用于AGV轮毂电机的行星驱动执行器：解决扭矩、转弯半径和驱动集成挑战

大家好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。今天，我想介绍行星驱动执行器如何应用于AGV 轮毂电机系统，以及更重要的是，它们能够解决哪些实际工程问题。

随着 AGV 和 AMR 越来越多地应用于智能工厂、仓库、物流中心和自动化生产线，其车轮驱动系统面临着更高要求。AGV 需要具备足够的车轮扭矩，以实现重载起步、爬坡、平稳加速，并在频繁启停和正反转工况下可靠运行。同时，完整的驱动系统必须保持紧凑，因为 AGV 底盘内部的可用空间通常十分有限。

根据我在精密传动和运动控制领域的经验，最重要的挑战之一是电机的运行特性与 AGV 车轮实际需求之间的不匹配。电机可能在相对较高的转速下高效运行，而车轮则需要更低的转速和显著更高的扭矩。

这正是行星驱动执行器特别有用的地方。通过将电机与行星减速机构相结合，并根据系统架构配置反馈、制动及其他驱动部件，执行器能够将电机的高速输出转换为车轮所需的低速、高扭矩运动。

本文将说明行星驱动执行器与 AGV 轮毂电机之间的工程关系，包括车轮扭矩、减速比、爬坡能力、转弯半径、直驱系统以及谐波驱动执行器。

什么是 AGV 轮毂电机？

AGV 轮毂电机是一种驱动系统，其中电机布置在驱动轮附近，为车辆移动提供所需的机械动力。根据车辆架构的不同，电机可以直接安装在车轮内部，也可以通过减速齿轮箱与车轮连接。

乍看之下，其原理似乎很直接。然而，在设计实际 AGV 驱动系统时，必须同时考虑许多要求。电机必须产生足够的扭矩，以加速 AGV、克服滚动阻力、爬坡并承载所需负载。同时，它还需要在宽广的转速范围内高效运行，并保持足够紧凑以安装在车辆底盘内。

这带来了一个根本性的工程问题：电机的最佳运行转速通常远高于 AGV 车轮所需的转速。

例如，电机可能在每分钟数千转时高效运行，而 AGV 车轮可能只需要每分钟数百转。如果将电机直接连接到车轮，电机就必须在低速下产生相对较高的扭矩。在许多情况下，这会导致电机尺寸更大、电流需求更高、热负荷更大，并占用更多安装空间。

行星驱动执行器通过在电机和车轮之间设置减速传动机构，提供了另一种方案。

为什么 AGV 轮毂电机需要行星驱动执行器？

匹配电机转速与车轮转速

我们需要解决的第一个问题是电机转速与车轮转速之间的差异。

其关系可表示为：

n_w = n_m / i

其中 n_w 为车轮转速，n_m 为电机转速，i 为行星齿轮箱减速比。

选择合适的减速比后，电机可以在更接近其高效转速范围内运行，同时车轮以 AGV 所需的较低转速旋转。

这对于 AGV 牵引系统尤为重要，因为车辆通常需要相对较低的车轮转速，但需要较高的车轮扭矩。我们无需让电机直接产生全部所需车轮扭矩，而是可以利用行星传动机构，将高速、低扭矩的电机输出转换为低速、高扭矩的车轮输出。

从工程角度来看，这使我们在选择电机时拥有更大的自由度。我们可以将电机和齿轮箱作为完整的动力传动系统进行优化，而不是试图让电机本身满足所有轮端要求。

无需单纯增大电机尺寸即可提高轮端扭矩

车轮扭矩是 AGV 驱动系统中最重要的参数之一。

简化关系如下：

T_w = T_m × i × η

其中 T_w 为车轮扭矩，T_m 为电机扭矩，i 为减速比，η 为传动效率。

因此，行星齿轮箱可提供机械扭矩放大作用，使相对紧凑的电机能够在车轮处产生显著更高的扭矩。

当 AGV 需要承载重载时，这一优势会更加明显。在起步、加速、爬坡或克服滚动阻力暂时增加时，车轮所需扭矩可能远高于电机本身能够高效提供的扭矩。

在这种情况下，行星驱动执行器可以帮助我们获得所需的轮端扭矩，而无需单纯增加电机直径和重量。

车轮直径如何影响 AGV 驱动扭矩

当我与工程师讨论 AGV 车轮驱动系统时，车轮直径是另一个值得认真关注的参数。

地面产生的牵引力可近似计算为：

F_t = T_w / r

其中 F_t 为可用牵引力，T_w 为车轮扭矩，r 为有效车轮半径。

这意味着较大的车轮具有多项优势，包括更好的离地间隙和更强的通过小型地面不平整区域的能力。然而，较大的车轮要产生相同的牵引力，也需要更大的车轮扭矩。

例如，如果 AGV 需要一定的牵引力，增加车轮半径会按比例增加所需的车轮扭矩。

因此，我建议将车轮直径、负载、坡度、加速度、电机特性和齿轮箱速比结合起来考虑，而不是独立选择车轮电机。

正确选型的行星驱动执行器能够使电机特性与实际车轮直径及车辆运行要求相匹配。

解决重载起步问题

起步通常比稳态行驶要求更高。

当 AGV 从静止状态起步时，驱动系统需要克服滚动阻力和加速力。如果车辆在坡道上运行，还必须克服阻碍车辆前进的重力分力。

所需牵引力可估算为：

F_required = mg sinθ + C_rr mg cosθ + ma

其中 m 为包括负载在内的 AGV 总质量，g 为重力加速度，θ 为坡度角，C_rr 为滚动阻力系数，a 为加速度。

相应的车轮扭矩为：

T_w,required = F_required × r

这一计算解释了我们在实际 AGV 应用中经常看到的一个问题。驱动系统在车辆空载时可能表现良好，但当 AGV 承载最大负载时，其起步性能可能发生显著变化。

行星驱动执行器可在车轮处提供扭矩放大，使系统更容易获得所需的起步扭矩，而无需采用过大的电机。

因此，在评估 AGV 车轮驱动系统时，我不建议只关注电机的额定功率。峰值车轮扭矩、起步扭矩、加速要求和实际负载条件同样重要。

提升 AGV 爬坡能力

在工厂和物流设施中运行的 AGV 可能会遇到坡道、装卸平台、门槛或不平整地面。车辆爬坡时，部分驱动力必须用于克服重力。

坡度越大、车辆越重，所需的车轮扭矩就越大。

行星驱动执行器通过提高可用轮端扭矩，同时保持相对紧凑的电机组合来提供帮助。当 AGV 同时需要较高的载荷能力和有限的底盘空间时，这种架构尤具吸引力。

但是，我不建议简单地选择尽可能高的减速比。

过高的减速比会降低最大车轮速度，也可能影响车辆的动态响应。因此，应根据电机转速、车轮直径、车辆最高速度、连续扭矩、峰值扭矩、加速度和工作循环选择减速比。

目标是在车轮扭矩与车轮速度之间找到正确的平衡。

行星驱动执行器与 AGV 转弯半径的关系

转弯性能是 AGV 设计中的另一项重要考量。

对于差速驱动 AGV，车辆通过独立控制左右驱动轮的转速来改变方向。转弯半径的简化关系为：

R = L × (v_L + v_R) / [2(v_R − v_L)]

其中 R 为转弯半径，L 为左右车轮接触路径之间的距离，v_L 和 v_R 分别为两个车轮的速度。

当两个车轮以不同速度旋转时，AGV 将沿曲线路径行驶。如果左右车轮以相同速度向相反方向旋转，理论转弯半径可以接近零。

这里有一个有时被误解的重要观点：行星驱动执行器本身并不决定 AGV 的转弯半径。

实际转弯半径主要由 AGV 的机械架构、车轮布置、轴距或轮距、转向角和控制策略决定。行星驱动执行器会影响车轮可提供的扭矩和速度，从而决定驱动系统能否准确、可靠地实现所需的车轮速度差。

对于需要小转弯半径、零半径转向或频繁正反转运行的 AGV，驱动执行器还必须能够承受重复的扭矩反转和动态负载变化。

因此，在讨论 AGV 的转弯半径时，我们应考虑完整的驱动系统，而不是只看齿轮箱。

行星驱动执行器与直驱车轮电机对比

直驱车轮电机取消了机械减速级。电机直接驱动车轮，因此不存在齿轮箱背隙和额外的机械传动级。

这种架构具有明显优势。机械结构可以相对简单，且没有齿轮箱意味着消除了齿轮磨损和传动背隙。

但电机必须直接产生所需的车轮扭矩。

由于 AGV 车轮通常需要在低速下提供较高扭矩，直驱系统可能需要更大的电机，并具备更强的连续扭矩能力。电机还可能需要更大的电磁结构和更高的散热能力。

这造成了电机尺寸与可用底盘空间之间常见的设计矛盾。

行星驱动执行器采用不同的方法。行星齿轮箱不要求电机本身产生全部车轮扭矩，而是在将电机转速降低至合适车轮速度的同时提高输出扭矩。

对于 AGV 牵引应用，我通常认为行星架构是在扭矩密度、效率、机械尺寸、耐久性和系统成本之间取得的实用平衡。

当极高效率、简单机械结构或特定低速电机特性是首要考虑因素时，直驱仍然可以是出色的解决方案。正确选择取决于实际 AGV 设计。

行星驱动执行器与谐波驱动执行器对比

行星传动和谐波传动具有不同的机械特性，因此我们应根据执行器的功能在两者之间进行选择。

谐波驱动执行器以极低背隙、高减速比、紧凑结构和高定位精度而闻名。这些特性使谐波传动非常适用于机器人关节、精密旋转轴、摄像平台以及其他以角度定位精度为主要要求的应用。

AGV 牵引车轮则在另一组工况下运行。

车轮驱动可能经历反复加减速、车轮负载突变、地面冲击、车轮打滑以及频繁扭矩反转。因此，传动系统需要在大量重复循环中保持稳定运行的同时，提供较高的扭矩能力。

对于这类牵引应用，行星齿轮箱通常是更实用的选择，因为其具有高扭矩密度、高效传动、通过多个行星齿轮实现负载分配，以及在紧凑空间内承受高输出扭矩的能力。

这并不意味着行星传动普遍优于谐波传动。二者旨在解决不同的问题。

在 AGV 中，我通常会考虑将行星传动用于牵引轴；当转向机构需要极低背隙和精确角度定位时，则可考虑将谐波传动用于精密转向轴。

行星传动为何适用于 AGV 牵引

高扭矩密度

行星齿轮结构通过多个行星齿轮分配传递负载，使相对紧凑的齿轮箱能够承受较大的扭矩。

对于安装空间有限但车轮扭矩要求较高的 AGV 车轮驱动而言，这是行星传动的主要优势之一。

从机械设计角度来看，当齿轮箱必须安装在靠近车轮的位置时，从紧凑结构中获得高输出扭矩的能力尤其宝贵。

紧凑安装

除驱动系统外，AGV 底盘通常还容纳电池、控制器、传感器、安全设备、通信系统和机械结构。

这意味着每一毫米的安装空间都可能变得重要。

一体化行星驱动执行器可将多个驱动部件整合为更紧凑的组件，而无需将电机、齿轮箱、编码器、制动器和安装结构设计为完全独立的单元。

这可使 AGV 制造商在设计底盘和车轮组件时拥有更大的自由度。

高传动效率

在经过适当设计并与电机和运行工况匹配时，行星齿轮箱能够提供较高的传动效率。

对于长时间运行的 AGV，传动效率会直接影响能源消耗和电池利用率。

高效驱动系统可以减少不必要的能量损失，并帮助车辆更好地利用可用电池容量。

应对重复负载变化

AGV 驱动轮频繁加速、减速、停车、倒车和改变方向。

因此，传动系统需要应对反复的扭矩变化，而不仅仅是恒定负载。

行星架构非常适合需要兼具连续扭矩能力和短时峰值扭矩的应用。

为什么一体化行星驱动执行器可能优于独立齿轮箱

传统 AGV 驱动系统可能采用电机、独立行星齿轮箱、编码器、制动器、安装支架及其他部件。

这种方法提供了灵活性，但也带来了多个机械和电气接口。

一体化行星驱动执行器可将其中多个部件整合为一个经过工程设计的运动组件。这能够简化机械集成，并减少车辆开发期间所需的单独部件匹配工作。

当 AGV 制造商开发紧凑型车轮驱动平台，并需要协调整体尺寸、安装接口、线缆布线、编码器位置、制动器配置和车轮连接时，集成化的价值尤为明显。

执行器不再将电机和齿轮箱视为独立产品，而是成为车辆整体运动架构的一部分。

这种方法还可以更轻松地围绕通用驱动架构开发不同的 AGV 平台。

如何为 AGV 选择行星驱动执行器

为 AGV 应用选择行星驱动执行器时，我不建议仅从齿轮箱减速比入手。

第一步是确定包括 AGV 本身和最大负载在内的总移动质量。随后需要考虑所需最高速度、加速度、坡度角、车轮直径、驱动轮数量、滚动阻力和工作循环。

应基于实际牵引力计算车轮扭矩需求，而不是仅根据电机标称功率选择齿轮箱。

主要参数之间的关系可概括如下：

这些参数应始终结合考虑。

高减速比齿轮箱可能提供出色的输出扭矩，但会限制最大车轮速度。较大的车轮可能改善离地间隙，但会增加所需车轮扭矩。较大的电机可能提供更多扭矩，但会占用宝贵的安装空间。

因此，行星驱动执行器应作为完整 AGV 车轮驱动系统的一部分进行选择，而不能将其视为独立的齿轮箱。

示例：估算 AGV 的车轮扭矩

让我们来看一个简化示例。

假设一台 AGV 的总质量为 1,000 kg，包括负载。车辆采用四个驱动轮，每个车轮的有效半径为 0.1 m。假设 AGV 需要在加速时爬升 5% 的坡度。

所需牵引力可通过考虑重力阻力、滚动阻力和加速力进行估算：

F_required = mg sinθ + C_rr mg cosθ + ma

例如，如果假设滚动阻力系数为 0.015、加速度为 0.3 m/s²，则在这些简化条件下，总牵引力约为 935 N。

对于四个负载均等的驱动轮，每个车轮的平均牵引力需求约为：

935 / 4 ≈ 234 N

相应的车轮扭矩为：

T_w = 234 × 0.1 ≈ 23.4 N·m

这是在应用工程安全系数，或考虑动态载荷转移、轮胎摩擦、传动系统损失及其他实际工况之前的车轮扭矩。

如果行星齿轮箱的减速比为 20:1，假定传动效率为 90%，则产生该车轮扭矩所需的相应电机扭矩约为：

T_m = 23.4 / (20 × 0.9) ≈ 1.3 N·m

这一简单示例说明了使用行星驱动执行器的基本原因。行星减速机构无需让电机在低速下直接产生超过 23 N·m 的扭矩，而是允许将小得多的电机扭矩转换为所需的车轮扭矩。

在实际 AGV 设计中，我们还需要考虑安全系数、轮胎与路面的摩擦、车轮载荷分配、电池电压、电机热极限、齿轮箱峰值扭矩、加速曲线和瞬态冲击负载。

行星牵引与谐波转向：实用的 AGV 架构

对于某些先进 AGV 和 AMR，我认为不必为每个轴选择同一种传动技术。

更实用的架构可以是：牵引车轮采用行星驱动执行器，转向机构采用谐波驱动执行器。

行星执行器负责高扭矩车轮驱动功能，包括加速、爬坡和持续牵引。需要精确角度定位和低背隙时，谐波执行器可用于转向轴。

这使每种传动技术都能够执行其在机械上适合的功能。

例如，四轮转向 AGV 可能要求转向轴精确控制车轮方向，同时牵引轴需要高扭矩和高效的连续运行。

在这类系统中，行星牵引执行器和谐波转向执行器可以相互补充，而非彼此竞争。

适用于 AGV 和 AMR 应用的行星驱动执行器

同样的工程原理也适用于 AMR。

AMR 驱动轮需要为加速、负载运输、爬坡和频繁改变方向提供足够的扭矩。同时，驱动系统必须能够装入紧凑的移动平台内部。

这使行星驱动执行器适用于多种移动机器人架构，包括差速驱动 AMR、自动叉车、仓储运输机器人、移动平台和其他自动化物料搬运设备。

具体的执行器设计取决于车辆采用差速驱动、转向驱动、全向驱动、麦克纳姆轮还是其他车轮配置。

对于每种架构，均需将电机、行星减速比、车轮直径、输出扭矩、车轮速度和控制策略作为一个系统进行评估。

行星驱动执行器实际解决了哪些问题？

从 AGV 工程的角度看，行星驱动执行器的价值并不只是为车轮电机增加一个齿轮箱。

更重要的是，它同时解决了多个系统层面的问题。

它解决了电机高转速与车轮低转速之间的不匹配。当 AGV 需要重载起步或爬坡时，它可提高轮端扭矩。它有助于解决电机尺寸与有限底盘空间之间的矛盾。它提供能够承受反复加速、减速、反转和变化车轮负载的传动架构。它还可以帮助将电机、行星传动、反馈、制动器和机械接口集成为紧凑的驱动组件。

换言之，行星驱动执行器并非只是一个传动部件。经过适当设计后，它将成为 AGV 整体运动系统的重要组成部分。

HONPINE 的行星驱动执行器开发方法

在 HONPINE，我们专注于工业自动化和移动机器人应用的精密传动与运动解决方案。

在为 AGV 或 AMR 开发行星驱动执行器时，我认为最重要的是从车辆实际需求出发，而不是先选择齿轮箱。

电机特性、减速比、输出扭矩、车轮速度、车轮直径、编码器配置、制动要求、安装尺寸和机械接口均需一并考虑。

我们的目标并不只是提高齿轮箱扭矩。更重要的是匹配电机、行星传动、反馈系统和轮端需求，从而使完整驱动系统高效、可靠地运行。

对于需要在紧凑安装空间内获得高车轮扭矩的 AGV 制造商而言，行星驱动执行器可在传统的独立电机与齿轮箱架构以及尺寸更大的直驱电机之间，提供实用的解决方案。

结论

从我作为运动系统工程师的角度来看，设计 AGV 车轮驱动系统并不只是选择一台功率足够的电机。

车轮扭矩、车轮直径、车辆速度、加速度、负载、爬坡能力、转弯半径、安装空间、热性能和工作循环彼此紧密相关。

直驱车轮电机能够提供简单的机械架构并消除齿轮箱背隙，但当低车轮转速下需要高扭矩时，可能需要更大的电机。

谐波驱动执行器具有出色的定位精度和极低背隙，因此适用于精密转向和机器人关节应用。然而，对于承受反复冲击和高扭矩反转的牵引车轮而言，它不一定是首选。

行星驱动执行器为许多 AGV 和 AMR 牵引应用提供了平衡的解决方案。通过将电机高转速与较低车轮转速匹配，并在车轮处放大电机扭矩，它能够帮助实现高扭矩密度、紧凑安装、高效传动以及可靠的起步和爬坡性能。

因此，对 AGV 制造商而言，关键问题并不只是是否使用行星齿轮箱。更重要的问题是，电机、行星传动、编码器、制动器、车轮接口和控制要求是否被工程化地整合为一套完整驱动系统。

当与 AGV 的负载、车轮直径、速度、扭矩和工作循环正确匹配时，行星驱动执行器可成为紧凑、高效、可靠的 AGV 车轮驱动架构的重要组成部分。

感谢阅读。希望这篇技术讨论能让您更清楚地了解，为什么行星驱动执行器正越来越多地被应用于 AGV 和 AMR 车轮驱动领域。