Sistemas de dirección de los carros de combate

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Sistemas de dirección de carros de combate
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El avanzado sistema de giro del carro pesado Tiger, en vez de palancas, contaba con un volante para el conductor con dos radios de giro para cada marcha.

Existen distintos sistemas de dirección que permiten que un carro de combate o cualquier tipo de vehículo de orugas gire. Debido a que las orugas no pueden inclinarse con respecto al chasis o casco en ningún diseño que resulte operativo, el control de la dirección debe lograrse bien acelerando una de las orugas, bien disminuyendo la velocidad de la otra o invirtiendola, o una combinación de ambas. Los vehículos de tipo semioruga en general evitan esta complicación al combinar ruedas de dirección con orugas de velocidad fija en ambos ejes, aunque en algunos diseños también pueden contar con sistemas de dirección complementarios en las orugas.

Los primeros sistemas de dirección para carros de combate se adoptaron de los vehículos especiales de trabajo con orugas que ya existían, generalmente usaban embragues y frenos para reducir la potencia a alguna de las dos orugas, lo que hacía que disminuyera la velocidad de ese lado y provocaba el giro. Estos diseños tenían numerosos problemas, especialmente al subir colinas o desplazarse a alta velocidad, ya que la reducción de potencia hacía que la velocidad general disminuyera. Proporcionar potencia a ambas orugas mientras giran a diferentes velocidades era un problema de diseño de difícil resolución, por eso se adoptaron varios diseños algunos con más inconvenientes que otros.

Se introdujeron una serie de diseños más avanzados usando diferenciales, especialmente durante la Segunda Guerra Mundial, que mantenían la potencia en ambas orugas durante las maniobras de giro, un concepto conocido como dirección regenerativa. Algunas soluciones también permitieron que una de las orugas avanzara mientras que la otra invertía su sentido de giro, permitiendo que el vehículo girara sobre sí mismo, un concepto conocido como dirección neutral. El primer sistema realmente exitoso fue el diseño de doble diferencial británico de 1924, que fue copiado tanto en Estados Unidos como en Alemania.

La mayoría de los diseños occidentales modernos utilizan alguna variante del doble diferencial, mientras que los diseños soviéticos y rusos prefirieron usar sistemas de doble transmisión. Los sistemas que utilizan motores eléctricos con variadores de velocidad para su control se han probado en varias ocasiones, pero no han entrado en un servicio generalizado en los blindados de orugas de uso militar.

Doble propulsor

Una solución aparentemente sencilla al problema de la dirección de un vehículo de orugas es utilizar dos sistemas motrices separados, uno para cada una de las dos orugas. Este sistema mantiene la misma potencia en ambas orugas para avanzar mientras que variando la potencia en alguno de los lados produce una amplia gama de ángulos de giro e incluso permite que una oruga se invierta mientras la otra avanza provocando que el vehículo gire sobre si mismo. También permite su combinación con frenos para controlar aún más el radio de giro.[1]

La desventaja obvia de este diseño es el costo y la complejidad de contar con un sistema motriz duplicado con dos propulsores y dos sistemas de transmisión con la mayor carga de mantenimiento que ello implica. Otra es que si un motor falla, el otro no se puede usar para mover ambas orugas. Ambos problemas se reducirían en gran medida en el caso de usar una fuente de energía común como el vapor, donde la mayor parte del motor en términos de tamaño y peso es la caldera, y los cilindros que extraen esa energía son mucho más pequeños en comparación. También se podría proporcionar una salida variable controlando la cantidad de vapor enviado a cada cilindro. Pero es mucho más complejo cuando se usa con motores de combustión interna.[2]

Un problema menos obvio es que es muy difícil mantener un vehículo de este tipo en movimiento en línea recta. Aunque se puede usar un controlador para garantizar que las velocidades de ambos motores sean similares, las cargas en las orugas no serán las mismas a medida que se mueven sobre un terreno diferente, lo que hace que la oruga más cargada disminuya su velocidad y el vehículo gire en esa dirección. Esto hará que el vehículo se desvíe al moverse sobre un terreno irregular. No es un problema a velocidades muy bajas, y el sistema a veces se usa en excavadoras y otros vehículos de construcción con orugas. Sin embargo, en el caso de los carros de combate, se necesita una considerable habilidad del conductor y un ajuste constante, incluso a velocidades relativamente bajas como se observaba en los primeros diseños.[3]

Aunque han existido durante gran parte de la historia de los carros de combate, no son comunes los verdaderos sistemas de doble propulsión. Como ejemplos que usaran este sistema se incluyen el tanque medio británico Whippet de la Primera Guerra Mundial, y el carro ligero estadounidense M5 Stuart de la Segunda Guerra Mundial.[4]

Transmisión doble

La transmisión doble o dirección con engranajes es una evolución del concepto de doble propulsor, en el que se puede utilizar un solo motor y dividir la potencia de salida en dos transmisiones. La dirección se logra cambiando la marcha en una oruga y en la otra no, es decir, se hace el giro mediante engranajes, sean cajas de cambio independintes o sistemas encapsulados. Esto reduce la complejidad del sistema de doble propulsión cuando se combina con un motor moderno. También introduce un nuevo comportamiento; la carga adicional y consecuente pérdida de velocidad en una oruga provocada por las irregularidades del terreno hace que en la otra también disminuya sin provocar un giro no deseado, ya que van sincronizadas. Por tanto, además de ser más simple, la doble transmisión funciona mejor con respecto a la solución de doble propulsor.[5]

La desventaja de este sistema es que las transmisiones de alta potencia son dispositivos propensos a fallos, especialmente en la era de la Segunda Guerra Mundial. También son dispositivos complejos y que requieren mucho tiempo de fabricación, de mantenimiento y reparación. Aunque elimina un segundo motor y por tanto es más simple en comparación con el concepto de doble propulsor, sigue siendo relativamente complejo en comparación con otras soluciones de un solo motor.[6]

Los sistemas de doble transmisión se utilizaron ampliamente desde los primeros diseños de los vehículos de orugas, incluido el tractor civil-militar Holt 75 y los carros de combate alemanes y franceses basados en ese diseño que tuvieron un uso generalizado en la Primera Guerra Mundial.[7] Los japoneses adoptaron el concepto en 1925 y todos sus blindados posteriores a ese año hasta la Segunda Guerra Mundial lo usaron. Los británicos continuaron usándolo en la mayoría de sus blindados del primer período del segundo conflicto mundial, como el tanque de infantería Matilda II o tanques de crucero ligeros como el Covenanter y el Crusader.[8]

Los soviéticos introdujeron este sistema en su tanque pesado experimental KV-13 que daría lugar a la poderosa familia de tanques IS de finales de la Segunda Guerra Mundial. Las versiones posteriores introdujeron más engranajes para producir mayor variedad de radios de giro, incluida la inversión de una oruga. El T-64 por ejemplo introdujo una doble transmisión de siete velocidades que con ligeras variaciones se ha utilizado en carros de combate modernos soviéticos y rusos como el T-72 y T-90, y el Tipo 98 chino.[9][10]

Embragues frenados

Los embragues con frenos, o embragues frenados, son el sistema de dirección para un vehículo de orugas de un solo motor más simple en términos mecánicos, y fue utilizado casi universalmente en los primeros diseños de carros de combate hasta la Segunda Guerra Mundial. Consiste en la incorporación entre la transmisión principal y cada una de las orugas una combinación de un embrague y un freno conectados a los controles de dirección. Los controles son normalmente un par de palancas verticales, uno para cada oruga. Al tirar de una de estas palancas, se desacopla el embrague de ese lado, liberando esa oruga y haciendo que disminuya la velocidad, provocando el inicio del giro del vehículo. Si se sigue tirando de la palanca se aplica cada vez más el freno de esa esa oruga, lo que permite ajustar el círculo de giro.[11]

La principal desventaja de este diseño es que cuando se acciona una palanca de dirección, el motor deja de ejercer potencia en esa oruga. Esto hace que el vehículo disminuya la velocidad, incluso si no se llega a aplicar el freno. Si se está subiendo una pendiente o se está atravesando un terreno blando, el movimiento hacia adelante puede llegar a detenerse por completo. Otra desventaja es que los frenos disipan grandes cantidades de calor cada vez que se quiere girar, lo cual es muy ineficiente. Además, los frenos adecuados para controlar la dirección de un vehículo de grandes dimensiones mediante este sistema deben ser excesivaamente grandes y poco prácticos.[12]

El sistema de embragues y frenos fue introducido por los franceses en 1916 durante la Primera Guerra Mundial. Lo usaron la mayoría de los carros ligeros diseñados durante los años 1920 y 1930, así como algunos blindados más grandes de esa época como el Vickers Independent, un carro pesado experimental británico, y el T-35, un carro pesado multitorreta soviético de 45 toneladas. Los últimos diseños importantes en usar este sistema fueron los bien conocidos Panzer III y Panzer IV alemanes y el omnipresente T-34 soviético, que eran modelos de tamaño medio de entre 20 y 32 toneladas.[13]

Diferencial frenado

Los sistemas de diferencial con frenos o diferencial frenado quitan los embragues en la transmisión final a las orugas y agregan un diferencial en la salida de la transmisión principal con un freno en cada eje de transmisión final a las orugas. El diferencial permite que las orugas giren a diferentes velocidades sin dejar de ejercer potencia de tracción. La dirección se logra reduciendo la velocidad de una de las orugas mediante el accionamiento del freno correspondiente, entonces el vehículo girará en esa dirección. La ventaja de este sistema es que se mantiene la potencia propulsora en ambas orugas mientras se realiza un giro. Otra ventaja es su absoluta sencillez en el sistema de control de dirección para el conductor: se conecta directamente a los frenos, creando una disposición mecánica muy simple.[14]

La principal desventaja, como en el sistema de embragues frenados, es que la dirección disipa energía en forma de calor a través de los frenos. Sin embargo, a diferencia del sistema de embragues, en este caso todo giro requiere frenado por lo que se acentúa el problema. Este sistema se puede usar en carros ligeros, pero la gran cantidad de energía cinética que crean los blindados más grandes y pesados hace que los frenos requeridos deban ser excesivamente grandes haciendo el sistema inviable. Otra desventaja es que el diferencial permitirá que las orugas giren a diferentes velocidades sin importar cuál sea la causa. Esta puede ser la aplicación de un freno por el conductor, pero también ocurre cuando el vehículo se desplaza sobre un terreno no homogéneo en el que si una de las orugas entra en un terreno más blando reducirá su velocidad y el sistema girará por si solo hacia ese lado. El impulso hacia adelante tiende a contrarrestar este efecto, por lo que es principalmente un problema a bajas velocidades.[15]

El diferencial frenado en realidad es anterior a los embragues frenados en los vehículos de orugas, habiendo sido introducido inicialmente por Richard Hornsby & Sons en 1905 en el primer vehículo de orugas del mundo. El sistema con embragues se hizo más popular por su simplicidad mecánica mientras el diferencial frenado se incorporó en muchos blindados pequeños, especialmente en la época previa a la Segunda Guerra Mundial. Los tanques británicos comenzaron a usarlo durante la Primera Guerra Mundial y continuaron empleándolo hasta la Segunda Guerra Mundial. Un ejemplo común que usa este sistema de dirección es el transporte ligero inglés Bren Carrier.[16]

Diferencial controlado

Los sistemas de diferencial frenado vistos anteriormente cuentan con un sistema de engranajes planetarios o epicicloidales básico con una única relación de transmisión fija transmitida a través de los piñones satélite que giran libremente. El diferencial controlado agrega una extensión al bastidor que sostiene los piñones del difrencial con un segundo tren de engranajes y ambos son equipados con un freno convencional. En condiciones normales funciona como un diferencial convencional pero cuando se aplica el freno en uno de los lados los piñones libres de ese lado se bloquean, acelerando los piñones libres del lado contrario, y el sistema funciona como una reductora en el eje de salida de este lado, reduciendo la velocidad de rotación en el eje de salida de ese lado y de la oruga en una cantidad fija.[17]

La ventaja de este diseño es que no se aplican los frenos para reducir la velocidad del vehículo en uno otro eje, simplemente se usan para bloquear los engranajes del diferencial en uno u otro lado actuando como un sistema reductor de velocidad mediante engranajes planetarios. Esto significa que no disipa energía, excepto en el breve período en que se aplica o libera el freno. Se puede lograr una dirección más suave mediante la aplicación parcial del freno, pero luego comienza a disipar energía como el diferencial frenado. La principal desventaja es que solo permiten un único radio de giro. Al igual que la solución de diferencial frenado estándar, estos sistemas también pueden sufrir giros automáticos no deseados cuando se atraviesan terrenos no homogéneos.[18]

El sistema fue inventado por Cleveland Tractor Company en 1921 y, a veces, se lo conoce con el nombre de marca registrada "Cletrac" o Cleveland Differential. Fue utilizado por la mayoría de los carros franceses en la época de entreguerras, así como en el Grosstraktor alemán. Fue más común en los diseños de Estados Unidos, donde se usó en todos los carros de combate ligeros y medios desde 1932 hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. Usos posteriores incluyeron el AMX 13 francés, el Tipo 61 japonés y el transporte blindado M113 estadounidense.[19]

Doble diferencial

El sistema de doble diferencial es más complejo pero en concepto básico es similar al diferencial controlado, en el que se varía la velocidad de las orugas controlando la rotación de los sistemas de piñones planetarios. Sin embargo, en este caso se utilizan dos diferenciales completos, uno para cada oruga, y los piñones no se controlan con un freno, sino mediante un segundo eje de potencia, el eje de dirección, que permite ejercer un mayor control en el funcionamiento de los engranajes.[20]

Normalmente, el eje de dirección está conectado al motor directamente, en lugar de a la salida de la transmisión. Esto significa que gira a un rango relativamente estrecho de revoluciones por minuto en comparación con el eje de transmisión principal que pasa por la caja de cambios. El eje de dirección se divide en dos ejes de salida a través de un sistema de embragues que permite que las salidas de control de los diferenciales giren hacia adelante, hacia atrás o no giren en absoluto. Un engranaje invierte la dirección en un lado, por lo que siempre giran en direcciones opuestas.[21]

Con el embrague desacoplado, para que el eje no gire, los piñones de control de los dos diferenciales se mantienen en su lugar. Esto es como el diferencial controlado con el freno puesto. Cuando se acopla el embrague de la dirección los ejes de control hacen girar uno de los juegos de piñones hacia adelante y el otro hacia atrás, lo que hace que una de las orugas acelere y la otra desacelere.[22]

Dado que la diferencia de velocidad de las dos orugas es independiente de la selección de la caja de cambios, este sistema hace que el efecto de dirección varíe según la marcha seleccionada, siendo menos pronunciado cuando más larga sea la marcha. Esto significa que el carro de combate tendrá un radio de giro más cerrado a bajas velocidades y más abierto a velocidades más altas, que es generalmente lo que se desea. El sistema, en principio tal y como se describe, produce un único radio de giro para cada selección de caja de cambios, sin embargo hay casos como el Tiger alemán que utiliza un sistema un poco más complejo que ofrece dos radios de giro para cada marcha. En cambio el Panther ya incluyó un sistema simplificado más fácil de producir en masa conocido como doble diferencial Maybach. En la posguerra con la inclusión de una transmisión hidrostática en el eje de control de giro se generalizaron los sistemas de doble diferencial con radio de giro continuamente variable.[23]

Este sistema en todas sus variantes es completamente regenerativo, toda la potencia del motor llega a las orugas ya sea a través del eje de transmisión principal o del sistema de dirección, no se pierde energía en frenos o embragues. Además, dado que la energía también se transmite por el sistema de dirección a la transmisión final, en algunos diseños el tanque se puede girar incluso con la caja de cambios principal no acoplada. La limitación de esta característica es la fuerza del eje de dirección, que tiene que ser lo suficientemente fuerte para mover el tanque si se desea esta característica.[24]

Los sistemas de doble diferencial se utilizaron por primera vez en vehículos experimentales en Francia a partir de 1921 y se aplicaron en muchos carros de combate pesados de la Segunda Guerra Mundial, incluidos los Tiger alemanes. En el Char B1 francés se incorporó un eje de control con velocidad de salida variable a través de una transmisión hidrostática proporcionando cambios suaves en el radio de giro y eliminando el principal inconveniente del sistema. La baja eficiencia de este sistema hidrostático significó que no se usara ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial, pero la rápida mejora en los acoplamientos de fluidos hidrodinámicos lo hizo común en la era de la posguerra. La mayoría de los diseños de blindados occidentales desde la década de 1960 han utilizado una variación de este diseño, en particular el M60 Patton y el M1 Abrams.[25]

Triple diferencial

La dirección de triple diferencial es una modificación de la dirección de doble diferencial muy similar excepto que, en lugar de usar embragues para controlar los ejes transversales de dirección, utiliza un tercer diferencial de dirección controlado mediante frenos para reducir la velocidad de uno u otro eje transversal de dirección.

El triple diferencial fue ideado por Dr. H. E. Merritt, director de diseño de tanques en el Woolwich Arsenal, y fabricado por David Brown Ltd. Es por esto por lo que también se conoce como Merritt-Brown. Se usó principalmente en carros británicos de finales de la Segunda Guerra Mundial y de posguerra, primero en el tanque de infantería Churchill y más tarde en el tanque de crucero Cromwell y sus diseños posteriores. Le dio a estos diseños una maniobrabilidad incomparable y una capacidad de escalar que no fue igualada por otros diseños hasta bien entrada la Guerra Fría. Este sistema generalmente ya no se usa hoy en día, a partir del Challenger se pasó al doble diferencial con transmisiones hidrodinámicas mejoradas.[26][27]

Transmisión eléctrica

Los primeros sistemas de dirección eran ineficientes y perdían tanta potencia que resultaban ineficaces para los vehículos pesados. Holt Manufacturing Company, compañía antecesora de Caterpillar cuyos diseños de orugas influyeron en los primeros carros de combate de la Primera Guerra Mundial, experimentó con una transmisión híbrida de motores de gasolina y motores eléctricos en su prototipo Holt Gas-Electric Tank. Se utilizó un diseño similar en el carro de combate Saint-Chamond francés y, a su vez, se adaptó para ser instalado en un vehículo de prueba de la serie británica Mark II. Ninguno de estos fue particularmente exitoso, aunque del Saint-Chamond se produjeron varios cientos de unidades. Si bien tuvieron un éxito moderado, estos primeros sistemas eran grandes y extremadamente pesados, el de Saint-Chamond agregaba cinco toneladas al vehículo. Los otros diseños, y los siguientes que utilizaron un sistema similar, generalmente se descartaron por no ser prácticos.[28][29]

Posteriormente, en la época de la Segunda Guerra Mundial, algunos de los intentos de crear nuevas transmisiones eléctricas fueron realizados con carros experimentales TOG británicos del período inicial de la Segunda Guerra Mundial y por los alemanes como parte de los diseños y prototipos de carros pesados de mitad de guerra. El más notable entre los esfuerzos alemanes fue el diseño VK 45.01 (P) de Porsche para el concurso que finalmente daría lugar al Tiger.[30] Porsche perdió el concurso por sus fallos mecánicos durante las demostraciones, pero ya contaba con un centenar de chasis en producción, que se reaprovecharían más tarde para otras funciones, incluido el cazacarros pesado Ferdinand, posteriormente renombrado como Elefant.[31] Este estilo de transmisión también se utilizó en el carro súper-pesado Panzer VIII Maus. En la práctica, el sistema de propulsión de los diseños de Porsche demostró ser incluso menos fiable que los sistemas tradicionales y, a finales de la guerra, el suministro de cobre era demasiado limitado como para considerar su uso en motores eléctricos para sistemas de transmisión.[32]

Referencias

  1. Ogorkiewicz 2015, p. 298.
  2. Ogorkiewicz 2015, p. 298.
  3. Ogorkiewicz 2015, p. 298.
  4. Fletcher 2016, p. 110.
  5. Edwards 1988, p. 47.
  6. Edwards 1988, p. 47.
  7. Ogorkiewicz 2015, p. 297.
  8. Edwards 1988, p. 47.
  9. Edwards 1988, p. 47.
  10. "Transmission for T-72 Tank and Its Versions". Kharkiv Morozov Machine Building.
  11. Edwards 1988, p. 47.
  12. Edwards 1988, p. 47.
  13. Edwards 1988, p. 47.
  14. Edwards 1988, p. 47.
  15. Edwards 1988, p. 47.
  16. Edwards 1988, p. 47.
  17. Edwards 1988, p. 47.
  18. Edwards 1988, p. 47.
  19. Edwards 1988, p. 47.
  20. Edwards 1988, p. 47.
  21. Edwards 1988, p. 47.
  22. Edwards 1988, p. 47.
  23. Edwards 1988, p. 48.
  24. Edwards 1988, p. 48.
  25. Edwards 1988, p. 48.
  26. Edwards 1988, p. 48.
  27. Ogorkiewicz 2015, p. 300.
  28. Jackson, Robert (2010). 101 Great Tanks. Rosen Publishing. p. 9. ISBN 978-1-4358-3595-5.
  29. Smithers, A J (1986). A New Excalibur: The Development of the Tank 1909–1939. Pen and Sword. p. 92. ISBN 978-0-436-47520-7.
  30. Ogorkiewicz 2015, p. 130
  31. Carruthers, Bob (2013). Handbook on German Military Forces. Pen and Sword. p. 409. ISBN 978-1-78159-215-1.
  32. Ogorkiewicz 2015, pp. 300–301.
  • Edwards, Phillip (1988). "Tank Steering Systems (Differentials, the Theory and Practice)". Constructor Quarterly: 47–48.
  • Fletcher, David (2016). British Battle Tanks: World War I to 1939. Bloomsbury Publishing. ISBN 978-1-4728-1756-3.
  • Ogorkiewicz, Richard (2015). Tanks: 100 years of evolution. Bloomsbury Publishing. ISBN 978-1-4728-1305-3.