Гироскоп монорельс - Gyro monorail

Монорельс Бреннана

В гироскоп монорельс, гироскопическая монорельсовая дорога, гиростабилизированная монорельсовая дорога, или автожир условия для одинарный рельс наземный транспорт который использует гироскопический действие прядение колесо, чтобы преодолеть присущее нестабильность балансировки на одной направляющей.

Монорельс ассоциируется с названиями Луи Бреннан, Август Шерл и Петр Шиловский, каждый из которых построил полномасштабную рабочую прототипы в начале двадцатого века. Версия была разработана Эрнестом Ф. Суинни, Гарри Феррейрой и Луи Э. Суинни в США в 1962 году.

Гироскопическая монорельсовая дорога так и не была разработана после стадии прототипа.

Основным преимуществом монорельса, о котором говорил Шиловский, является подавление охотничье колебание - ограничение скорости, с которым в то время сталкивались обычные железные дороги. Кроме того, возможны более крутые повороты по сравнению с радиусом разворота 7 км, типичным для современных высокоскоростных поездов, таких как TGV, потому что автомобиль автоматически кренится на поворотах, как самолет,[1] так что нет бокового центробежное ускорение имеет опыт на борту.

Главный недостаток заключается в том, что многим автомобилям, включая пассажирские и грузовые, а не только локомотиву, потребуется гироскоп с постоянным питанием, чтобы оставаться в вертикальном положении.

В отличие от других средств поддержания баланса, таких как поперечное смещение центр тяжести или использование колеса реакции гироскопическая балансировочная система статически устойчива, поэтому система управления служит только для придания динамической устойчивости. Поэтому активная часть балансировочной системы более точно описывается как рулонный демпфер.

Историческое прошлое

Монорельс Бреннана

Harmsworth Popular Science иллюстрация, показывающая механизм монорельса, и (вставка) Луи Бреннан[2]

Изображение в разделе выноски изображает 22 тонна (снаряженная масса) прототип автомобиля, разработанный Луи Филип Бреннан CB.[3] Бреннан подал свой первый патент на монорельс в 1903 году.

Его первая демонстрационная модель представляла собой коробку размером 2 фута 6 дюймов на 12 дюймов (762 мм на 300 мм), содержащую систему балансировки. Однако этого было достаточно, чтобы Совет армии рекомендовал сумму в 10 000 фунтов стерлингов для разработки полноразмерной машины. На это наложило вето их финансовый отдел. Однако армия нашла 2000 фунтов стерлингов из различных источников на финансирование работы Бреннана.

В рамках этого бюджета Бреннан произвел более крупную модель, 6 футов (1,83 м) в длину и 1 фут 6 дюймов (0,46 м) в ширину, уравновешенную двумя роторами гироскопа диаметром 5 дюймов (127 мм). Эта модель все еще существует в Лондонский музей науки. След для машины был проложен на территории дома Бреннана в Джиллингем, Кент. Он состоял из обычного газопровода, проложенного на деревянных шпалах, с пятидесятифутовым канатным мостом, острыми углами и склоны до одного из пяти. Бреннан продемонстрировал свою модель на лекции в Королевском обществе в 1907 году, когда она показала, как она бегает взад и вперед «по обученной и тонкой проволоке» «под идеальным контролем изобретателя».[4]

Железная дорога уменьшенного масштаба Бреннана в значительной степени оправдала Военное ведомство первоначальный энтузиазм. Однако избрание в 1906 г. Либеральный Правительство, проводя политику финансовой экономии, фактически прекратило финансирование армии. Однако Офис в Индии проголосовали за аванс в размере 6000 фунтов стерлингов в 1907 году на разработку монорельсовой дороги для Северо-западная граница региона, а еще 5000 фунтов были авансированы Дурбар из Кашмир в 1908 г. Эти деньги были почти потрачены к январю 1909 г., когда Индийское бюро авансировало еще 2000 фунтов стерлингов.

15 октября 1909 г. вагон впервые бежал своим ходом, перевозя по фабрике 32 человека. Автомобиль был 40 футов (12,2 м) в длину и 10 футов (3 м) в ширину и имел мощность 20 л.с. (15 кВт). бензиновый двигатель, имел скорость 22 миль / ч (35 км / ч). В коробка передач был электрический, с бензиновым двигателем, приводящим в движение генератор, и электродвигатели расположен на обоих тележки. Этот генератор также питал гиромоторы и воздушный компрессор. В системе балансировки используется пневматический сервопривод, а не фрикционные колеса использовался в более ранней модели.

Гироскопы были расположены в кабине, хотя Бреннан планировал переустановить их под полом автомобиля перед тем, как выставить его на всеобщее обозрение, но открытие машины Шерла вынудило его перенести первую публичную демонстрацию на 10 ноября 1909 года. было недостаточно времени, чтобы переставить гироскопы перед публичным дебютом монорельса.

Настоящим публичным дебютом монорельса Бреннана стала японо-британская выставка в Белый Город, Лондон в 1910 году. Вагон монорельса перевозил 50 пассажиров по круговой дороге со скоростью 20 миль в час. Пассажиры включены Уинстон Черчилль, которые проявили немалый энтузиазм. Интерес был таков, что детские заводные монорельсовые игрушки, одноколесные и гиростабилизированные, производились в Англии и Германии.[5][6] Хотя монорельс был жизнеспособным транспортным средством, он не смог привлечь дополнительных инвестиций. Из двух построенных автомобилей один был продан на металлолом, а другой до 1930 года использовался как навес в парке.

Машина Шерла

Как только Бреннан завершил испытания своего автомобиля, Август Шерл, немец издатель и филантроп, объявил о публичной демонстрации гиромонорельса, который он разработал в Германия. Демонстрация должна была состояться в среду, 10 ноября 1909 г. Берлинский зоологический сад.

Монорельсовая железная дорога Шерла

Машина Шерла,[7] также полноразмерное транспортное средство, было несколько меньше, чем у Бреннана, и его длина составляла всего 17 футов (5,2 м). Он мог разместить четырех пассажиров на паре поперечных многоместных сидений. Гироскопы располагались под сиденьями и имели вертикальные оси, в то время как Бреннан использовал пару гироскопов с горизонтальной осью. В сервомеханизм был гидравлический, и движение электрический. Строго говоря, Август Шерл просто обеспечил финансовую поддержку. Выпрямляющий механизм изобрел Пауль Фрёлих, а автомобиль - Эмиль Фальке.

Несмотря на то, что автомобиль был хорошо принят и отлично работал во время публичных демонстраций, он не получил значительной финансовой поддержки, и Шерл списал свои вложения в него.

Шиловского

После того, как Бреннан и Шерл не смогли привлечь необходимые инвестиции, практическое развитие гиромонорельса после 1910 года продолжилось. Петр Шиловский,[8] а русский аристократ проживает в Лондоне. Его система балансировки была основана на принципах, немного отличающихся от принципов Бреннана и Шерла, и позволяла использовать меньший, более медленно вращающийся гироскоп. После разработки модели монорельсовой дороги с автожиром в 1911 году он спроектировал автожир который был построен Wolseley Motors Limited и испытан на улицах Лондона в 1913 году. Поскольку в нем использовался единственный гироскоп, а не пара противоположного вращения, которую предпочитали Бреннан и Шерл, он показал асимметрия в своем поведении, и стал неустойчивый при резких поворотах влево. Он вызвал интерес, но не получил серьезного финансирования.

События после Первой мировой войны

В 1922 г. Советский Правительство начало строительство Шиловской монорельсовой дороги между Ленинград и Царское Село, но средства закончились вскоре после начала проекта.

В 1929 году в возрасте 74 лет Бреннан также разработал автожир. Это было отклонено консорциумом Остин /Моррис /Ровер на том основании, что они могли продавать все построенные ими обычные автомобили.

Принцип работы

Основная идея

Транспортное средство движется по одной обычной рельсе, так что без системы балансировки оно могло бы опрокинуться.

Основной принцип работы: вращение вокруг вертикальной оси вызывает движение вокруг горизонтальной оси.

Вращающееся колесо установлено в подвес рамка, ось вращения которой (ось прецессии) перпендикуляр к оси вращения. Сборка смонтирована на автомобиле. шасси такой, что на равновесие ось вращения, ось прецессии и ось крена транспортного средства взаимно перпендикулярны.

Принудительное вращение стабилизатора приводит к прецессии колеса, что приводит к гироскопической крутящие моменты вокруг оси крена, чтобы механизм мог выровнять автомобиль при наклоне вертикальный. Колесо демонстрирует тенденцию выравнивать свою ось вращения с осью вращения (осью карданного подвеса), и именно это действие вращает все транспортное средство вокруг своей оси крена.

В идеале механизм, прикладывающий управляющие моменты к подвесу, должен быть пассивный (расположение пружины, демпферы и рычаги ), но принципиальный характер проблемы показывает, что это невозможно. Положение равновесия - автомобиль в вертикальном положении, поэтому любое отклонение от этого положения уменьшает высоту автомобиля. центр тяжести, понижая потенциальная энергия системы. Все, что возвращает транспортное средство в состояние равновесия, должно быть способно восстанавливать эту потенциальную энергию и, следовательно, не может состоять только из пассивных элементов. В системе должен быть активный сервопривод какой-то.

Нарушенная высота cg.[требуется разъяснение ] (Показанная разница в высоте преувеличена.) Система балансировки должна работать против силы тяжести, чтобы выровнять транспортное средство в случае возникновения помех.

Боковые нагрузки

Если бы постоянным боковым силам противостоять только гироскопическое действие, карданный вал быстро вращался до упора, и транспортное средство опрокидывалось. Фактически, механизм заставляет транспортное средство наклоняться к возмущению, сопротивляясь ему с помощью компонента веса, а гироскоп находится рядом с его неотклоненным положением.

Боковые инерционные силы, возникающие при прохождении поворотов, заставляют автомобиль наклоняться в поворот. Один гироскоп вводит асимметрия из-за чего транспортное средство будет наклоняться слишком далеко или недостаточно далеко, чтобы результирующая сила оставалась в плоскости симметрии, поэтому на борту все равно будут ощущаться боковые силы.

Чтобы гарантировать, что автомобиль банки правильно на углах необходимо убрать гироскопический крутящий момент возникающие из-за скорости поворота автомобиля.

Свободный гироскоп сохраняет ориентацию относительно инерциальное пространство, а гироскопические моменты создаются вращением его вокруг оси, перпендикулярной оси вращения. Но система контроля отклоняет гироскоп относительно шасси, а не по отношению к неподвижным звездам. Отсюда следует, что подача и рыскание движение транспортного средства по отношению к инерционному пространству приведет к дополнительным нежелательным гироскопическим моментам. Это приводит к неудовлетворительному равновесию, но, что более серьезно, вызывает потерю статической устойчивости при повороте в одном направлении и увеличение статической устойчивости в противоположном направлении. Шиловский столкнулся с этой проблемой на своем транспортном средстве, которое, следовательно, не могло делать крутые левые повороты.

Бреннан и Шерл знали об этой проблеме и реализовали свои системы балансировки с парами гироскопов встречного вращения, прецессирующих в противоположных направлениях. При такой компоновке любое движение транспортного средства относительно инерционного пространства вызывает равные и противоположные крутящие моменты на двух гироскопах и, следовательно, компенсируются. С двойной гироскопической системой устраняется нестабильность на поворотах, и транспортное средство будет крениться под правильным углом, так что на борту не будет ощущаться чистая боковая сила.

На поворотах гироскопы встречного вращения предотвращают нестабильность на поворотах.

Шиловский утверждал, что испытывает трудности с обеспечением устойчивости двух гироскопических систем, хотя причина, по которой это должно быть так, не ясна. Его решение состояло в том, чтобы изменять параметры контура управления в зависимости от скорости поворота, чтобы поддерживать одинаковый отклик при поворотах в любом направлении.

Смещенные нагрузки также заставляют автомобиль наклоняться, пока центр тяжести не окажется выше точки опоры. Боковой ветер заставляет автомобиль наклоняться в них, чтобы противостоять им с помощью компонента веса. Эти контактные силы могут вызвать больший дискомфорт, чем силы при повороте, потому что они приведут к возникновению чистых боковых сил на борту.

Контактные боковые силы приводят к отклонению кардана. предвзятость в шиловском шлейфе. Это можно использовать в качестве входных данных для более медленной петли для смещения центра тяжести вбок, чтобы транспортное средство оставалось в вертикальном положении при наличии устойчивых неинерционных сил. Эта комбинация гироскопа и бокового смещения ЦГ является предметом патента 1962 года. Автомобиль с гироскопом / боковой полезная нагрузка Shift была построена Эрнестом Ф. Суинни, Гарри Феррейрой и Луи Е. Суинни в США в 1962 году. Эта система называется монорельсовой дорогой Gyro-Dynamics.

Возможные преимущества перед двухрельсовыми автомобилями

Шиловский резюмировал преимущества монорельса перед обычными железными дорогами. Утверждалось следующее.

Уменьшение проблемы полосы отвода

Тесная связь транспортного средства с его единым рельсом, присущая ему способность наклоняться на поворотах и ​​меньшая зависимость от сил сцепления - все это факторы, которые имеют отношение к развитию движения по поверхности. В принципе, можно преодолеть более крутые уклоны и более острые углы по сравнению с обычным адгезионная железная дорога. Типичные конструкции высокоскоростных поездов имеют радиус поворота 7 км, что, следовательно, дает несколько вариантов новых маршрутов в развитых странах, где почти вся земля находится в индивидуальной или корпоративной собственности.

В своей книге Шиловский описывает форму торможения на рельсовом пути, которая возможна с монорельсовой дорогой, но нарушит курсовую устойчивость обычного рельсового транспортного средства. Это дает возможность значительно сократить тормозной путь по сравнению с обычным колесом по стали с соответствующим сокращением безопасного разделения поездов. Результат - потенциально более высокая заполняемость трассы и большая пропускная способность.

Сниженная общая стоимость системы

В то время как отдельные транспортные средства, вероятно, будут дорогими, наибольшие затраты связаны со строительством и обслуживанием постоянного пути, который для одного рельса на уровне земли должен быть дешевле.

Режимы доброкачественного отказа

Угловой момент в гироскопах настолько высок, что потеря мощности не представляет опасности в течение добрых получаса в хорошо спроектированной системе.

Монорельс v двухпутная реакция

Уменьшенный вес

Шиловский утверждал, что его конструкции на самом деле легче, чем аналогичные двухрельсовые рельсы. По словам Бреннана, масса гироскопа составляет 3-5% от веса транспортного средства, что сопоставимо с весом тележки, сэкономленным при использовании одноколейной конструкции.

Возможность высокой скорости

Высокая скорость традиционно требует прямой дороги, что создает проблему полосы отвода в развитых странах. Профили колес, допускающие крутые повороты, имеют тенденцию сталкиваться с классическими охотничье колебание на малых оборотах. Езда по единому рельсу - эффективное средство подавления охоты.

Поворачивая углы

Вклад вращения тела

При движении транспортного средства по горизонтальной кривой наиболее серьезные проблемы возникают, если ось гироскопа расположена вертикально. Есть составляющая скорости поворота воздействуя на шарнир кардана, в уравнение крена вводится дополнительный гироскопический момент:

Это смещает крен от правильного угла крена для поворота, но, что более важно, меняет постоянный член в характеристическом уравнении на:

Очевидно, если скорость поворота превышает критическое значение:

Уравновешивающий контур станет нестабильным, однако, идентичный гироскоп, вращающийся в противоположном направлении, нейтрализует крутящий момент крена, который вызывает нестабильность, и если он будет вынужден прецессировать в направлении, противоположном первому гироскопу, создаст управляющий крутящий момент в то же направление.

В 1972 году Отдел машиностроения правительства Канады отклонил предложение о монорельсовой дороге в основном из-за этой проблемы. Их анализ [9] был правильным, но ограничивался единственной вертикальной осью гироскопа, а не универсальным.

Максимальная скорость отжима

Газотурбинные двигатели рассчитаны на окружную скорость до 400 м / с,[10] и надежно эксплуатировались на тысячах самолетов за последние 50 лет. Следовательно, оценка массы гироскопа для 10-тонного транспортного средства с высотой cg на уровне 2 м при условии, что окружная скорость вдвое меньше той, которая используется в конструкции реактивного двигателя, составляет всего 140 кг. Поэтому рекомендация Бреннана о 3–5% от массы автомобиля была очень консервативной.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Грэм, Р. (февраль 1973 г.). «Бреннан, его вертолет и другие изобретения». Аэронавигационный журнал.
  2. ^ c.1913, Vol.3, p.1684
  3. ^ Томлинсон, Н. (1980). Луи Бреннан, экстраординарный изобретатель. Публикации Джона Холлуэлла. ISBN  0-905540-18-2.
  4. ^ Revolution in Travel, Birmingham Daily Gazette, 9 мая 1907 г., стр. 8
  5. ^ Спилхаус, Ательстан; Спилхаус, Кэтлин (1989). Механические игрушки. Нью-Йорк: Crown Publishers. стр.45–46. ISBN  0-517-56966-3. Ely Cycle Co.
  6. ^ ГБ 25732 
  7. ^ "Гироскопический монорельсовый вагон Scherl". Scientific American. 22 января 1910 г.
  8. ^ "Гироскопическая монорельсовая система Шиловского". Инженер. 23 января 1913 г.
  9. ^ Хэмилл, П. (Декабрь 1972 г.). и другие. «Комментарии к предложению о гиростабилизированной монорельсовой дороге». LTR-CS-77. Канада: Лаборатория систем управления.
  10. ^ Роджерс, G.F.C .; Мэйхью, Ю. (1972). Инженерная термодинамика, работа и теплопередача (третье изд.). Лонгман. п. 433.

Список используемой литературы

  • Шиловский, Петр Петрович (1922). Гироскоп, его конструкция и практическое применение. Электронные публикации.
  • Казинс, H (1913). «Устойчивость гироскопических одноколейных транспортных средств». Инженерное дело 2: 678–681.
  • Грэм, Р. (февраль 1973 г.). «Бреннан, его вертолет и другие изобретения». Аэронавигационный журнал. 77 (746): 74–82.
  • Ми, А (1912). «Хармсворт». Популярная наука. 3: 1680–1693.
  • Эдди, Х. (1910). «Механические принципы монорельсового вагона Бреннана». Журнал Института Франклина. 169 (6): 467–485. Дои:10.1016 / с0016-0032 (10) 90004-5.
  • Томлинсон, Н. (1980). Луи Бреннан, экстраординарный изобретатель. Публикации Джона Холлуэлла. ISBN  0-905540-18-2.
  • "Гироскопический монорельсовый вагон Scherl". Scientific American. 22 января 1910 г.
  • «Моногусеничный автомобиль Бреннана». Коммерческий мотор. 18 ноября 1909 г.
  • "Гироскопическая монорельсовая система Шиловского". Инженер. 23 января 1913 г.
  • Хэмилл, П. (Декабрь 1972 г.). и другие. «Комментарии к предложению о гиростабилизированной монорельсовой дороге». LTR-CS-77. Канада: Лаборатория систем управления.
  • «Монорельсовые автомобили». Инженерное дело: 794. 14 июня 1907 г.
  • Роджерс, G.F.C .; Мэйхью, Ю. (1972). Инженерная термодинамика, работа и теплопередача (третье изд.). Лонгман. п. 433.

внешние ссылки

СМИ, связанные с Гироскоп монорельс в Wikimedia Commons