（四面体和六面体）。分析计算的速度和结果也会受到网格划分的影响。在ANSYS中主要的划分方法为：自由网格划分、延伸网格划分、映射网格划分和自适应网格划分[5]。由于AGV驱动单元壳体是主要的受力部位，所以需要对其进行网格细化。划分网格后，nodes个数为703422，element个数为168323。驱动单元模型网格划分，如图3所示。

图3 驱动单元网格模型Fig.3 The Mesh Model of Driving Unit

4.3 施加约束和载荷

对于AGV新型驱动单元的分析，是验证所选结构能否满足强度需求，对于驱动轮采用固定约束（fixed support），其他接触按照合适的接触方式进行定义，法兰和法兰定义为rough，螺栓和壳体定义为bonded。AGV所需要的最大载重为500kg，取安全系数为1.2，所以在托板上方需向下平均施加6000N的作用力。施加所受载荷结果，如图4所示。

图4 驱动单元施加载荷图Fig.4 Load Diagram of Drive Unit

4.4 结果分析

从AGV新型动力单元的结构模型的等效应力分布云图，如图5所示。从图5中可以发现，AGV驱动单元的主要受力部位主要分布在驱动轴以及与驱动壳体连接的部分。驱动单元主要承担载荷，驱动轴是主要的受力部件，最大受力值为208.96MPa，驱动单元是AGV小车的关键部分，所选用的材料为45#钢，材料的许用应力值为235MPa。由分析结果可知模型受力值在材料许用应力值安全范围内，因此该结构满足应力要求。

图5 等效应力分布图Fig.5 Equivalent Stress Distribution Diagram

5 样机实测

根据新型驱动单元结构建立相应AGV车体结构，通过加工，完成样机的制作。搭建基于PLC的控制系统，实现AGV的行走、转弯、避障等基本功能。所制作样机中新型驱动单元，如图6所示。

图6 新型驱动单元样机Fig.6 The Prototype of the New Driving Unit

制作好的新型驱动单元与车体配合，在平整路面和浅凸微凹路面行驶结果正如分析结果一样。在平整路面没有出现打滑和摆动现象，在浅凸微凹路面AGV小车也能在不打滑和摆动的情况下自如的完成行走和转弯功能。根据样机实测可知所设计的一种AGV新型驱动单元能够解决传统六轮机构的相关问题，适应多地形的工作。

6 结束语

AGV在现代工业中应用较为广泛，AGV驱动单元是AGV结构中关键的组成部分。所完成设计制作的独立悬挂的新型驱动单元，通过驱动单元与车体连接结构对比分析，能够有效的解决由于工作地面的不平整引起的打滑和摆动问题。最后通过运用ANSYS15.0软件对于驱动单元结构进行应力分析，结果表明：在满足使用要求的情况也满足强度要求。