机械设计计算（12）——舵机轮的设计计算

面壁深功

有一个双舵轮AGV，其两个舵轮在车体中心前后分布。载重2000Kg，行走轮的外径250mm,水平依靠滚子回转支承，变向机构由伺服电机带1:10的行星减速机，行星减速机的出轴上装m=2，Z=24的齿轮，带动m=2，Z=114的齿轮实现转向。
在设计一个双舵轮AGV时，我们需要考虑多个因素来确保AGV能够平稳、准确地移动和转向。以下是一个基于给定参数的详细计算：
已知参数
载重：2000Kg； 行走轮外径：250mm； 转向机构：伺服电机带1:10的行星减速机，出轴上装m=2, Z=24的齿轮，带动m=2, Z=114的齿轮
计算步骤
1. 行走轮半径
行走轮半径 r=2250=125 mm
2. 所需驱动力矩
为了简化计算，我们假设AGV在水平地面上移动，且不考虑滚动阻力系数（这在实际中需要更详细的参数）。然而，为了驱动2000Kg的载重，我们需要考虑静摩擦力和动态摩擦力。
静摩擦力 Fs=μs×W，其中 μs 是静摩擦系数，W 是载重。
动态摩擦力 Fk=μk×W，其中 μk 是动摩擦系数。
由于没有这些摩擦系数的具体值，因此可以使用一个估算值。假设 μs=0.08（这是一个相对较高的值，用于安全估算），则：
Fs=0.08×2000×9.81=1569.6 N
为了简化，我们假设动态摩擦力与静摩擦力相同（在实际中，动态摩擦力通常小于静摩擦力）。但在此，我们仍使用静摩擦力来计算所需的驱动力矩，以确保安全。
所需的驱动力矩 T=Fs×r=1569.6×0.125=196.2 Nm
由于AGV有两个舵轮，每个舵轮需要承担的力矩为总力矩的一半，但考虑到实际运行中可能存在的不均匀分布，我们可以按经验力的分配折算。假设每个舵机承担60%的总力矩（这是一个经验值，可以根据实际情况调整）：
T舵机=0.6×T=0.6×196.2=117.72 Nm
但考虑到之前的计算是基于单个舵轮完全承担所有力矩的假设，而实际上两个舵轮会共同分担，因此每个舵轮实际所需的力矩应小于上述计算值。为了安全起见，我们仍使用117.72 Nm作为每个舵机的设计力矩。
3. 转向机构计算
3.1 转向机构的负载扭矩计算
转向机构由滚动圆转支承来承载垂直压力，滚动摩擦系数定为0.05。但需要注意的是，这里的滚动摩擦系数主要用于估算滚动支承的摩擦力矩，而不是用于计算驱动AGV所需的力矩。然而，为了简化计算，我们可以假设转向机构在转向时所需的扭矩与滚动支承的摩擦力矩相关。但这是一个粗略的估算，实际中可能需要更详细的模型来计算。
假设转向机构在转向时所需的扭矩为滚动支承摩擦力矩的某个倍数（这个倍数取决于转向机构的效率和设计），我们暂时将其设为1（即假设转向机构效率为100%，这是一个理想情况）。
由于我们没有滚动支承的具体参数（如直径、宽度等），因此无法准确计算其摩擦力矩。但在此，我们可以假设转向机构所需的扭矩为某个经验值或根据类似设计进行估算。然而，为了与之前的计算保持一致，并考虑到转向机构可能需要的额外扭矩（如齿轮传动损失、轴承摩擦等），我们可以假设转向机构所需的扭矩为每个舵机驱动力矩的一定比例（例如60%，这是一个经验值）。
因此，转向机构所需的扭矩 T回转=0.6×T舵机=0.6×117.72=70.632 Nm
但请注意，这个计算是基于多个假设和估算的，实际中可能需要更详细的计算和测试来确定转向机构所需的扭矩。
3.2 伺服电机扭矩计算
转向机构由伺服电机通过行星减速机驱动。行星减速机的减速比为1:10，因此输出扭矩是输入扭矩的10倍。
小齿轮的齿数 Z1=24，模数 m1=2；大齿轮的齿数 Z2=114，模数 m2=2。
由于模数相同，我们可以直接比较齿数来计算齿轮比：
齿轮比 i=Z2/Z1=114/24=4.75
因此，大齿轮上的扭矩是小齿轮上的4.75倍。但在此计算中，我们更关心的是伺服电机通过行星减速机后输出的扭矩。
考虑到行星减速机的减速比和齿轮比，伺服电机需要提供的扭矩为：
Tmotor= T回转/(10×i)=70.632/(10×4.75)=1.48 Nm
当然，这个计算值可能偏小，因为在实际中转向机构可能需要更大的扭矩来克服摩擦、惯性等。因此，在选择伺服电机时，我们应该考虑一个更大的安全裕量。
4. 伺服电机选择
根据所需的扭矩和速度要求（这取决于AGV的设计速度和加速度），我们可以选择合适的伺服电机。通常，伺服电机的选择还需要考虑其动态性能、控制精度和可靠性等因素。此外，还需要考虑电机的尺寸、重量和安装方式等是否与AGV的设计相匹配。
5、计算后的结论
以上计算提供了一个基于给定参数的AGV舵机设计的初步估算。在实际设计中，还需要考虑更多因素，如电机的热管理、齿轮的强度和耐久性、转向机构的精度和稳定性等。此外，还需要进行详细的测试和验证来确保AGV的性能和安全性。在市场化的产品设计中，应该使用更广泛场景参考以及更详细的模型来进行计算和设计。

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