ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МОТОР-КОЛЕС ДЛЯ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РОБОТА-ПЛАТФОРМЕРА С ВЫСОКОЙ ПРОХОДИМОСТЬЮ. Обоснование выбора моторколес для создания автоматизированного роботаплатформера с высокой проходимостью а. К. Юманов, А. А. Барциц, Д. А. Бобров
 Скачать 113.9 Kb.
|
|
УДК 629.3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МОТОР-КОЛЕС ДЛЯ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РОБОТА-ПЛАТФОРМЕРА С ВЫСОКОЙ ПРОХОДИМОСТЬЮ А.К. Юманов, А.А. Барциц, Д.А. Бобров Научный руководитель – Горбовский Д.И. Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова Решаемая задача: Описание преимуществ и недостатков мотор-колес, создание алгоритма расчета необходимых параметров для мотор-колеса. Создание автоматизированного робота-платформера высокой проходимости включает в себя следующие задачи: определение параметров эксплуатации: разработка ходовой части, обеспечивающей необходимые параметры проходимости, скорости и надежности; разработка системы управления ходовой частью. Понятие робот-платформер подразумевает под собой платформу, несущую полезную нагрузку, причем различную. Ввиду этого при разработке требуется обеспечение таких параметров как: модульность конструкции, взаимозаменяемость элементов. В условиях эксплуатации необходима высокая надежность изделия, быстрое техобслуживание. Для обеспечения требуемых параметров необходимо максимально упростить ходовую часть, сохранив высокую проходимость робота по недетерминированной местности. Существующие ходовые части, такие как: колесный привод, гусеничный привод, обеспечивают достаточные параметры проходимости и скорости, однако имеют основой массивные передаточные механизмы: подвеска, трансмиссия, сцепление, что в свою очередь ведет к значительному увеличению массы исходного продукта. Решить данную проблему помогают электроприводы, такие как мотор-колеса (Далее МК). Мотор-колесо было изобретено в конце XIX века, а его преимущества и недостатки описаны в патенте Чарльза Принцип работы МК состоит в следующем: создается крутящий момент за счет возникновения вращающегося магнитного поля в зафиксированном статоре, который взаимодействует с этим полем за счет магнитов -Терикома в 1896 году [3]. В сущности, по своему устройству мотор-колесо представляет собой колесо с интегрированным бесколлекторным электродвигателем и системой рекуперативного торможения [1]. Существует два вида мотор-колес: МК прямого привода и редукторные МК. Несмотря на одинаковый принцип действия эти два типа МК сильно отличаются по своим характеристикам, главной из которых для нас является проходимость. . Статор напоминает своим видом многолучевую звездочку, изготавливаемую из электротехнической стали, с обмоткой. В момент подачи электрического импульса, создаваемого методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ сигнал) на обмотки лучи статора становятся магнитами, которые взаимодействуют с постоянными магнитами на роторе. Момент активации магнитов в статоре происходит за счет датчиков Холла, которые определяют относительно положение ротора и статора. В результате регистрации магнитного поля датчики создают ШИМ сигнал, попадающий на контроллер. По этому сигналу контроллер подает импульсы на обмотку. За данный цикл происходит один оборот ротора.[2] Различия в устройстве редукторного МК и МК прямого привода состоит в следующем: для МК прямого привода ротором является ось колеса с обмотками, а статором – втулка колеса с постоянными магнитами. Такая схема по своему существу является классическим трехфазным двигателем переменного тока. В свою очередь у редукторного МК передаточная система является планетарной, что сильно влияет на его крутящий момент и компоновку. В вопросе обеспечения требуемых параметров мотор-колеса решают поставленные задачи, такие как упрощение ходовой части , обеспечение модульности конструкции, обеспечение быстрого техобслуживания следующим образом: так как мотор-колесо имеет встроенный электродвигатель, то каждое колесо имеет собственный привод, за счет чего пропадает необходимость внедрения рулевых и передаточных механизмов, тем самым упрощается ходовая часть; простое внутреннее устройство мотор-колеса обеспечивает неприхотливость технического обслуживания ходовой части; разнообразие мотор-колес позволяет быстро производить замену поврежденного колеса, либо заменить колесную базу на другую целиком за малый промежуток времени и без использования специальных инструментов. Созданная на основе мотор-колес ходовая часть позволяет использовать менее мощные мотор колеса для обеспечения идентичных тягловых и скоростных характеристик с обычными электроприводами, что в свою очередь ведет к меньшему энергопотреблению системы, а соответственно и к еще большему облегчению за счет менее массивных источников питания.  Рис.1 – Устройство мотор-колеса Существует два типа мотор-колес: редукторные МК и МК прямого привода. Эти два типа мотор-колес имеют значительные различия в устройстве. Редукторные МК содержат редуктор, как правило планетарный, обгонную муфту. МК прямого привода состоят из ротора и статора. Эти различия в устройстве определяют свойства мотор-колеса. Редукторные МК обладают следующими преимуществами: оптимальный КПД на всех скоростных диапазонах, низкое энергопотребление ввиду малой мощности, варьирующейся в пределах от 250 Вт до 600 Вт для обеспечения стабильной работы двигателя, хороший накат, высокий крутящий момент при запуске ввиду наличия редуктора, малая масса колеса в диапазоне от 1.4 кг до 5 кг. Из недостатков следует отметить меньший ресурс ввиду наличия редуктора, шум, невысокая скорость в сравнении с МК прямого привода, отсутствие рекуперативного торможения. МК прямого привода обладают высокой скоростью передвижения по прямой траектории и сравнительно с редукторными МК, намного долговечнее при длительном использовании ввиду простоты конструкции, низкий уровень шума, наличие рекуперативного торможения. Недостатки МК прямого привода: большой вес колеса, низкие тягловые характеристики, эффективный КПД достигается в малом диапазоне скоростей [4]. Рассмотренные свойства мотор колес различных позволяют сделать следующие выводы: для создания робота-платформера высокой проходимости целесообразно использовать мотор-колеса с редуктором. Этот тип МК позволяет достичь необходимых параметров проходимости, модульности, простоты технического обслуживания. Так как ходовая часть на основе мотор-колес включает в себя только мотор-колеса, рессоры и рычаги крепления колес, она значительно дешевле в сравнении с классическим колесным приводом. Управляемость обеспечивается за счет индивидуального привода на каждом колесе. Ниже приведен метод расчета параметров мотор-колеса для обеспечения необходимой скорости передвижения робота в скоростном режиме и тяговом режиме. Скоростной режим Основное требование: обеспечение движения колеса со скоростью V с колесом радиуса  по горизонтальному участку дороги с коэффициентом сопротивления качению f и с полной загрузкой m (полная масса колес mш с оборудованием, плюс полезная нагрузка mг).На основании принятых допущений получим следующие расчетные параметры: частота вращения колес:   2) потребный тяговый момент (в пересчете на колесо необходимо разделить на количество тяговых колес):  требуемая мощность мотор-колес на выбранном режиме (в пересчете на колесо необходимо разделить на количество тяговых колес):  Тяговый режим Основное требование: обеспечение движения колес со скоростью Vс колесом радиуса по горизонтальному участку дороги с коэффициентом сопротивления качению fи углом наклона α с полной загрузкой m (полная масса mш с оборудованием плюс полезная нагрузка mг).На основании принятых допущений получим следующие расчетные параметры: частота вращения колес:  коэффициент сопротивления движению:  потребный тяговый момент (в пересчете на колесо необходимо разделить на количество тяговых колес):  [Нм] (в пересчете на одно колесо)Для определения потребного тягового момента на отдельное колесо необходимо учитывать распределение нагрузки на колеса. В случае двухосной системы распределение тяговых моментов соответствует таблице 1 [5].
Таб.1 Распределение тяговых моментов относительно распределения масс Для определения действительного тягового момента необходимо отношение распределения моментов на оси умножить на потребный тяговый момент  ; Требуемая мощность мотор-колес  В пересчете на каждое колесо:  Библиографический список Ишлинский А.Ю. Политехнический словарь – 3-е издание, переработанное и дополненное // М.: Советская энциклопедия, 1989, 317с. Кудишин И.В. «Энциклопедия техника» // М.: Росмэн,, 2011, 120 с. История изобретения мотор-колеса [Электронный ресурс]- URL: https://electropowerbikes.com/istoriya-izobreteniya-motor-kolesa/ (дата обращения 20.03.2022) Редукторные мотор-колеса [Электронный ресурс]- URL: https://www.electra.com.ua/otovarah/reduktornye-motor-kolesa.html (дата обращения 20.03.2022) Робофорум [Электронный ресурс] – URL: http://roboforum.ru/forum8/topic275.html (дата обращения 20.03.2022) |
– передняя ось, вторая 
– задняя)