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

Resumo Técnico: Conceitos de Transmissão de Eixo Elétrico e Módulo de Roda para Maquinaria Agrícola Autoportante e Transportadores de Equipamentos

Declaração do Problema
A eletrificação da maquinaria agrícola autoportante (por exemplo, colheitadeiras, colheitadeiras de forragem, colheitadeiras de raízes) e de transportadores de equipamentos oferece o potencial para novas liberdades de projeto e redução de perdas energéticas em comparação com os sistemas de transmissão hidrostática tradicionais. No entanto, arquiteturas padrão de tratores, que dependem de um motor central e de uma única linha de transmissão integrada, enfrentam barreiras econômicas e técnicas significativas na transição para acionamentos elétricos distribuídos. Especificamente, o custo cumulativo de múltiplos motores elétricos, eletrônica de potência e redutores para um trator padrão de tração integral de quatro rodas pode resultar em uma potência total de motores investida de até 400% da potência nominal do veículo, tornando as configurações de motor central mais atraentes para aquela classe específica.

Por outro lado, veículos não padrão, como colheitadeiras autoportantes e transportadores de equipamentos, frequentemente exibem uma separação distinta entre a potência de acionamento do processo (picagem, debulha) e a potência de acionamento do solo. Nessas máquinas, o acionamento do processo consome a maior parte da potência (60–80%), enquanto o acionamento do solo requer significativamente menos. Essa separação cria uma oportunidade para eletrificar o acionamento do solo independentemente. O desafio reside em definir arquiteturas modulares de transmissão ótimas que equilibrem requisitos de engenharia — incluindo espectros de carga, eficiência, dirigibilidade, controlabilidade, frenagem, suporte estrutural, carregamento assimétrico das rodas e custos de fabricação — sem as restrições de uma transmissão mecânica central.

Metodologia
O artigo define e compara dois grupos específicos de projetos de linhas de transmissão elétricas diretas sem divisão de potência: Módulos de Eixo e Módulos de Roda. Ambos são definidos como unidades mecatrônicas autossuficientes que integram o motor elétrico, a transmissão, a eletrônica de potência, inteligência de controle, direção e sistemas de frenagem. Eles requerem apenas um barramento de alimentação CC e uma interface de comunicação a partir do chassi do veículo.

Os autores analisam esses conceitos contra requisitos específicos de engenharia derivados dos perfis operacionais da maquinaria agrícola autoportante:

• Espectros de Carga: A análise de dados de pressão hidráulica de colheitadeiras e colheitadeiras de forragem revela que, embora as pressões de campo típicas variem entre 50–200 bar, eventos de pico de curta duração (por exemplo, aceleração em subida) podem atingir 450 bar. Isso exige motores elétricos capazes de alta potência de pico de curta duração.
• Eficiência: O estudo referencia metas de eficiência para CVTs de tratores e metas específicas para acionamentos de solo de colheitadeiras (meta Bernhard), notando que os acionamentos elétricos têm o potencial de superar a eficiência hidrostática, particularmente em cargas parciais onde os sistemas hidrostáticos sofrem desproporcionalmente.
• Velocidade e Fabricação: A análise considera as faixas de velocidade mais estreitas das colheitadeiras (3–8 km/h em campo, até 40 km/h em estrada) em comparação com tratores padrão, e as implicações econômicas da produção em pequenas séries, onde componentes modulares de fornecedores especializados oferecem economias de escala.
• Análise Comparativa: O artigo avalia ambos os conceitos em dimensões de espaço/altura livre do solo, suspensão, custos de fabricação, dirigibilidade, controlabilidade (graus de liberdade), sistemas de frenagem, estratégias de redução de velocidade, capacidades de rotação livre, gerenciamento térmico e redundância.

Contribuições Principais

1. Definição de Conceitos Modulares: O artigo define formalmente "Módulos de Eixo" e "Módulos de Roda" como unidades mecatrônicas totalmente integradas com inteligência de controle distribuída e direção, distinguindo-os de tentativas anteriores hidrostáticas ou elétricas centralizadas onde o controle permanecia centralizado.
2. Comparação Arquitetural: Uma comparação técnica detalhada é fornecida, destacando que:
   • Módulos de Roda oferecem máxima liberdade de projeto para chassi e suspensão, máxima redundância (capacidade de funcionamento limitado com três unidades funcionais) e controlabilidade completa de oito graus de liberdade (vetorização de torque, direção individual de rodas). No entanto, incorrem em custos de fabricação mais altos, exigem sobredimensionamento do motor para lidar com cargas assimétricas das rodas (por exemplo, operações em encosta lateral) e necessitam de elementos estruturais complexos para suportar cargas de equipamentos de processo.
   • Módulos de Eixo proporcionam custos de fabricação mais baixos, rigidez estrutural adequada para equipamentos de processo pesados, compartilhamento automático de carga via diferencial (evitando o sobredimensionamento do motor) e gerenciamento térmico mais simples. Suas limitações incluem liberdade de projeto reduzida entre as rodas e menor controlabilidade (dois graus de liberdade por eixo).
3. Integração de Direção e Frenagem: O artigo enfatiza que ambos os conceitos integram a atuação de direção e os sistemas de frenagem diretamente no módulo, permitindo uma única entrada de alimentação CC. Discute implementações específicas, como o uso de freios de alcance para funções de estacionamento em módulos de roda.
4. Estratégias de Redução de Velocidade: Os autores analisam a necessidade de transmissões de múltiplos alcance (tipicamente dois alcances: campo e estrada) para otimizar a eficiência em todo o espectro de velocidade de operação. Referenciam arranjos específicos de engrenagens planetárias que permitem altas relações de redução e freios com troca de potência externa.

Resultados e Descobertas

• Eficiência: Os acionamentos elétricos demonstram uma vantagem significativa de eficiência sobre os acionamentos hidrostáticos, com dados experimentais mostrando uma melhoria de 17–27 pontos percentuais em condições de campo, principalmente devido ao melhor desempenho em carga parcial.
• Custo: Os custos atuais de fabricação para protótipos de eixos elétricos são significativamente mais altos do que os equivalentes hidrostáticos (por exemplo, 4,5 vezes mais altos em um caso citado). O artigo sugere que a paridade de custos depende da adoção generalizada de componentes modulares em toda a indústria para alcançar economias de escala.
• Manuseio de Carga: O diferencial nos módulos de eixo lida automaticamente com cargas verticais assimétricas, enquanto os módulos de roda exigem que motores individuais sejam dimensionados para cargas de pior caso em uma única roda, levando ao sobredimensionamento e ao aumento de peso/custo.
• Controlabilidade: Os módulos de roda permitem modos de condução avançados, como curva de puxada, vetorização de torque para gerenciamento de compactação do solo e direção Ackermann precisa, que não são possíveis com módulos de eixo.
• Gerenciamento Térmico: Os módulos de eixo beneficiam-se de fontes de calor concentradas, permitindo circuitos de refrigeração mais simples, enquanto os módulos de roda distribuem as fontes de calor, potencialmente aumentando a complexidade da refrigeração.

Significado e Alegações
O artigo alega que linhas de transmissão elétricas diretas sem divisão de potência abrem um espaço de projeto fundamentalmente novo para maquinaria agrícola autoportante e transportadores de equipamentos. Postula que, embora ambos os conceitos sejam viáveis, a escolha depende da aplicação específica:

• Módulos de Eixo são apresentados como o ponto de partida mais forte para colheitadeiras autoportantes pesadas e maquinário de raízes, onde rigidez estrutural, eficiência de custos e manuseio de cargas assimétricas são os principais motivadores.
• Módulos de Roda são favorecidos para aplicações onde liberdade de projeto, redundância e controlabilidade avançada (como vetorização de torque para proteção do solo) são os principais motivadores de projeto.

Os autores concluem que a transição de linhas de transmissão mecânicas/hidrostáticas centralizadas para módulos elétricos distribuídos já está em andamento no setor (citando implementações hidrostáticas existentes). A principal barreira para a eletrificação completa é atualmente o custo mais elevado dos componentes elétricos em comparação com as economias energéticas e reduções de CO2 que oferecem. No entanto, o artigo sugere que, à medida que os custos dos componentes elétricos diminuem e os custos energéticos aumentam, a viabilidade econômica desses conceitos modulares melhorará. O artigo também observa que configurações híbridas (misturando módulos de eixo e roda em um único veículo) representam uma dimensão adicional de liberdade de projeto para arquiteturas futuras.