AGV 구동 시스템 선택: 차동 구동, 조향 구동 및 메카넘 허브 모터 중 어떻게 선택해야 할까요?

AGV 구동 시스템을 선택하는 올바른 순서는 먼저 차동 구동, 조향 구동 또는 메카넘 휠 구동 중 구동 메커니즘을 결정한 다음 휠을 선택하는 것입니다. 메커니즘에 따라 휠 수, 하중 방향, 차축 하중 분포 및 잠재적 고장 모드가 결정됩니다. 구동 메커니즘을 정의하기 전에 휠 사양을 비교하는 것은 실제 하중 조건이 확립되기 전에 휠을 선택하는 것과 같습니다.

휠 요구사항은 휠 직경 일관성, 트레드 마찰 및 마모 특성, 휠 코어 동심도 및 인터페이스 정확도, 베어링 및 하중 지지 구성이라는 네 가지 일반적인 파라미터로 요약할 수 있습니다. 그러나 이러한 파라미터의 우선순위는 구동 메커니즘에 따라 크게 달라집니다.

허브 모터를 선택하기 전에 구동 메커니즘을 결정해야 하는 이유는 무엇입니까?

많은 AGV 프로젝트에서 휠은 비교적 늦은 단계에 논의되는 경우가 많습니다. 내비게이션 시스템, 스케줄링 로직 및 차량 구조를 먼저 정의하고, 휠은 마지막에 구매하는 실행 구성품으로 취급됩니다.

이러한 순서 자체가 근본적으로 잘못된 것은 아닙니다. 문제는 휠을 표준화된 구매 부품으로 취급할 때 발생합니다. 예를 들어 하중 용량만을 기준으로 직경을 선택하고, 경험에 따라 트레드 경도를 결정하며, 추가적인 시스템 수준 분석 없이 휠을 설치하는 경우입니다.

AGV가 운행을 시작한 후 주행 방향 편차, 위치 오차 및 불균일한 트레드 마모와 같은 문제가 나타날 수 있습니다. 문제 해결은 종종 내비게이션이나 제어 알고리즘에 집중되지만, 실제 근본 원인은 구동 메커니즘과 휠 간의 부적합에 있을 수 있습니다.

1. 전달 체인 1: 구동 메커니즘은 휠 하중의 방향을 결정합니다

동일한 폴리우레탄 코팅 휠이라도 구동 메커니즘에 따라 완전히 다른 힘을 받을 수 있습니다.

차동 구동 시스템에서 종동 휠은 차체를 따라 움직이면서 횡력을 받습니다. 회전 중에는 트레드가 바닥면과 횡방향으로 마찰될 수 있습니다.

조향 구동 시스템에서 구동 휠은 견인력과 수직 하중뿐 아니라 조향 메커니즘을 통해 전달되는 조향 반력 토크 및 조향 시 발생하는 횡방향 마찰도 견뎌야 합니다.

메카넘 휠의 경우 롤러는 반경 방향 압력과 축 방향 힘 성분을 동시에 받습니다. 따라서 하중 조건이 더 복잡합니다.

힘의 방향이 달라지므로 필요한 트레드 배합도 달라집니다.

견인력이 주요 요구사항인 용도에는 일반적으로 안정적인 마찰계수와 우수한 내마모성이 필요합니다. 이러한 조건에는 더 단단하고 내마모성이 높은 트레드 배합이 더 적합한 경우가 많습니다.

휠이 주로 끌리거나 횡방향 마찰을 받는 용도에서는 트레드가 바닥 자국과 열 발생을 최소화해야 합니다. 따라서 구름 저항이 낮은 더 부드러운 배합이 더 적합할 수 있습니다.

HanKe의 Eamflex 93A 트레드 시스템은 높은 내마모성을 목표로 설계되었으며, Saxflex 75A 트레드 시스템은 바닥 보호에 더욱 중점을 두고 설계되었습니다. 이 두 트레드 방향은 위에서 설명한 서로 다른 하중 조건에 대응합니다. 잘못된 트레드 특성을 선택한 경우 문제는 즉시 드러나지 않고 수백 시간의 운전 후에야 나타날 수 있습니다.

2. 전달 체인 2: 구동 메커니즘은 차축 하중 분포 및 하중 전달을 결정합니다

선정 단계에서 각 휠의 하중을 추정하기 위해 균등한 정적 하중 분포를 사용하는 것은 일반적인 단순화 방식입니다.

예를 들어 총 적재 질량이 4,000 kg인 4륜 AGV를 가정해 보겠습니다. 단순한 정적 계산으로는 휠당 1,000 kg이 산출됩니다.

그러나 가속, 제동 및 회전 중에는 하중이 휠 사이에서 이동합니다. 대략적인 하중 전달량은 다음 식으로 추정할 수 있습니다.

ΔF = m × a × h ÷ B

여기서 m은 킬로그램 단위의 차량 총질량, a는 초당 미터 제곱 단위의 종방향 또는 횡방향 가속도, h는 미터 단위의 무게중심 높이, B는 미터 단위의 윤거입니다.

대표적인 파라미터 세트를 사용하면 다음과 같습니다.

m = 4,000 kg

a = 0.5 m/s²

h = 0.5 m

B = 0.8 m

계산된 하중 전달량은 다음과 같습니다.

ΔF = 4,000 × 0.5 × 0.5 ÷ 0.8 = 1,250 N

이는 내측 휠에서 외측 휠로 전달되는 약 127 kgf의 추가 수직 하중에 해당합니다.

이 계산의 의미는 동적 조건에서 개별 휠의 실제 하중이 정적 균등 분포값보다 높을 수 있다는 것입니다. 초기 선정 시 하중 여유가 매우 작으면 회전, 경사로 주행 또는 비상 제동 시 문제가 처음 드러날 수 있습니다.

각 휠의 정확한 하중 증가는 휠 구성과 서스펜션 배치에 따라 달라지며 실제 차량 파라미터를 사용하여 계산해야 합니다. 그러나 일반 원칙은 명확합니다. AGV가 전방향 이동과 조향을 더 자주 수행할수록 휠 선정 시 동적 하중 전달이 더욱 중요해집니다.

단일 조향 휠 구성은 대표적인 예입니다. 하나의 구동 지점이 추진과 조향을 모두 담당하는 경우, 해당 휠의 하중 요구사항은 차량 총중량을 휠 수로 단순히 나누어 얻는 값보다 훨씬 높을 수 있습니다.

조향 유닛의 각도 편차 또는 런아웃이 차량 자세 오차로 직접 전달될 수 있으므로 플랜지 인터페이스에도 더 높은 정확도가 요구됩니다.

3. 전달 체인 3: 구동 메커니즘은 주요 휠 관련 병목 지점이 발생하는 위치를 결정합니다

주요 마모 및 정밀도 제한은 세 가지 구동 메커니즘 모두에서 동일한 위치에 발생하지 않습니다.

차동 구동에서 핵심 문제는 좌우 구동 휠의 직경 일관성입니다. 차동 제어기는 휠 직경이 대략 동일하다고 가정합니다. 실제 직경 차이가 존재하면 동일한 회전 속도 명령이 양측에서 서로 다른 선속도를 발생시켜 차량의 진행 방향이 편차를 보이게 합니다.

조향 구동의 주요 문제는 플랜지 인터페이스 동심도와 조향으로 인한 트레드 마모입니다. 조향 유닛 장착면의 런아웃 또는 정렬 불량은 차량 자세 변화로 증폭될 수 있으며, 반복적인 횡방향 마찰은 트레드에 불균일한 마모 밴드를 형성할 수 있습니다.

메카넘 휠의 주요 병목은 롤러 어셈블리 자체입니다. 롤러는 고무 또는 폴리우레탄으로 덮인 독립 부품입니다. 롤러는 하중과 미끄럼 마찰을 모두 받으므로 마모율이 일반 휠 트레드보다 높을 수 있습니다. 네 개 휠의 롤러 간 불균일한 마모는 전방향 이동 중 방향 및 변위 오차로 나타날 수 있습니다.

이 세 가지 전달 체인을 함께 고려하면 선정 순서를 역으로 해서는 안 되는 이유가 명확해집니다.

휠 하중 방향, 휠 수 및 동적 하중을 확립할 수 있도록 먼저 구동 메커니즘을 정의해야 합니다. 그 후에야 엔지니어는 어떤 휠 파라미터에 추가적인 설계 여유가 필요한지 결정할 수 있습니다.

휠을 먼저 선택하는 것은 실제 하중 환경이 완전히 정의되기 전에 부품을 최적화하는 것을 의미합니다.

세 가지 AGV 구동 메커니즘의 다차원 비교

운동학 및 구조 비교

휠 요구사항 비교

운전 조건 및 바닥 호환성

고장 모드 및 유지보수 우선순위

7단계 AGV 허브 모터 선정 프로세스

다음 7단계 프로세스는 앞서 논의한 논리를 실행 가능한 순서로 정리한 것입니다.

이 7단계는 프로젝트의 서로 다른 단계에서 논의할 수 있지만, 일반적으로 순서를 바꾸어서는 안 됩니다. 각 단계의 결과물은 다음 단계의 입력값이 됩니다.

1단계: 필요한 자유도 정의

다음 세 가지 질문부터 답하십시오.

AGV에 횡방향 이동이 필요합니까?

제자리 회전이 필요합니까?

회전 반경에 엄격한 제한이 있습니까?

횡방향 이동과 제자리 회전이 모두 필요하지 않다면 차동 구동으로 충분한 경우가 많습니다.

둘 중 하나의 기능이 필요한 경우 조향 구동과 메카넘 구동을 비교 대상에 포함해야 합니다.

2단계: 바닥 조건 및 경로 특성 정의

바닥 유형, 평탄도, 이음부 및 경사, 청결 요구사항, 오일 및 물에의 노출 여부와 각 작업의 일반적인 주행 거리 및 회전 빈도를 기록합니다.

이 정보는 구동 메커니즘의 실현 가능성과 필요한 트레드 배합 모두에 영향을 미칩니다.

3단계: 동적 하중 전달을 포함한 차축 하중 계산

다음 식을 사용합니다.

ΔF = m × a × h ÷ B

동적 운전 중 하중 전달을 추정합니다.

선정을 위한 휠 하중 요구사항을 얻기 위해 계산된 동적 증가량을 정적 하중 분포에 더하고, 동시에 운전 속도를 명시합니다.

하중 용량은 항상 운전 속도와 함께 명시해야 합니다.

예를 들어 4 km/h에서의 허용 하중을 명시하는 것은 의미가 있지만, 이에 상응하는 속도 조건이 없는 하중 등급은 완전한 비교 기준을 제공하지 못합니다.

4단계: 휠 직경 및 폭 결정

휠 직경은 장애물 통과 능력, 구름 저항 및 하중 용량에 영향을 미칩니다.

휠 폭은 접지 압력과 횡방향 안정성에 영향을 미칩니다.

중하중 용도에서는 단순히 트레드 경도를 높이는 것보다 휠 직경이나 폭을 적절히 증가시키는 것이 접촉 압력을 줄이는 데 더 효과적일 수 있습니다.

5단계: 트레드 경도 및 배합 방향 결정

견인력이 우선인 휠 위치에는 상대적으로 더 단단하고 내마모성이 높은 트레드 배합이 일반적으로 적합합니다.

낮은 구름 저항과 바닥 보호가 더 중요한 종동 휠에는 더 부드럽고 저항이 낮은 배합이 선호될 수 있습니다.

빈번한 조향 마찰에 노출되는 휠 위치에서는 트레드 배합이 내마모성과 횡방향 마모 저항성의 균형을 이루어야 합니다.

HanKe는 일반적으로 AGV 전체에 하나의 동일한 트레드 배합을 적용하기보다 개별 휠 위치에 따라 배합 권장사항을 제공합니다.

6단계: 휠 코어 구조 및 베어링 구성 결정

휠 코어 재질, 표면 처리, 플랜지 또는 키홈 인터페이스, 베어링 유형 및 베어링 틈새 등급은 구동 메커니즘, 감속기 및 차량 전체 하중 스펙트럼과 일치해야 합니다.

베어링 선정은 휠 코어 구조와 함께 고려해야 합니다. 두 가지를 독립적으로 선택하면 조립 과정에서 재작업이 발생할 수 있습니다.

7단계: 페어링 규칙 및 승인 기준 정의

동축 좌우 휠 간 허용 직경 차이, 동일 차량의 여러 휠 간 일관성 요구사항 및 승인 시험 중 점검해야 하는 데이터를 명시합니다.

이 마지막 단계는 앞의 여섯 단계에서 도출된 결론을 측정 가능하고 검증 가능한 기술 요구사항으로 전환합니다.

결론

AGV 휠 선정은 휠 직경, 트레드 경도 또는 정격 하중을 개별적으로 검토하는 것에서 시작해서는 안 됩니다.

올바른 접근 방식은 먼저 구동 메커니즘을 정의한 후 그에 따른 하중 방향, 휠 구성, 동적 하중 분포 및 정밀도 요구사항을 결정하는 것입니다. 이러한 조건이 확립된 후에야 적절한 허브 모터, 휠 직경, 트레드 배합, 휠 코어 구조, 베어링 구성 및 매칭 요구사항을 선택할 수 있습니다.

차동 구동, 조향 구동 및 메카넘 휠 구동은 각각 서로 다른 운동학적 특성, 하중 경로, 정밀도 병목 및 유지보수 요구사항을 가지고 있습니다. 한 구성에서 우수한 성능을 발휘하는 휠이 다른 구성에서도 적절한 선택이 아닐 수 있습니다.

따라서 AGV 및 AMR 프로젝트에서는 휠과 구동 메커니즘을 두 개의 독립된 구성품이 아니라 하나의 통합 모션 시스템으로 취급해야 합니다.

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