Autonome Bodenfahrzeuge (UGV, Unmanned Ground Vehicle) übernehmen zunehmend Aufgaben in Landwirtschaft, Kommunaltechnik, Logistik sowie in industriellen Anwendungen. Daher stehen Entwickler öfters vor der grundlegenden Entscheidung, ob das Fahrzeug auf Raupen oder Räder fahren soll, ist eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Konzeption solcher Fahrzeuge.
Beide Konzepte haben sich in der Praxis bewährt. Die optimale Lösung hängt dabei stark von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Neben Mobilität und Traktion spielt insbesondere die Auslegung des elektrischen Antriebsstrangs eine entscheidende Rolle. Während viele militärische, industrielle, Rettungs- und Logistikplattformen Raupen verwenden sieht man in der Agrarrobotik oft Radantriebe.
Räder und Raupen verfolgen unterschiedliche Optimierungsziele
Raupenfahrwerke wurden ursprünglich entwickelt, um die Fortbewegung von schweren Fahrzeugen auf schwierigem Untergrund zu optimieren. Durch die grosse Kontaktfläche sinkt der Bodendruck und die Traktion steigt auf weichen Böden.
Radfahrwerke verfolgen dagegen häufig andere Ziele:
· Hohe Energieeffizienz
· Geringe mechanische Verluste
· Höhere Fahrgeschwindigkeit
· Einfache Wartung
· Geringeres Systemgewicht
Mobilität und Traktion
Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass Raupenfahrzeuge auf weichen Untergründen häufig höhere Zugkräfte übertragen können als vergleichbare Radfahrzeuge. Gleichzeitig reduziert die grössere Aufstandsfläche das Risiko des Einsinkens.
Auf festen oder moderat weichen Böden können moderne Radfahrwerke jedoch sehr ähnliche Mobilitätsleistungen erreichen. Breitreifen, Niederdruckreifen sowie geregelte Einzelradantriebe haben die Leistungsfähigkeit von Radfahrzeugen in den vergangenen Jahren deutlich verbessert.
Die entscheidende Frage ist oft welches Gelände tatsächlich befahren werden muss. Viele Agrarroboter arbeiten in Fahrgassen, auf Plantagen oder auf vorbereitetem Gelände mit geringen Hindernishöhen wo die Vorteile einer Raupe weniger zum Tragen kommen und die Fähigkeit über viele Stunden effizient und präzise zu arbeiten wichtiger ist.
Energieeffizienz als Schlüsselfaktor
Mit zunehmender Elektrifizierung gewinnt der Energieverbrauch an Bedeutung. Während Räder rollend bewegt werden, entstehen bei Raupen zusätzliche Verluste durch die Umlenkung, Verformung des Raupenbandes, Schlupf beim Lenken und dem Gewicht.
Dies beeinflusst unmittelbar die Batteriekapazität bzw. Fahrzeuggewicht und Betriebsdauer und Ladezyklen bei elektrischen Fahrzeugen. Somit gilt: je länger ein Fahrzeug autonom arbeiten soll, desto wichtiger wird die Effizienz des gesamten Antriebsstrangs.
Die Rolle moderner elektrischer Antriebe
Unabhängig davon, ob ein Fahrzeug Räder oder Raupen verwendet, steigen die Anforderungen an die Antriebstechnik kontinuierlich. Moderne Antriebssysteme für UGV zeichnen sich durch folgende Attribute aus:
· Hohe Drehmomentdichte
· Hoher Wirkungsgrad
· Kompakte Bauweise
· Hohe Zuverlässigkeit
· Einfache Integration
· Geringer Wartungsaufwand
Diese Anforderungen haben zur Entwicklung hochintegrierter Antriebssysteme geführt.
Integrierte Wheel & Drive Systeme als Plattform für moderne UGVs
I&W Systeme vereinen Motor, Getriebe, Bremse und Sensorik in einer einzigen Antriebseinheit. Dadurch entsteht eine kompakte und robuste Plattform, die sowohl für Radfahrzeuge als auch für Raupenfahrzeuge interessante Vorteile bietet.
· Maximale Kompaktheit: Bauraum gehört bei autonomen Fahrzeugen zu den wertvollsten Ressourcen. Durch die Integration mehrerer Funktionen in einer einzigen Einheit lässt sich der benötigte Bauraum deutlich reduzieren. Gleichzeitig werden mechanische Schnittstellen minimiert.
· Integriertes Getriebe: UGVs benötigen meist hohe Drehmomente bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten.
· mit einem integrierten Ansatz werden Montage und Wartung deutlich vereinfacht
· hohe Robustheit unter realen Bedingungen (Wasser, Staub, etc.) kann gewährleistet werden. Gerade für UGV ist eine hohe Verfügbarkeit sehr wichtig.
· die integrierte Feststellbremse leistet einen wichtigen Beitrag zur funktionalen Sicherheit.
Fazit
Es gibt keinen Sieger in der Diskussion «Räder oder Raupe». Raupen bieten Vorteile bei Traktion und Mobilität auf schwierigen Untergründen. Räder überzeugen häufig durch höhere Effizienz, höhere Fahrgeschwindigkeit und geringeren Wartungsaufwand. Für Entwickler autonomer Fahrzeuge wird jedoch zunehmend ein anderer Aspekt entscheidend: die Integration des Antriebsstrangs.
Moderne Antriebssysteme ermöglichen eine kompakte, robuste und hochintegrierte Fahrzeugarchitektur. Durch die Kombination von Motor, Getriebe, Bremse und Sensorik in einer einzigen Einheit lassen sich sowohl Rad- als auch Raupenfahrzeuge effizient realisieren.
Damit verschiebt sich die eigentliche Optimierungsaufgabe zunehmend von der reinen Fahrwerkswahl hin zur Frage, wie Mobilität, Effizienz, Zuverlässigkeit und Integration optimal miteinander kombiniert werden können.
Quellen
Wong, J.Y.; Huang, W. (2006): Wheels vs. Tracks: A Fundamental Evaluation from the Traction Perspective. Journal of Terramechanics.
Shamah, B. (1999): Experimental Comparison of Skid Steering vs. Explicit Steering for a Wheeled Mobile Robot. Carnegie Mellon University.
Mandow, A. et al. (2007): Experimental Kinematics for Wheeled Skid-Steer Mobile Robots.
Wong, J.Y. (2017): Tracks or Wheels: Perspectives and Aspects in Agriculture.