Auswahl des AGV-Antriebssystems: Wie wählt man zwischen Differenzialantrieb, Lenkantrieb und Mecanum-Radnabenmotoren?

Die richtige Reihenfolge bei der Auswahl eines AGV-Antriebssystems besteht darin, zunächst den Antriebsmechanismus festzulegen — Differenzialantrieb, Lenkantrieb oder Mecanum-Radantrieb — und anschließend die Räder auszuwählen. Der Mechanismus bestimmt die Anzahl der Räder, die Lastrichtungen, die Achslastverteilung und mögliche Ausfallarten. Ein Vergleich von Radspezifikationen vor der Festlegung des Antriebsmechanismus bedeutet, Räder auszuwählen, bevor die tatsächlichen Lastbedingungen feststehen.

Die Anforderungen an Räder lassen sich in vier gemeinsame Parameter zusammenfassen: Konsistenz des Raddurchmessers, Reibungs- und Verschleißeigenschaften der Lauffläche, Konzentrizität des Radkerns und Genauigkeit der Schnittstelle sowie Lagerung und Tragfähigkeitskonfiguration. Die Priorität dieser Parameter variiert jedoch erheblich zwischen verschiedenen Antriebsmechanismen.

Warum sollte der Antriebsmechanismus vor der Auswahl des Radnabenmotors festgelegt werden?

In vielen AGV-Projekten werden Räder häufig erst relativ spät thematisiert. Zunächst werden das Navigationssystem, die Dispositionslogik und die Fahrzeugstruktur festgelegt, während die Räder als zuletzt zu beschaffende Ausführungskomponente betrachtet werden.

An dieser Reihenfolge ist grundsätzlich nichts falsch. Das Problem entsteht, wenn Räder als standardisierte Beschaffungskomponenten behandelt werden — beispielsweise wenn ein Durchmesser ausschließlich anhand der Tragfähigkeit gewählt, die Härte der Lauffläche erfahrungsbasiert bestimmt und die Räder ohne weitere Analyse auf Systemebene montiert werden.

Nach der Inbetriebnahme des AGV können Probleme wie Richtungsabweichungen, Positionierungsfehler und ungleichmäßiger Verschleiß der Lauffläche auftreten. Die Fehlersuche richtet sich häufig auf Navigations- oder Regelalgorithmen, während die eigentliche Ursache in einer fehlenden Abstimmung zwischen Antriebsmechanismus und Rad liegen kann.

1. Übertragungskette eins: Der Antriebsmechanismus bestimmt die Richtung der Radbelastung

Dasselbe polyurethanbeschichtete Rad kann je nach Antriebsmechanismus völlig unterschiedlichen Kräften ausgesetzt sein.

In einem Differenzialantriebssystem erfährt ein passives Rad seitliche Kräfte, während es der Fahrzeugkarosserie folgt. Beim Kurvenfahren kann die Lauffläche seitlich am Boden reiben.

In einem Lenkantriebssystem muss das Antriebsrad nicht nur Traktions- und Vertikallasten, sondern auch das über den Lenkmechanismus übertragene Lenkrückstellmoment sowie seitliche Reibung beim Lenken aufnehmen.

Bei einem Mecanum-Rad erfahren die Rollen gleichzeitig radiale Druck- und axiale Kraftanteile. Die Belastungssituation ist daher komplexer.

Da sich die Kraftrichtung ändert, ändern sich auch die Anforderungen an die Laufflächenmischung.

Anwendungen, bei denen Traktion die Hauptanforderung ist, benötigen in der Regel einen stabilen Reibungskoeffizienten und eine gute Verschleißfestigkeit. Eine härtere, verschleißfeste Laufflächenmischung ist für diese Bedingungen häufig besser geeignet.

Bei Anwendungen, bei denen das Rad hauptsächlich gezogen wird oder seitlicher Reibung ausgesetzt ist, muss die Lauffläche Bodenmarkierungen und Wärmeentwicklung minimieren. Eine weichere Mischung mit geringerem Rollwiderstand kann daher geeigneter sein.

Das Eamflex-93A-Laufflächensystem von HanKe ist auf hohe Verschleißfestigkeit ausgelegt, während beim Saxflex-75A-Laufflächensystem der Bodenschutz stärker im Vordergrund steht. Diese beiden Laufflächenausrichtungen entsprechen den oben beschriebenen unterschiedlichen Belastungsbedingungen. Die Wahl falscher Laufflächeneigenschaften zeigt möglicherweise nicht sofort Probleme, sondern erst nach mehreren hundert Betriebsstunden.

2. Übertragungskette zwei: Der Antriebsmechanismus bestimmt die Achslastverteilung und Lastübertragung

Die Verwendung einer gleichmäßigen statischen Lastverteilung zur Abschätzung der Last auf jedem Rad ist während der Auswahlphase eine häufige Vereinfachung.

Nehmen wir beispielsweise ein vierrädriges AGV mit einer Gesamtmasse im beladenen Zustand von 4,000 kg an. Eine einfache statische Berechnung ergäbe 1,000 kg pro Rad.

Während der Beschleunigung, des Bremsens und des Kurvenfahrens verlagert sich die Last jedoch zwischen den Rädern. Die ungefähre Lastverlagerung kann wie folgt geschätzt werden:

ΔF = m × a × h ÷ B

wobei m die Gesamtfahrzeugmasse in Kilogramm, a die Längs- oder Querbeschleunigung in Metern pro Sekunde zum Quadrat, h die Schwerpunktshöhe in Metern und B die Spurweite in Metern ist.

Bei Verwendung eines repräsentativen Parametersatzes:

m = 4,000 kg

a = 0.5 m/s²

h = 0.5 m

B = 0.8 m

Die berechnete Lastverlagerung beträgt:

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

Dies entspricht einer zusätzlichen vertikalen Last von etwa 127 kgf, die vom inneren auf das äußere Rad übertragen wird.

Die Bedeutung dieser Berechnung liegt darin, dass die tatsächliche Last auf einem einzelnen Rad unter dynamischen Bedingungen höher sein kann als der Wert der statischen Gleichverteilung. Wenn die ursprüngliche Auswahl nur eine sehr geringe Lastreserve aufweist, können Kurvenfahrt, Steigungsfahrt oder Notbremsung die Bedingungen sein, unter denen Probleme erstmals sichtbar werden.

Die genaue Lasterhöhung auf jedem Rad hängt von der Radkonfiguration und der Federungsanordnung ab und sollte anhand der tatsächlichen Fahrzeugparameter berechnet werden. Das allgemeine Prinzip ist jedoch klar: Je häufiger das AGV omnidirektionale Bewegungen und Lenkvorgänge ausführt, desto wichtiger wird die dynamische Lastverlagerung bei der Radauswahl.

Eine Einzellenkradkonfiguration ist ein typisches Beispiel. Wenn ein Antriebspunkt sowohl Vortrieb als auch Lenkung übernimmt, kann die Lastanforderung dieses Rads wesentlich höher sein als der Wert, der sich aus der einfachen Division des Gesamtfahrzeuggewichts durch die Anzahl der Räder ergibt.

Auch die Flanschschnittstelle erfordert eine höhere Genauigkeit, da Winkelabweichungen oder Rundlauf im Lenkaggregat direkt in Fehler der Fahrzeuglage übertragen werden können.

3. Übertragungskette drei: Der Antriebsmechanismus bestimmt, wo der wesentliche radbezogene Engpass auftritt

Die wesentlichen Verschleiß- und Präzisionsbegrenzungen befinden sich bei den drei Antriebsmechanismen nicht an derselben Stelle.

Beim Differenzialantrieb ist die Durchmesserkonsistenz des linken und rechten Antriebsrads entscheidend. Die Differenzialsteuerung geht davon aus, dass die Raddurchmesser annähernd gleich sind. Besteht eine tatsächliche Durchmesserdifferenz, erzeugt derselbe Drehzahlbefehl auf beiden Seiten unterschiedliche lineare Geschwindigkeiten, wodurch die Fahrtrichtung des Fahrzeugs abweicht.

Beim Lenkantrieb liegen die Hauptprobleme in der Konzentrizität der Flanschschnittstelle und im lenkbedingten Verschleiß der Lauffläche. Rundlauf oder Fehlausrichtung an der Montagefläche des Lenkaggregats können zu Abweichungen der Fahrzeuglage verstärkt werden, während wiederholte seitliche Reibung ein ungleichmäßiges Verschleißband auf der Lauffläche verursachen kann.

Bei Mecanum-Rädern ist die Rollenbaugruppe selbst der wesentliche Engpass. Die Rollen sind unabhängige Komponenten mit einer Gummi- oder Polyurethanbeschichtung. Sie tragen sowohl die Last als auch die Gleitreibung, weshalb ihre Verschleißrate höher sein kann als bei herkömmlichen Radlaufflächen. Ungleichmäßiger Verschleiß der Rollen an vier Rädern kann sich während omnidirektionaler Bewegungen in Richtungs- und Positionsfehlern äußern.

Wenn diese drei Übertragungsketten zusammen betrachtet werden, wird deutlich, warum die Auswahlreihenfolge nicht umgekehrt werden sollte.

Zunächst muss der Antriebsmechanismus festgelegt werden, damit die Richtung der Radbelastung, die Anzahl der Räder und die dynamischen Lasten bestimmt werden können. Erst dann können Ingenieure feststellen, für welche Radparameter zusätzliche Auslegungsreserven erforderlich sind.

Ein Rad zuerst auszuwählen bedeutet, eine Komponente zu optimieren, bevor ihre tatsächliche Belastungsumgebung vollständig definiert wurde.

Mehrdimensionale Gegenüberstellung von drei AGV-Antriebsmechanismen

Kinematischer und struktureller Vergleich

Vergleich der Radanforderungen

Betriebsbedingungen und Bodenkompatibilität

Ausfallarten und Wartungsprioritäten

Ein siebenstufiger Auswahlprozess für AGV-Radnabenmotoren

Der folgende siebenstufige Prozess überführt die oben erläuterte Logik in eine umsetzbare Reihenfolge.

Diese sieben Schritte können in verschiedenen Projektphasen besprochen werden, doch die Reihenfolge sollte im Allgemeinen nicht umgekehrt werden. Das Ergebnis jedes Schritts wird zur Eingabe für den nächsten.

Schritt 1: Erforderliche Freiheitsgrade definieren

Beginnen Sie mit der Beantwortung von drei Fragen:

Benötigt das AGV eine seitliche Verschiebung?

Muss es sich auf der Stelle drehen können?

Gibt es eine strenge Begrenzung des Wenderadius?

Wenn weder seitliche Verschiebung noch Drehung auf der Stelle erforderlich sind, ist ein Differenzialantrieb häufig ausreichend.

Wenn eine der beiden Funktionen erforderlich ist, sollten Lenkantrieb und Mecanum-Antrieb in den Vergleich einbezogen werden.

Schritt 2: Bodenbedingungen und Streckenmerkmale definieren

Erfassen Sie Bodenart, Ebenheit, Fugen und Steigungen, Sauberkeitsanforderungen, Kontakt mit Öl und Wasser sowie die typische Fahrstrecke und Wendefrequenz für jeden Auftrag.

Diese Informationen beeinflussen sowohl die Eignung des Antriebsmechanismus als auch die erforderliche Laufflächenmischung.

Schritt 3: Achslasten einschließlich dynamischer Lastverlagerung berechnen

Verwenden Sie:

ΔF = m × a × h ÷ B

um die Lastverlagerung im dynamischen Betrieb zu schätzen.

Addieren Sie den berechneten dynamischen Zuschlag zur statischen Lastverteilung, um die für die Auswahl maßgebliche Radlastanforderung zu erhalten, und legen Sie gleichzeitig die Betriebsgeschwindigkeit fest.

Die Tragfähigkeit sollte stets zusammen mit der Betriebsgeschwindigkeit angegeben werden.

So ist beispielsweise die Angabe der zulässigen Last bei 4 km/h aussagekräftig, während eine Tragfähigkeitsangabe ohne entsprechende Geschwindigkeitsbedingung keine vollständige Vergleichsgrundlage bietet.

Schritt 4: Raddurchmesser und -breite bestimmen

Der Raddurchmesser beeinflusst die Hindernisüberfahrfähigkeit, den Rollwiderstand und die Tragfähigkeit.

Die Radbreite beeinflusst den Bodendruck und die Seitenstabilität.

Bei Schwerlastanwendungen kann eine angemessene Vergrößerung des Raddurchmessers oder der Radbreite zur Verringerung des Kontaktdrucks wirksamer sein als eine bloße Erhöhung der Laufflächenhärte.

Schritt 5: Laufflächenhärte und Ausrichtung der Mischung bestimmen

Für Radpositionen, bei denen Traktion Priorität hat, ist im Allgemeinen eine relativ härtere und verschleißfestere Laufflächenmischung geeignet.

Für passive Räder, bei denen geringer Rollwiderstand und Bodenschutz wichtiger sind, kann eine weichere Mischung mit geringerem Widerstand bevorzugt werden.

Für Radpositionen, die häufigem Lenkscheuern ausgesetzt sind, sollte die Laufflächenmischung Verschleißfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen seitlichen Abrieb in Einklang bringen.

HanKe gibt typischerweise Mischungsempfehlungen entsprechend den einzelnen Radpositionen, anstatt für das gesamte AGV eine identische Laufflächenmischung einzusetzen.

Schritt 6: Radkernstruktur und Lagerkonfiguration bestimmen

Material des Radkerns, Oberflächenbehandlung, Flansch- oder Passfedernutschnittstelle, Lagertyp und Lagerluftklasse sollten auf den Antriebsmechanismus, das Getriebe und das gesamte Fahrzeuglastspektrum abgestimmt werden.

Die Lagerauswahl sollte zusammen mit der Radkernstruktur betrachtet werden. Eine unabhängige Auswahl beider Komponenten kann während der Montage zu Nacharbeiten führen.

Schritt 7: Paarungsregeln und Abnahmekriterien definieren

Legen Sie die zulässige Durchmesserdifferenz zwischen koaxialen linken und rechten Rädern, die Konsistenzanforderungen zwischen mehreren Rädern am selben Fahrzeug sowie die bei der Abnahmeprüfung zu kontrollierenden Daten fest.

Dieser letzte Schritt überführt die Schlussfolgerungen aus den vorhergehenden sechs Schritten in messbare und überprüfbare technische Anforderungen.

Fazit

Die Auswahl von AGV-Rädern sollte nicht isoliert mit Raddurchmesser, Laufflächenhärte oder Nennlast beginnen.

Der richtige Ansatz besteht darin, zunächst den Antriebsmechanismus festzulegen und dann die daraus resultierende Lastrichtung, Radkonfiguration, dynamische Lastverteilung und Präzisionsanforderungen zu bestimmen. Erst nachdem diese Bedingungen festgelegt sind, können der geeignete Radnabenmotor, Raddurchmesser, die Laufflächenmischung, die Radkernstruktur, die Lagerkonfiguration und die Abstimmungsanforderungen ausgewählt werden.

Differenzialantrieb, Lenkantrieb und Mecanum-Radantrieb weisen jeweils unterschiedliche kinematische Eigenschaften, Lastpfade, Präzisionsengpässe und Wartungsanforderungen auf. Ein Rad, das in einer Konfiguration gut funktioniert, ist möglicherweise nicht die geeignete Wahl für eine andere.

Bei AGV- und AMR-Projekten sollten Rad und Antriebsmechanismus daher als ein integriertes Bewegungssystem und nicht als zwei unabhängige Komponenten behandelt werden.

Kontaktieren Sie HONPINE, um die Anforderungen Ihrer AGV-Anwendung zu besprechen und eine geeignete AGV-Radnabenmotorlösung zu finden.