[ВХОД]

Главная | Содержание | Форум | Файлы | Поиск | Контакт
Содержание
Энергетика
  | Электрические и резонансные генераторы
  | Магнитные генераторы
  | Водородные генераторы
  | Исследования
  | Электростатические моторы и генераторы
  | Механические (центробежные) генераторы
  | Ветрогенераторы
  | Топливные экономайзеры и производство топлива
  | Однопроводная передача энергии
Антигравитация
  | Природные явления
  | Акустическая антигравитация
  | Виманы-летательные аппараты Древней Индии
  | Статьи и публикации на тему НЛО/UFO
Научные теории
Проза
Тайны Третьего рейха.
Пирамиды и мегалиты
Транспорт
  | Электромобили и аккумуляторы
  | Одно- и двухколесные транспортные средства
Общая физика
  | Электротехника
  | Электроника и электротехника
мобильная версия
Печатать страницу
Поделиться...

Яндекс.Директ
проекты транспортных средств с маховиками и гироскопами

УСТОЙЧИВОСТЬ ОДНОКОЛЕЙНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

Одноколейные моторные транспортные средства (мопеды, мотороллеры, мотоциклы) отличаются предельной простотой конструкции. Это, по сути, рама с седлом, двигателем и колесами, переднее из которых - поворотное. Они практически не защищают водителя от погодных условий, не обеспечивают его безопасности, поэтому почти вытеснены автомобилями. И остаются только как атрибут спорта, развлечений и молодежное средство передвижения в сельской местности. В силу этого их нельзя исключать из рассмотрения, особенно с точки зрения устойчивости, с которой чаще всего связаны ДТП.

Устойчивость мотоцикла зависит от равновесия сил плоскости, перпендикулярной траектории его движения. При прямолинейном движении и вертикальном положении мотоцикла такая сила одна. Это сила тяжести системы "мотоцикл-человек". Приложена она к центру ее масс и направлена вертикально вниз. Проекция силы на горизонтальную поверхность равна нулю, значит, и момента относительно линии, проходящей через точки соприкосновения колеса и поверхности дороги, она не создает. Однако реально возникают случаи, когда вектор силы тяжести не проходит через траекторию движения. В этом случае появляется опрокидывающий момент. Водитель нейтрализует его одним из двух способов: либо отклоняется в сторону, противоположную опрокидывающему моменту, либо поворачивает руль в сторону наклона мотоцикла. Это означает, что в первом случае водитель создает противомомент за счет смещения центра массы своего тела, а во втором - использует для этого гироскопический момент переднего поворотного колеса.

Последнее обстоятельство - очень важное с точки зрения повышения устойчивости одноколейных транспортных средств, поэтому рассмотрим его подробнее.
Вращающееся колесо - это, по существу, маховик. Но из теории известно: если ось маховика наклонить с какой-то скоростью, то возникает момент, поворачивающий эту ось в плоскости, перпендикулярной плоскости вынужденного возмущения и отстающей от нее по направлению вращения на 90њ. Поэтому, если при крене мотоцикла, например, вправо водитель повернет рулевое колесо также вправо, в момент поворота, когда угол поворота рулевого колеса изменяется, возникает гироскопический момент, восстанавливающий устойчивость. Но в связи с тем, что угловая скорость поворота оси маховика (руля) - величина конечная, операция поворота колеса занимает определенное время, за которое траектория движения мотоцикла отклоняется от исходной. Чтобы ее восстановить, водитель выполняет обратную операцию. Но выполняет медленно, поэтому гироскопического момента не возникает.

Для поддержания устойчивости при движении прямо этих операций обычно достаточно. Но траектория движения, как видим, превращается в полосу движения, в которой водитель непрерывно маневрирует, поддерживая устойчивость.

При движении по криволинейной траектории схема действия сил усложняется: в действие вступают центробежная сила и гироскопический момент заднего колеса. Первая прямо пропорциональна массе системы, квадрату окружной скорости и обратно пропорциональна радиусу поворота. Она создает момент, противоположный наклону мотоцикла. Гироскопический момент перехода от прямолинейного движения к движению по дуговой траектории возникает только за счет поворота переднего колеса. Но при входе мотоцикла на дуговую траекторию начинает поворачиваться и заднее колесо вместе с рамой мотоцикла. Возникает второй гироскопический момент - от заднего колеса, который действует в ту же сторону, что и от переднего колеса, т. е. В сторону, противоположную повороту.

Таким образом, исходную траекторию движения стремятся восстановить три момента - от центробежной силы и гироскопические моменты обоих колес. Причем все они создает системой "человек-машина", управляет которой человек: он наклоняет мотоцикл в сторону поворота, добивается устойчивости за счет скорости, обеспечивая равенство опрокидывающего момента от силы тяжести системы и суммы момента от центробежной силы и гироскопических моментов колес.

Возникают здесь и дополнительные обстоятельства, которые нельзя не учитывать. И состоят они в следующем. Во время наклона мотоцикла вступают в действие гироскопические моменты колес, которые возникают за счет поворота осей колес в плоскости, перпендикулярной траектории движения. При этом момент переднего колеса стремится увеличить уголь его поворота, а момент заднего колеса, которое жестко закреплено относительно рамы, стремится развернуть мотоцикл в сторону крена. (Это хорошо наблюдается при движении мотоцикла по скользкой дороге: заднее колесо заносит в сторону, противоположную повороту, а потерявший устойчивость (упавший) мотоциклист скользит в направлении, соответствующем повороту).

Действие всех трех составляющих (гироскопический момент переднего колеса при повороте в горизонтальной плоскости, гироскопические моменты обоих колес при наклоне мотоцикла, центробежная сила) оказывает максимальное воздействие на мотоцикл в экстремальных условиях - при движении с большой скоростью на крутых поворотах (например, в спидвее - гонках по льду или гаревой дорожке). В этом случае при входе в поворот водитель, чтобы противодействовать центробежной силе, резко, почти до положения "лежа", наклоняет тело, следовательно, и мотоцикл в сторону поворота. Поэтому эффект от поддержания устойчивости за счет центробежной силы небольшой (плечо невелико). Устойчивость обеспечивается гироскопическим моментом колес за счет большой скорости изменения угла их поворота в горизонтальной плоскости. Более того, сама эта скорость почти не зависит от положения переднего колеса: при большом наклоне мотоцикла это колесо сцепляется с дорогой боковой поверхностью, поэтому эффект от поворота здесь незначителен, и во время гонок часто можно наблюдать, что на крутых виражах оно оказывается повернутым в сторону, противоположную повороту.

При выходе из поворота, когда радиус траектории увеличивается, а центробежная сила уменьшается, поставить мотоцикл вертикально тоже могут только гироскопические моменты колес, возникающие при изменении угла поворота. При этом водителю важно уловить момент, когда мотоцикл еще перемещается по дуге, пусть даже с увеличением ее радиуса, но можно увеличить скорость движения. (Кстати, часто гироскопический момент для выхода из наклонного положения обеспечивают за счет пробуксовки заднего колеса, т.е. увеличения скорости его вращения, а значит и гироскопического момента). При восстановлении вертикального положения мотоцикла возникает гироскопический момент в горизонтальной плоскости, направленный в сторону, противоположную повороту, т.е. способствующий выходу на прямолинейный участок траектории.

В мотоспорте многие из этих эффектов истолковываются эмпирически, на основе собственного опыта. Не исключая мастерство и опыт как фактор достижения высоких результатов в мотоспорте, следует отметить, что все эффекты в области устойчивости одноколейного транспорта и его маневренности имеют свое физическое толкование, и можно только сожалеть, что даже в специальной литературе нет соответствующего разъяснения, в частности, эффект гироскопа даже не упоминается. Это, естественно, сужает диапазон возможностей и спортсменов ,и разработчиков мототранспортных средств. Многие из них даже не подозревают, что на устойчивость мотоцикла оказывают влияние гироскопические моменты не только колес, но и деталей двигателя и трансмиссии: коленчатого вала, маховика, сцепления. Например, у тяжелых мотоциклов "Хонда" и "Харлей Дэвидсон" коленчатый вал располагается поперечно, поэтому он создает гироскопический момент, аналогичный моментам колес; у мотоциклов БМВ, "Урал" и "Днепр" - наоборот, продольно, поэтому при повороте его гироскопический момент увеличивает нагрузку на переднее колесо, улучшая сцепление с дорогой. У ряда моделей одноколейных транспортных средств гироскопические моменты разных деталей взаимно компенсируются.

Сказанное выше доказывает, что устойчивость мотоцикла зависит от баланса сил, которыми управляет водитель. Причем управляющие воздействия зачастую очень малы и доведены до автоматизма. И все же, повторяем, в системе "машина-человек" функции стабилизации устойчивости выполняет человек, а это далеко не идеальный вариант управления. Доказательство тому - многочисленные ДТП с одним и тем же заключением: водитель не справился с управлением.

Второй недостаток системы стабилизации устойчивости на мотоцикле заключается в том, что роль гироскопов - стабилизаторов выполняют колеса, частота вращения которых (следовательно, и величина гироскопического момента) зависит от линейной скорости вращения. В результате при небольших скоростях движения возможность стабилизировать устойчивость снижается, что заставляет вносить большие возмущения на поворот колеса, превращая траекторию движения от близкой к прямой в "виляющую".

Именно эти недостатки мотоциклетной схемы ограничивают возможности трансформации мотоцикла в более комфортабельное (с кузовом для защиты от дождя и ветра) и безопасное транспортное средство. Так, мотоциклы НСУ конструкции Г.А. Баумана, предназначенные для рекордных заездов, имели низкие обтекаемые кузова с низкой же посадкой водителя. В Чехословакии в 1980 г. был выпущен "Квазар" - мотоцикл с кресельной посадкой водителя и полуоткрытым кузовом, т.е. с ветровым стеклом , крышей и задней стенкой (правда, с открытыми боковыми проемами). В настоящее время в Германии выпускается "экомобиль" - экипаж мотоциклетного типа с полностью закрытым кузовом и кресельной посадкой водителя. Однако все это не более чем попытки, существенно не решающие проблемы. В данном смысле более интересен эпизод, относящийся к 1912 г. Англичанин Бренан сконструировал и продемонстрировал на проходившей в Лондоне англо-японской выставке однорельсовый вагон на 40 пассажиров. Зная, что устойчивость такой конструкции зависит от скорости вращения колес, на особенно малых скоростях он обеспечил устойчивость с помощью специального стабилизатора-маховика с горизонтальной осью, закрепленного на поворотной раме. Маховик вращался в ту же сторону, что и колеса. В случае крена вагона водитель вручную поворачивал раму, восстанавливая тем самым остойчивость.

Разделение функций колеса и стабилизатора устойчивости - это уже шаг вперед. Но на таком транспортном средстве влияние поворота платформы на устойчивость остается, хотя на рельсовом транспорте, где радиусы поворота траектории движения большие, оно малозаметно. Поэтому поиски решений в области устойчивости одноколейных транспортных средств продолжались.

Так, в 1924 г. П.П. Шиловский создал и показал на выставке в Лондоне двухколесный четырехместный автомобиль, на котором в качестве средства, исключающего влияние маневренности на устойчивость, был применен маховик с вертикальной осью вращения. Маховик, как и в предыдущем случае, крепился на раме, позволявшей наклонять его ось вперед и назад, создавая тем самым гироскопический момент, обеспечивающий устойчивость автомобиля. Но рама на машине П.П. Шиловского управлялась уже автоматически, по сигналу датчиков крена.

По этому же пути пошла спустя 53 года и американская фирма "Форд": в 1967 году она испытала одноколейный двухколесный автомобиль "Гирон", на котором в качестве стабилизатора устойчивости был использован маховик диаметром 60 см, вращающийся со скоростью 6000 об. мин.

Как видим, вопрос устойчивости одноколейных экипажей решался, но при помощи автономного, не входящего в конструкцию двигателя узла. Это усложняло автомобиль, что, по видимому, и послужило причиной отказа от данного направления работ. Сейчас положение меняется: маховики все чаще применяются в рекуператорах энергии торможения, становятся (в крайнем случае, на уровне опытно-конструкторских работ) одним из элементов трансмиссии АТС. Не обойтись без маховиков и в гибридных (комбинированных) силовых установках. Наконец, изучается возможность создания гиромобилей, т.е. транспортных средств, в которых маховиковый аккумулятор служит единственным источником энергии для их движения. Правда, во всех перечисленных случаях гироскопические моменты от маховиков стараются уменьшить или даже свести к нулю. (Характерные примеры - двухвальные воздушно-турбореактивные авиационные двигатели и автомобильные газовые турбины, выполненные по двухвальной схеме, где роторы компрессора и турбин за счет высоких частот вращения обладают значительными гироскопическими моментами). Но с рассматриваемой нами точки зрения интересно другое. То, что маховик с высокой энергоемкостью уже начинают включать в состав силового агрегата, обеспечивающего движение автомобиля. Это приводит к идее использования данного маховика для стабилизации устойчивости автомобиля с одноколейной ходовой частью.

Впервые такую идею высказал в 1980 году Н.В.Гулиа: "Не исключена возможность, что маховичные автомобили в будущем будут выполняться именно двухколесными, что значительно удешевит конструкцию. Двухколесный экипаж меньше тратит энергии на свое перемещение, он гораздо маневреннее, что очень важно в условиях современного города. К тому же основной аккумулятор - двигатель можно использовать и как маховик-стабилизатор". В наземных транспортных средствах идея пока не реализуется. Но в космонавтике она уже используется: маховиковые системы применяют в спутниках связи как для стабилизации их положения в пространстве, так и в качестве аккумулятора энергии для питания систем во время движения на не освещенных Солнцем участках орбиты.

Прорабатывался и газотурбинный двигатель с инерционным аккумулятором энергии - маховиком диаметром 450-480 мм, выполненным из композитных материалов. Установлено следующее.
Для того чтобы маховик не сказывался отрицательно на устойчивости автомобиля с традиционным четырехколесным шасси, его нужно подвешивать с тремя степенями свободы. Но если на этом агрегате выполнить механизм привода наклона маховика вперед и назад, а также оснастить автомобиль датчиком крена, то АТС может быть вообще двухколесным (одноколейным).


Все это подтверждено расчетами. Так, если маховик диаметром 450-480 мм выполнить из композита на основе стекловолокна, то его масса составит 30 кг. Если, далее, скорость вращения маховика составит 30-50 тыс. об. мин., а исполнительный механизм стабилизации настроить на скорость наклона оси маховика, равную 1 об. с., то стабилизирующий момент составит 632,5-379,5 Н*м (63,25-37,95 кгс*м). (Для сравнения: у американского "Гирона" маховик был выполнен в виде диска диаметром 600 мм из стали толщиной 50 мм и вращался с частотой 6000 об. мин., обеспечивая стабилизирующий момент, равный 600 Н*м, или 60 кгс*м). Этот момент создает силу, противодействующую опрокидыванию автомобиля. Ее величина, если предположить, что она направлена горизонтально и прикладывается к середине боковой стенки автомобиля (т.е. на высоте 700 мм от земли, поскольку средняя высота легкового автомобиля равна 1400 мм), составляет 540-900 Н (54-90 кгс). Если эту силу сравнить с силой, необходимой для опрокидывания такого четырехколесного автомобиля, как ЗАЗ-1102 (снаряженная масса - 710 кг, масса водителя - 80 кг, высота - 1410 мм, колея - 1314 мм), легко подсчитать, что сила, создающая необходимый для опрокидывания момент, равна 7,36 кН (736 кгс).
Таким образом, рассмотренный высокоскоростной инерционный аккумулятор энергии создает стабилизирующую силу, равную 7-12% от силы опрокидывающей. Но ведь это, по существу, статический расчет, характеризующий пассивную устойчивость обычного четырехколесного автомобиля. Есть и более важная - активная устойчивость. Она проявляется сразу же после (и даже в момент) появления хотя бы незначительного крена. И сила, создаваемая гироскопическим моментом маховика, оказывается фактором, не допускающим дальнейшего увеличения крена и возрастания опрокидывающего момента за счет увеличения плеча действия опрокидывающей силы. Для одноколейного автомобиля той же массы, что и ЗАЗ -1102, при стабилизирующем моменте, равном 540 Н*м (54 кгс*м), максимальный полностью парируемый крен (угол отклонения вертикальной оси от абсолютной вертикали) составляет 0,5њ. Практический опыт - автомобиль Шиловского и американский "Гирон" - свидетельствует: система активной стабилизации с автоматическим управлением может отслеживать это и обеспечивать устойчивость. Кроме того, активная стабилизация привлекает еще и тем, что ее можно задавать, меняя скорость отработки угла наклона оси маховика.

Вывод: разработка одноколейного автомобиля с активной стабилизацией устойчивости на основе инерционного аккумулятора энергии - дело вполне реальное. Одна из первых эскизных проработок такого одноместного автомобиля приведена на рисунке.

Канд.техн. Наук В.Г.Некрасов
НЕТРОЭН,г.Алма-ата

Автомобильная промышленность, 1996, N4 стр. 15-18



Дата публикации: Прочитано: 29132 раз
Дополнительно на данную тему
- Маховик и транспорт будущего
- КОМПАКТНОСТЬ ПЛЮС ОБТЕКАЕМОСТЬ
- ИЗОБРЕТАТЕЛЬ "ГИРОКАРА"
- FRANKFURT + FORSCHUNG + FUN = F300
- МАХОВИК КАК НАКОПИТЕЛЬ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ И.М.Кирко, Г.Е. Кирко (г. Пермь)
- Обыкновенный гений (Гулиа и маховик)
- Под колесами прогресса (мотор-колесо Шкондина)


Главная | Содержание | Форум | Файлы | Поиск | Контакт
Valid XHTML 1.0 Transitional
Генерация страницы: 0.016 сек