Gyro monorail
Den gyroskopiska monorailen , den gyroskopiska monorailen , den gyrostabiliserade monorailen eller gyrocaren är termer för ett enda räls landfordon som använder den gyroskopiska verkan av ett snurrande hjul för att övervinna den inneboende instabiliteten av att balansera ovanpå en enda räls.
Monorailen förknippas med namnen Louis Brennan , August Scherl och Pyotr Shilovsky , som var och en byggde fullskaliga fungerande prototyper under den tidiga delen av 1900-talet. En version utvecklades av Ernest F. Swinney, Harry Ferreira och Louis E. Swinney i USA 1962.
Gyromonorailen utvecklades aldrig längre än prototypstadiet.
Den huvudsakliga fördelen med monorailen som citeras av Shilovsky är undertryckandet av jaktsvängningar , en hastighetsbegränsning som konventionella järnvägar stötte på vid den tiden. Dessutom är skarpare svängar möjliga jämfört med den svängradie på 7 km som är typisk för moderna höghastighetståg som TGV, eftersom fordonet automatiskt kommer att backa i kurvor, som ett flygplan, så att ingen centrifugalacceleration i sidled upplevs ombord.
En stor nackdel är att många bilar – inklusive passagerar- och godsvagnar, inte bara loket – skulle kräva ett motordrivet gyroskop för att hålla sig upprätt.
Till skillnad från andra sätt att upprätthålla balansen, såsom sidoförskjutning av tyngdpunkten eller användning av reaktionshjul , är det gyroskopiska balanseringssystemet statiskt stabilt, så att styrsystemet endast tjänar till att ge dynamisk stabilitet. Den aktiva delen av balanseringssystemet beskrivs därför mer exakt som ett rulldämpare .
Historisk bakgrund
Brennans monorail
Bilden i ledarsektionen visar prototypfordonet på 22 ton (22 långa ton; 24 korta ton) på 22 ton (olastad vikt) som utvecklats av Louis Philip Brennan . Brennan lämnade in sitt första monorail-patent 1903.
Hans första demonstrationsmodell var bara en 30,0 x 11,8 tum (762 x 300 mm) låda som innehöll balanseringssystemet. Detta var dock tillräckligt för att armérådet skulle rekommendera en summa på 10 000 pund för utveckling av ett fullstort fordon. Detta lades in sitt veto av deras finansavdelning. Men armén hittade 2 000 pund från olika källor för att finansiera Brennans arbete.
Inom denna budget producerade Brennan en större modell, 6,0 x 1,5 fot (1,83 x 0,46 m), som hölls i balans av två 5,0 tum (127 mm) diameter gyroskoprotorer. Denna modell finns fortfarande i London Science Museum . Banan för fordonet lades på marken för Brennans hus i Gillingham, Kent . Den bestod av vanliga gasrör som lades på träslipers, med en 50 fot (15 m) stållinabro, skarpa hörn och sluttningar upp till en av fem. Brennan visade sin modell i en föreläsning för Royal Society 1907 när den visades springa fram och tillbaka "på en lärd och smal tråd" "under perfekt kontroll av uppfinnaren".
Brennans reducerade järnväg bekräftade till stor del krigsdepartementets initiala entusiasm. Men valet 1906 av en liberal regering, med en politik för ekonomisk nedskärning, stoppade i praktiken finansieringen från armén. Emellertid Indienkontoret ett förskott på 6 000 pund (motsvarande 675 267 pund 2021) 1907 för att utveckla monorailen för North West Frontier- regionen, och ytterligare 5 000 pund (motsvarande 555 391 pund 2021) förskotterades av Durbar i Kashmir 1908. Dessa pengar var nästan förbrukade i januari 1909, när Indiens kontor förskotterade ytterligare 2 000 pund (motsvarande 221 795 pund 2021).
Den 15 oktober 1909 körde rälsvagnen för första gången för egen kraft och transporterade 32 personer runt fabriken. Fordonet var 40,0 gånger 9,8 fot (12,2 gånger 3 m), och med en 20 hästkrafter (15 kW) bensinmotor hade en hastighet på 22 miles per timme (35 km/h). Transmissionen var elektrisk , med bensinmotorn som drev en generator och elmotorer placerade på båda boggierna . Denna generator levererade också ström till gyromotorerna och luftkompressorn . Balanseringssystemet använde en pneumatisk servo snarare än friktionshjulen som användes i den tidigare modellen.
Gyronen var placerade i hytten, även om Brennan planerade att placera dem igen under fordonets golv innan de visade fordonet offentligt, men avtäckningen av Scherls maskin tvingade honom att skjuta fram den första offentliga demonstrationen till den 10 november 1909. Där var otillräcklig tid för att placera om gyron innan monorailens publika debut.
Den verkliga offentliga debuten för Brennans monorail var den japansk-brittiska utställningen i White City , London 1910. Monorail-vagnen transporterade 50 passagerare åt gången runt ett cirkulärt spår i 20 miles per timme (32 km/h). Passagerare inkluderade Winston Churchill , som visade stor entusiasm. Intresset var sådant att barnklockor monorail-leksaker, enhjuliga och gyrostabiliserade, tillverkades i England och Tyskland. Även om monorailen var ett livskraftigt transportmedel lyckades inte locka till sig ytterligare investeringar. Av de två byggda fordonen såldes det ena som skrot och det andra användes som parkskydd fram till 1930.
Scherls bil
Precis när Brennan avslutade testandet av sitt fordon tillkännagav August Scherl , en tysk förläggare och filantrop , en offentlig demonstration av gyromonorailen som han hade utvecklat i Tyskland . Demonstrationen skulle äga rum onsdagen den 10 november 1909 i Berlins zoologiska trädgård .
Scherls maskin, också ett fordon i full storlek, var något mindre än Brennans, med en längd på endast 17 fot (5,2 m). Den kunde rymma fyra passagerare på ett par tvärgående bänksäten. Gyronen var placerade under sätena och hade vertikala axlar, medan Brennan använde ett par horisontella axlar. Servomekanismen var hydraulisk och framdrivningen elektrisk . Strikt taget gav August Scherl bara det ekonomiska stödet. Den rätande mekanismen uppfanns av Paul Fröhlich, och bilen designades av Emil Falcke.
Även om den blev väl mottagen och presterade perfekt under sina offentliga demonstrationer, lyckades inte bilen locka betydande ekonomiskt stöd, och Scherl skrev av sin investering i den.
Shilovskys verk
Pyotr Shilovskys arbete, en rysk aristokrat bosatt i London. Hans balanseringssystem var baserat på något annorlunda principer än Brennan och Scherls, och tillät användningen av ett mindre, långsammare snurrande gyroskop. Efter att ha utvecklat en modell gyromonorail 1911, designade han en gyrobil som byggdes av Wolseley Motors Limited och testades på Londons gator 1913. Eftersom den använde ett enda gyro, snarare än det motroterande paret som gynnades av Brennan och Scherl, den uppvisade asymmetri i sitt beteende och blev instabil under skarpa vänstersvängar. Det väckte intresse men ingen seriös finansiering.
Utvecklingen efter första världskriget
1922 började den sovjetiska regeringen bygga en Shilovsky-monorail mellan Leningrad och Tsarskoje Selo , men pengarna tog slut kort efter att projektet påbörjats.
1929, vid 74 års ålder, utvecklade Brennan också en gyrobil. Detta tackades nej av ett konsortium av Austin / Morris / Rover , på grundval av att de kunde sälja alla konventionella bilar de byggde.
2000-talet: Monocab
I oktober 2022 Technische Hochschule OWL , Bielefeld University of Applied Sciences , Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung och Landeseisenbahn Lippe e. V. presenterade en gyrostabiliserad monorail enligt Brennan på en del av Extertal-järnvägen i Tyskland.
Systemet som kallas Monocab är tänkt att tillåta dubbelriktad trafik på ett enda spår eftersom fordonen endast använder en skena. De hytter som ska fungera autonomt på begäran är utformade därefter smala.
I september 2020 finansierades Monocab från Europeiska regionala utvecklingsfonden och av delstaten Nordrhein-Westfalen med 3,6 miljoner euro tillsammans.
Funktionsprinciper
Grundläggande idé
Fordonet går på en enda konventionell skena, så att utan balanseringssystemet skulle det välta.
Ett snurrande hjul är monterat i en kardanram vars rotationsaxel (precessionsaxeln) är vinkelrät mot spinnaxeln. Aggregatet är monterat på fordonschassit så att, vid jämvikt , spinnaxeln, precessionsaxeln och fordonsrullningsaxeln är inbördes vinkelräta.
Att tvinga kardanen att rotera gör att hjulet pressas in, vilket resulterar i gyroskopiska vridmoment runt rullaxeln, så att mekanismen har potential att räta upp fordonet när det lutas från vertikalen . Hjulet uppvisar en tendens att rikta in sin spinnaxel med rotationsaxeln (kardanaxeln), och det är denna åtgärd som roterar hela fordonet runt sin rullningsaxel.
Helst borde mekanismen som tillämpar styrvridmoment på kardanen vara passiv (ett arrangemang av fjädrar , dämpare och spakar ), men problemets grundläggande natur indikerar att detta skulle vara omöjligt. Jämviktsläget är med fordonet upprätt, så att varje störning från denna position minskar höjden på tyngdpunkten, vilket sänker systemets potentiella energi . Vad som än återställer fordonet till jämvikt måste kunna återställa denna potentiella energi och kan därför inte bestå av passiva element enbart. Systemet måste innehålla ett aktivt servo av något slag.
Sidolaster
Om konstanta sidokrafter motstods av enbart gyroskopisk verkan, skulle kardanen rotera snabbt till hållplatserna, och fordonet skulle välta. Faktum är att mekanismen får fordonet att luta sig in i störningen, motstå det med en viktkomponent, med gyrot nära dess oavlänkade läge.
Tröga sidokrafter, som uppstår vid kurvtagning, gör att fordonet lutar in i kurvan. Ett enda gyro introducerar en asymmetri som gör att fordonet lutar för långt, eller inte tillräckligt långt för att nettokraften ska stanna kvar i symmetriplanet, så sidokrafter kommer fortfarande att upplevas ombord.
För att säkerställa att fordonet hamnar korrekt i hörnen är det nödvändigt att ta bort det gyroskopiska vridmomentet som uppstår från fordonets svänghastighet.
Ett fritt gyro behåller sin orientering med avseende på tröghetsutrymmet , och gyroskopiska moment genereras genom att rotera det runt en axel vinkelrät mot spinnaxeln. Men styrsystemet avleder gyrot med avseende på chassit, och inte med avseende på fixstjärnorna. Det följer att fordonets stigning och girrörelse med avseende på tröghetsutrymmet kommer att introducera ytterligare oönskade, gyroskopiska vridmoment. Dessa ger upphov till otillfredsställande jämvikter, men mer allvarligt orsakar de en förlust av statisk stabilitet vid svängning i en riktning och en ökning av statisk stabilitet i motsatt riktning. Shilovsky stötte på detta problem med sitt vägfordon, som följaktligen inte kunde göra skarpa vänstersvängar.
Brennan och Scherl var medvetna om detta problem och implementerade sina balanseringssystem med par av motroterande gyron, som precesserade i motsatta riktningar. Med detta arrangemang orsakar all rörelse hos fordonet med avseende på tröghetsutrymmet lika och motsatta vridmoment på de två gyron, och upphävs följaktligen. Med det dubbla gyrosystemet elimineras instabiliteten i kurvor och fordonet hamnar i rätt vinkel, så att ingen netto sidokraft upplevs ombord.
Shilovsky påstod sig ha svårt att säkerställa stabilitet med dubbelgyrosystem, även om anledningen till varför det skulle vara så inte är klarlagt. Hans lösning var att variera reglerslingans parametrar med varvhastighet, för att bibehålla liknande svar i svängar i båda riktningarna.
Förskjutna belastningar får på samma sätt fordonet att luta tills tyngdpunkten ligger ovanför stödpunkten. Sidovindar får fordonet att luta in i dem, för att motstå dem med en viktkomponent. Dessa kontaktkrafter kommer sannolikt att orsaka mer obehag än krökningskrafter, eftersom de kommer att resultera i netto sidokrafter ombord.
Kontaktsidans krafter resulterar i en kardanavböjningsförspänning i en Shilovsky-slinga. Detta kan användas som en input till en långsammare slinga för att flytta tyngdpunkten i sidled, så att fordonet förblir upprätt i närvaro av ihållande icke-tröghetskrafter. Denna kombination av gyro och lateral cg-förskjutning är föremål för ett patent från 1962. Ett fordon som använder en gyro/lateral nyttolastförskjutning byggdes av Ernest F. Swinney, Harry Ferreira och Louis E. Swinney i USA 1962. Detta system kallas Gyro-Dynamics monorail.
Potentiella fördelar jämfört med tvårälsfordon
Shilovsky gav ett antal påstådda förmåner inklusive:
- Minskade förkörningsproblem eftersom brantare lutningar och skarpare hörn kan förhandlas i teorin.
I sin bok beskriver Shilovsky en form av bromsning på spår, som är genomförbar med en monorail, men som skulle rubba riktningsstabiliteten hos ett konventionellt spårfordon. Detta har potentialen för mycket kortare stoppsträckor jämfört med konventionella hjul på stål, med motsvarande minskning av säker separation mellan tågen. De
- Shilovsky hävdade att hans design faktiskt var lättare än motsvarande duo-rälsfordon. Gyromassan, enligt Brennan, står för 3–5 % av fordonets vikt, vilket är jämförbart med boggivikten som sparas genom att använda en enkelspårsdesign.
Svängande hörn
Med tanke på ett fordon som kör en horisontell kurva, uppstår de allvarligaste problemen om gyroaxeln är vertikal. Det finns en komponent av svänghastigheten som verkar kring kardansvängen, så att ett ytterligare gyroskopiskt moment introduceras i rollekvationen:
Detta förskjuter kastet från den korrekta bankvinkeln för svängen, men mer allvarligt ändrar den konstanta termen i den karakteristiska ekvationen till:
Uppenbarligen, om varvhastigheten överstiger ett kritiskt värde:
Balanseringsslingan blir instabil. Ett identiskt gyro som snurrar i motsatt riktning kommer emellertid att upphäva rullmomentet som orsakar instabiliteten, och om det tvingas pressa i motsatt riktning till det första gyrot kommer det att producera ett styrvridmoment i samma riktning.
1972 avvisade den kanadensiska regeringens avdelning för maskinteknik ett monorail-förslag till stor del på grundval av detta problem. Deras analys var korrekt, men begränsad i omfattning till gyrosystem med en enda vertikal axel, och inte universell.
Maximal spinhastighet
Gasturbinmotorer är konstruerade med periferihastigheter så höga som 400 meter per sekund (1 300 ft/s) och har fungerat tillförlitligt på tusentals flygplan under de senaste 50 åren. En uppskattning av gyromassan för en 10 tons (9,8 långa ton; 11 korta ton), med cg [ förtydligande behövs ] höjd på 2 meter (6 ft 7 in), antar en periferihastighet på hälften av vad som används i jetstrålar. motorns design, är bara 140 kg (310 lb). Brennans rekommendation på 3–5 % av fordonsmassan var därför mycket konservativ.
Se även
Bibliografi
- Schilovsky, Petr Petrovich (1922). Gyroskopet, dess konstruktion och praktiska tillämpning . E Spon Publications.
- Kusiner, H (1913). "Stabiliteten hos gyroskopiska enkelspårsfordon". Engineering 2 : 678-681.
- Graham, R (februari 1973). "Brennan, hans helikopter och andra uppfinningar". Aeronautisk tidskrift . 77 (746): 74–82.
- Mee, A (1912). "Harmsworth". Populärvetenskap . 3 : 1680-1693.
- Eddy, HT (1910). "De mekaniska principerna för Brennans mono-rail bil" . Journal of the Franklin Institute . 169 (6): 467–485. doi : 10.1016/s0016-0032(10)90004-5 .
- Tomlinson, N (1980). Louis Brennan, extraordinär uppfinnare . John Hallewells publikationer. ISBN 0-905540-18-2 .
- "Den Scherl gyroskopiska monorail-bilen". Scientific American . 22 januari 1910.
- "The Brennan Mono-Track Vehicle". Kommersiella motorn . 18 november 1909.
- "Schilowski Gyroscopic Monorail System". Ingenjören . 23 januari 1913.
- Hamill, PA (december 1972). et al. "Kommentarer på ett gyrostabiliserat Monorail-förslag". LTR-Cs-77 . Kanada: Control Systems Laboratory.
- "Monorail-fordon". Engineering : 794. 14 juni 1907.
- Rogers, GFC; Mayhew, YR (1972). Engineering Thermodynamics, Work and Heat Transfer (tredje upplagan). Longman. sid. 433.
externa länkar
Media relaterade till Gyro monorail på Wikimedia Commons