AGV升降齿轮齿条疲劳强度分析

文/杨建辉

AGV是Automated Guided Vehicle的缩写，即“自动导引运输车”。近年来，随着人力成本的不断上升以及物流自动化的不断升级，AGV的应用越来越广泛。齿轮齿条主要优点为传递功率大（可达105KW）、传递效率高、工作平稳、可靠性高等，适用于重负载长距离的传动，因而齿轮齿条在重载AGV的升降系统中应用较多。齿轮齿条承载着AGV的全部载荷，如果齿轮齿条因强度不够导致失效将引起AGV的安全问题，因而有必要对齿轮齿条的强度进行分析。本文以举升载荷3000kg的潜伏顶升AGV为例，对升降齿轮齿条进行了疲劳强度分析，为升降齿轮齿条的设计提供了依据。

一、重载AGV升降齿轮齿条结构

重载AGV采用两套升降齿轮齿条结构来实现举升搬运负载，齿轮齿条结构主要由举升平板（1）齿轮、（2）齿条、（3）齿条衬套、（4）随动轴承、（5）安装座、（6）两个导向套、（7）两根导轴、（8）等组成；工作时，由电机提供动力驱动齿轮、（2）转动，通过齿轮（2）和齿条（3）的啮合以及导向套（7）和导轴（8）的导向，使齿条（3）上下运动，实现举升平板（1）的上下运动。升降齿轮齿条主要结构如图1。

二、重载AGV升降齿轮齿条的强度分析

1.三维有限元模型及边界条件设置

根据重载AGV升降齿轮齿条的基本参数（见表1），采用solid works软件分别建立齿轮、齿条的三维模型，并根据齿轮齿条的参数进行装配。将齿轮齿条装配模型导入AnsysWorkbench中进行有限元分析。齿轮材料选用20CrMnTi，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服强度为850MPa（经渗碳后淬火）。齿条材料选用40Cr，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服强度为500MPa（调质处理）。

为模拟实际工况，真实反映齿轮齿条受力状况，在齿轮中心设置远程点，并定义远程点为固定（六个方向的自由度均为零），在齿条侧面设置无摩擦约束，确保齿条只能上下运动，设置齿轮与齿条接触为面-面接触，齿轮的接触面为主面，齿条的接触面为从面，接触的摩擦系数为0.15；同时在齿条顶部加载1500Kg（3000Kg的负载平均压在两根齿条上）的负载。对齿轮齿条接触面网格大小设置为0.1mm，齿轮齿条有限元网格划分如图2。

图1：齿轮齿条安装结构示意图

2.齿轮齿条强度分析

对齿轮齿条进行边界条件设置及网格划分，并根据实际情况进行加载，齿轮齿条有限元分析结果如图3、图4、图5所示。

从图3齿轮齿条应力云图可知，最大应力发生齿条上约为128.6MPa，远小于材料的屈服强度500MPa。从图4应变云图可知最大应变为0.00086m/m。从图5可知齿条的最小安全系数为3.89。

三、重载AGV升降齿轮齿条的疲劳分析

1.齿轮齿条疲劳载荷

疲劳就是材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。疲劳寿命的定义为发生疲劳破坏时的载荷循环次数。根据齿轮齿条的静强度分析结果，在后处理器中加载循环交变应力载荷，载荷曲线如图6。

图2：齿轮齿条有限元网格

图3：齿轮齿条应力云图

图4：齿轮齿条应变云图

图5：齿轮齿条安全系数

图6：循环交变应力载荷曲线

2.疲劳结果分析

对齿轮齿条加载循环交变应力载荷，进行疲劳分析，结果如图7。

图7：齿轮齿条疲劳寿命

从图7可知，齿条比齿轮先损坏，齿条的最小疲劳寿命为57213次。

为了研究不同载荷情况下，齿轮齿条的疲劳寿命关系，对齿轮齿条进行疲劳敏感性分析，结果如图8。

图8：齿轮齿条疲劳敏感性分析

从图8可知，当齿条加载1500Kg的情况下，齿条的最小疲劳寿命为57273次。当齿条加载一半的载荷750Kg时，齿条的最小疲劳寿命为1000000次。当齿条加载两倍的载荷3000Kg时，齿条的最小疲劳寿命约为5318次。在0.5～2倍的1500Kg载荷之间，可以通过齿轮齿条疲劳敏感性分析曲线来确认疲劳寿命。

表1：齿轮与齿条的基本参数

四、结语

本文根据重型AGV的举升结构，建立了升降系统齿轮齿条三维模型，并模拟实际工况加载，对齿轮齿条进行了疲劳强度分析，得到最大应力发生齿条上约为128.6MPa。齿条比齿轮先损坏，齿条的疲劳寿命为57273次。同时，通过齿轮齿条疲劳敏感性分析，预测了在0.5～2倍的1500Kg载荷之间，齿轮齿条的疲劳寿命。