Selección del sistema de accionamiento para AGV: ¿Cómo elegir entre accionamiento diferencial, accionamiento con dirección y motores de cubo Mecanum?

La secuencia correcta para la selección del sistema de accionamiento de AGV es determinar primero el mecanismo de accionamiento —accionamiento diferencial,accionamiento de dirección o accionamiento con ruedas Mecanum— y después seleccionar las ruedas. El mecanismo determina el número de ruedas, las direcciones de carga, la distribución de carga por eje y los posibles modos de fallo. Comparar las especificaciones de las ruedas antes de definir el mecanismo de accionamiento implica seleccionar una rueda antes de que se hayan establecido las condiciones reales de carga.

Los requisitos de las ruedas pueden resumirse en cuatro parámetros comunes: consistencia del diámetro de la rueda, características de fricción y desgaste de la banda de rodadura, concentricidad del núcleo de la rueda y precisión de la interfaz, y configuración de rodamientos y capacidad de carga. Sin embargo, la prioridad de estos parámetros varía considerablemente entre los distintos mecanismos de accionamiento.

¿Por qué debe determinarse el mecanismo de accionamiento antes de seleccionar el motor de cubo?

En muchos proyectos de AGV, las ruedas suelen analizarse relativamente tarde. Primero se definen el sistema de navegación, la lógica de programación y la estructura del vehículo, mientras que las ruedas se consideran el componente final que debe adquirirse.

No hay nada fundamentalmente incorrecto en esta secuencia. El problema surge cuando las ruedas se tratan como componentes de compra estandarizados; por ejemplo, al seleccionar un diámetro basándose únicamente en la capacidad de carga, elegir una dureza de la banda de rodadura según la experiencia e instalar las ruedas sin realizar un análisis adicional a nivel de sistema.

Una vez que el AGV comienza a funcionar, pueden aparecer problemas como desviación direccional, errores de posicionamiento y desgaste irregular de la banda de rodadura. La resolución de problemas suele dirigirse hacia los algoritmos de navegación o control, mientras que la causa raíz real puede estar en la incompatibilidad entre el mecanismo de accionamiento y la rueda.

1. Primera cadena de transmisión: el mecanismo de accionamiento determina la dirección de carga de la rueda

La misma rueda recubierta de poliuretano puede experimentar fuerzas completamente diferentes según el mecanismo de accionamiento.

En un sistema de accionamiento diferencial, una rueda pasiva experimenta fuerzas laterales al seguir el cuerpo del vehículo. Durante los giros, la banda de rodadura puede sufrir rozamiento lateral contra el suelo.

En un sistema de accionamiento de dirección, la rueda motriz debe soportar no solo la tracción y las cargas verticales, sino también el par de reacción de dirección transmitido a través del mecanismo de dirección y el rozamiento lateral durante la dirección.

En una rueda Mecanum, los rodillos experimentan simultáneamente presión radial y componentes de fuerza axial. Por lo tanto, la condición de carga es más compleja.

Dado que cambia la dirección de la fuerza, también cambia la formulación requerida para la banda de rodadura.

Las aplicaciones en las que la tracción es el requisito principal generalmente necesitan un coeficiente de fricción estable y buena resistencia al desgaste. Una formulación de banda de rodadura más dura y resistente al desgaste suele ser más adecuada para estas condiciones.

Para aplicaciones en las que la rueda se arrastra principalmente o está sometida a rozamiento lateral, la banda de rodadura debe minimizar las marcas en el suelo y la generación de calor. Por lo tanto, puede ser más apropiada una formulación más blanda con menor resistencia a la rodadura.

El sistema de banda de rodadura Eamflex 93A de HanKe está diseñado para una alta resistencia al desgaste, mientras que el sistema de banda de rodadura Saxflex 75A está diseñado con mayor énfasis en la protección del suelo. Estas dos orientaciones de banda de rodadura corresponden a las diferentes condiciones de carga descritas anteriormente. Elegir características de banda de rodadura incorrectas puede no revelar un problema inmediatamente y, en cambio, hacerse evidente solo después de varios cientos de horas de funcionamiento.

2. Segunda cadena de transmisión: el mecanismo de accionamiento determina la distribución de carga por eje y la transferencia de carga

Utilizar una distribución de carga estática uniforme para estimar la carga de cada rueda es una simplificación habitual durante la etapa de selección.

Por ejemplo, supongamos un AGV de cuatro ruedas con una masa total cargada de 4,000 kg. Un cálculo estático simple daría 1,000 kg por rueda.

Sin embargo, durante la aceleración, el frenado y los giros, la carga se transfiere entre las ruedas. La cantidad aproximada de transferencia de carga puede estimarse mediante:

ΔF = m × a × h ÷ B

donde m es la masa total del vehículo en kilogramos, a es la aceleración longitudinal o lateral en metros por segundo al cuadrado, h es la altura del centro de gravedad en metros y B es el ancho de vía en metros.

Utilizando un conjunto representativo de parámetros:

m = 4,000 kg

a = 0.5 m/s²

h = 0.5 m

B = 0.8 m

La transferencia de carga calculada es:

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

Esto corresponde aproximadamente a 127 kgf de carga vertical adicional transferida de la rueda interior a la rueda exterior.

La importancia de este cálculo es que la carga real sobre una rueda individual en condiciones dinámicas puede ser superior al valor de distribución estática uniforme. Si la selección original tiene muy poco margen de carga, los giros, las subidas o el frenado de emergencia pueden convertirse en las condiciones en las que los problemas se manifiesten por primera vez.

El incremento exacto de carga en cada rueda depende de la configuración de las ruedas y de la disposición de la suspensión, y debe calcularse utilizando los parámetros reales del vehículo. Sin embargo, el principio general es claro: cuanto más frecuentemente realice el AGV movimientos omnidireccionales y maniobras de dirección, más importante será la transferencia dinámica de carga durante la selección de las ruedas.

Una configuración de una sola rueda directriz es un ejemplo típico. Cuando un punto de accionamiento se encarga tanto de la propulsión como de la dirección, el requisito de carga de esa rueda puede ser mucho mayor que el valor obtenido simplemente al dividir el peso total del vehículo por el número de ruedas.

La interfaz de brida también requiere mayor precisión, ya que la desviación angular o el descentramiento de la unidad de dirección pueden transferirse directamente a errores de orientación del vehículo.

3. Tercera cadena de transmisión: el mecanismo de accionamiento determina dónde se produce el principal cuello de botella relacionado con las ruedas

Las principales limitaciones de desgaste y precisión no se encuentran en el mismo punto para los tres mecanismos de accionamiento.

Para el accionamiento diferencial, la cuestión clave es la consistencia del diámetro de las ruedas motrices izquierda y derecha. El controlador diferencial supone que los diámetros de las ruedas son aproximadamente iguales. Si existe una diferencia de diámetro real, el mismo comando de velocidad de rotación producirá diferentes velocidades lineales en los dos lados, provocando una desviación en la orientación del vehículo.

Para el accionamiento de dirección, los principales problemas son la concentricidad de la interfaz de brida y el desgaste de la banda de rodadura inducido por la dirección. El descentramiento o la desalineación en la superficie de montaje de la unidad de dirección pueden amplificarse en variaciones de orientación del vehículo, mientras que el rozamiento lateral repetido puede crear una banda de desgaste irregular en la banda de rodadura.

Para las ruedas Mecanum, el principal cuello de botella es el propio conjunto de rodillos. Los rodillos son componentes independientes recubiertos de caucho o poliuretano. Soportan tanto la carga como la fricción por deslizamiento, por lo que su tasa de desgaste puede ser mayor que la de las bandas de rodadura convencionales. El desgaste irregular entre los rodillos de cuatro ruedas puede manifestarse como errores de dirección y desplazamiento durante el movimiento omnidireccional.

Cuando se consideran conjuntamente estas tres cadenas de transmisión, queda claro por qué no debe invertirse la secuencia de selección.

Primero debe definirse el mecanismo de accionamiento para poder establecer la dirección de carga de las ruedas, el número de ruedas y las cargas dinámicas. Solo entonces los ingenieros podrán determinar qué parámetros de las ruedas requieren un margen de diseño adicional.

Seleccionar primero una rueda implica optimizar un componente antes de que su entorno real de carga se haya definido completamente.

Comparación multidimensional de tres mecanismos de accionamiento de AGV

Comparación cinemática y estructural

Comparación de requisitos de las ruedas

Condiciones de funcionamiento y compatibilidad con el suelo

Modos de fallo y prioridades de mantenimiento

Un proceso de siete pasos para la selección de motores de cubo para AGV

El siguiente proceso de siete pasos convierte la lógica expuesta anteriormente en una secuencia aplicable.

Estos siete pasos pueden analizarse en diferentes etapas de un proyecto, pero en general no debe invertirse la secuencia. El resultado de cada paso se convierte en la entrada del siguiente.

Paso 1: Definir los grados de libertad requeridos

Comience respondiendo tres preguntas:

¿El AGV necesita desplazamiento lateral?

¿Necesita girar sobre su propio eje?

¿Existe un límite estricto para el radio de giro?

Si no se requieren ni el desplazamiento lateral ni la rotación sobre su propio eje, el accionamiento diferencial suele ser suficiente.

Si se requiere cualquiera de estas capacidades, el accionamiento de dirección y el accionamiento Mecanum deben incluirse en la comparación.

Paso 2: Definir las condiciones del suelo y las características de la trayectoria

Registre el tipo de suelo, la planitud, las juntas y pendientes, los requisitos de limpieza, la exposición a aceite y agua, así como la distancia de recorrido típica y la frecuencia de giro de cada misión.

Esta información afecta tanto a la viabilidad del mecanismo de accionamiento como a la formulación requerida de la banda de rodadura.

Paso 3: Calcular las cargas por eje, incluida la transferencia dinámica de carga

Utilice:

ΔF = m × a × h ÷ B

para estimar la transferencia de carga durante el funcionamiento dinámico.

Añada el incremento dinámico calculado a la distribución de carga estática para obtener el requisito de carga de la rueda para la selección, y especifique al mismo tiempo la velocidad de funcionamiento.

La capacidad de carga siempre debe indicarse junto con la velocidad de funcionamiento.

Por ejemplo, especificar la carga permitida a 4 km/h es significativo, mientras que una clasificación de carga sin una condición de velocidad correspondiente no proporciona una base completa para la comparación.

Paso 4: Determinar el diámetro y el ancho de la rueda

El diámetro de la rueda afecta la capacidad de superar obstáculos, la resistencia a la rodadura y la capacidad de carga.

El ancho de la rueda afecta la presión sobre el suelo y la estabilidad lateral.

En aplicaciones de carga pesada, aumentar adecuadamente el diámetro o el ancho de la rueda puede ser más eficaz para reducir la presión de contacto que simplemente aumentar la dureza de la banda de rodadura.

Paso 5: Determinar la dureza de la banda de rodadura y la orientación de la formulación

Para las posiciones de rueda en las que la tracción es la prioridad, generalmente es adecuada una formulación de banda de rodadura relativamente más dura y resistente al desgaste.

Para ruedas pasivas en las que son más importantes una baja resistencia a la rodadura y la protección del suelo, puede preferirse una formulación más blanda y de menor resistencia.

Para posiciones de rueda expuestas a rozamiento frecuente durante la dirección, la formulación de la banda de rodadura debe equilibrar la resistencia al desgaste y la resistencia a la abrasión lateral.

HanKe suele proporcionar recomendaciones de formulación según las posiciones individuales de las ruedas, en lugar de aplicar una única formulación idéntica de banda de rodadura a todo el AGV.

Paso 6: Determinar la estructura del núcleo de la rueda y la configuración de rodamientos

El material del núcleo de la rueda, el tratamiento superficial, la interfaz de brida o chavetero, el tipo de rodamiento y la clase de holgura del rodamiento deben adaptarse al mecanismo de accionamiento, al reductor y al espectro de carga global del vehículo.

La selección de rodamientos debe considerarse junto con la estructura del núcleo de la rueda. Seleccionar ambos de forma independiente puede provocar retrabajos durante el montaje.

Paso 7: Definir las reglas de emparejamiento y los criterios de aceptación

Especifique la diferencia de diámetro permitida entre las ruedas izquierda y derecha coaxiales, los requisitos de consistencia entre varias ruedas del mismo vehículo y los datos que deben verificarse durante las pruebas de aceptación.

Este paso final convierte las conclusiones de los seis pasos anteriores en requisitos técnicos medibles y verificables.

Conclusión

La selección de ruedas para AGV no debe comenzar de forma aislada con el diámetro de la rueda, la dureza de la banda de rodadura o la carga nominal.

El enfoque correcto consiste en definir primero el mecanismo de accionamiento y, a continuación, determinar la dirección de carga resultante, la configuración de las ruedas, la distribución dinámica de carga y los requisitos de precisión. Solo después de establecer estas condiciones se podrán seleccionar el motor de cubo adecuado, el diámetro de la rueda, la formulación de la banda de rodadura, la estructura del núcleo de la rueda, la configuración de rodamientos y los requisitos de compatibilidad.

El accionamiento diferencial, el accionamiento de dirección y el accionamiento con ruedas Mecanum presentan diferentes características cinemáticas, trayectorias de carga, cuellos de botella de precisión y requisitos de mantenimiento. Una rueda que funciona bien en una configuración puede no ser la elección adecuada para otra.

Por lo tanto, para los proyectos de AGV y AMR, la rueda y el mecanismo de accionamiento deben tratarse como un sistema de movimiento integrado, en lugar de como dos componentes independientes.

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