Introducción
Los AGV de remolque se utilizan ampliamente en sistemas inteligentes de logística de almacén y fabricación. Uno de los principales desafíos en su diseño radica en si la capacidad de tracción del sistema de propulsión coincide con la carga total del vehículo y si se produce un par insuficiente durante el arranque y la aceleración.
En aplicaciones prácticas de ingeniería, muchos diseños de AGV personalizados todavía dependen en gran medida de métodos empíricos de selección de motores, utilizando únicamente la potencia del motor o el par nominal como referencia. Esto a menudo conduce a los siguientes problemas:
Sobrecarga del motor durante el arranque
Tracción insuficiente que provoca que no se puedan remolcar los carros correctamente
Respuesta de aceleración lenta
Impacto excesivo o falla de las estructuras de amortiguación.
Por lo tanto, es necesario establecer un método unificado de modelado y cálculo para sistemas de carga motriz, resistencia a la aceleración y amortiguación de resortes basado en principios de la mecánica clásica.
2. Definición de carga del sistema AGV
La base para el cálculo de la potencia de remolque del AGV es la masa total del sistema:
M=m_AGV + m_carga
Dónde:
m_AGV: peso propio-del AGV
m_load: carro remolcado o masa de carga útil
M: masa total del sistema
La carga gravitacional total del vehículo es:
W = M × g
Donde g=9.8 m/s².
3. Análisis de resistencia a la conducción (base de diseño central)
Durante el movimiento horizontal recto, las resistencias primarias que actúan sobre un AGV consisten en la resistencia a la rodadura y la resistencia inercial a la aceleración.
3.1 Resistencia a la rodadura (resistencia primaria en estado -estable)
La resistencia a la rodadura se genera por la deformación entre la rueda y la superficie de contacto con el suelo:
Ff=f × M × g
Donde f es el coeficiente de resistencia a la rodadura, que normalmente oscila entre 0,03 y 0,06.
Cabe señalar que en condiciones de giro o superficies de piso irregulares, esta resistencia generalmente aumenta entre un 5% y un 10%. Por lo tanto, se debe reservar un margen de diseño suficiente en aplicaciones de ingeniería para evitar una potencia insuficiente en las curvas.
3.2 Resistencia del aire (insignificante a baja velocidad)
En los sistemas AGV de interior, la velocidad de funcionamiento es generalmente baja, por lo que la resistencia del aire tiene una influencia mínima:
Fw=0.5 × rho × Cd × A × v²
En la mayoría de los cálculos de ingeniería, este término suele omitirse.
3.3 Resistencia inercial de aceleración (crítica durante el arranque)
Durante el arranque o la aceleración, el AGV debe superar la inercia de toda la masa del sistema:
Fj=M × a
Si se considera la inercia rotacional de motores, reductores y otros componentes giratorios, la ecuación se puede ampliar como:
Fj=M × a + Σ(Ji × alfa_i / ri)
Sin embargo, en el diseño práctico de ingeniería, comúnmente se adopta el modelo simplificado:
Fj ≈ M × a
3.4 Fuerza motriz total requerida
Por lo tanto, la fuerza de tracción total requerida para la operación del AGV es:
F_total=M × a + f × M × g
Esta ecuación sirve como base central para la selección del sistema de transmisión.
4. Relación entre la fuerza de la rueda motriz y el par
La rueda motriz es el componente clave responsable de convertir el par del motor en fuerza de tracción sobre el suelo.
4.1 Relación mecánica básica
F = T / r
Dónde:
F: Fuerza de tracción del suelo
T: par de salida de la rueda motriz
r: Radio de la rueda motriz
Se puede ver que un radio de rueda más pequeño genera una mayor fuerza de tracción en las mismas condiciones de par, lo cual es una dirección de optimización importante en el diseño de AGV liviano.
4.2 Sistemas de ruedas motrices múltiples-
Para un sistema con n ruedas motrices:
T_total=n × T_rueda
Considerando la eficiencia de la transmisión y la reducción de la caja de cambios:
T_rueda=(T_motor × i × eta) / n
Dónde:
i: relación de reducción de engranajes
eta: eficiencia de transmisión (normalmente 0,9–0,95)
5. Verificación de aceleración y par motor
El diseño del AGV no sólo debe determinar si el vehículo puede moverse, sino también verificar si puede alcanzar el rendimiento de aceleración objetivo.
5.1 Fórmula de aceleración
Sustituyendo la fuerza impulsora en la Segunda Ley de Newton:
a=(F_total - f × M × g) / M
Ampliado aún más:
a = (n × T / r - f × M × g) / M
Esta fórmula se utiliza para evaluar la capacidad de aceleración real del sistema.
5.2 Requisito de par de arranque
La fase de arranque es la más crítica porque el sistema debe superar simultáneamente la fricción estática y la inercia:
T_start=((M × a + f × M × g) × r) / n
5.3 Par de funcionamiento en estado-estable
En funcionamiento a velocidad constante-, solo es necesario superar la resistencia a la rodadura:
T_steady=(f × M × g × r) / n
6. Análisis de ejemplos de ingeniería (cálculo corregido)
Tomando como ejemplo una condición operativa típica de un AGV:
M=100 kg
r = 0.015 m
f = 0.05
n = 2
Aceleración objetivo:
a = 0.5 m/s²
6.1 Resistencia a la rodadura
Ff=100 × 9,8 × 0.05=49 norte
6.2 Fuerza motriz total
F_total=M × a + f × M × g
F_total=100 × 0.5 + 49=99 norte
6.3 Requisito de torque de una sola rueda
T=(F_total × r) / n
T = (99 × 0.015) / 2 = 0.7425 N·m
Conclusión de ingeniería
El resultado anterior demuestra que:
El diseño del sistema de energía AGV debe basarse en objetivos de aceleración reales
La selección del motor no puede depender únicamente de la potencia del motor o del par nominal.
De lo contrario, pueden ocurrir situaciones en las que el diseño parezca teóricamente factible pero falle en condiciones reales de operación.
7. Diseño de selección de resorte amortiguador
Durante los procesos de atraque o anticolisión-, los AGV remolcados requieren sistemas de resortes para absorber la energía del impacto.
7.1 Modelo básico (Ley de Hooke)
F = k × x
Dónde:
k: rigidez del resorte
x: desplazamiento de compresión
7.2 Diseño de distribución de carga de múltiples-resorte
Si el sistema utiliza n_s resortes:
Carga de resorte único:
F_spring=(M × g) / n_s
Diseño de rigidez del resorte:
k=F_primavera / x
7.3 Principios de diseño
El principio básico del diseño de un sistema de resortes no es "cuanto más rígido, mejor", sino más bien:
La carga debe estar distribuida uniformemente.
Debe garantizarse una carrera de compresión suficiente
Debe evitarse la transmisión rígida del impacto a la estructura del vehículo.
8. Resumen del diseño central
El diseño de los sistemas de energía de AGV de remolque debe seguir los principios siguientes:
El diseño del sistema de transmisión es esencialmente un equilibrio entre fuerza de tracción, resistencia e inercia.
El radio de la rueda r, el par del motor y la relación de reducción determinan conjuntamente el rendimiento del sistema.
La aceleración debe incluirse como un objetivo de diseño y no simplemente como un resultado de verificación.
La potencia no puede reemplazar el análisis de torque
Los sistemas de amortiguación deben diseñarse estructuralmente en función de la distribución total de la carga.
