李漾 蔡文偉 李偉光

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型的叉車(chē) AGV結(jié)構(gòu)，適用于智能化自動(dòng)生產(chǎn)線的物料運(yùn)送，叉車(chē) AGV主要部分包括底部與兩組舵機(jī)和萬(wàn)向輪連接的對(duì)稱式車(chē)身機(jī)構(gòu)、為貨叉機(jī)構(gòu)提供支撐的前移機(jī)構(gòu)、由叉架和叉臂等組成貨叉機(jī)構(gòu)及采用對(duì)角舵輪驅(qū)動(dòng)的四輪式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)單元。運(yùn)用有限元仿真方法對(duì)叉車(chē) AGV的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了網(wǎng)格化處理，獲得了貨叉及門(mén)架的應(yīng)力和位移結(jié)果，表明該叉車(chē) AGV結(jié)構(gòu)具有較高的安全系數(shù)。模態(tài)分析計(jì)算表明貨叉的末端和門(mén)架的頂部是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，容易發(fā)生變形，需進(jìn)行強(qiáng)化。采用ADAMS軟件對(duì)叉車(chē) AGV的穩(wěn)定性進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)與分析，結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的叉車(chē) AGV在不同載荷運(yùn)行工況下，空載狀態(tài)時(shí)車(chē)身橫擺角速度最大值為0.42°，當(dāng)載荷1500 kg時(shí)車(chē)身側(cè)傾角最大值為0.285°，運(yùn)行性能穩(wěn)定、抗傾覆性強(qiáng)。為新型叉車(chē)

AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析提供了一種有益的方法。

關(guān)鍵詞：叉車(chē) AGV;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元;模態(tài)分析;穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0016-07

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Structural Design and Simulation Analysis of FORKlift AGV

Li Yang1.2，Cai Wenwei2，Li Weiguang2

（1. Foshan Hengsheng Medical Automation Co.， Ltd.， Foshan， Guangdong 528248， China;

2. South China University of Technology， Guangzhou 510640， China）

Abstract： A new type of forklift AGV structure was designed， which was suitable for material transportation in intelligent automatic production lines. The main parts of the forklift AGV included a symmetrical body mechanism with two sets of steering gears and universal wheels at the bottom， and a support for the fork mechanism. Forward mechanism， a fork mechanism composed of a fork frame and a wishbone， and a driving mechanism unit with a four-wheel structure driven by a diagonal helm wheel. The finite element simulation method was used to mesh the key components of the forklift AGV， and the stress and displacement results of the fork and the mast were obtained， which showed that the forklift AGV structure has a high safety factor. Modal analysis calculations showed that the end of the fork and the top of the mast were weak parts of the structure， which were prone to deformation and needed to be strengthened. The ADAMS software was used to conduct a dynamic simulation test and analysis on the stability of the forklift AGV. The results show that the designed forklift AGV under different load operating conditions， the maximum body yaw rate in the no-load state is 0.42°， when the load is 1500 kg the maximum body roll angle is 0.285°， with stable running performance and strong resistance to overturning. The results of this research provide a useful method for the structural design and performance analysis of the new forklift AGV.

Key words： forklift AGV; structural design; finite element; modal analysis; stability

0 引言

制造業(yè)生產(chǎn)車(chē)間自動(dòng)運(yùn)送物料過(guò)程中，除了采用機(jī)器人完成上料及下料碼垛外，無(wú)輸送帶之間工位物料的自動(dòng)運(yùn)送常采用自動(dòng)引導(dǎo)小車(chē)（AGV）， AGV具有按系統(tǒng)設(shè)定的路線或自主導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)兩個(gè)位置間的物料輸送，但缺乏物料上下機(jī)構(gòu)，需要人工或機(jī)器人輔助上下料。目前傳統(tǒng)叉車(chē)通過(guò)人工操作可將物料運(yùn)送到生產(chǎn)線的加工位置，或直接運(yùn)送至存放地點(diǎn)，但不具備不同工位間的自動(dòng)導(dǎo)航功能;而單純叉車(chē)或 AGV功能的方式不能滿足智能化自動(dòng)生產(chǎn)線的物料搬運(yùn)需求，兩者結(jié)合形成具有叉車(chē)功能的 AGV （叉車(chē) AGV）是一種較合理的方案。

本文的目的是設(shè)計(jì)一種可滿足制造業(yè)智能化生產(chǎn)車(chē)間物料搬運(yùn)需求的新型叉車(chē) AGV ，可適用于智能化自動(dòng)生產(chǎn)線的物料運(yùn)送，在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用有限元仿真方法對(duì)叉車(chē) AGV的關(guān)鍵零部件進(jìn)行網(wǎng)格化處理，獲得貨叉及門(mén)架的應(yīng)力和位移結(jié)果，表明該叉車(chē) AGV結(jié)構(gòu)具有較高的安全系數(shù)。采用模態(tài)分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的薄弱部位，采用 ADAMS軟件對(duì)叉車(chē) AGV的穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)與分析。

設(shè)計(jì)的叉車(chē) AGV的創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)實(shí)現(xiàn)叉車(chē)的物料移載功能、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤等自動(dòng)化功能，以提高物料搬運(yùn)的效率。叉車(chē) AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需考慮如下幾個(gè)要素：（1） 叉車(chē) AGV可實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)、裝卸、移載等基本功能，因而叉車(chē) AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了貨叉、門(mén)架、車(chē)身等機(jī)構(gòu);（2）車(chē)身可實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎功能;叉臂應(yīng)能實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)、前后向調(diào)節(jié)、橫向間距調(diào)節(jié)、俯仰調(diào)節(jié);（3）車(chē)體應(yīng)轉(zhuǎn)向靈活，能在狹窄的區(qū)域轉(zhuǎn)向;

（4） 所有運(yùn)動(dòng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1 叉車(chē)AGV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的叉車(chē) AGV主要由車(chē)身、前移機(jī)構(gòu)、貨叉、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4部分組成，如圖1所示。主要參數(shù)如表1所示。

1.1 車(chē)身

車(chē)身采用對(duì)稱式的結(jié)構(gòu)，左右兩邊的底部與兩組舵機(jī)和萬(wàn)向輪連接，內(nèi)側(cè)有軌道，與前移機(jī)構(gòu)相連。上部作為橋梁與兩個(gè)底座相連;車(chē)身的平衡塊可平衡叉車(chē) AGV的重心位置，如圖2所示。

1.2 前移機(jī)構(gòu)

前移機(jī)構(gòu)為貨叉機(jī)構(gòu)提供支撐，包括門(mén)架、底座、移動(dòng)輪、起升油缸等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)4個(gè)移動(dòng)輪沿車(chē)身左右底座的內(nèi)側(cè)軌道移動(dòng);起升油缸由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)貨叉升降，底部有鏈輪，與貨叉通過(guò)鏈條連接，門(mén)架起支撐作用，如圖3所示。

1.3 貨叉

貨叉由叉架和叉臂等組成，叉臂通過(guò)卡槽和緊固螺釘與叉架相連，叉架與門(mén)架系統(tǒng)的支撐梁接觸，同時(shí)通過(guò)鏈條與門(mén)架系統(tǒng)的鏈輪連接，如圖4所示。

1.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)采用臥式舵輪，采用對(duì)角舵輪驅(qū)動(dòng)的四輪式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。圖5（a）中陰影部分為舵輪，舵輪采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

2 關(guān)鍵部件的有限元分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的叉車(chē) AGV的結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，用有限元分析方法對(duì)叉車(chē) AGV三維模型進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下的應(yīng)力和位移[1]、結(jié)構(gòu)是否會(huì)產(chǎn)生共振從而影響工作性能和壽命[2]。設(shè)計(jì)中采用 ABAQUS軟件對(duì)叉車(chē) AGV貨叉和前移機(jī)構(gòu)的門(mén)架進(jìn)行仿真分析。

2.1 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度分析

針對(duì)重載荷的貨叉和前移機(jī)構(gòu)的門(mén)架部件進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2.1.1 創(chuàng)建部件和劃分網(wǎng)格

通過(guò) hypermesh 軟件創(chuàng)建六面體網(wǎng)格得到六面體網(wǎng)格化的貨叉部件及門(mén)架，如圖6所示。

步驟如下：

（1） 通過(guò) Solidworks 建立零件模型組裝成裝配體，輸出三維模型文件.step格式文件;

（2） 在 hypermesh 軟件中導(dǎo)入三維模型文件，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;

（3） 由 hypermesh軟件導(dǎo)出.inp格式文件;

（4） 將文件導(dǎo)入 ABAQUS ，生成部件或裝配體。

2.1.2 設(shè)置材料和截面特性

貨叉和門(mén)架系統(tǒng)承受主要載荷，是叉車(chē) AGV 的關(guān)鍵部件。貨叉材料選40Cr ，門(mén)架材料選16Mn ，特性如表2所示。

2.1.3 施加載荷及邊界條件

對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行分析，確定零件實(shí)際接觸的物體對(duì)零件施加作用力的物體以及零件的運(yùn)動(dòng)自由度，將零件受到約束的自由度方向進(jìn)行限制。

（1） 貨叉的載荷設(shè)置：叉架承受的載荷分別是貨物的質(zhì)量、自身的重力、門(mén)架施加的作用力以及鏈條施加的拉力;貨叉的邊界條件設(shè)置：當(dāng)貨叉和門(mén)架沒(méi)有相對(duì)位移時(shí)，貨叉的4個(gè)輪子無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在鏈條的拉力和門(mén)架的重力作用下輪子靜止，為簡(jiǎn)化分析，將4個(gè)輪子完全固定。

（2） 門(mén)架的載荷設(shè)置：門(mén)架主要受到重力和叉架施加的壓力，以及叉架運(yùn)動(dòng)施加的摩擦力;門(mén)架的邊界條件設(shè)置：門(mén)架采用焊接方式固定在前移機(jī)構(gòu)上，門(mén)架的底面固定不動(dòng)。

在設(shè)置完以上步驟后，計(jì)算得到了貨叉的應(yīng)力、位移分析結(jié)果，如圖7所示。

貨叉的最大應(yīng)力位置在貨叉的轉(zhuǎn)折處，由圖7（a）可知計(jì)算最大值為356 MPa 。塑性材料可用第一強(qiáng)度理論來(lái)進(jìn)行校核[4]，如下：

式中： nA 為安全系數(shù)，本設(shè)計(jì)取2;σ為材料的屈服強(qiáng)度，根據(jù)表2取值785。

將數(shù)值代入式（1） 得： 356≤785/2，故貨叉的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

門(mén)架系統(tǒng)應(yīng)力位移有限元計(jì)算如圖8所示，由圖可知，最大應(yīng)力位置在門(mén)架系統(tǒng)底部，為58.52 MPa 。根據(jù)式（ 1），將數(shù)值代入得： 58.52≤345/2，門(mén)架能滿足設(shè)計(jì)要求，仿真分析結(jié)果證明結(jié)構(gòu)合理。

2.2 關(guān)鍵零部件模態(tài)分析

叉車(chē) AGV 運(yùn)行中，由于地面不平及叉車(chē) AGV 運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致車(chē)身承受載荷變化，特別是當(dāng)承受到的外界沖擊力的頻率和門(mén)架以及貨叉結(jié)構(gòu)部件的固有頻率一致時(shí)，叉車(chē) AGV車(chē)身會(huì)與振源發(fā)生結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，出現(xiàn)受力或者扭矩增大，導(dǎo)致車(chē)身或者零部件工作失穩(wěn)[5]。因此，對(duì)叉車(chē) AGV進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要滿足強(qiáng)度要求，還要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，保證叉車(chē) AGV關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)固有頻率不會(huì)和外界激勵(lì)頻率段重疊，影響叉車(chē) AGV 的正常使用和使用壽命。叉車(chē) AGV的車(chē)身和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，中間設(shè)置有減振裝置，而貨叉和前移機(jī)構(gòu)沒(méi)有緩沖減振裝置，并且是與重物直接接觸的部位，應(yīng)重點(diǎn)分析，本設(shè)計(jì)采用 ABAQUS軟件分析門(mén)架和貨叉。

2.2.1 用于模態(tài)分析的微分方程

模態(tài)分析的微分方程如下[6]：

式中：M 為叉車(chē) AGV的質(zhì)量; C 為叉車(chē) AGV的阻尼; x? 為叉車(chē) AGV的速度;為叉車(chē) AGV的加速度;f （t）為外力向量。

根據(jù)式（2），定義f （t）作為零矩陣，因阻尼對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響較小，忽略不計(jì)?？紤]物體結(jié)構(gòu)是自由簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，位移是正弦的函數(shù)，則有[7]：

式中： ξ為節(jié)點(diǎn)振幅; w 為振動(dòng)圓頻率; ?為振動(dòng)初相位;t 為時(shí)間。

將式（2） 和（3） 聯(lián)立求解，得到：

式（4）中存在非零解的要求是系數(shù)的行列式都為0，如下：

由此可得：

式（6）中矩陣的階數(shù)等于 n 時(shí)，方程有實(shí)數(shù)解。

由式（7） 可解出一組離散根λi =1，2， … ， n，把式（4）和 （6）聯(lián)立得到對(duì)應(yīng)的矢量ξi i =1， 2， … ， n，得到式（8），即為 ABAQUS模態(tài)分解的計(jì)算式：

2.2.2 ABAQUS模態(tài)分解的流程

模態(tài)分解的流程和強(qiáng)度分析的流程如下：（1） 創(chuàng)建部件和劃分網(wǎng)格，使用上一節(jié)的網(wǎng)格化模型進(jìn)行分析;（2） 設(shè)置材料和截面特性，材料屬性如表2所示;（3） 設(shè)置分析步和變量輸出，模態(tài)分解的分析步需要選擇一個(gè)線性分析步類(lèi)型[8]; （4） 施加載荷和邊界條件，與上一節(jié)強(qiáng)度分析的設(shè)置一致。

2.2.3 模態(tài)分析結(jié)果

系統(tǒng)根據(jù)微分方程解出的離散根獲得不同模態(tài)階數(shù)的特征頻率，模態(tài)分析計(jì)算的前6階結(jié)果如表3所示。模態(tài)分析振型如圖9所示，第1階振型是剛體模態(tài)無(wú)變形;第2～5階振型為純彎曲變形，發(fā)生在貨叉的末端部位;第6階振型為彎扭組合，貨叉末端彎曲，門(mén)架頂部扭轉(zhuǎn)。從模態(tài)分析的振型圖可以看出，在貨叉的末端和門(mén)架的頂部是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，容易發(fā)生變形，需進(jìn)行加強(qiáng)。

2.2.4 外界激勵(lì)頻率

叉車(chē) AGV工作時(shí)，門(mén)架和貨叉受到的外界激勵(lì)主要來(lái)自于路面和電機(jī)，導(dǎo)致叉車(chē) AGV各部件產(chǎn)生振動(dòng)，如外界激勵(lì)頻率區(qū)間和叉車(chē) AGV的門(mén)架與貨叉組件的固有頻率發(fā)生重疊，則易引起門(mén)架共振，影響正常使用，產(chǎn)生激振的頻率為[9]：

式中：f為時(shí)間頻率，Hz ;n 為空間頻率，m-1;v 為叉車(chē) AGV的縱向速度，m/s。

根據(jù)表1，叉車(chē) AGV規(guī)定的最大行駛速度為0.9 m/s。廠區(qū)倉(cāng)庫(kù)的路面平度等級(jí)和 B 級(jí)路面近似，空間頻率范圍為0.0625～0.125 m-1。

由式（9） 計(jì)算出叉車(chē)行駛過(guò)程中來(lái)自路面的激勵(lì)頻率為0.05625～0.1125 Hz ，不會(huì)與叉車(chē)發(fā)生諧振。

來(lái)自電機(jī)的激勵(lì)，主要是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所導(dǎo)致。

式中：f為電源頻率，與門(mén)架系統(tǒng)自振頻率不重合。

根據(jù)前面的模態(tài)分析的結(jié)果（表3），叉車(chē) AGV門(mén)架和貨叉組成的整體系統(tǒng)在7～12階的模態(tài)頻率和來(lái)自路面及電機(jī)的激勵(lì)頻率沒(méi)有重疊部分，不會(huì)引起叉車(chē) AGV發(fā)生共振現(xiàn)象。

經(jīng)設(shè)計(jì)后試制的叉車(chē) VAG樣機(jī)如圖10所示。

3 叉車(chē)AGV運(yùn)行穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性及評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1.1 穩(wěn)定性

叉車(chē)的門(mén)架系統(tǒng)、車(chē)身上的配重以及零件都會(huì)對(duì)重心位置產(chǎn)生影響，導(dǎo)致叉車(chē) AGV質(zhì)量分布不均，有可能會(huì)產(chǎn)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性的分析[10]。穩(wěn)定性有橫向和縱向之分，也有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分[11]。叉車(chē)的靜態(tài)穩(wěn)定性是指叉車(chē)在非工作狀態(tài)下靜止時(shí)的穩(wěn)定性，或者在工作時(shí)插起重物時(shí)靜止后的穩(wěn)定性;動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是指叉車(chē)移動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。導(dǎo)致叉車(chē) AGV失穩(wěn)側(cè)翻的因素如下。

（1） 行駛因素。叉車(chē) AGV運(yùn)動(dòng)速度較快，在進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)有側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn);載著重物進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)彎時(shí)容易產(chǎn)生側(cè)翻。

（2） 車(chē)身因素。車(chē)身重量分布不對(duì)稱，或者載著不對(duì)稱的重物，容易導(dǎo)致發(fā)生傾覆。并且，AGV叉車(chē)的輪子隨著磨損的加劇，高度會(huì)不一致，也可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)身向一側(cè)傾斜，發(fā)生側(cè)翻。

3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

穩(wěn)定性評(píng)定指標(biāo)主要有3項(xiàng)[12]，分別介紹如下。

（1） 橫擺角速度

叉車(chē) AGV在空間中的運(yùn)動(dòng)可以分解為縱向運(yùn)動(dòng)、橫向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)3種。橫擺角速度 we ，即橫擺角θe 對(duì)時(shí)間的微分，而橫擺角θe 是指車(chē)身繞垂直軸的偏轉(zhuǎn)角。

（2） 車(chē)身側(cè)傾角

車(chē)身側(cè)傾角小同樣是反映叉車(chē) AGV行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性指標(biāo)之一，能夠反映叉車(chē) AGV在車(chē)身橫向方向擺動(dòng)的角度，其定義如下：

式中： M小為側(cè)傾力矩;小為總側(cè)傾角剛度。

（3） 四輪壓地力

4個(gè)輪子所受到的壓力，來(lái)自于車(chē)體以及車(chē)身所受到的載荷，由于車(chē)體在設(shè)計(jì)上是對(duì)稱的，施加給兩側(cè)輪子的壓力大致是相同的，因此通過(guò)檢測(cè)四輪的壓地力可以反映叉車(chē) AGV 所受到的載荷的分布，從而反映叉車(chē) AGV是否平穩(wěn)，是否朝一側(cè)傾倒。

3.2 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性和叉車(chē) AGV的操縱穩(wěn)定性，運(yùn)用 ADAMS 分析軟件，設(shè)置4組仿真實(shí)驗(yàn)：第1組空載試驗(yàn)，給定速度1 m/s ;第2組滿載1500 kg ，給定速度1 m/s ;第3組滿載1500 kg ，給定速度1 m/s ，并將重物舉升1 m;第4組空載給定速度1 m/s ，在穩(wěn)定運(yùn)行后一段時(shí)間輸入超越實(shí)際極限情況的前后輪轉(zhuǎn)角參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱蓑?yàn)證叉車(chē) AGV的橫擺角速度、側(cè)傾角和四輪壓地力等穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性。

每一組試驗(yàn)分為3段：第一段是加速階段，速度從0加速至1 m/s ，時(shí)間為5 s ;第二階段是直行階段，保持1 m/s 的速度，運(yùn)行區(qū)間5～15 s ;第三階段是轉(zhuǎn)彎階段，輸入前后輪偏角參數(shù)。前驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)角輸入10.6°，后驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)角輸入6°，運(yùn)行區(qū)間從15 s至結(jié)束。

試驗(yàn)中叉車(chē) AGV 質(zhì)心位置坐標(biāo)如表4所示。表中，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在后驅(qū)動(dòng)輪的輪心處，x 軸方向是為叉車(chē) AGV的前進(jìn)方向，y 軸方向?yàn)椴孳?chē) AGV的橫向方向，z 為豎直向上。滿載時(shí)，重物離地高度為1 m。

為了驗(yàn)證叉車(chē) AGV在工作狀態(tài)下的操縱穩(wěn)定性，每一組試驗(yàn)分為三段：第一段是加速階段，速度從0加速至1 m/s ，時(shí)間為5 s ;第二階段是直行階段，保持1 m/s 的速度，時(shí)間是5～15 s ;第三階段是轉(zhuǎn)彎階段，前驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)角輸入10.6°，后驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)角輸入6°，時(shí)間從15 s 一直到結(jié)束。

利用 ADAMS仿真分析叉車(chē) AGV穩(wěn)定性過(guò)程中較為關(guān)鍵一步是對(duì)輪胎和地面建模。輪胎作為叉車(chē) AGV和地面直接接觸的部分，承受地面的摩擦力和叉車(chē) AGV的壓力，是影響叉車(chē) AGV 行駛穩(wěn)定性的因素之一。ADAMS 中的輪胎模型影響叉車(chē) AGV橫向移動(dòng)阻力和縱向前進(jìn)摩擦力，因此要選擇合適的輪胎模型[13]，ADAMS中可供選擇的特性類(lèi)型主要有 MF-Tyre、Pacejka89、PAC2002模型、Fiala模型、UA 模型等。為簡(jiǎn)化計(jì)算，選用 Fiala車(chē)胎模型和2D_flat路面模型。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)特性文件的參數(shù)進(jìn)行修改后添加到模型中。關(guān)鍵參數(shù)采用表1所列數(shù)據(jù)，整體 ADAMS模型如圖11所示。圖中叉車(chē) AGV的運(yùn)動(dòng)副分為貨叉部分沿豎直梁架的上下移動(dòng)副、前移機(jī)構(gòu)的前后移動(dòng)副、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)萬(wàn)向輪的轉(zhuǎn)向和直行的轉(zhuǎn)動(dòng)副，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括前后舵輪的轉(zhuǎn)向和直行4個(gè)驅(qū)動(dòng)副，對(duì)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)副及直行轉(zhuǎn)動(dòng)副分別施加角度 step 函數(shù)、驅(qū)動(dòng)力矩。

為測(cè)量橫擺角速度和車(chē)身側(cè)傾角，在車(chē)身頂部的中間位置建立了一個(gè) Marker點(diǎn)，如圖12所示，該 Marker點(diǎn)的坐標(biāo)系原始位置和全局坐標(biāo)系方向一致，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生偏差，因此根據(jù)該點(diǎn)與全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角便可以測(cè)得叉車(chē) AGV的橫擺角和車(chē)身側(cè)傾角，建立的測(cè)量項(xiàng)如圖13所示。

（1） 叉車(chē) AGV空載狀態(tài)仿真試驗(yàn)

圖14為叉車(chē)AGV空載狀態(tài)仿真試驗(yàn)曲線，圖 14（a）中，車(chē)身側(cè)傾角在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生最大值為0.12°的變化;圖 14（b）表明，橫擺角速度也在轉(zhuǎn)彎時(shí)開(kāi)始變化，從0緩慢變化至0.42°/s ，然后逐漸減少;圖 14（c）表明，轉(zhuǎn)彎時(shí)四輪壓地力發(fā)生波動(dòng)，穩(wěn)定后的壓力大小和轉(zhuǎn)彎前大小一致，后驅(qū)動(dòng)輪受力為13058.04 N ，后萬(wàn)向輪受力為12946.43 N ;前驅(qū)動(dòng)輪受力為6082.59 N ，前萬(wàn)向輪受力為5803.57 N 。4個(gè)輪子的受力總和為38223 N ，即叉車(chē) AGV的重力，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，左邊兩輪受力值呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢(shì)，右邊兩輪受力值呈現(xiàn)不斷減小的變化趨勢(shì)，揭示叉車(chē)向左側(cè)轉(zhuǎn)彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)受力狀態(tài)。

（2） 叉車(chē) AGV加載狀態(tài)仿真試驗(yàn)

叉車(chē) AGV加載1500 kg重物后，在轉(zhuǎn)彎處發(fā)生側(cè)傾的最大角度值為0.285°、約66 s時(shí)橫擺角速度最大值為0.28°/s ，橫擺角速度的波動(dòng)有所加劇;后驅(qū)動(dòng)輪受力為12883.93 N ，后萬(wàn)向輪受力為12723.21 N ;前驅(qū)動(dòng)輪受力為13571.43 N ，前萬(wàn)向輪受力為13750 N 。4個(gè)輪子的受力總和為52930 N ，如圖15所示。

（3） 叉車(chē) AGV加載重物后舉升狀態(tài)下的仿真試驗(yàn)叉車(chē)AGV加載1500 kg重物并舉升1 m后，轉(zhuǎn)彎處的側(cè)傾角最大值為0.125°、橫擺角速度最大值為0.315°/s，橫擺角速度的波動(dòng)加大，但運(yùn)行狀態(tài)尚未失穩(wěn);后驅(qū)動(dòng)輪受力為13125 N ，后萬(wàn)向輪受力為13125 N ;前驅(qū)動(dòng)輪受力為13336.207 N ，前萬(wàn)向輪受力為13343.600 N，如圖16所示。

（4） 空載大角度參數(shù)試驗(yàn)

試驗(yàn)中在65s時(shí)輸入不合理的大角度轉(zhuǎn)彎參數(shù)，隨即側(cè)傾角、橫擺角速度和車(chē)身側(cè)傾角發(fā)生變化，側(cè)傾角、橫擺角速度以及四輪壓地力在76 s處開(kāi)始出現(xiàn)大幅度變化，隨后急劇變化，表明已出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，如圖17所示。

對(duì)比以上4組實(shí)驗(yàn)，可以得到結(jié)論：當(dāng)叉車(chē) AGV滿載時(shí)，其穩(wěn)定性保持不變，4個(gè)輪子的受力變化幅度不大。當(dāng)前后輪偏角設(shè)定不合適時(shí)，車(chē)身側(cè)傾角、橫擺角速度和四輪壓地力急劇變化，導(dǎo)致叉車(chē) AGV的運(yùn)行工況不正常。這也表明本研究中采用橫擺角速度、側(cè)傾角和四輪壓地力作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)是有效的。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的叉車(chē) AGV具有車(chē)身、前移機(jī)構(gòu)、貨叉、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)，采用有限元計(jì)算對(duì)重載荷的貨叉和前移機(jī)構(gòu)的門(mén)架部件進(jìn)行強(qiáng)度分析表明機(jī)構(gòu)可滿足使用要求。對(duì)關(guān)鍵零部件的模態(tài)分析表明：貨叉的末端和門(mén)架的頂部是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，容易發(fā)生變形，需進(jìn)行強(qiáng)化。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度為1 m/s時(shí)，滿載1500 kg重物，舉升1 m ，所設(shè)計(jì)的叉車(chē) AGV能滿足正常工作條件。叉車(chē) AGV在不同載荷運(yùn)行工況下，空載狀態(tài)時(shí)車(chē)身橫擺角速度最大值為0.42°，當(dāng)載荷1500 kg時(shí)車(chē)身側(cè)傾角最大值為0.285°，運(yùn)行性能穩(wěn)定，抗傾覆性強(qiáng)、不會(huì)發(fā)生橫向或側(cè)向的傾覆。本研究成果為新型叉車(chē) AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析提供了一種有益方法。

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第一作者簡(jiǎn)介：李漾（1987-），男，江西南昌人，博士，研究領(lǐng)域?yàn)橹悄苤圃炫c企業(yè)管理，已發(fā)表論文3篇。

（編輯：王智圣）