Sélection du système d'entraînement AGV : comment choisir entre l'entraînement différentiel, l'entraînement directionnel et les moteurs-roues Mecanum ?

La séquence correcte pour la sélection d’un système d’entraînement AGV consiste à déterminer d’abord le mécanisme d’entraînement — entraînement différentiel, entraînement directionnel ou entraînement par roues Mecanum — puis à sélectionner les roues. Le mécanisme détermine le nombre de roues, les directions de charge, la répartition des charges par essieu et les modes de défaillance potentiels. Comparer les spécifications des roues avant de définir le mécanisme d’entraînement revient à sélectionner une roue avant que les conditions de charge réelles n’aient été établies.

Les exigences relatives aux roues peuvent être résumées en quatre paramètres courants : la régularité du diamètre des roues, les caractéristiques de friction et d’usure de la bande de roulement, la concentricité du moyeu de roue et la précision de l’interface, ainsi que la configuration des roulements et de la capacité de charge. Toutefois, la priorité de ces paramètres varie considérablement selon les différents mécanismes d’entraînement.

Pourquoi le mécanisme d’entraînement doit-il être déterminé avant de sélectionner le moteur-roue ?

Dans de nombreux projets AGV, les roues sont souvent abordées relativement tard. Le système de navigation, la logique d’ordonnancement et la structure du véhicule sont définis en premier, tandis que les roues sont considérées comme le composant d’exécution final à acheter.

Cette séquence n’a rien de fondamentalement erroné. Le problème apparaît lorsque les roues sont traitées comme des composants d’achat standardisés — par exemple, en sélectionnant un diamètre uniquement en fonction de la capacité de charge, en choisissant une dureté de bande de roulement selon l’expérience, puis en installant les roues sans analyse complémentaire au niveau du système.

Après la mise en service de l’AGV, des problèmes tels que des écarts de trajectoire, des erreurs de positionnement et une usure inégale de la bande de roulement peuvent apparaître. La recherche de panne est souvent orientée vers les algorithmes de navigation ou de commande, alors que la cause réelle peut résider dans l’inadéquation entre le mécanisme d’entraînement et la roue.

1. Première chaîne de transmission : le mécanisme d’entraînement détermine la direction de chargement des roues

Une même roue revêtue de polyuréthane peut subir des forces totalement différentes selon le mécanisme d’entraînement.

Dans un système à entraînement différentiel, une roue passive subit des forces latérales lorsqu’elle suit le châssis du véhicule. Lors des virages, la bande de roulement peut subir un frottement latéral contre le sol.

Dans un système à entraînement directionnel, la roue motrice doit supporter non seulement la traction et les charges verticales, mais aussi le couple de réaction de direction transmis par le mécanisme de direction ainsi que le frottement latéral durant le braquage.

Pour une roue Mecanum, les galets subissent simultanément une pression radiale et des composantes de force axiale. La condition de charge est donc plus complexe.

Puisque la direction de la force change, la formulation requise pour la bande de roulement change également.

Les applications où la traction est l’exigence principale nécessitent généralement un coefficient de friction stable et une bonne résistance à l’usure. Une formulation de bande de roulement plus dure et résistante à l’usure est souvent mieux adaptée à ces conditions.

Pour les applications où la roue est principalement tractée ou soumise à un frottement latéral, la bande de roulement doit minimiser les marques au sol et la génération de chaleur. Une formulation plus souple avec une résistance au roulement plus faible peut donc être plus appropriée.

Le système de bande de roulement Eamflex 93A de HanKe est conçu pour offrir une haute résistance à l’usure, tandis que le système de bande de roulement Saxflex 75A est conçu en mettant davantage l’accent sur la protection des sols. Ces deux orientations de bande de roulement correspondent aux différentes conditions de charge décrites ci-dessus. Le choix de caractéristiques de bande de roulement inadaptées peut ne pas révéler de problème immédiatement et ne devenir apparent qu’après plusieurs centaines d’heures de fonctionnement.

2. Deuxième chaîne de transmission : le mécanisme d’entraînement détermine la répartition des charges par essieu et le transfert de charge

Utiliser une répartition égale des charges statiques pour estimer la charge sur chaque roue est une simplification courante lors de l’étape de sélection.

Par exemple, supposons un AGV à quatre roues avec une masse totale en charge de 4,000 kg. Un calcul statique simple donnerait 1,000 kg par roue.

Cependant, lors des accélérations, des freinages et des virages, la charge est transférée entre les roues. La quantité approximative de transfert de charge peut être estimée à l’aide de :

ΔF = m × a × h ÷ B

où m est la masse totale du véhicule en kilogrammes, a est l’accélération longitudinale ou latérale en mètres par seconde carrée, h est la hauteur du centre de gravité en mètres et B est la voie en mètres.

En utilisant un ensemble représentatif de paramètres :

m = 4,000 kg

a = 0.5 m/s²

h = 0.5 m

B = 0.8 m

Le transfert de charge calculé est :

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

Cela correspond à environ 127 kgf de charge verticale supplémentaire transférée de la roue intérieure vers la roue extérieure.

L’importance de ce calcul est que la charge réelle sur une roue individuelle dans des conditions dynamiques peut être supérieure à la valeur de répartition statique égale. Si la sélection initiale présente une très faible marge de charge, les virages, les montées ou les freinages d’urgence peuvent devenir les conditions dans lesquelles les problèmes se manifestent pour la première fois.

L’augmentation exacte de charge sur chaque roue dépend de la configuration des roues et de l’agencement de la suspension, et doit être calculée à l’aide des paramètres réels du véhicule. Toutefois, le principe général est clair : plus l’AGV effectue fréquemment des mouvements omnidirectionnels et des manœuvres de direction, plus le transfert dynamique de charge devient important lors de la sélection des roues.

Une configuration à une seule roue directrice en est un exemple typique. Lorsqu’un point d’entraînement assure à la fois la propulsion et la direction, l’exigence de charge de cette roue peut être bien supérieure à la valeur obtenue en divisant simplement le poids total du véhicule par le nombre de roues.

L’interface de bride exige également une plus grande précision, car un écart angulaire ou un faux-rond dans l’unité de direction peut être directement transmis sous forme d’erreurs d’assiette du véhicule.

3. Troisième chaîne de transmission : le mécanisme d’entraînement détermine l’emplacement du principal goulot d’étranglement lié aux roues

Les principales limites d’usure et de précision ne se situent pas au même endroit pour les trois mécanismes d’entraînement.

Pour l’entraînement différentiel, le point essentiel est la régularité du diamètre des roues motrices gauche et droite. Le contrôleur différentiel suppose que les diamètres des roues sont approximativement égaux. S’il existe une différence de diamètre réelle, une même consigne de vitesse de rotation produira des vitesses linéaires différentes des deux côtés, entraînant une déviation du cap du véhicule.

Pour l’entraînement directionnel, les principaux problèmes sont la concentricité de l’interface de bride et l’usure de la bande de roulement induite par la direction. Un faux-rond ou un désalignement sur la surface de montage de l’unité de direction peut être amplifié en variation d’assiette du véhicule, tandis que des frottements latéraux répétés peuvent créer une bande d’usure irrégulière sur la bande de roulement.

Pour les roues Mecanum, le principal goulot d’étranglement est l’ensemble de galets lui-même. Les galets sont des composants indépendants recouverts de caoutchouc ou de polyuréthane. Ils supportent à la fois la charge et le frottement de glissement ; leur taux d’usure peut donc être supérieur à celui des bandes de roulement conventionnelles. Une usure inégale des galets entre les quatre roues peut se manifester par des erreurs de direction et de déplacement lors des mouvements omnidirectionnels.

Lorsque ces trois chaînes de transmission sont considérées ensemble, il devient clair pourquoi la séquence de sélection ne doit pas être inversée.

Le mécanisme d’entraînement doit d’abord être défini afin d’établir la direction de chargement des roues, le nombre de roues et les charges dynamiques. Ce n’est qu’ensuite que les ingénieurs peuvent déterminer quels paramètres de roue nécessitent une marge de conception supplémentaire.

Sélectionner d’abord une roue revient à optimiser un composant avant que son environnement de charge réel n’ait été entièrement défini.

Comparaison multidimensionnelle de trois mécanismes d’entraînement AGV

Comparaison cinématique et structurelle

Comparaison des exigences relatives aux roues

Conditions de fonctionnement et compatibilité avec les sols

Modes de défaillance et priorités de maintenance

Processus de sélection de moteur-roue AGV en sept étapes

Le processus suivant en sept étapes transforme la logique présentée ci-dessus en une séquence applicable.

Ces sept étapes peuvent être abordées à différentes phases d’un projet, mais la séquence ne doit généralement pas être inversée. Le résultat de chaque étape devient l’entrée de la suivante.

Étape 1 : définir les degrés de liberté requis

Commencez par répondre à trois questions :

L’AGV doit-il se déplacer latéralement ?

Doit-il pouvoir tourner sur place ?

Existe-t-il une limite stricte concernant le rayon de braquage ?

Si ni le déplacement latéral ni la rotation sur place ne sont nécessaires, un entraînement différentiel est souvent suffisant.

Si l’une ou l’autre de ces capacités est requise, l’entraînement directionnel et l’entraînement Mecanum doivent être inclus dans la comparaison.

Étape 2 : définir les conditions de sol et les caractéristiques du trajet

Consignez le type de sol, sa planéité, les joints et les pentes, les exigences de propreté, l’exposition à l’huile et à l’eau, ainsi que la distance de déplacement typique et la fréquence des virages pour chaque mission.

Ces informations influencent à la fois la faisabilité du mécanisme d’entraînement et la formulation de bande de roulement requise.

Étape 3 : calculer les charges par essieu, y compris le transfert dynamique de charge

Utilisez :

ΔF = m × a × h ÷ B

pour estimer le transfert de charge durant le fonctionnement dynamique.

Ajoutez l’incrément dynamique calculé à la répartition des charges statiques afin d’obtenir l’exigence de charge de roue pour la sélection, et spécifiez simultanément la vitesse de fonctionnement.

La capacité de charge doit toujours être indiquée avec la vitesse de fonctionnement.

Par exemple, indiquer la charge admissible à 4 km/h est pertinent, tandis qu’une capacité de charge sans condition de vitesse correspondante ne fournit pas une base de comparaison complète.

Étape 4 : déterminer le diamètre et la largeur des roues

Le diamètre de la roue affecte la capacité de franchissement d’obstacles, la résistance au roulement et la capacité de charge.

La largeur de la roue affecte la pression au sol et la stabilité latérale.

Dans les applications à forte charge, augmenter de manière appropriée le diamètre ou la largeur de la roue peut être plus efficace pour réduire la pression de contact que simplement augmenter la dureté de la bande de roulement.

Étape 5 : déterminer la dureté de la bande de roulement et l’orientation de la formulation

Pour les positions de roue où la traction est prioritaire, une formulation de bande de roulement relativement plus dure et plus résistante à l’usure est généralement appropriée.

Pour les roues passives où une faible résistance au roulement et la protection du sol sont plus importantes, une formulation plus souple et à faible résistance peut être privilégiée.

Pour les positions de roue exposées à des frottements fréquents dus à la direction, la formulation de la bande de roulement doit équilibrer la résistance à l’usure et la résistance à l’abrasion latérale.

HanKe fournit généralement des recommandations de formulation selon les positions de roues individuelles plutôt que d’appliquer une formulation de bande de roulement identique à l’ensemble de l’AGV.

Étape 6 : déterminer la structure du moyeu de roue et la configuration des roulements

Le matériau du moyeu de roue, le traitement de surface, l’interface à bride ou à clavette, le type de roulement et la classe de jeu des roulements doivent être adaptés au mécanisme d’entraînement, au réducteur et au spectre global de charge du véhicule.

La sélection des roulements doit être envisagée conjointement avec la structure du moyeu de roue. Sélectionner les deux indépendamment peut entraîner des reprises lors de l’assemblage.

Étape 7 : définir les règles d’appairage et les critères d’acceptation

Spécifiez l’écart de diamètre admissible entre les roues gauche et droite coaxiales, les exigences de régularité entre plusieurs roues d’un même véhicule et les données qui doivent être vérifiées lors des essais de réception.

Cette dernière étape transforme les conclusions des six étapes précédentes en exigences techniques mesurables et vérifiables.

Conclusion

La sélection des roues AGV ne doit pas commencer par le diamètre de roue, la dureté de la bande de roulement ou la charge nominale considérés isolément.

L’approche correcte consiste à définir d’abord le mécanisme d’entraînement, puis à déterminer la direction de charge qui en résulte, la configuration des roues, la répartition dynamique des charges et les exigences de précision. Ce n’est qu’après l’établissement de ces conditions que le moteur-roue approprié, le diamètre de roue, la formulation de bande de roulement, la structure du moyeu de roue, la configuration des roulements et les exigences d’adaptation peuvent être sélectionnés.

L’entraînement différentiel, l’entraînement directionnel et l’entraînement par roues Mecanum présentent chacun des caractéristiques cinématiques, des chemins de charge, des goulots d’étranglement de précision et des exigences de maintenance différents. Une roue qui fonctionne bien dans une configuration peut ne pas être le choix approprié pour une autre.

Pour les projets AGV et AMR, la roue et le mécanisme d’entraînement doivent donc être traités comme un système de mouvement intégré plutôt que comme deux composants indépendants.

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