Determinación de los requisitos de diseño y análisis característico de configuraciones de trenes motrices para tractores eléctricos basados en la carga de trabajo agrícola real

Por qué importan las máquinas agrícolas más limpias

Las granjas modernas dependen de los tractores para casi todas las tareas, desde arar el suelo hasta transportar cargas y alimentar rotavatoros. La mayoría de estos vehículos de trabajo aún queman diésel, lo que malgasta energía y genera emisiones. A medida que se endurecen las normas climáticas y fluctúan los precios del combustible, existe una creciente presión por sustituir el diésel por energía eléctrica más limpia. Este estudio plantea una pregunta aparentemente simple: si construimos un tractor eléctrico para realizar trabajo agrícola real, ¿qué necesita exactamente ser capaz de hacer y cuál es la forma más inteligente de distribuir sus motores y engranajes?

Midiendo lo que los tractores realmente hacen en el campo

En lugar de basarse en las especificaciones de catálogo, los investigadores llevaron un tractor diésel convencional de tamaño medio a campos reales y midieron cuánto trabajo tenía que hacer realmente. Equiparon las cuatro ruedas y el eje de toma de fuerza trasero con sensores de par y velocidad, convirtiendo el tractor en un banco de pruebas rodante. Luego realizaron operaciones típicas: tirar de un arado por el suelo, accionar una rotovadora y circular por carretera a alta velocidad. Al combinar las fuerzas en las ruedas y la carga de torsión en el eje trasero con la velocidad de avance, pudieron calcular cuánta potencia útil exigía cada tarea a lo largo del tiempo.

Separando la fuerza de tracción del trabajo de giro

Los tractores realizan dos tipos principales de trabajo. Uno es tirar de herramientas pesadas a través del suelo, que requiere una gran fuerza de tracción a baja velocidad. El otro es hacer girar herramientas como las rotovadoras mediante la toma de fuerza, que necesita rotación y par constantes. A partir de los datos de campo, el equipo construyó «envolventes de potencia», curvas que muestran las combinaciones de velocidad y fuerza, o velocidad y par, que cubren todas las cargas observadas con un margen de seguridad. Para las tareas de tracción, encontraron que el tractor debía suministrar hasta unos 32 kilonewtons de fuerza de arrastre a unos pocos kilómetros por hora, y alcanzar velocidades de carretera de aproximadamente 33 kilómetros por hora, lo que corresponde a unos 40 kilovatios de potencia de tracción. Para las tareas de giro, la toma de fuerza necesitaba casi 40 kilovatios a velocidades de rotación típicas, con gran parte de la demanda total durante la rotovación procedente de la herramienta giratoria más que de la tracción.

Traduciendo las cargas de trabajo en objetivos de diseño eléctricos

Con estas envolventes, los autores pudieron especificar qué debe ser capaz de proporcionar un tractor eléctrico de la misma clase, sin copiar ciegamente la potencia nominal del motor diésel. Argumentaron que los tractores existentes suelen estar sobredimensionados porque sus motores también deben accionar la hidráulica de forma continua y transmitir potencia a través de cajas de cambios multietapa que desperdician energía. Diseñando a partir de la carga de trabajo medida, un tractor eléctrico puede ajustarse a las necesidades reales evitando motores sobredimensionados y transmisiones innecesariamente complejas. Por ello, el estudio estableció requisitos separados para tracción y toma de fuerza, cada uno con su máxima fuerza, velocidad y potencia, y trató las funciones hidráulicas como atendidas por un pequeño motor eléctrico dedicado.

Tres formas de distribuir la potencia de un tractor eléctrico

Con estos requisitos, el equipo comparó tres disposiciones diferentes del tren motriz. En el diseño de un solo motor, un motor grande suministra tanto la potencia de tracción como la de la toma de fuerza a través de una caja de cambios, de forma similar a un motor diésel actual. Esto mantiene el control simple pero exige una transmisión complicada y provoca mayores pérdidas mecánicas. En la configuración de doble motor «separación de potencias», un motor acciona las ruedas y otro la toma de fuerza, cada uno mediante un engranaje más sencillo. Esto mejora la eficiencia y permite ajustar independientemente la velocidad de avance y la velocidad de las herramientas, pero la capacidad combinada de los motores es elevada. Una tercera opción, la disposición de doble motor «asistencia de potencia», usa un motor principal más un motor auxiliar más pequeño. Dependiendo de la tarea, pueden trabajar juntos para la tracción, o el motor principal puede centrarse en la herramienta giratoria mientras el auxiliar se encarga de la tracción. Esto puede ajustarse estrechamente a las necesidades de potencia medidas, pero requiere embragues más complejos y un control más sofisticado.

Qué significa esto para las máquinas agrícolas del futuro

Para no especialistas, el mensaje clave es que los tractores eléctricos exitosos no pueden limitarse a sustituir un motor diésel por una batería y un motor con la misma potencia nominal. Deben diseñarse desde cero en torno a lo que realmente ocurre en los campos: cuánto tiran las ruedas, a qué velocidad giran las herramientas y cuánto dura cada tarea. Al convertir mediciones detalladas de la carga de trabajo en envolventes de potencia claras y luego probar disposiciones alternativas de motores frente a ellas, este estudio ofrece un plano para construir tractores eléctricos que sean lo bastante potentes, eficientes y no sobredimensionados. La misma metodología podría orientar el dimensionamiento de baterías, el diseño de refrigeración y las estrategias de control, ayudando a los agricultores a adoptar máquinas más limpias sin sacrificar el rendimiento.

Cita: Ahn, DV., Kim, JT., Kim, K. et al. Determination of design requirements and characteristic analysis of powertrain configurations for electric tractors based on actual agricultural workload. Sci Rep 16, 14381 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44453-0

Palabras clave: tractores eléctricos, maquinaria agrícola, diseño de tren motriz, electrificación agrícola, carga de trabajo del tractor