Kreisel Einschienenbahn - Gyro monorail
Die Kreisel-Einschienenbahn , die Kreisel-Einschienenbahn , die Kreisel-stabilisierte Einschienenbahn oder der Kreisel sind Begriffe für ein Landfahrzeug mit einer Schiene , das die Kreiselwirkung eines sich drehenden Rads nutzt , um die inhärente Instabilität des Auswuchtens auf einer einzelnen Schiene zu überwinden .
Die Einschienenbahn ist mit den Namen Louis Brennan , August Scherl und Pjotr Shilovsky verbunden , die zu Beginn des 20. Jahrhunderts jeweils maßstabsgetreue Prototypen bauten . Eine Version wurde 1962 von Ernest F. Swinney, Harry Ferreira und Louis E. Swinney in den USA entwickelt.
Die Kreisel-Einschienenbahn wurde nie über das Prototypenstadium hinaus entwickelt.
Der Hauptvorteil der von Shilovsky angeführten Einschienenbahn ist die Unterdrückung der Jagdschwingung , eine Geschwindigkeitsbegrenzung, auf die herkömmliche Eisenbahnen zu dieser Zeit stießen. Im Vergleich zu dem für moderne Hochgeschwindigkeitszüge wie den TGV typischen Kurvenradius von 7 km sind auch schärfere Kurven möglich , da das Fahrzeug wie ein Flugzeug automatisch in Kurven fährt, so dass an Bord keine seitliche Fliehkraftbeschleunigung auftritt .
Ein großer Nachteil ist, dass viele Autos - einschließlich Personen- und Güterwagen, nicht nur die Lokomotive - ein ständig angetriebenes Gyroskop benötigen würden, um aufrecht zu bleiben.
Im Gegensatz zu anderen Mitteln zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts, wie der seitlichen Verschiebung des Schwerpunkts oder der Verwendung von Reaktionsrädern , ist das Kreiselausgleichssystem statisch stabil, so dass das Steuersystem nur dazu dient, dynamische Stabilität zu verleihen. Der aktive Teil des Auswuchtsystems wird daher genauer als Rollendämpfer bezeichnet .
Historischer Hintergrund
Brennans Einschienenbahn
Das Bild im Leitabschnitt zeigt das von Louis Philip Brennan CB entwickelte Prototyp-Fahrzeug mit 22 Tonnen (22 lange Tonnen; 24 kurze Tonnen) und 22 Tonnen (Leergewicht) . Brennan meldete 1903 sein erstes Einschienenbahnpatent an.
Sein erstes Demonstrationsmodell war nur eine 762 x 300 mm große Box mit dem Auswuchtsystem. Dies reichte jedoch aus, damit der Armeerat einen Betrag von 10.000 GBP für die Entwicklung eines Fahrzeugs in voller Größe empfehlen konnte . Dies wurde von ihrer Finanzabteilung abgelehnt. Die Armee fand jedoch 2.000 Pfund aus verschiedenen Quellen, um Brennans Arbeit zu finanzieren.
Innerhalb dieses Budgets produzierte Brennan ein größeres Modell mit einer Größe von 1,83 x 0,46 m (6,0 x 1,5 Fuß), das durch zwei Gyroskoprotoren mit einem Durchmesser von 127 mm (5,0 Zoll) im Gleichgewicht gehalten wurde. Dieses Modell existiert noch im London Science Museum . Die Spur für das Fahrzeug wurde auf dem Gelände von Brennans Haus in Gillingham, Kent, verlegt . Es bestand aus gewöhnlichen Gasleitungen, die auf Holzschwellen verlegt waren, mit einer 15 m langen Drahtseilbrücke, scharfen Ecken und Hängen bis zu einem Fünftel. Brennan demonstrierte sein Modell in einem Vortrag vor der Royal Society im Jahr 1907, als es "auf einem gelehrten und schlanken Draht" "unter der perfekten Kontrolle des Erfinders" hin und her lief.
Brennans verkleinerte Eisenbahn bestätigte weitgehend die anfängliche Begeisterung des Kriegsministeriums . Die Wahl einer liberalen Regierung im Jahr 1906 mit einer Politik der finanziellen Kürzung stoppte jedoch effektiv die Finanzierung durch die Armee. Das indische Büro stimmte jedoch 1907 für einen Vorschuss von 6.000 GBP (entspricht 639.401 GBP im Jahr 2019) für die Entwicklung der Einschienenbahn für die Region North West Frontier , und weitere 5.000 GBP (entspricht 525.892 GBP im Jahr 2019) wurden von der Durbar vorgezogen von Kaschmir im Jahr 1908. Dieses Geld wurde fast bis Januar 1909 ausgegeben, als das indische Büro weitere 2.000 Pfund (entspricht 210.015 Pfund im Jahr 2019) vorschob.
Am 15. Oktober 1909 fuhr der Triebwagen erstmals aus eigener Kraft und beförderte 32 Personen in der Fabrik. Das Fahrzeug war 12,2 x 3 m groß und hatte mit einem 15 kW starken Benzinmotor eine Geschwindigkeit von 35 km / h. Das Getriebe war elektrisch , der Benzinmotor trieb einen Generator an und die Elektromotoren befanden sich auf beiden Drehgestellen . Dieser Generator versorgte auch die Kreiselmotoren und den Luftkompressor mit Strom . Das Auswuchtsystem verwendete anstelle der im früheren Modell verwendeten Reibräder ein pneumatisches Servo .
Die Gyros befanden sich in der Kabine, obwohl Brennan vorhatte, sie unter dem Boden des Fahrzeugs zu platzieren, bevor er das Fahrzeug öffentlich ausstellte. Die Enthüllung von Scherls Maschine zwang ihn jedoch, die erste öffentliche Demonstration auf den 10. November 1909 vorzuziehen Es war nicht genügend Zeit, um die Gyros vor dem öffentlichen Debüt der Monorail neu zu positionieren.
Das eigentliche öffentliche Debüt für Brennans Monorail war 1910 die japanisch-britische Ausstellung in der White City in London. Der Monorail-Wagen beförderte jeweils 50 Passagiere auf einer Kreisbahn mit 32 km / h. Zu den Passagieren gehörte Winston Churchill , der große Begeisterung zeigte. Das Interesse war so groß, dass in England und Deutschland einrädrige und gyro-stabilisierte Monorail-Spielzeuge für Kinder mit Uhrwerk hergestellt wurden. Obwohl die Einschienenbahn ein tragfähiges Transportmittel war, konnte sie keine weiteren Investitionen anziehen. Von den beiden gebauten Fahrzeugen wurde eines als Schrott verkauft und das andere bis 1930 als Parkunterstand genutzt.
Scherls Auto
Gerade als Brennan sein Fahrzeug getestet hatte, kündigte August Scherl , ein deutscher Verleger und Philanthrop , eine öffentliche Demonstration der von ihm in Deutschland entwickelten Kreisel-Einschienenbahn an . Die Demonstration sollte am Mittwoch, den 10. November 1909 im Berliner Zoologischen Garten stattfinden .
Scherls Maschine, ebenfalls ein Fahrzeug in voller Größe, war mit einer Länge von nur 5,2 m etwas kleiner als die von Brennan. Es bietet Platz für vier Passagiere auf zwei Querbanksitzen. Die Gyros befanden sich unter den Sitzen und hatten vertikale Achsen, während Brennan ein Paar Gyros mit horizontaler Achse verwendete. Der Servomechanismus war hydraulisch und der Antrieb elektrisch. Genau genommen hat August Scherl lediglich die finanzielle Unterstützung bereitgestellt. Der Aufrichtmechanismus wurde von Paul Fröhlich erfunden und das Auto von Emil Falcke entworfen.
Obwohl das Auto während seiner öffentlichen Demonstrationen gut aufgenommen wurde und eine perfekte Leistung erbrachte, konnte es keine nennenswerte finanzielle Unterstützung erhalten, und Scherl schrieb seine Investition in das Auto ab.
Shilovskys Arbeit
Nachdem Brennan und Scherl die notwendigen Investitionen nicht angezogen hatten , wurde die praktische Entwicklung der Kreisel-Einschienenbahn nach 1910 mit der Arbeit von Pjotr Schilowski fortgesetzt , einem in London lebenden russischen Aristokraten . Sein Ausgleichssystem basierte auf etwas anderen Prinzipien als Brennan und Scherl und erlaubte die Verwendung eines kleineren, langsamer drehenden Gyroskops. Nachdem er 1911 eine Modell-Kreisel-Einschienenbahn entwickelt hatte, entwarf er einen Kreiselwagen, der von Wolseley Motors Limited gebaut und 1913 auf den Straßen Londons getestet wurde. es zeigte eine Asymmetrie in seinem Verhalten und wurde während scharfer Linkskurven instabil . Es stieß auf Interesse, aber keine ernsthafte Finanzierung.
Entwicklungen nach dem Ersten Weltkrieg
1922 begann die Sowjetregierung mit dem Bau einer Shilovsky-Einschienenbahn zwischen Leningrad und Tsarskoe Selo , doch kurz nach Projektbeginn gingen die Mittel aus.
Im Jahr 1929, im Alter von 74 Jahren, entwickelte Brennan auch einen Kreiselwagen. Dies wurde von einem Konsortium aus Austin / Morris / Rover abgelehnt, da sie alle von ihnen gebauten konventionellen Autos verkaufen konnten.
Funktionsprinzipien
Grundidee
Das Fahrzeug fährt auf einer einzigen konventionellen Schiene, so dass es ohne das Auswuchtsystem umkippen würde.
Ein sich drehendes Rad ist in einem kardanischen Rahmen montiert, dessen Drehachse (die Präzessionsachse) senkrecht zur Drehachse ist. Die Baugruppe ist so auf dem Fahrzeugchassis montiert , dass im Gleichgewicht die Drehachse, die Präzessionsachse und die Fahrzeugrollachse senkrecht zueinander stehen.
Das Erzwingen der Drehung des Kardanrahmens bewirkt, dass sich das Rad bewegt, was zu gyroskopischen Drehmomenten um die Rollachse führt, so dass der Mechanismus das Fahrzeug möglicherweise aus der Vertikalen neigen kann . Das Rad zeigt eine Tendenz, seine Drehachse mit der Drehachse (der Kardanachse) auszurichten, und es ist diese Aktion, die das gesamte Fahrzeug um seine Rollachse dreht.
Idealerweise sollte der Mechanismus, mit dem Steuermomente auf den Kardan ausgeübt werden, passiv sein (eine Anordnung von Federn , Dämpfern und Hebeln ), aber die grundlegende Natur des Problems zeigt, dass dies unmöglich wäre. Die Gleichgewichtsposition befindet sich bei aufrecht stehendem Fahrzeug, so dass jede Störung aus dieser Position die Höhe des Schwerpunkts verringert und die potentielle Energie des Systems verringert . Was auch immer das Fahrzeug wieder ins Gleichgewicht bringt, muss in der Lage sein, diese potentielle Energie wiederherzustellen, und kann daher nicht nur aus passiven Elementen bestehen. Das System muss ein aktives Servo enthalten .
Seitenlasten
Wenn konstanten Seitenkräften allein durch Kreiselwirkung widerstanden würde, würde sich der Kardanring schnell bis zum Anschlag drehen und das Fahrzeug würde umkippen. Tatsächlich bewirkt der Mechanismus, dass sich das Fahrzeug in die Störung hineinlehnt und ihr mit einer Gewichtskomponente widersteht, wobei sich der Kreisel in der Nähe seiner nicht abgelenkten Position befindet.
Trägheitsseitenkräfte, die durch Kurvenfahrten entstehen, führen dazu, dass sich das Fahrzeug in die Kurve lehnt. Ein einzelner Kreisel führt eine Asymmetrie ein, die dazu führt, dass sich das Fahrzeug zu weit oder nicht weit genug neigt, um die Nettokraft in der Symmetrieebene zu belassen, sodass an Bord immer noch Seitenkräfte auftreten.
Um sicherzustellen , dass die Fahrzeug Bänke korrekt auf Ecken, ist es notwendig , den gyroskopischen zu entfernen Drehmoment , die von dem Fahrzeugdrehrate.
Ein freier Kreisel behält seine Ausrichtung in Bezug auf den Trägheitsraum bei , und Kreiselmomente werden erzeugt, indem er um eine Achse senkrecht zur Drehachse gedreht wird. Das Steuersystem lenkt den Kreisel jedoch in Bezug auf das Chassis und nicht in Bezug auf die Fixsterne ab. Daraus folgt, dass die Nick- und Gierbewegung des Fahrzeugs in Bezug auf den Trägheitsraum zusätzliche unerwünschte gyroskopische Drehmomente einführt. Diese führen zu unbefriedigenden Gleichgewichten, verursachen jedoch schwerwiegender einen Verlust der statischen Stabilität beim Drehen in eine Richtung und eine Erhöhung der statischen Stabilität in die entgegengesetzte Richtung. Shilovsky stieß auf dieses Problem mit seinem Straßenfahrzeug, das folglich keine scharfen Linkskurven machen konnte.
Brennan und Scherl waren sich dieses Problems bewusst und implementierten ihre Auswuchtsysteme mit Paaren gegenläufiger Gyros, die in entgegengesetzte Richtungen vorgingen. Bei dieser Anordnung verursacht jede Bewegung des Fahrzeugs in Bezug auf den Trägheitsraum gleiche und entgegengesetzte Drehmomente an den beiden Kreiseln und wird folglich aufgehoben. Mit dem Doppelkreiselsystem wird die Instabilität in Kurven beseitigt und das Fahrzeug wird auf den richtigen Winkel eingestellt, so dass an Bord keine Nettoseitenkraft auftritt.
Shilovsky behauptete, Schwierigkeiten bei der Gewährleistung der Stabilität mit Doppelkreiselsystemen zu haben, obwohl der Grund, warum dies so sein sollte, nicht klar ist. Seine Lösung bestand darin, die Regelkreisparameter mit der Drehrate zu variieren, um eine ähnliche Reaktion in Windungen in beide Richtungen aufrechtzuerhalten.
Versetzte Lasten bewirken in ähnlicher Weise, dass sich das Fahrzeug neigt, bis der Schwerpunkt über dem Stützpunkt liegt. Seitenwinde bewirken, dass das Fahrzeug in sie kippt, um ihnen mit einer Gewichtskomponente zu widerstehen. Diese Kontaktkräfte verursachen wahrscheinlich mehr Unbehagen als Kurvenkräfte, da sie dazu führen, dass an Bord Nettoseitenkräfte auftreten.
Die Kontaktseitenkräfte ergeben eine kardanische Auslenkung Vorspannung in einer Schilowski Schleife. Dies kann als Eingabe für eine langsamere Schleife verwendet werden, um den Schwerpunkt seitlich zu verschieben, so dass das Fahrzeug bei anhaltenden nicht trägen Kräften aufrecht bleibt. Diese Kombination aus Kreisel und lateraler CG-Verschiebung ist Gegenstand eines Patents von 1962. Ein Fahrzeug mit einer Kreisel / seitlichen Nutzlastverschiebung wurde 1962 von Ernest F. Swinney, Harry Ferreira und Louis E. Swinney in den USA gebaut. Dieses System wird als Gyro-Dynamics-Einschienenbahn bezeichnet.
Mögliche Vorteile gegenüber Zwei-Schienen-Fahrzeugen
Die Vorteile der Einschienenbahn gegenüber konventionellen Eisenbahnen wurden von Shilovsky zusammengefasst. Folgendes wurde behauptet.
Reduziertes Vorfahrtsproblem
Die enge Verbindung des Fahrzeugs mit seiner einzelnen Schiene, seine inhärente Fähigkeit, sich auf Kurven zu stützen, und die verringerte Abhängigkeit von Adhäsionskräften sind alles Faktoren, die für die Entwicklung des Oberflächenverkehrs relevant sind. Grundsätzlich können im Vergleich zu einer herkömmlichen Haftbahn steilere Gefälle und schärfere Ecken überwunden werden . Typische Hochgeschwindigkeitszugkonstruktionen haben einen Wenderadius von 7 km, weshalb nur wenige Optionen für neue Strecken in Industrieländern zur Verfügung stehen, in denen fast das gesamte Land im Besitz von Einzelpersonen oder Unternehmen ist.
In seinem Buch beschreibt Shilovsky eine Form des Bremsens auf der Strecke, die mit einer Einschienenbahn möglich ist, aber die Richtungsstabilität eines herkömmlichen Schienenfahrzeugs stören würde. Dies hat das Potenzial, im Vergleich zu herkömmlichen Rädern auf Stahl viel kürzere Bremswege zu haben und die sichere Trennung zwischen den Zügen entsprechend zu verringern. Das Ergebnis ist möglicherweise eine höhere Belegung der Strecke und eine höhere Kapazität.
Reduzierte Gesamtsystemkosten
Während die einzelnen Fahrzeuge wahrscheinlich teuer sind, entstehen die größten Kosten durch den Bau und die Wartung des permanenten Weges, der für eine einzelne Schiene in Bodennähe billiger sein muss.
Gutartige Fehlermodi
Der Drehimpuls im Kreisel ist so hoch, dass ein Leistungsverlust in einem gut konzipierten System für eine gute halbe Stunde keine Gefahr darstellt.
Reduziertes Gewicht
Shilovsky behauptete, seine Entwürfe seien tatsächlich leichter als die entsprechenden Duo-Rail-Fahrzeuge. Die Kreiselmasse macht laut Brennan 3–5% des Fahrzeuggewichts aus, was mit dem Drehgestellgewicht vergleichbar ist, das bei der Verwendung eines einspurigen Designs eingespart wird.
Potenzial für hohe Geschwindigkeit
Hohe Geschwindigkeit erfordert herkömmlicherweise eine gerade Strecke, was in den Industrieländern zu einem Vorfahrtsproblem führt. Radprofile, die eine scharfe Kurvenfahrt ermöglichen, neigen dazu, bei niedrigen Geschwindigkeiten auf die klassische Jagdschwingung zu stoßen . Das Laufen auf einer einzigen Schiene ist ein wirksames Mittel, um die Jagd zu unterdrücken.
Kurven fahren
Wenn man bedenkt, dass ein Fahrzeug eine horizontale Kurve fährt, treten die schwerwiegendsten Probleme auf, wenn die Kreiselachse vertikal ist. Es gibt eine Komponente der Drehgeschwindigkeit, die um den kardanischen Drehpunkt wirkt, so dass ein zusätzliches Kreiselmoment in die Rollgleichung eingeführt wird:
Dies verschiebt die Rolle vom richtigen Querneigungswinkel für die Drehung, ändert jedoch den konstanten Term in der charakteristischen Gleichung im Ernstfall in:
Wenn die Drehrate einen kritischen Wert überschreitet, gilt Folgendes:
Die Ausgleichsschleife wird instabil. Ein identischer Kreisel, der sich im entgegengesetzten Sinne dreht, hebt jedoch das Rollmoment auf, das die Instabilität verursacht, und wenn er gezwungen wird, in die entgegengesetzte Richtung zum ersten Kreisel zu fahren, erzeugt er ein Steuerdrehmoment in der gleichen Richtung.
1972 lehnte die Abteilung für Maschinenbau der kanadischen Regierung einen Vorschlag für eine Einschienenbahn weitgehend aufgrund dieses Problems ab. Ihre Analyse war korrekt, aber auf einzelne Kreiselsysteme mit vertikaler Achse beschränkt und nicht universell.
Maximale Spinrate
Gasturbinentriebwerke sind mit Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 400 Metern pro Sekunde (1.300 ft / s) ausgelegt und haben in den letzten 50 Jahren Tausende von Flugzeugen zuverlässig betrieben. Daher wird eine Schätzung der Kreiselmasse für 10 Tonnen (9,8 lange Tonnen; 11 kurze Tonnen) mit einer CG-Höhe von 2 Metern (6 Fuß 7 Zoll) unter der Annahme einer Umfangsgeschwindigkeit von der Hälfte der bei der Konstruktion von Strahltriebwerken verwendeten angenommen nur 140 Kilogramm. Brennans Empfehlung von 3–5% der Fahrzeugmasse war daher sehr konservativ.
Siehe auch
Verweise
Literaturverzeichnis
- Schilovsky, Petr Petrovich (1922). Das Gyroskop, seine Konstruktion und praktische Anwendung . E Spon-Veröffentlichungen.
- Cousins, H (1913). "Die Stabilität gyroskopischer einspuriger Fahrzeuge". Engineering 2 : 678–681.
- Graham, R. (Februar 1973). "Brennan, sein Hubschrauber und andere Erfindungen". Aeronautical Journal . 77 (746): 74–82.
- Mee, A (1912). "Harmsworth". Populärwissenschaft . 3 : 1680–1693.
- Eddy, HT (1910). "Die mechanischen Prinzipien von Brennans Mono-Rail-Wagen" . Zeitschrift des Franklin Institute . 169 (6): 467–485. doi : 10.1016 / s0016-0032 (10) 90004-5 .
- Tomlinson, N. (1980). Louis Brennan, Erfinder Extraordinaire . John Hallewell Publications. ISBN 0-905540-18-2 .
- "Das Scherl Gyroscopic Monorail Car". Wissenschaftlicher Amerikaner . 22. Januar 1910.
- "Das Brennan Mono-Track Fahrzeug". Der kommerzielle Motor . 18. November 1909.
- "Das Gyroskopische Einschienenbahnsystem von Schilowski". Der Ingenieur . 23. Januar 1913.
- Hamill, PA (Dezember 1972). et al. "Kommentare zu einem Vorschlag für eine gyro-stabilisierte Einschienenbahn". LTR-Cs-77 . Kanada: Kontrollsystemlabor.
- "Einschienenbahnfahrzeuge". Engineering : 794. 14. Juni 1907.
- Rogers, GFC; Mayhew, YR (1972). Technische Thermodynamik, Arbeit und Wärmeübertragung (3. Aufl.). Longman. p. 433.
Externe Links
Medien im Zusammenhang mit Gyro Monorail bei Wikimedia Commons