小型麦克纳姆轮AGV自动引导车机械结构设计.rar

本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)题目：小型麦克纳姆轮 AGV 自动引导车机械结构设计学学 院：院：机机 械械 工工 程程 学学 院院 专专 业：业：机械工程及自动化机械工程及自动化 班班 级：级：学学 号：号：学生姓名：学生姓名：指导老师：指导老师：提交日期：提交日期：浙江工业大学毕业设计（论文）I小型麦克纳姆轮 AGV 自动引导车机械结构设计学生姓名：指导教师：卢 波浙江工业大学机械工程学院摘 要摘 要在工厂实际中，装卸搬运成本为总的加工成本的 15.5%，现代工厂也因此迫切需要实现更好的装卸搬运自动化，AGV 自动引导车随之产生且不断升级，从开始的减轻劳动力搬运发展到现在的全自动装卸搬运，AGV 成为了现代制造系统的重要组成部分。传统的 AGV 存在空间利用率低、运动灵活性差等一些问题；针对这些问题，本文在电路板制造物流的应用背景下，提出一种基于麦克纳姆轮的小型 AGV 自动引导车的机械结构设计，使得 AGV 能够在狭小空间灵活运行，并配合电路板制造平台自动装卸。课题主要涉及麦克纳姆轮滚轮及电动驱动轮毂的结构设计、电控装卸平台设计和整车结构设计，在此基础上运用 ANSYS 完成了对车架以及轮毂的有限元分析和优化。同时，本课题利用 MATLAB 生成麦克纳姆轮的滚轮轮廓曲线，方便尺寸的选取和更改，简化麦克纳姆轮滚轮的设计过程；借鉴轮毂电机的结构，将电机传动安装在麦克纳姆轮中间的空间形成驱动型轮毂，使得结构紧凑简化，增加运行的灵活性。关键词：关键词：AGV 麦克纳姆轮 驱动型轮毂 装卸升降平台浙江工业大学毕业设计（论文）IIThe Mechanical Design of Light AGV Based on Mecanum Wheel Student:Advisor:Dr.Bo Lu College of Mechanical Engineering Zhejiang University of TechnologyAbstractThe handling cost accounts for 15.5%of the total processing cost in actual factories.Therefore,the modern factories urgently need to achieve better handling automation.And automatic guided vehicle(AGV)is generating and upgrading.From reducing the labor in manual handling to full-automatic handling,AGV has become an important part of the modern manufacturing system.Traditional AGV has some problems,such as low space utilization rate and poor movement flexibility.To solve these problems,in the context of PCB manufacturing logistics,this paper proposes a mechanical structure of light AGV based on mecanum wheels,which enables AGV to operate flexibly in narrow space and automatically handling coordinating with PCB manufacturing platform.The project mainly involves the structural design of mecanum wheels rollers and drive hub,the design of automatically handling platform,the design of whole vehicle.And based on the structure,this paper use the ANSYS to complete the finite element analysis and optimization of the vehicles frame and the hub.In this paper,MATLAB is used to generate the roller curve,which is convenient for size selection and change.The structure of hub motor is used to form the drive hub,which makes the structure compact and simplified,and increases the flexibility of operation.Key words：AGV mecanum wheel drive hub handling platform 浙江工业大学毕业设计（论文）目 录中文摘要.英文摘要.第一章 绪论.11.1 研究背景与意义.11.2 国内外研究现状.11.2.1 国外研究现状.11.2.2 国内研究现状.21.3 设计内容概述.4第二章 麦克纳姆轮结构设计.52.1 麦克纳姆轮整轮方案.52.2 麦克纳姆轮滚轮设计.62.2.1 滚轮轮廓线设计.62.2.2 滚轮结构设计.82.3 麦克纳姆轮驱动型轮毂设计.92.3.1 驱动型轮毂结构设计.92.3.2 驱动电机选型.112.3.3 传动系统校核.142.3.4 轮毂ANSYS强度校核.222.4 麦克纳姆轮结构.24第三章 整车结构设计.253.1 自动装卸平台设计.253.1.1 自动装卸平台方案.253.1.2 自动装卸结构设计.253.2 车架设计.273.2.1 电池选型.273.2.2 传感器选型.283.2.3 控制选择.293.2.4 车架结构设计及ANSYS优化.303.3 整车结构.33浙江工业大学毕业设计（论文）第四章 产品技术经济和环境影响分析.354.1 产品技术经济分析.354.2 产品环境影响分析.37第五章 总结.39参考文献.41致谢.42浙江工业大学毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 研究背景与意义近年来，我国在深入贯彻新发展理念、坚持以发展质量和效益为中心的背景下，中国物流呈现量质齐升的发展态势1。制造业作为现代物流业的重要组成部分，持续推进转型升级，呈现高端化、智能化的发展趋势。为了跟进智能化的发展方向，工厂内部要实现“无人化”来提高效能，除了制造和包装方面的自动化以外，装卸搬运方面也是一个重要的改进方向。据统计，在工厂中，每生产一吨的产品就需要 252 吨次装卸搬运，装卸搬运的成本为总的加工成本的 15.5%2；在美国该成本达到 20%30%，德国该成本则占营业额的 33%，而在日本高达国民生产总值的 10%3。可以看出，在人工智能的大背景下，在“中国制造 2025”和“互联网+”的发展战略引领下，用于搬运或牵引的自动引导小车（AGV）在物流活动中起着关键作用，其发展为大量的“无人工厂”提供可能。AGV（Automated Guided Vehicle）是一种装备有自动导引装置的无人驾驶自动化车辆，采用移动电源系统，以轮式移动为特征，在计算机的监控下按路径规划和作业要求以一定的精度行走并停靠到指定的地点，完成如取货、送货、充电等作业任务，属于移动式机器人。46AGV 自动引导车是现代制造系统的重要组成部分，综合了机械、控制、传感器、互联网和计算机等技术；它具有许多优点：柔性好、效率高、操作简便、可控性强等，在柔性制造系统和自动化工厂中广泛应用，提高了工厂物料的输送效率以及自动化水平，缩短了生产周期，从而提高了工厂的生产效率和经济效益。但是传统的 AGV 自动引导车空间利用率低、运动灵活性差，而基于效率和成本的双目标，如何有效利用空间也成为一个主要目标，因此具有零半径回转特点的全方位移动车成为一个研究热点。全方位移动是指前后移动、左右移动以及原地回转的三个独立运动自由度，其机器人可以原地零半径回转以及横移，适合狭小空间；其中基于麦克纳姆轮的全方位移动方式由于简单的结构和较成熟的技术等优势，使得整车比较小巧，更适合在狭小的工作空间移动，成为 AGV 自动引导车的一个研究热点。本课题旨在应用麦克纳姆轮于 AGV 自动引导车，使其能够在狭小的空间实现灵活转动，适应复杂工况从而应用于电路板制造物流的工厂实际。由于 AGV 自动引导车在搬运和装卸中占据重要作用以及麦克纳姆轮对 AGV 自动引导车运行性能改善具有重要作用，加强对基于麦克纳姆轮的 AGV 自动引导车的研发，对降低生产成本以及提高生产效率具有重要的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国外近几年对 AGV 的研究主要在于控制，利用集散控制系统（控制分散而操作集中，多层分级且合作自治）来控制一个 AGV 车队7。基于麦克纳姆轮的全方位 AGV 也是一个研究热点。Olaf Diegel 等人8于 2002 年对传统的麦克纳姆轮指出，两端支撑型在运行过程中遇到路面不平时难以调整边缘而容易卡住，于是提出中间支承浙江工业大学毕业设计（论文）2型，但是该型麦克纳姆轮在运行中扭转严重而效率低下。Olaf Diegel 等人提出了两种改进方法，一种是在中间支撑处增加一个锁紧装置使得其滚轮轴方向仍然可以松动而车轮轴方向锁紧（如图 1-1）；另一种为可转动的滚轮，前进方向时滚轮收起成一个经典轮子，转动时展开成麦克纳姆轮（如图 1-2）。A.Ramirez-Serrano 和R.Kuzyk9于 2010 年对传统的麦克纳姆轮进行测试，发现在横向运动时克服障碍物的能力极小，他们提出了一种新的麦克纳姆双轮的两种形式：椭圆麦克纳姆双轮（EMDW）和半圆麦克纳姆双轮（SMDW）（如图 1-3）；两种新型轮都是采用两个组件的上下相对运动来“跨越”障碍物的方法来克服崎岖地形运行的困难。图 1-1 带可锁定滚轮的麦克纳姆轮8图 1-2 带可旋转滚轮的麦克纳姆轮8图 1-3 左：椭圆麦克纳姆双轮；右：半圆麦克纳姆双轮91.2.2 国内研究现状根据中国移动机器人（AGV）产业联盟发布的数据（如图 1-4 和 1-5），可知国内 AGV 市场规模宏大，尽管最近三年同比增长减少，仍然保持增长的趋势。张雷10对 AGV 的前景趋势进行预估，在浙江工业大学毕业设计（论文）3数据分析的基础上认为，国内增速放缓，但行业的细分化趋势愈加明显。AGV 标准化比较差，小批量个性化的针对某个应用领域的现象明显，应对各个客户要求而设计相应功能的设计在未来发展趋势上也依旧会大量存在且依旧成为趋势。在国内,基于成本的目标，AGV 主要的研究方向为重载和全方位移动。图 1-4 20152019 年 AGV 市场新增量与增长率图 1-5 20152019 年 AGV 市场规模与增长率随着 AGV 被广泛应用于汽车装配、物流仓储、烟草、医药、食品等行业，人们对 AGV 的载重能力的要求越来越高11，近年来对重载 AGV 的研究也大量增加。2012 年新松公司为中联重科集团开发出 30t 重载 AGV，成为国内的第一辆重载 AGV。许多高校也喜欢将重载 AGV 作为研究课题。2015年，朱浩利用 ANSYS 分析比较了麦克纳姆轮中间型和两端型的承载能力，表示两端支撑型的麦克纳姆轮更适合重载移动12。2019 年，方玉发13对重载 AGV 的控制系统进行研究实验；最近两年对AGV 的研究主要集中在导航控制方面。随着麦克纳姆轮的技术引进，全方位移动的研究主要集中在麦克纳姆轮的创新设计、实际制造以及实际应用。2013 年，周京京等人14分析了麦克纳姆轮全向移动的原理，给出滚轮轮廓线的计算公式；并利用动力学仿真软件进行仿真分析，掌握了麦克纳姆轮的运动特点和受力规律。同年，陈博翁等人15在理论公式的基础上提出了一种麦克纳姆轮的设计方法及其制造工艺，且为了改善其运动平稳性，提出需在滚轮外缘包覆一层弹性材料，最终选用了硬度高、机械强度高耐磨性好的聚氨酯弹性体。2015 年，朱浩设计了滚轮参数计算的软件，简化滚轮的设计流程，提高了其设计效率。2016 年，朱艳杰16提出了双测量轮引导方式（保证车体时刻与地面接触并防止打滑），利用 ANSYS 对麦克纳浙江工业大学毕业设计（论文）4姆轮进行动态仿真，验证了双测量轮引导方式的可行性；并且分析了打滑的主要因素（电机速度波动、滚轮轴向力的产生以及地面不平等），给出了考虑打滑之后的相关运动学方程。1.3 设计内容概述本课题以小型麦克纳姆轮 AGV 为对象，应用于电路板制造物流，要求载重 100kg，直线速度100m/min，上坡斜度10，相关设计参数如表 1-1。设计的主要内容分为以下几个方面：1、小型麦克纳姆轮 AGV 的结构设计。其中主要包括麦克纳姆轮及其连接结构设计、车架底盘设计、自动装卸平台设计。在查阅相关文献的基础上，通过比较不同的结构方案，综合考虑尺寸、整车自重以及成本等要求，对现有的结构进行创新设计，采用 ANSYS 进行结构分析，最终确定方案。2、动力系统选配。动力系统主要包括驱动电机和电池组，通过核算电机的功率要求以及尺寸大小（要求驱动电机能够在麦克纳姆轮轮毂中间留出的空间之中）选择相应电机型号，再根据选择的电机电压范围和要求的 AGV 行驶时间来选择相应的电池型号参数。3、传感器选型。通过比较不同类型的传感器，根据电路板制造物流实际情况进行筛选，并结合成本以及技术实现的难易程度，最终确定传感器选型。针对以上主要内容，本文的章节安排如下：第一章为绪论，主要介绍基于麦克纳姆轮的 AGV 的研究背景和意义以及国内外现状；第二章为麦克纳姆轮结构设计，主要包括麦克纳姆轮设计及其传动连接设计；第三章为车架设计，主要包括自动装卸平台和车架底盘的设计、传感器和动力系统的选配；第四章为产品的技术经济和环境影响分析；第五章为总结。表 1-1 小型麦克纳姆轮 AGV 设计参数小型麦克纳姆轮 AGV转弯半径零半径回转（采用麦克纳姆轮）行走方向可前进后退、转向、原地旋转、横移爬坡能力最大上坡斜度 10额定负载100KG行走速度直线运动速度100m/min安全防护前后左右具有障碍感知（避障传感器）工作方式8 小时自动装卸，两班制充电方式自动充电/手动充电起升高度根据装卸平台高度而定（本课题设定为 200mm）设计寿命10 年应用场所应用于电路板制造物流浙江工业大学毕业设计（论文）5浙江工业大学毕业设计（论文）6第二章 麦克纳姆轮结构设计2.1 麦克纳姆轮整轮方案麦克纳姆轮（Mecanum Wheel）是瑞典麦克纳姆公司的专利，目前市场上的麦克纳姆轮主要有两端支撑型和中间支撑型两种结构，它由轮毂和外周的若干小滚轮构成，通常轮子和滚轮轴线的空间夹角=45，每个轮子具有 3 个自由度:绕轮子轴心转动、绕滚轮轴心转动以及绕轮子和地面的接触点转动。轮子由电机直接驱动绕轮轴转动，其余 2 个自由度随动，在驱动力和摩擦力共同作用下，车体可以实现全向移动。其全方位旋转原理如图 2-1：图 2-1 麦克纳姆轮全方位旋转原理针对现存的几种麦克纳姆轮的优缺点，进行下表列举：表 2-1 几类麦克纳姆轮的优缺点类型优点缺点中间支撑型对地面要求低受力状态不好；尺寸较两端型大传统麦克纳姆轮两端支撑型受力状态好，运行平稳对地面要求高可锁定滚轮型结构复杂不牢靠可旋转滚轮型克服中间支撑型的运行扭转控制滚轮旋转复杂困难新型麦克纳姆轮椭圆双轮型越障能力强，适应各种地面设计困难；组合结构不紧密而承重能力不佳浙江工业大学毕业设计（论文）7新型全方位轮闫张式新型克服麦克纳姆轮自身结构带来的摩擦等缺点；承重能力大侧向移动时需要推力，控制困难由于设计的 AGV 需要具有10的斜坡爬坡能力，两端支撑型的轮毂容易与斜坡碰撞（如图 2-2），所以首先舍弃两端支撑型。可锁定滚轮型和可旋转滚轮型结构比较复杂，本文不采取。椭圆双轮型虽然越障能力强，但是其为组合结构，结构不紧密，承重能力更差；对于普通的工厂地面环境，中间支撑型的应对能力已经足够。闫张式新型回转控制困难，本文也不采用。中间支撑型虽然承重能力不如两端支撑型，但对于 100kg 负载还是可以胜任的，为保证运行寿命，可以对中间支撑做一些加强；中间支撑型虽然尺寸较两端支撑型，但是轮毂中间空出的空间可以用于安装电机。图 2-2 两端型轮毂与斜坡碰撞参照宁波如意背负式 AGV（RY-AGV-700BF-01）的技术参数（该小型 AGV 也负载 100kg），控制整轮直径尺寸 200mm 左右。2.2 麦克纳姆轮滚轮设计2.2.1 滚轮轮廓线设计为使得麦克纳姆轮有良好的运行性能，滚轮的设计要求所有滚轮安装好之后包络成一个完整的圆，这就要求其滚轮轮廓线需要满足特定的函数关系。采用圆柱投影法来设计滚轮的轮廓曲线，其原理是：A 点以一定速度沿 z 轴上升且等角度绕 Z 轴旋转，运动到 B 点，在圆柱面上形成曲线 AB，直线 AB 与Z 轴夹角为，滚轮曲面为曲线 AB 绕直线 AB 旋转一周所得。我们可以理解为整轮是一个半径为 R、宽度为 W（但不是最终的整轮宽度，最终整轮宽度与重合度（4）有关）的圆柱，若干与圆柱高夹角 的滚轮包络形成圆柱表面，并以此确定我们需要的麦克纳姆轮初始参数 W、R、。浙江工业大学毕业设计（论文）8图 2-3 滚轮设计的圆柱投影法15中的相关公式：R2tanWarcsin2R2AGarcsin2 （1）)2sin()2Rsin(R2)2sin(AEEFCDr （2）sin/)2cos()2sin(R2sin/)2cos(AEsinAFACl （3）2)2(NACl0min0 （4）整个运动路径最终对应的圆心角；rCD 为随运动路径变化的滚轮半径，CD=EF，与 存在关系（2）；l随运动变化的滚轮轴长，与 存在关系（3）；重合度，表示 N 个滚轮是否能围成一圈，1表示任意时刻只有 1 个滚轮与地面接触。为方便后续调整尺寸，将以上关系式编入 MATLAB 形成函数，生成滚轮轮廓线图像会使得结果更直观，获取相关的尺寸数据方便后续的建模；不满足配合或者强度要求时可以修改脚本中的 W、R、重新得到所需数据，直到满足为止。程序以重合度为约束条件，计算出符合条件的滚轮最小半径以及最大半径，由此计算滚轮的长度。最终得出的滚轮曲线都是满足重合度要求的，但是滚轮需要和整轮的尺寸配合，而且考虑到轴承的大小和安装，滚轮的最大半径不宜过小，需要尽可能大一些以保证有合适的轴承配合；而且滚轮半径尺寸大可以实现较大的弹性变形，从而保证了整轮的运行效果和载重能力。经过校核及修改后，最终确定N=8、W=120、R=120、=45，编程如下：浙江工业大学毕业设计（论文）9函数：脚本：结果：图 2-4 MATLAB 生成的滚轮轮廓线和尺寸数据可以知道当 N=8、W=120、R=120、=45时，rmin=6.942mm，rmax=16.08mm，以上程序得到的数据是以重合度为 1 时的尺寸，此时 8 个滚轮可以很好地包络成一个圆，如图 2-5；实际上重合度可以大于 1，即滚轮的总轴长 l149.8-19.91=129.89mm。浙江工业大学毕业设计（论文）10图 2-5 包络圆2.2.2 滚轮结构设计如图 2-6，滚轮通过滚轮支座和轮毂连接；又考虑到制造与安装的可能性，滚轮被分成了三段，通过轴、角接触球轴承以及螺钉安装在滚轮支座上，支座与轮毂螺纹连接固定。而且原来的中间一个支撑型变成中间两个支撑型，改善了原来中间支撑型的受力状态。滚轮的安装顺序：中间滚轮与支座对应大致位置滚轮轴从左边支座孔开始，穿过中间滚轮和右边支座孔螺母从右边支座孔穿过滚轮轴右端，锁紧滚轮轴并固定将带轴承座的轴承安装在支座上轴左右端分别套上套筒安装左右端部滚轮垫圈和螺钉锁紧。由于滚轮承受重量与地面接触，有一定的弹性变形会使得整轮的运行效果更佳，根据15介绍，滚轮外部的材料可以采用聚氨酯弹性体，该材料硬度高，耐磨性能好。外部的聚氨酯材料采用与直筒状滚轮浇铸成型的方式连接。1-弹簧垫圈；2-内六角圆柱头螺钉；3-端部滚轮；4-端部滚轮外壳；5-套筒；6-角接触球轴承 726；7-螺母；8-中部滚轮外壳；9-中部滚轮；10-滚轮支座；11-轴承座；12-滚轮轴图 2-6 滚轮的安装浙江工业大学毕业设计（论文）112.3 麦克纳姆轮驱动型轮毂设计2.3.1 驱动型轮毂结构设计本课题借鉴轮毂电机的结构，将电机、传动和制动装置都整合到轮毂中，形成一种驱动型轮毂，使得结构更加紧凑。如图 2-7 是一种轮毂电机的结构。轮毂电机分为减速驱动和直接驱动：减速驱动型轮毂电机体积小，由于输出转矩大而爬坡性能好；直接驱动型是直接将转子做成外壳，采用低速电机，由于没有减速机构使得整体结构紧凑，传动效率高。相比之下，基于成本的考虑，直接驱动型轮毂电机采用了低速电机，价格要比减速驱动型高；而且较大尺寸的减速驱动型可以安装在麦克纳姆轮的大尺寸轮毂空间，两者相得益彰，所以本设计借鉴减速型轮毂电机的结构。由于轮毂电机结构的电机被安装在狭小的车轮空间里而传动和制动的装置又暴露在外，所以轮毂电机既需要注意散热又要有密封性注意防尘，因此它比较适合低速的运行速度（产生的热量少且容易散热）。图 2-7 轮毂电机的结构由于中间支撑型麦克纳姆轮的轮毂空间大以及各轮需要独立驱动，这些都是轮毂电机的优点，所以中间支撑型麦克纳姆轮非常适合用轮毂电机的结构。参照轮毂电机的结构，将齿轮传动减速系统和带制动的伺服电机安装在轮毂中的空间，其传动如图 2-8，电机轴带动小斜齿轮转动，小斜齿和大斜齿啮合，小齿轮和大斜齿同轴转动，小齿轮和内齿圈啮合传动，内齿圈与轮毂支座固定连接。由于驱动型轮毂的结构特殊要求，本电机外壳是自主设计制造且具有一定精度的轴：通过深沟球轴承将轮毂支座和电机连接，使得麦克纳姆轮可以转动；轮毂支座的轴向定位依靠左端轴承外圈的定位以及右端轴承透盖与轴承外圈的定位，然后采用螺纹连接固定位置；轮毂与轮毂支座依靠螺纹连接固定，并同心旋转。浙江工业大学毕业设计（论文）12图 2-8 驱动型轮毂传动链1-平端紧定螺钉，2-内齿圈，3-内六角圆柱头螺钉，4-轴承透盖，5-深沟球轴承 61812，6-直流无刷伺服电机，7-轮毂支座，8-轮毂，9-深沟球轴承 6012，10-间隙密封圈，11-套筒图 2-9 驱动型轮毂内部结构驱动型轮毂的内部结构如图 2-9，其安装顺序如下：先将深沟球轴承6012从电机左侧安装，依靠中间的台阶轴向定位，再套入套筒，再安装第二个6012深沟球轴承；将 61812 深沟球轴承从电机右侧安装，依靠中间台阶轴周向定位；小斜齿大斜齿内齿圈和小齿轮浙江工业大学毕业设计（论文）13将轮毂支座从左边电机穿入并搭在 6012 轴承外圈，同时将右端的轴承透盖从电机右边穿入搭在61812 轴承外圈；利用内六角圆柱头螺钉锁紧轴承透盖和轮毂支座；将轮毂从电机左侧穿入，并用内六角圆柱头螺钉锁紧轮毂和轮毂支座；将电机与座体对应台阶放置好，然后用开槽圆柱头螺钉从座体右端穿进并螺纹锁紧。2.3.2 驱动电机选型（1）确定电机类型目前市场上较常用的电机主要有步进电机、直流有刷伺服电机、交流伺服电机和直流无刷伺服电机。根据设计参数及要求，整车速度需要可调整，即要求电机可以调速且可以制动。表 2-2 比较了几种常用电机的性能，并以此为电机的选择提供依据。由表 2-2 可以知道，直流无刷伺服电机既保持着直流电机的优越的调速性能，还有着交流电机的结构简单以及噪声小的优点，是一个较好的选择。而且直流无刷伺服电机可以满足 AGV 小车调速的要求，它具有较高的精度，还可以实现制动；体积小巧，运行平稳，维护方便。因此，小型麦克纳姆轮 AGV 可以选用直流无刷伺服电机来作为驱动电机。表 2-2 常用电机的比较步进电机直流有刷伺服电机直流无刷伺服电机交流伺服电机精度低取决于编码器，有反馈环节，精度较高过载能力无3 倍价格便宜较贵低频特性步进运行低频振荡运行稳定，无低频特性制动保持力矩电磁制动、再生制动、动态制动器控制速度（脉冲频率）位置（脉冲数）调压调速（PWM 方波调压）（速度与额定负载下的电源电压成正比）变频器（改变交流频率）（磁极数不变，速度与施加的电压频率成正比）结构电刷和换向器摩擦会产生火花，且寿命短；噪声大无刷无摩擦，结构简单，体积和重量小；噪音小，运行平稳，维护方便（2）确定电机功率根据17中的电机功率公式（5）、（6）、（7）计算：0mP)3.11(P 浙江工业大学毕业设计（论文）14（5）PP0 （6）1000vFP （7）mP电机额定功率；0P电机所需功率；PAGV 运行功率。由于电机轴直接与齿轮连接，1，P3.1P3.1P0m；FAGV 运行阻力，即 AGV 滚轮聚氨酯材料与水泥地面的摩擦力，mgfF，经查阅机械设计手册18表 1-1-10 滚动摩擦因数，知道滚动摩擦系数25.0（取橡胶轮胎与沥青路面的摩擦系数，实际应小于 0.25）；vAGV 运行速度，s/m67.1min/m100v；传动装置效率，有两对齿轮传动和一对轴承，以及内齿轮和麦克纳姆轮的摩擦传动，查18表 1-1-3 机械传动效率，79.085.099.097.02。W264kW264.079.0100067.1104/20025.01000mgvPW2.3432643.1P3.1Pm，选定额定功率为 400W 的无刷直流电机。（3）确定电机转速 Rn2Rv （8）麦克纳姆轮的转速为：min/r1451000/1102min/m100R2vn，查17表 2-1，知齿轮单级传动比为 35，则总传动比范围应为2595533i，则电机转速可选范围为：min/r36251305145)259(nin选择 SDGA-04C11AB，其参数如表 2-3；配合驱动器 TSDA-C11A，其参数如表 2-4。由于需要参照轮毂电机的结构，将传动、制动系统统一安排在电机上，需要在电机上安装轴承和套筒，而且轴承需要周向固定，所以电机外壳的尺寸需要自主进行设计。另外为保持规范，除电机尺寸数据外，电机的其浙江工业大学毕业设计（论文）15它各参数还是按照原型号的数据设计，设计后的电机外形尺寸如图 2-10。表 2-3 SDGA-04C11AB 电机参数表额定电压（VDC）额定功率（w）额定转速（r/min）额定转矩（Nm）额定电流（A）空载转速（r/min）重量（kg）4840030001.2810.540001.58编码器线数（分辨率）线电阻（）线电感（mH）防护等级绝缘等级12500.360.4IP65F（155）表 2-4 TSDA-C11A 驱动器驱动器型号TSDA-C11A输入电源1860VDC适配电机50400W转速精度2RPM反馈单元1000 线 1250 线及 2500 线编码器跟踪误差1Pulse转速精度1RPM温度/湿度050（无霜冻）；1090%RH（不结露）存放温度-10+70抗震性5.0m/s2保护等级腐蚀性气体、可燃性气体、金属粉末较少的环境中使用环境其它无强电磁场、放射物质以及静电干扰等场合图 2-10 直流无刷伺服电机外形尺寸由于小车还有爬坡要求，所以我们需要对选择的电机功率进行一个爬坡能力的计算校核。摩擦力Nf,N62.196910cos200010cosGN,N41.49262.196925.0f，牵引力N71.83910sin200041.49210sinGfF总，浙江工业大学毕业设计（论文）16则s/m91.14/71.8394004/FPvm总，爬坡速度小于 1.91m/s 时可以实现爬坡，且爬坡速度不算太慢，所以可以实现爬坡。图 2-11 AGV 在 10坡的受力2.3.3 传动系统校核麦克纳姆轮的总传动比：69.201453000nnim，取9.55.3iii21，根据齿轮的位置要求，如 图 2-12 左 图 传 动 示 意，2zm2zm2zm2zm32422111；5.3zzi121；9.5zzi342；09.1mzmz2311。取m1=m2=1.25，根据电机壳直径60，取内齿轮齿数Z4=97，则其分度圆直径为121.25mm；并根据以上的数量关系确定各齿轮的尺寸和齿数。表 2-5 传动齿轮参数小斜齿Z1=18b1=25大斜齿Z2=63b2=20m1=1.25外齿轮Z3=16b3=26内齿轮Z4=97b4=16m2=1.25浙江工业大学毕业设计（论文）17图 2-12 左：传动示意图；右：驱动轮毂传动系统（1）齿轮校核（1）齿轮校核1)1)Z1-Z2斜齿轮的校核：斜齿轮的校核：小斜齿材料为 40Cr（调质），齿面硬度 280HBS；大斜齿材料为 45 钢（调质），齿面硬度240HBS。根据19相关公式，按齿面接触疲劳强度要求（9）和齿根弯曲疲劳强度要求（10）校核。齿面接触疲劳强度：HEH11 tHHZZZu1ubdFK （9）KH接触疲劳强度计算的载荷系数，查19表 10-24 以及图 10-8，01.4055.30.105.125.1KKKKKHHVAH；d1小齿轮分度圆直径，mm5.221825.1zmd111；Ft1小齿轮所受圆周力；N67.1065.22/10002.12d/T2F111 t；ZH区域系数，查19图 10-20，433.2ZH；ZE弹性影响系数，查19表 10-5，2/1EMPa8.189Z；Z接触疲劳强度重合度系数，81.035.159.1)59.11(335.14)1(34Z；562.20)14cos/20arctan(tan)cos/arctan(tannt；73.2431.32)cosh2z/(coszarccos*antnatn/；59.1/tanz1d；35.12/)tan(tanz)tan(tanzt2at2t1at1。H接触疲劳许用应力，查19图 10-23 和 10-25，Z1Z2Z3Z4传动轴浙江工业大学毕业设计（论文）18MPa510160085.0SK1limHN1H；MPa467155085.0SK2limHN2H；1H1HMPa85.36981.08.189433.218/63118/635.222567.10601.42H2HMPa51.41381.08.189433.218/63118/635.222067.10601.4所以，斜齿轮齿面接触疲劳强度满足要求。齿根弯曲疲劳强度：F2SaFa1 tFFbmcosYYYYFK （10）FK弯曲疲劳强度计算的载荷系数，查19表 10-24 以及图 10-8，02.33.20.105.125.1KKKKKFFVAF；FaY齿形系数，与齿制、变位系数和齿数有关，查19图 10-17，92.2Y1Fa；29.2Y2Fa；SaY载荷作用于齿顶时的应力修正系数，查19图 10-18，52.1Y1Sa；74.1Y2Sa；Y弯曲疲劳强度重合度系数，81.035.175.025.075.025.0Y；Y弯曲疲劳强度螺旋角系数，81.01201459.111201Y；F弯曲疲劳许用应力，查19图 10-22 和 10-24，MPa32025.15008.0SK1limFFN1F；MPa24325.13808.0SK2limFFN2F1F21FMPa26.2825.12514cos81.081.052.192.267.10602.32F22FMPa71.3125.12014cos81.081.074.129.267.10602.3所以，斜齿轮齿根弯曲疲劳强度满足要求。2)2)Z3-Z4直齿轮的校核：直齿轮的校核：同 1），外齿材料为 40Cr（调质），齿面硬度 280HBS；内齿材料为 45 钢（调质），齿面硬度240HBS。根据19相关公式，按齿面接触疲劳强度要求（9）和齿根弯曲疲劳强度要求（10）校核，=0。齿面接触疲劳强度：浙江工业大学毕业设计（论文）1960.1218.10.105.125.1KKKKKHHVAH；mm201625.1zmd323；mmN28535.3/300097.02649550in97.0P9550nP9550T10112/；N3.28520/28532d/T2F323t；5.2ZH；2/1EMPa8.189Z；91.0350.1434Z；45.2367.33)h2z/(coszarccos*annatn/，50.12/)tan(tanz)tan(tanz4a43a3；1H3HMPa58.50191.08.1895.216/97116/9720163.28560.12H4HMPa07.22691.08.1895.216/97116/9720973.28560.1所以，直齿轮齿面接触疲劳强度满足要求。齿根弯曲疲劳强度：64.125.10.105.125.1KKKKKFFVAF；95.2Y3Fa，18.2Y4Fa；52.1Y3Sa，80.1Y4Sa；75.050.175.025.075.025.0Y；11201Y；1F3FMPa68.7825.116175.052.195.23.28564.12F4FMPa85.6825.116175.080.118.23.28564.1所以，直齿轮齿根弯曲疲劳强度满足要求。（2）传动轴设计（2）传动轴设计根据传动齿轮的尺寸确定轴的尺寸，并根据轴径选择轴承型号以及键的尺寸。轴的安装如下图所示，一对角接触球轴承 7203C 与座体和端盖固定连接，套筒对大斜齿进行轴向固定，双圆螺母对外齿轮进行轴向固定，由键对齿轮进行周向固定；需要对选用的键和轴承进行校核。浙江工业大学毕业设计（论文）20图 2-13 轴的安装1）轴材料选择：）轴材料选择：图 2-14 轴的力学模型 查17表 8-158，知 7203mm9.9a，所以mm1.142)9.912(220L1/，双圆螺母（轴向定位）外齿轮角接触球轴承7203C大斜齿套筒轴承端盖浙江工业大学毕业设计（论文）21mm1.17L29.91719213L12，mm9.172/169.9L3。N67.106FF1 t2t，N3.285F3t；法面压力角20n，端面压力角6.20)costanarctan(nt，N09.406.20tan67.106tanFFt2t2r；N84.10320tan3.285tanFF3t3r；N6.2614tan67.106tanFF2t2a；mmN38.10472/)6325.1(6.262/dFM22aa。0LFLF)LL(FFFFF33t22t211NH3t2t2NH1NH0LFMLF)LL(FFFFF33ra22r211NV3r2r2NV1NV解得：N15.222F1NH，N78.400F2NH，N03.4F1NV，N96.147F2NV。水平面弯矩：mmN32.31321.1415.222LFMH11NH1；mmN96.71739.1778.400LFMH32NH2；垂直面弯矩：mmN82.561.1403.4LFMV11NV1；mmN20.110438.104782.56MaMVMV12；mmN48.26489.1796.147LFMV32NV3；总弯矩：mmN84.3132)82.56(32.3132M221；mmN25.3321)20.1104(32.3132M222；mmN23.764748.2648)96.7173(M223；扭矩：mmN2.2853T2轴的弯矩扭矩图如图 2-15，可以看出外齿轮处的弯矩最大，且此处的轴径为整段轴的最小，所以判断该处为危险截面，需要根据19相关公式（11）进行校核。轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应力，折合系数6.0。浙江工业大学毕业设计（论文）22 W)T(M22ca （11）MPa37.78101.0)2.28536.0(23.7647d1.0)T(M132232223ca查19表 15-1 发现调质 40CrNi 的许用弯曲应