張 健，利勝東，方海歐

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

雙輪差速式AGV 具有價(jià)格低、控制簡單、速度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的物料轉(zhuǎn)運(yùn)。將兩個(gè)差速輪布置在車體X 向的中心位置，通過控制差速輪的正反轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、原地旋轉(zhuǎn)、圓弧路線等各種動作。

同時(shí)，差速式AGV 還可以通過增加升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)行走與背負(fù)等功能。在差速式背負(fù)AGV 的使用過程中如何保證兩個(gè)差速輪實(shí)時(shí)保持與地面的良好接觸，是差速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)動控制的關(guān)鍵。各類AGV 廠家往往通過對差速輪增加多輪懸掛、單輪獨(dú)立懸掛、鉸鏈?zhǔn)礁訖C(jī)構(gòu)、剪刀叉式浮動機(jī)構(gòu)等來確保驅(qū)動輪的實(shí)時(shí)“抓地”[1]。

以一種單輪獨(dú)立懸掛減震結(jié)構(gòu)為例，結(jié)構(gòu)主要包括支撐板、導(dǎo)向單元、調(diào)節(jié)螺桿、彈簧、支撐立柱、驅(qū)動輪等，其中彈簧作為整個(gè)減震系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，其選型至關(guān)重要，彈簧選擇彈性系數(shù)過小會導(dǎo)致負(fù)載情況下，施加在驅(qū)動輪的壓力不足以為驅(qū)動輪提供足夠的壓力，導(dǎo)致驅(qū)動輪打滑，反之，彈性系數(shù)過大，將無法保證小車起到減震及過濾地面起伏的作用。目前市場上的各類彈簧質(zhì)量及可靠性“良莠不齊”，如何選擇滿足需求的彈簧就顯得至關(guān)重要。

崔聯(lián)合[2]通過對彈簧進(jìn)行UG 建模及有限元仿真分析對彈簧的各項(xiàng)性能進(jìn)行校核來證明彈簧的選型可靠性。因此，對減震系統(tǒng)的關(guān)鍵元件彈簧進(jìn)行理論校核、有限元分析、實(shí)際負(fù)載測試，可以確保該結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行。通過理論計(jì)算對標(biāo)準(zhǔn)彈簧進(jìn)行選型，為了確保彈簧選型的可靠性，對彈簧進(jìn)行UG 有限元高級仿真分析，得出彈簧在安全系數(shù)負(fù)載范圍內(nèi)的應(yīng)力值，并通過和標(biāo)準(zhǔn)彈簧許用應(yīng)力表進(jìn)行對比來確定彈簧的選型是否滿足。此外，除了通過軟件進(jìn)行理論分析外，還引進(jìn)了可靠性設(shè)計(jì)中的加速壽命的試驗(yàn)方法，通過對有限的樣本數(shù)量進(jìn)行測試來預(yù)估批量樣本的可靠性，在90%置信度的情況下，計(jì)算出加速壽命條件下的測試負(fù)載，對彈簧進(jìn)行實(shí)際負(fù)載測試。通過對計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果、負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，就可得出彈簧選型是否滿足系統(tǒng)的可靠性需求。

1 減震彈簧需求分析

AGV 小車設(shè)計(jì)背負(fù)負(fù)載為800 kg，AGV 本體自重為200 kg，AGV 帶負(fù)載啟動加速度為1 m/s2，安全系數(shù)選1.2，為保證啟動瞬間的加速力矩，驅(qū)動輪需提供F=ma=1200 N 的驅(qū)動力，聚氨酯輪與環(huán)氧樹脂地面的靜摩擦系數(shù)為0.4，因此為了保證起步瞬間驅(qū)動輪不打滑，需要為單個(gè)驅(qū)動輪提供500 N 的正壓力，單個(gè)彈簧需承受的壓力需不低于750 N。

選用圖1 所示高強(qiáng)度碳素鋼彈簧，彈簧絲直徑為5 mm，彈簧中徑為30 mm，工作圈數(shù)為n=12，彈簧材料選用碳素鋼。

圖1 五金市場標(biāo)準(zhǔn)彈簧選型

查表1 可得選用的彈簧絲可以承受最大1500 MPa 的極限壓力。

表1 常用彈簧絲的抗壓強(qiáng)度極限σB

2 減震UG 高級仿真分析

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，UG 作為一款集實(shí)體建模、零部件高級仿真、運(yùn)動仿真、二維制圖等功能于一身的多功能工具包被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的全壽命周期。通過對減震系統(tǒng)彈簧進(jìn)行UG 有限元高級仿真，計(jì)算其受力及變形情況。

（1）彈簧建模，利用UG“螺旋線”“掃掠”命令進(jìn)行參數(shù)化建模，設(shè)置彈簧中徑為30 mm，螺距5 mm，長度60 mm，并繪制彈簧截面取彈簧絲寬度5 mm，進(jìn)而繪制彈簧三維模型，如下圖2 所示。

圖2 彈簧建模

（2）有限元參數(shù)設(shè)置。分別對彈簧模型進(jìn)行指派材料，用UG 材料庫選擇steel-rolled 替代；劃分網(wǎng)格，單元類型選擇CTETRA（10），單元大小為5 mm，模型共計(jì)6257 個(gè)節(jié)點(diǎn)，3235 個(gè)單元；添加約束，彈簧工作時(shí)，在上支承圈平面上承受軸向交變載荷，因此，在下支承圈平面上施加固定約束；施加載荷，在上支承圈平面上施加軸向壓力，壓力參數(shù)輸入為750 N。圖3為完成有限元參數(shù)設(shè)置的模型[3]。

圖3 彈簧有限元參數(shù)設(shè)置

（3）求解。通過求解，查看如圖4 所示仿真結(jié)果得出減震彈簧受應(yīng)力最大，為1320 MPa，薄弱位置與彈簧底部，通過與表1 對比，直徑為5 mm 的碳素鋼彈簧絲的抗壓強(qiáng)度極限為1400～1550 MPa，仿真結(jié)果可以證明彈簧絲可以滿足負(fù)載引起的應(yīng)力變化。

圖4 減震彈簧應(yīng)力仿真

（4）通過UG 有限元分析可得，選用的彈簧滿足使用條件，為了確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，再對彈簧進(jìn)行實(shí)際的帶負(fù)載壓力測試。

3 彈簧加速壽命測試

常規(guī)的零部件壽命測試是將零部件置于標(biāo)準(zhǔn)或者適當(dāng)極端環(huán)境下進(jìn)行測試，往往需要耗費(fèi)大量的測試時(shí)間，并需要對多個(gè)樣本進(jìn)行測試，對于AGV 行業(yè)產(chǎn)品迭代迅速的特性，傳統(tǒng)的壽命測試顯然行不通，作為壽命測試的一種，加速壽命試驗(yàn)逐漸受到越來越多人的關(guān)注。

加速壽命試驗(yàn)就是在保持原有失效機(jī)理、故障模式和不增加新的失效因素的前提下，提高試驗(yàn)應(yīng)力，強(qiáng)化試驗(yàn)條件，使受測試樣本加速失效，從而達(dá)到減少試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)省試驗(yàn)樣本的效果[4]。

3.1 彈簧加速壽命理論分析

取一臺車4 個(gè)彈簧樣本，要求置信度不低于90%，假設(shè)試驗(yàn)結(jié)果呈正態(tài)分布，要求4 個(gè)彈簧總體可以承受μW=3000 N 的平均載荷，標(biāo)準(zhǔn)差SW=0.1 μW=300 N，根據(jù)以上條件，計(jì)算測試樣本數(shù)為1 的加速壽命測試需要的載荷。

由公式

式中，γ為置信度90%，W0為加速壽命測試所需載荷，ψ為標(biāo)準(zhǔn)正太分布。

將上述參數(shù)代入式（1），可得

查正太分布表，得Z=1.2817，由此可得，（W0-3000）/300=1.2817，可得加速壽命測試所需的載荷W0為3385 N，因此認(rèn)為在只對4 個(gè)彈簧樣件進(jìn)行次負(fù)載測試時(shí)，需要施加不低于3385 N 的壓力而彈簧未失效，就有90%的把握相信這批彈簧可以承受3000 N 的平均載荷。

3.2 彈簧加速壽命測試臺搭建

將彈簧安裝在AGV 的減震懸掛系統(tǒng)上，對AGV減震部分施加載荷，搭建下圖5 所示的測試臺，通過叉車將不低于3385 N（實(shí)際背負(fù)負(fù)載5000 N）的重物置于減震系統(tǒng)上進(jìn)行測試。

圖5 彈簧負(fù)載測試

3.3 彈簧加速壽命結(jié)果

在上述測試臺條件下對彈簧進(jìn)行載荷測試，未發(fā)現(xiàn)彈簧失效，證明彈簧的選型可以滿足實(shí)際負(fù)載，采用加速壽命測試，可以有效節(jié)省測試樣本，縮短測試時(shí)間。

4 結(jié)語

以一種差速驅(qū)動AGV 單輪獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)為例，對其中關(guān)鍵元件彈簧進(jìn)行理論可靠性分析與UG 有限元仿真分析，并通過實(shí)際負(fù)載測試進(jìn)行校核，以確保系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行。無論是理論計(jì)算，有限元分析，以及實(shí)際負(fù)載測試都證明彈簧的選型可以滿足條件，為后續(xù)減震系統(tǒng)乃至AGV 的可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的理論保證。