AGV升降齒輪齒條疲勞強度分析

文/楊建輝

AGV是Automated Guided Vehicle的縮寫，即“自動導引運輸車”。近年來，隨著人力成本的不斷上升以及物流自動化的不斷升級，AGV的應用越來越廣泛。齒輪齒條主要優點為傳遞功率大（可達105KW）、傳遞效率高、工作平穩、可靠性高等，適用于重負載長距離的傳動，因而齒輪齒條在重載AGV的升降系統中應用較多。齒輪齒條承載著AGV的全部載荷，如果齒輪齒條因強度不夠導致失效將引起AGV的安全問題，因而有必要對齒輪齒條的強度進行分析。本文以舉升載荷3000kg的潛伏頂升AGV為例，對升降齒輪齒條進行了疲勞強度分析，為升降齒輪齒條的設計提供了依據。

一、重載AGV升降齒輪齒條結構

重載AGV采用兩套升降齒輪齒條結構來實現舉升搬運負載，齒輪齒條結構主要由舉升平板（1）齒輪、（2）齒條、（3）齒條襯套、（4）隨動軸承、（5）安裝座、（6）兩個導向套、（7）兩根導軸、（8）等組成；工作時，由電機提供動力驅動齒輪、（2）轉動，通過齒輪（2）和齒條（3）的嚙合以及導向套（7）和導軸（8）的導向，使齒條（3）上下運動，實現舉升平板（1）的上下運動。升降齒輪齒條主要結構如圖1。

二、重載AGV升降齒輪齒條的強度分析

1.三維有限元模型及邊界條件設置

根據重載AGV升降齒輪齒條的基本參數（見表1），采用solid works軟件分別建立齒輪、齒條的三維模型，并根據齒輪齒條的參數進行裝配。將齒輪齒條裝配模型導入AnsysWorkbench中進行有限元分析。齒輪材料選用20CrMnTi，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度為850MPa（經滲碳后淬火）。齒條材料選用40Cr，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度為500MPa（調質處理）。

為模擬實際工況，真實反映齒輪齒條受力狀況，在齒輪中心設置遠程點，并定義遠程點為固定（六個方向的自由度均為零），在齒條側面設置無摩擦約束，確保齒條只能上下運動，設置齒輪與齒條接觸為面-面接觸，齒輪的接觸面為主面，齒條的接觸面為從面，接觸的摩擦系數為0.15；同時在齒條頂部加載1500Kg（3000Kg的負載平均壓在兩根齒條上）的負載。對齒輪齒條接觸面網格大小設置為0.1mm，齒輪齒條有限元網格劃分如圖2。

圖1：齒輪齒條安裝結構示意圖

2.齒輪齒條強度分析

對齒輪齒條進行邊界條件設置及網格劃分，并根據實際情況進行加載，齒輪齒條有限元分析結果如圖3、圖4、圖5所示。

從圖3齒輪齒條應力云圖可知，最大應力發生齒條上約為128.6MPa，遠小于材料的屈服強度500MPa。從圖4應變云圖可知最大應變為0.00086m/m。從圖5可知齒條的最小安全系數為3.89。

三、重載AGV升降齒輪齒條的疲勞分析

1.齒輪齒條疲勞載荷

疲勞就是材料在循環應力和應變作用下，在一處或幾處產生永久性累積損傷，經一定循環次數后產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程。疲勞壽命的定義為發生疲勞破壞時的載荷循環次數。根據齒輪齒條的靜強度分析結果，在后處理器中加載循環交變應力載荷，載荷曲線如圖6。

圖2：齒輪齒條有限元網格

圖3：齒輪齒條應力云圖

圖4：齒輪齒條應變云圖

圖5：齒輪齒條安全系數

圖6：循環交變應力載荷曲線

2.疲勞結果分析

對齒輪齒條加載循環交變應力載荷，進行疲勞分析，結果如圖7。

圖7：齒輪齒條疲勞壽命

從圖7可知，齒條比齒輪先損壞，齒條的最小疲勞壽命為57213次。

為了研究不同載荷情況下，齒輪齒條的疲勞壽命關系，對齒輪齒條進行疲勞敏感性分析，結果如圖8。

圖8：齒輪齒條疲勞敏感性分析

從圖8可知，當齒條加載1500Kg的情況下，齒條的最小疲勞壽命為57273次。當齒條加載一半的載荷750Kg時，齒條的最小疲勞壽命為1000000次。當齒條加載兩倍的載荷3000Kg時，齒條的最小疲勞壽命約為5318次。在0.5～2倍的1500Kg載荷之間，可以通過齒輪齒條疲勞敏感性分析曲線來確認疲勞壽命。

表1：齒輪與齒條的基本參數

四、結語

本文根據重型AGV的舉升結構，建立了升降系統齒輪齒條三維模型，并模擬實際工況加載，對齒輪齒條進行了疲勞強度分析，得到最大應力發生齒條上約為128.6MPa。齒條比齒輪先損壞，齒條的疲勞壽命為57273次。同時，通過齒輪齒條疲勞敏感性分析，預測了在0.5～2倍的1500Kg載荷之間，齒輪齒條的疲勞壽命。