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

Resumen Técnico: Conceptos de Tren de Potencia para Ejes Eléctricos y Módulos de Rueda en Maquinaria Agrícola Autopropulsada y Portadores de Equipos

Planteamiento del Problema
La electrificación de la maquinaria agrícola autopropulsada (por ejemplo, cosechadoras, forrajeras y cosechadoras de raíces) y de los portadores de equipos ofrece el potencial de nuevas libertades de diseño y una reducción de las pérdidas energéticas en comparación con los sistemas de transmisión hidrostática tradicionales. Sin embargo, las arquitecturas estándar de tractores, que dependen de un motor central y un único tren de potencia integrado, enfrentan barreras económicas y técnicas significativas al transicionar hacia tracciones eléctricas distribuidas. Específicamente, el costo acumulativo de múltiples motores eléctricos, electrónica de potencia y reductores para un tractor estándar de tracción a cuatro ruedas puede resultar en una potencia total de motores invertida de hasta el 400 % de la potencia nominal del vehículo, lo que hace que las configuraciones de motor central sean más atractivas para esa clase específica.

Por el contrario, vehículos no estándar como cosechadoras autopropulsadas y portadores de equipos a menudo exhiben una separación distinta entre la potencia de accionamiento del proceso (cortado, trilla) y la potencia de accionamiento del terreno. En estas máquinas, el accionamiento del proceso consume la mayor parte de la potencia (60–80 %), mientras que el accionamiento del terreno requiere significativamente menos. Esta separación crea una oportunidad para electrificar el accionamiento del terreno de forma independiente. El desafío radica en definir arquitecturas modulares de tren de potencia óptimas que equilibren los requisitos de ingeniería —incluyendo espectros de carga, eficiencia, maniobrabilidad, controlabilidad, frenado, soporte estructural, carga asimétrica de las ruedas y costos de fabricación— sin las restricciones de una transmisión mecánica central.

Metodología
El artículo define y compara dos grupos específicos de diseños de trenes de potencia eléctricos directos sin división de potencia: Módulos de Eje y Módulos de Rueda. Ambos se definen como unidades mecatrónicas autónomas que integran el motor eléctrico, la transmisión, la electrónica de potencia, la inteligencia de control, la dirección y los sistemas de frenado. Solo requieren un bus de corriente continua (CC) y una interfaz de comunicación desde el chasis del vehículo.

Los autores analizan estos conceptos frente a requisitos específicos de ingeniería derivados de los perfiles operativos de la maquinaria agrícola autopropulsada:

• Espectros de Carga: El análisis de datos de presión hidráulica de cosechadoras y forrajeras revela que, aunque las presiones de campo típicas oscilan entre 50–200 bar, los eventos de pico de corta duración (por ejemplo, acelerar cuesta arriba) pueden alcanzar los 450 bar. Esto hace necesaria la disponibilidad de motores eléctricos capaces de soportar picos de potencia de alta duración corta.
• Eficiencia: El estudio hace referencia a objetivos de eficiencia para variadores continuos (CVT) de tractores y objetivos específicos para los accionamientos de terreno de cosechadoras (objetivo Bernhard), señalando que los accionamientos eléctricos tienen el potencial de superar la eficiencia hidrostática, particularmente a cargas parciales donde los sistemas hidrostáticos sufren desproporcionadamente.
• Velocidad y Fabricación: El análisis considera los rangos de velocidad más estrechos de las cosechadoras (3–8 km/h en campo, hasta 40 km/h en carretera) en comparación con los tractores estándar, y las implicaciones económicas de la producción en pequeñas series, donde los componentes modulares de proveedores especializados ofrecen economías de escala.
• Análisis Comparativo: El artículo evalúa ambos conceptos en dimensiones de espacio/libertad de paso, suspensión, costos de fabricación, maniobrabilidad, controlabilidad (grados de libertad), sistemas de frenado, estrategias de reducción de velocidad, capacidades de rueda libre, gestión térmica y redundancia.

Contribuciones Clave

1. Definición de Conceptos Modulares: El artículo define formalmente "Módulos de Eje" y "Módulos de Rueda" como unidades mecatrónicas totalmente integradas con inteligencia de control distribuida y dirección, distinguiéndolos de intentos anteriores hidrostáticos o eléctricos centralizados donde el control permanecía centralizado.
2. Comparación Arquitectónica: Se proporciona una comparación técnica detallada, destacando que:
   • Los Módulos de Rueda ofrecen la máxima libertad de diseño para el chasis y la suspensión, la máxima redundancia (capacidad de funcionamiento de emergencia con tres unidades funcionales) y una controlabilidad completa de ocho grados de libertad (vectorización de par, dirección individual de cada rueda). Sin embargo, incurren en costos de fabricación más altos, requieren un sobredimensionamiento del motor para manejar cargas asimétricas de las ruedas (por ejemplo, operaciones en laderas) y necesitan elementos estructurales complejos para soportar las cargas del equipo de proceso.
   • Los Módulos de Eje proporcionan menores costos de fabricación, rigidez estructural adecuada para equipos de proceso pesados, reparto automático de carga mediante un diferencial (evitando el sobredimensionamiento del motor) y una gestión térmica más sencilla. Sus limitaciones incluyen una libertad de diseño reducida entre las ruedas y una menor controlabilidad (dos grados de libertad por eje).
3. Integración de Dirección y Frenado: El artículo enfatiza que ambos conceptos integran la actuación de la dirección y los sistemas de frenado directamente en el módulo, permitiendo una única entrada de alimentación de corriente continua. Discute implementaciones específicas, como el uso de frenos de rango para funciones de estacionamiento en módulos de rueda.
4. Estrategias de Reducción de Velocidad: Los autores analizan la necesidad de transmisiones de múltiples rangos (típicamente dos rangos: campo y carretera) para optimizar la eficiencia en todo el espectro de velocidades de operación. Hacen referencia a disposiciones específicas de engranajes planetarios que permiten altas relaciones de reducción y frenos con cambio de potencia externo.

Resultados y Hallazgos

• Eficiencia: Los accionamientos eléctricos demuestran una ventaja significativa en eficiencia sobre los accionamientos hidrostáticos, con datos experimentales que muestran una mejora de 17 a 27 puntos porcentuales en condiciones de campo, principalmente debido a un mejor rendimiento a cargas parciales.
• Costo: Los costos actuales de fabricación para prototipos de ejes eléctricos son significativamente más altos que sus equivalentes hidrostáticos (por ejemplo, 4,5 veces más altos en un caso citado). El artículo sugiere que la paridad de costos depende de la adopción generalizada de componentes modulares en toda la industria para lograr economías de escala.
• Manejo de Cargas: El diferencial en los módulos de eje maneja automáticamente las cargas verticales asimétricas, mientras que los módulos de rueda requieren que los motores individuales se dimensionen para las cargas de una sola rueda en el peor de los casos, lo que conduce a un sobredimensionamiento y a un aumento de peso/costo.
• Controlabilidad: Los módulos de rueda permiten modos de conducción avanzados como giro de entrada, vectorización de par para la gestión de la compactación del suelo y dirección Ackermann precisa, lo cual no es posible con módulos de eje.
• Gestión Térmica: Los módulos de eje se benefician de fuentes de calor concentradas que permiten circuitos de refrigeración más sencillos, mientras que los módulos de rueda distribuyen las fuentes de calor, potencialmente aumentando la complejidad de la refrigeración.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma que los trenes de potencia eléctricos directos sin división de potencia abren un espacio de diseño fundamentalmente nuevo para la maquinaria agrícola autopropulsada y los portadores de equipos. Plantea que, aunque ambos conceptos son viables, la elección depende de la aplicación específica:

• Los Módulos de Eje se presentan como el punto de partida más sólido para cosechadoras autopropulsadas pesadas y maquinaria de raíces donde la rigidez estructural, la eficiencia de costos y el manejo de cargas asimétricas son los impulsores principales.
• Los Módulos de Rueda se favorecen para aplicaciones donde la libertad de diseño, la redundancia y la controlabilidad avanzada (como la vectorización de par para la protección del suelo) son los impulsores de diseño principales.

Los autores concluyen que la transición desde trenes de potencia mecánicos/hidrostáticos centralizados hacia módulos eléctricos distribuidos ya está en marcha en el sector (citando implementaciones hidrostáticas existentes). La principal barrera para la electrificación completa es actualmente el mayor costo de los componentes eléctricos en comparación con los ahorros energéticos y las reducciones de CO2 que ofrecen. Sin embargo, el artículo sugiere que a medida que disminuyan los costos de los componentes eléctricos y aumenten los costos energéticos, la viabilidad económica de estos conceptos modulares mejorará. El artículo también señala que las configuraciones híbridas (combinando módulos de eje y de rueda en un solo vehículo) representan una dimensión adicional de libertad de diseño para arquitecturas futuras.