Electric Axle and Wheel Module Driveline Concepts for Self-propelled Agricultural Machinery and Equipment Carriers

ملخص تقني: مفاهيم المحور الكهربائي ووحدة العجلة لنظم نقل الحركة في الآلات الزراعية ذاتية الدفع وناقلات المعدات

بيان المشكلة
توفر عملية تحويل الآلات الزراعية ذاتية الدفع (مثل الحاصدات المجمعة، وحاصدات الأعلاف، وحاصدات المحاصيل الجذرية) وناقلات المعدات إلى العمل بالكهرباء إمكانات لتوفير حريات تصميمية جديدة وتقليل فاقد الطاقة مقارنة بأنظمة الدفع الهيدروستاتيكية التقليدية. ومع ذلك، فإن هياكل الجرارات القياسية، التي تعتمد على محرك مركزي ونظام نقل حركة متكامل واحد، تواجه عوائق اقتصادية وتقنية كبيرة عند الانتقال إلى أنظمة الدفع الكهربائي الموزعة. إذ يمكن أن يؤدي التراكم في تكلفة المحركات الكهربائية المتعددة، والإلكترونيات القدرتية، وصناديق التروس لجرار قياسي يعمل بدفع رباعي، إلى وصول إجمالي قدرة المحركات المستثمرة إلى 400% من القدرة الاسمية للمركبة، مما يجعل تكوينات المحرك المركزية أكثر جاذبية لهذا النوع تحديداً.

وعلى النقيال، فإن المركبات غير القياسية مثل الحاصدات ذاتية الدفع وناقلات المعدات غالباً ما تظهر فصلاً واضحاً بين قدرة دفع العمليات (التقطيع، الدراس) وقدرة الدفع الأرضي. في هذه الآلات، تستهلك عملية الدفع الخاصة بالعمليات غالبية القدرة (60-80%)، بينما يتطلب الدفع الأرضي قدرة أقل بكثير. هذا الفصل يخلق فرصة لكهربة الدفع الأرضي بشكل مستقل. ويكمن التحدي في تحديد بنيات نظم نقل الحركة النمطية المثلى التي توازن بين المتطلبات الهندسية — بما في ذلك أطياف الأحمال، والقدرة على التوجيه، والتحكم، والكبح، والدعم الهيكلي، وتوزيع أحمال العجلات غير المتماثل، وتكاليف التصنيع — دون التقيد بقيود ناقل الحركة الميكانيكي المركزي.

المنهجية
تحدد الورقة وتقارن بين مجموعتين تصميميتين محددتين لنظم نقل الحركة الكهربائية المباشرة بدون تقسيم القدرة: وحدات المحور (Axle Modules) ووحدات العجلة (Wheel Modules). وتُعرف كلتاهما كأدوات ميكاترونية قائمة بذاتها تدمج المحرك الكهربائي، ونقل الحركة، والإلكترونيات القدرتية، وذكاء التحكم، وأنظمة التوجيه، والفرامل. وهي تتطلب فقط ناقل طاقة تيار مستمر (DC) وواجهة اتصال من هيكل المركبة.

يقوم المؤلفون بتحليل هذه المفاهيم مقابل متطلبات هندسية مستمدة من ملفات التشغيل للآلات الزراعية ذاتية الدفع:

• أطياف الأحمال: يكشف تحليل بيانات الضغط الهيدروليكي للحاصدات المجمعة وحاصدات الأعلاف أنه بينما يتراوح ضغط الحقول النموذجي بين 50-200 بار، فإن أحداث الذروة قصيرة المدى (مثل التسارع في المرتفعات) يمكن أن تصل إلى 450 بار. وهذا يستلزم محركات كهربائية قادرة على توفير قدرة ذروة عالية لفترات قصيرة.
• الكفاءة: تشير الدراسة إلى أهداف الكفاءة لـ CVT الجرارات وأهداف محددة لدفع أرضي للحاصدات (هدف برنهارد)، مشيرة إلى أن المحركات الكهربائية لديها القدرة على تجاوز الكفاءة الهيدروستاتيكية، لا سيما عند الأحمال الجزئية حيث تعاني الأنظمة الهيدروستاتيكية بشكل غير متناسب.
• السرعة والتصنيع: يأخذ التحليل في الاعتبار نطاقات السرعة الأضيق للحاصدات (3-8 كم/ساعة في الحقل، وتصل إلى 40 كم/ساعة على الطريق) مقارنة بالجرارات القياسية، والآثار الاقتصادية للإنتاج في سلاسل صغيرة، حيث توفر المكونات النمطية من الموردين المتخصصين وفورات الحجم.
• التحليل المقارن: تقيم الورقة كلا المفهومين عبر أبعاد المساحة/الخلوص الأرضي، ونظام التعليق، وتكاليف التصنيع، والقدرة على التوجيه، والتحكم (درجات الحرية)، وأنظمة الكبح، واستراتيجيات خفض السرعة، وقدرات الدوران الحر، والإدارة الحرارية، والوفرة (Redundancy).

المساهمات الرئيسية

1. تعريف المفاهيم النمطية: تحدد الورقة "وحدات المحور" و"وحدات العجلة" رسمياً كوحدات ميكاترونية متكاملة بالكامل مع ذكاء تحكم موزع وتوجيه، مما يميزها عن المحاولات الهيدروستاتيكية أو المركزية الكهربائية السابقة حيث ظل التحكم مركزياً.
2. المقارنة الهيكلية: يتم تقديم مقارنة تقنية مفصلة، توضح أن:
   • وحدات العجلة توفر أقصى قدر من الحرية التصميمية للهيكل ونظام التعليق، وأقصى قدر من الوفرة (قدرة العودة للعمل في حالة الأعطال باستخدام ثلاث وحدات وظيفية)، وتحكماً كاملاً بثماني درجات من الحرية (توجيه العزم، وتوجيه العجلات الفردي). ومع ذلك، فإنها تتكبد تكاليف تصنيع أعلى، وتتطلب زيادة أبعاد المحركات للتعامل مع أحمال العجلات غير المتماثلة (مثل العمل على المنحدرات الجانبية)، وتتطلب عناصر هيكلية معقدة لحمل أحمال معدات العمليات.
   • وحدات المحور توفر تكاليف تصنيع أقل، وصلابة هيكلية مناسبة لمعدات العمليات الثقيلة، وتوزيعاً تلقائياً للأحمال عبر ترس تفاضلي (لتجنب زيادة أبعاد المحرك)، وإدارة حرارية أبسط. وتشمل عيوبها تقليل الحرية التصميمية بين العجلات وانخفاض القدرة على التحكم (درجتان من الحرية لكل محور).
3. دمج التوجيه والكبح: تؤكد الورقة أن كلا المفهومين يدمجان تشغيل التوجيه وأنظمة الكبح مباشرة في الوحدة، مما يسمح بمدخل طاقة تيار مستمر واحد. وتناقش الورقة تطبيقات محددة، مثل استخدام مكابح النطاق لوظائف التوقف (Parking) في وحدات العجلات.
4. استراتيجيات خفض السرعة: يحلل المؤلفون ضرورة وجود نواقل حركة متعددة النطاقات (عادة نطاقان: الحقل والطريق) لتحسين الكفاءة عبر طيف سرعة التشغيل. ويشيرون إلى ترتيبات تروس كوكبية محددة تسمح بنسب تخفيض عالية ومكابح خارجية يتم تغيير قدرتها.

النتائج والمكتشفات

• الكفاءة: تظهر المحركات الكهربائية ميزة كفاءة كبيرة على المحركات الهيدروستاتيكية، حيث أظهرت البيانات التجريبية تحسناً بنسبة 17-27 نقطة مئوية في ظروف الحقل، ويرجع ذلك أساساً إلى الأداء الأفضل عند الأحمال الجزئية.
• التكلفة: تكاليف تصنيع النماذج الأولية للمحاور الكهربائية أعلى بكثير من المكافئات الهيدروستاتيكية (4.5 ضعف في حالة واحدة مذكورة). وتقترح الورقة أن تساوي التكلفة يعتمد على الاعتماد الواسع للمكونات النمطية عبر الصناعة لتحقيق وفورات الحجم.
• التعامل مع الأحمال: يتعامل التفاضل في وحدات المحور تلقائياً مع الأحمال الرأسية غير المتماثلة، بينما تتطلب وحدات العجلة تصميم المحركات الفردية للتعامل مع أسوأ حالات حمل العجلة الواحدة، مما يؤدي إلى زيادة الأبعاد والوزن والتكلفة.
• التحكم: تتيح وحدات العجلة أوضاع قيادة متقدمة مثل الدوران عند الانعطاف (pull-in-turn)، وتوجيه العزم لإدارة انضغاط التربة، وتوجيه "أكمان" (Ackermann) الدقيق، وهي أمور لا يمكن تحقيقها مع وحدات المحور.
• الإدارة الحرارية: تستفيد وحدات المحور من تركيز مصادر الحرارة مما يسمح بدوائر تبريد أبسط، بينما توزع وحدات العجلات مصادر الحرارة، مما قد يزيد من تعقيد التبريد.

الأهمية والادعاءات
تدعي الورقة أن نظم نقل الحركة الكهربائية المباشرة بدون تقسيم القدرة تفتح مجالاً تصميمياً جديداً تماماً للمعدات الزراعية ذاتية الدفع وناقلات المعدات. وترى أنه بينما كلا المفهومين قابلان للتطبيق، فإن الاختيار يعتمد على التطبيق المحدد:

• تُقدم وحدات المحور كنقطة انطلاق أقوى للحاصدات الثقيلة ذاتية الدفع ومعدات المحاصيل الجذرية حيث تكون الصلابة الهيكلية، وكفاءة التكلفة، والتعامل مع الأحمال غير المتماثلة هي المحركات الأساسية.
• تُفضل وحدات العجلة للتطبيقات التي تكون فيها الحرية التصميمية، والوفرة، والتحكم المتقدم (مثل توجيه العزم لحماية التربة) هي المحركات التصميمية الأساسية.

ويخلص المؤلفون إلى أن الانتقال من نظم نقل الحركة الميكانيكية/الهيدروستاتيكية المركزية إلى الوحدات الكهربائية الموزعة هو أمر جارٍ بالفعل في القطاع (بالاستناد إلى التطبيقات الهيدروستاتيكية الموجودة). ويتمثل العائق الرئيسي أمام الكهربة الكاملة حالياً في التكلفة الأعلى للمكونات الكهربائية مقارنة بمدخرات الطاقة وخفض انبعاثات الكربون التي توفرها. ومع ذلك، تشير الورقة إلى أنه مع انخفاض تكاليف المكونات الكهربائية وارتفاع تكاليف الطاقة، ستتحسن الجدوى الاقتصادية لهذه المفاهيم النمطية. كما تشير الورقة إلى أن التكوينات الهجينة (التي تمزج بين وحدات المحور ووحدات العجلة في مركبة واحدة) تمثل بعداً إضافياً من الحرية التصميمية لهياكل المستقبل.