Experimento soviético: automatización del control de un tanque con una transmisión escalonada
En la Unión Soviética se desarrollaron muchas soluciones interesantes en el campo de los vehículos blindados, pero no se implementaron en producción. Y no solo hablamos de proyectos de diversos vehículos de combate, sino también de sistemas individuales. En este artículo, hablaremos de uno de ellos, que simplifica significativamente la vida de los conductores y mecánicos y ahorra combustible.
En lugar de una introducción
Como es sabido, el consumo de combustible y, por consiguiente, la autonomía de crucero son parámetros clave que afectan directamente la efectividad en combate y su movilidad, tanto en largas marchas como directamente en el campo de batalla. En operaciones de combate, donde el éxito suele depender de la capacidad de maniobra y la concentración oportuna de fuerzas, un tanque con un amplio radio de acción presenta una gran ventaja.El tanque debe cubrir distancias significativas sin repostar, participar en incursiones profundas, cambiar repentinamente la dirección de los ataques y operar en la profundidad operativa de la defensa enemiga. Por lo tanto, cuanto mayor sea la autonomía de crucero, menor será la dependencia del tanque del suministro de combustible, lo cual es especialmente crítico en caso de interrupción del suministro o al operar en zonas aisladas.
En consecuencia, el alto consumo de combustible limita el tiempo que el vehículo puede permanecer en combate y aumenta la vulnerabilidad de la infraestructura de retaguardia. Para apoyar a los vehículos de alto consumo, es necesario desplegar un sistema de suministro desarrollado y vulnerable, lo que reduce la estabilidad general de las formaciones. Desde el punto de vista de la eficiencia operativa, un consumo óptimo de combustible no solo reduce la carga en la retaguardia, sino que también amplía la flexibilidad del mando en la planificación de operaciones.
En general, esto parece básico, claro para la mayoría, incluso sin conocimientos especializados profundos. La pregunta es: ¿cómo se puede reducir el consumo de combustible y, en consecuencia, aumentar la autonomía del tanque? Sin embargo, no se debe cambiar el motor por uno más económico (en teoría), ni instalar una transmisión eficiente en términos de potencia del motor, ni utilizar sistemas informáticos de alta tecnología que regulen el funcionamiento del motor.
En la Unión Soviética, se intentó resolver este problema creando un sistema de control automatizado que no solo reducía la "compulsión" de los motores al seleccionar el modo de funcionamiento óptimo, sino que también facilitaba significativamente el trabajo del conductor. Se probó en tanques con motores 5TDF y 6TD, pero si se desea, el sistema puede adaptarse a otros vehículos.
Recopilación de datos y diseño de sistemas
Antes de proceder directamente al desarrollo del sistema automatizado, los ingenieros soviéticos realizaron estudios exhaustivos de los modos de funcionamiento del motor de tanque, tanto en condiciones de laboratorio como en tanques reales, con conductores de diversas cualificaciones y en diversas condiciones de carretera. La esencia de estos estudios fue medir la velocidad del motor y la posición de la cremallera de la bomba de combustible, así como identificar las zonas de máxima tracción con un consumo moderado de combustible (KLMB (I)) y alta potencia con un consumo elevado de combustible (BFG (II).
Figura 1. Característica simplificada del control del motor. n es la velocidad del cigüeñal del motor, hp es la posición del bastidor de la bomba de combustible, las líneas discontinuas son curvas de consumo específico de combustible igual.
Como resultado, fue posible crear un sistema que, en realidad, funcionaba como una especie de "superestructura" para la transmisión escalonada estándar del tanque. Podía cambiar de marcha automáticamente, según los modos de funcionamiento del motor, sin que el motor alcanzara modos de consumo excesivo de combustible. Al mismo tiempo, el conductor-mecánico podía desactivarlo para controlar el tanque en modo manual, si era necesario.
El diagrama del sistema se adjunta a continuación.
Fig. 2. Esquema del sistema automático de control del tanque:
1 — palanca selectora de cambios;
2 — reductor de la caja de cambios (MTP);
3 — sensor potenciómetrico del número de la marcha engranada;
4 — motor eléctrico de accionamiento de la caja de cambios (MTP);
5 — sensor potenciómetrico de la posición del pedal;
6 — pedal de control del resorte de ajuste del regulador y la cremallera de la bomba de combustible;
7 — resorte de ajuste del regulador de modo total y cremallera de la bomba de combustible;
8 — motor diésel con regulador de modo total de doble cascada de acción indirecta;
9 — tacogenerador del motor térmico (MT) para medir la longitud del tirante de ajuste del regulador;
10 — reductor del motor térmico (MT) para medir la longitud del tirante de ajuste del regulador;
11 — sensor potenciómetrico de la posición del tirante, que modifica el ajuste del resorte del regulador y la cremallera de la bomba de combustible;
12 — sensor potenciómetrico de la posición de la cremallera de la bomba de combustible;
13 — tacogenerador de velocidad de rotación del eje de salida;
14 — embragues laterales;
15 — sistema hidráulico de control de la caja de cambios;
16 — bloque electrónico de control;
17 — panel de mando e indicadores;
18 — interruptor de modo de conducción: manual o automático.
(Otros símbolos se explican en el texto).
Descripción del sistema:
El actuador de cambio de marchas (GSA) es una caja de engranajes cilíndrica y helicoidal con un motor de CC DVN-1. El mecanismo está fijado al lateral del tanque, de modo que, al mover manualmente la varilla de control ol, la carcasa del GSA, al girar alrededor del punto n, mueve la varilla mp, lo que produce el cambio de marcha.
Durante el cambio automático de marchas, la varilla ol y la carcasa del MPP se fijan mediante la palanca selectora en la ranura del peine; por ejemplo, en la primera posición de marcha, la palanca nm del MPP se mueve a una de las posiciones intermedias nm al recibir una orden de la unidad de control, cambiando la varilla mp y, por lo tanto, engranando la marcha deseada.
Cuando el tanque se controla manualmente, el movimiento del pedal provoca el movimiento de la palanca ac y, en consecuencia, a las posiciones a' y c'. Dado que el engranaje reductor del mecanismo de tracción (MT) tiene una relación de transmisión superior a 1000, la palanca fl puede considerarse rígidamente fijada al casco del tanque. El desplazamiento de la palanca al provoca la rotación de la palanca bf alrededor del punto f y el movimiento del punto b a la posición b', es decir, un cambio en el ajuste del resorte del regulador multimodo.
En el control automático, el conductor fija el pedal y la palanca al en cualquier posición intermedia con el pie, y la palanca de cambios fb, siguiendo las órdenes de la unidad de control, gira alrededor del punto d y adopta la posición requerida, por ejemplo, f"b".
La parte analógica de la unidad de control, basada en amplificadores operacionales integrados de la serie 140, es un sistema de seguimiento que incluye amplificadores de medición para la posición de la cremallera de la bomba de combustible y la posición de la palanca fl del mecanismo de tracción, así como un circuito para medir la velocidad del motor.
La relación entre los factores de ganancia de los amplificadores de medición se elige de modo que la diferencia en sus voltajes de salida sea cero solo cuando el punto de operación diésel esté en la línea AB (ver Fig. 1). La diferencia en los voltajes de salida de los amplificadores de medición se alimenta a la entrada del sumador, cuyo factor de ganancia determina la sensibilidad de todo el sistema automático.
La magnitud y el signo del voltaje de salida, que pasa por la etapa de salida del sistema de seguimiento, determinan la dirección y la velocidad de movimiento de la barra de control para ajustar el resorte regulador.
La velocidad de rotación del motor eléctrico de accionamiento MT se regula mediante el método de modulación por ancho de pulso; para la estabilidad del sistema de seguimiento, la etapa de salida está cubierta por retroalimentación negativa sobre la velocidad. El sistema de seguimiento cambia los modos de operación del motor diésel dentro de una marcha con un rango de operación limitado por el segmento AB de la característica de consumo mínimo de combustible (≈ 1/3 del rango completo de cambio de n).
El sistema de seguimiento permite determinar el momento del cambio de marcha no por la velocidad del tanque, sino por tres parámetros: la longitud de la varilla del regulador Lт, la posición de la cremallera de la bomba de combustible hp y la frecuencia de rotación del cigüeñal n.
El cambio a una marcha superior ocurre en dos casos con combinaciones de parámetros (ver Figura 1 nuevamente - nota del editor):
1. La posición de la cremallera de la bomba de combustible hp está por debajo del punto de inicio establecido del sistema servo hp0, Lт corresponde al punto de funcionamiento del motor diésel A, la velocidad de rotación del cigüeñal n excede n0 (2400 rpm).
2. La posición de la cremallera de la bomba de combustible hp corresponde al suministro máximo de combustible hpmax, Lт corresponde al punto de potencia máxima B, la velocidad de rotación del cigüeñal es igual o superior a 2800 rpm.
Cambio a una marcha más baja:
1. La posición hp de la cremallera de la bomba de combustible corresponde al suministro máximo de combustible, Lt corresponde al modo en el punto B, la velocidad de rotación del cigüeñal n es inferior al punto de par máximo nmáx (1700 rpm).
2. hp = hp0, Lt corresponde al punto B, la frecuencia de rotación del cigüeñal es menor o igual a 1500 rpm.
En primer lugar, se demostró de forma convincente que un tanque con un sistema de control automático de este tipo perdona muchos errores al conductor. De hecho, da igual que esté al mando un recluta sin experiencia o un conductor experimentado con muchos años de experiencia. En ambos casos, las características dinámicas y de ahorro de combustible del tanque serán prácticamente las mismas.
En cuanto a las cifras reales, se realizaron pruebas a gran escala en el tanque con motores diésel de diversas cilindradas para determinarlas. El vehículo se condujo en diversas condiciones viales en la parte europea de la Unión Soviética. Además, se probó en condiciones invernales en Transbaikalia, así como en la cálida Asia Central en verano. Conductores tanto experimentados como menos experimentados estuvieron a los mandos. Como resultado
, se observó que cuando los tanques (por ejemplo, una columna) se desplazaban a una velocidad de 25-30 kilómetros por hora, el sistema automático reducía el consumo de combustible entre un 15% y un 20%, dependiendo de las condiciones. Es decir, una unidad de tanque equipada con un sistema de control automático tendrá una autonomía de crucero entre un 15% y un 20% mayor con un solo repostaje.
También se observó una diferencia menor, pero aún perceptible, en el consumo de combustible al circular a velocidades promedio superiores a 40 kilómetros por hora, donde las diferencias entre el cambio de marcha automático y manual, al parecer, deberían eliminarse. Por ejemplo, el consumo de combustible por hora del motor "sesenta y cuatro" 5TDF de Kharkov se redujo en 8 litros y el tiempo de viaje cada 100 kilómetros, en 20 litros.
Fuente de información:
"Automatización del control de tanques con transmisión escalonada". AV Bershov, VI Goshkov, VA Smolyakov, et al. Revista "Boletín de Equipo Blindado" n.º 5, 1980.
El actuador de cambio de marchas (GSA) es una caja de engranajes cilíndrica y helicoidal con un motor de CC DVN-1. El mecanismo está fijado al lateral del tanque, de modo que, al mover manualmente la varilla de control ol, la carcasa del GSA, al girar alrededor del punto n, mueve la varilla mp, lo que produce el cambio de marcha.
Durante el cambio automático de marchas, la varilla ol y la carcasa del MPP se fijan mediante la palanca selectora en la ranura del peine; por ejemplo, en la primera posición de marcha, la palanca nm del MPP se mueve a una de las posiciones intermedias nm al recibir una orden de la unidad de control, cambiando la varilla mp y, por lo tanto, engranando la marcha deseada.
Cuando el tanque se controla manualmente, el movimiento del pedal provoca el movimiento de la palanca ac y, en consecuencia, a las posiciones a' y c'. Dado que el engranaje reductor del mecanismo de tracción (MT) tiene una relación de transmisión superior a 1000, la palanca fl puede considerarse rígidamente fijada al casco del tanque. El desplazamiento de la palanca al provoca la rotación de la palanca bf alrededor del punto f y el movimiento del punto b a la posición b', es decir, un cambio en el ajuste del resorte del regulador multimodo.
En el control automático, el conductor fija el pedal y la palanca al en cualquier posición intermedia con el pie, y la palanca de cambios fb, siguiendo las órdenes de la unidad de control, gira alrededor del punto d y adopta la posición requerida, por ejemplo, f"b".
La parte analógica de la unidad de control, basada en amplificadores operacionales integrados de la serie 140, es un sistema de seguimiento que incluye amplificadores de medición para la posición de la cremallera de la bomba de combustible y la posición de la palanca fl del mecanismo de tracción, así como un circuito para medir la velocidad del motor.
La relación entre los factores de ganancia de los amplificadores de medición se elige de modo que la diferencia en sus voltajes de salida sea cero solo cuando el punto de operación diésel esté en la línea AB (ver Fig. 1). La diferencia en los voltajes de salida de los amplificadores de medición se alimenta a la entrada del sumador, cuyo factor de ganancia determina la sensibilidad de todo el sistema automático.
La magnitud y el signo del voltaje de salida, que pasa por la etapa de salida del sistema de seguimiento, determinan la dirección y la velocidad de movimiento de la barra de control para ajustar el resorte regulador.
La velocidad de rotación del motor eléctrico de accionamiento MT se regula mediante el método de modulación por ancho de pulso; para la estabilidad del sistema de seguimiento, la etapa de salida está cubierta por retroalimentación negativa sobre la velocidad. El sistema de seguimiento cambia los modos de operación del motor diésel dentro de una marcha con un rango de operación limitado por el segmento AB de la característica de consumo mínimo de combustible (≈ 1/3 del rango completo de cambio de n).
El sistema de seguimiento permite determinar el momento del cambio de marcha no por la velocidad del tanque, sino por tres parámetros: la longitud de la varilla del regulador Lт, la posición de la cremallera de la bomba de combustible hp y la frecuencia de rotación del cigüeñal n.
El cambio a una marcha superior ocurre en dos casos con combinaciones de parámetros (ver Figura 1 nuevamente - nota del editor):
1. La posición de la cremallera de la bomba de combustible hp está por debajo del punto de inicio establecido del sistema servo hp0, Lт corresponde al punto de funcionamiento del motor diésel A, la velocidad de rotación del cigüeñal n excede n0 (2400 rpm).
2. La posición de la cremallera de la bomba de combustible hp corresponde al suministro máximo de combustible hpmax, Lт corresponde al punto de potencia máxima B, la velocidad de rotación del cigüeñal es igual o superior a 2800 rpm.
Cambio a una marcha más baja:
1. La posición hp de la cremallera de la bomba de combustible corresponde al suministro máximo de combustible, Lt corresponde al modo en el punto B, la velocidad de rotación del cigüeñal n es inferior al punto de par máximo nmáx (1700 rpm).
2. hp = hp0, Lt corresponde al punto B, la frecuencia de rotación del cigüeñal es menor o igual a 1500 rpm.
Datos de prueba
Desafortunadamente, el sistema de control automatizado de tanques presentado es una especie de "muleta", y su ejecución e instalación son difíciles. Por lo tanto, el proyecto no pasó de los prototipos. Estos no pueden compararse con los sistemas de control computarizados actuales, como los que se instalan, por ejemplo, en el "Abrams" estadounidense. Sin embargo, los resultados de las pruebas fueron bastante interesantes.En primer lugar, se demostró de forma convincente que un tanque con un sistema de control automático de este tipo perdona muchos errores al conductor. De hecho, da igual que esté al mando un recluta sin experiencia o un conductor experimentado con muchos años de experiencia. En ambos casos, las características dinámicas y de ahorro de combustible del tanque serán prácticamente las mismas.
Resultados de las pruebas del sistema automático de control del tanque
| Motor diésel | Modo de conducción | Velocidad media (km/h) | Consumo de combustible (l/h) | Consumo específico (l/100 km) |
|---|---|---|---|---|
| 5TDF | Manual | 30,0 | 119,0 | 397 |
| Automático | 30,0 | 90,5 | 305 | |
| Manual | 43,2 | 160,0 | 370 | |
| Automático | 43,2 | 152,0 | 350 | |
| 6TD | Manual | 29,3 | 140,6 | 479 |
| Automático | 29,3 | 108,7 | 383 |
En cuanto a las cifras reales, se realizaron pruebas a gran escala en el tanque con motores diésel de diversas cilindradas para determinarlas. El vehículo se condujo en diversas condiciones viales en la parte europea de la Unión Soviética. Además, se probó en condiciones invernales en Transbaikalia, así como en la cálida Asia Central en verano. Conductores tanto experimentados como menos experimentados estuvieron a los mandos. Como resultado
, se observó que cuando los tanques (por ejemplo, una columna) se desplazaban a una velocidad de 25-30 kilómetros por hora, el sistema automático reducía el consumo de combustible entre un 15% y un 20%, dependiendo de las condiciones. Es decir, una unidad de tanque equipada con un sistema de control automático tendrá una autonomía de crucero entre un 15% y un 20% mayor con un solo repostaje.
También se observó una diferencia menor, pero aún perceptible, en el consumo de combustible al circular a velocidades promedio superiores a 40 kilómetros por hora, donde las diferencias entre el cambio de marcha automático y manual, al parecer, deberían eliminarse. Por ejemplo, el consumo de combustible por hora del motor "sesenta y cuatro" 5TDF de Kharkov se redujo en 8 litros y el tiempo de viaje cada 100 kilómetros, en 20 litros.
Fuente de información:
"Automatización del control de tanques con transmisión escalonada". AV Bershov, VI Goshkov, VA Smolyakov, et al. Revista "Boletín de Equipo Blindado" n.º 5, 1980.
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