자이로 모노레일

이 문서에는 일반적인 참조 목록이 포함되어 있지만 대응하는 충분한 인라인 인용이 없습니다. 좀 더 정확한 인용문을 도입하여 개선해 주시기 바랍니다. (2015년 2월) (템플릿 메시지 삭제 방법 및 삭제 시기 확인)

자이로 모노레일, 자이로 모노레일, 자이로 안정화 모노레일 또는 자이로카는 단일 레일 위에서 균형을 잡는 내재적인 불안정성을 극복하기 위해 회전 휠의 자이로 동작을 사용하는 단일 레일 육상 차량을 지칭하는 용어입니다.

모노레일은 루이스 브레넌, 어거스트 셰를, 표트르 실로프스키 등 20세기 초에 본격적인 작업용 시제품을 각각 제작한 이름과 관련이 있습니다.버전은 Ernest F에 의해 개발되었다.스위니, 해리 페레이라, 루이 E.1962년 미국에서 스위니.

자이로 모노레일은 시제품 단계를 넘어서는 개발되지 않았다.

Shilovsky가 인용한 모노레일의 주요 장점은 사냥 발진을 억제하는 것이며, 이는 당시 재래식 철도가 직면했던 속도 제한입니다.또한 TGV와 같은 현대 고속열차의 일반적인 회전반경 7km에 비해 고속회전이 가능하며,^[1] 이는 차량이 항공기와 같은 커브길에서 자동으로 선회하기 때문에 기내에서 횡방향 원심가속도가 발생하지 않기 때문이다.

주요 단점은 기관차뿐만 아니라 객차와 화물차를 포함한 많은 차들이 직립을 유지하기 위해 동력 자이로스코프를 필요로 한다는 것입니다.

무게중심의 횡방향 이동이나 반작용 휠의 사용 등 균형을 유지하는 다른 수단과는 달리, 자이로스코프 밸런스 시스템은 정적으로 안정되어 있어 제어 시스템이 동적 안정성을 제공하는 역할만 합니다.따라서 밸런싱 시스템의 활성 부분을 롤 댐퍼라고 더 정확하게 설명합니다.

이력

브레넌 모노레일

리더 섹션의 이미지는 Louis Philip Brennan ^[3]CB가 개발한 22톤(22longton; 24 Shortton) 시제품 차량입니다.브레넌은 1903년에 그의 첫 모노레일 특허를 신청했다.

그의 첫 번째 시연 모델은 밸런스 시스템이 들어 있는 30.0x11.8인치(762x300mm) 박스였다.하지만, 이것은 육군 평의회가 실물 크기의 차량 개발에 10,000 파운드를 추천하기에 충분했다.이것은 그들의 재무부에 의해 거부당했다.하지만, 육군은 브레넌의 연구에 자금을 대기 위해 다양한 출처로부터 2,000파운드를 구했다.

이 예산 내에서 Brennan은 6.0 x 1.5피트(1.83 x 0.46m)의 대형 모델을 생산했으며, 두 개의 5.0인치(127mm) 직경의 자이로스코프 로터가 균형을 유지했습니다.이 모형은 런던 과학 박물관에 여전히 존재한다.차량 트랙은 켄트 주 길링햄에 있는 브레넌의 집 구내에 설치되었다.그것은 50피트(15m)의 와이어로프 브릿지, 날카로운 모서리, 그리고 5분의 1에 이르는 경사면을 가진 나무 침목 위에 놓여진 일반적인 가스 파이프로 구성되었다.브레넌은 1907년 왕립학회에 한 강연에서 그의 모델이 ^[4]"발명자의 완벽한 통제 하에" 가르침을 받고 가는 전선을 타고 왔다 갔다 하는 것을 보여주었을 때 그의 모델을 시연했다.

브레넌의 축소된 철도는 육군성의 초기 열의를 크게 입증했다.하지만, 1906년 재정 긴축 정책과 함께 자유당 정부가 선출되면서, 육군의 자금 지원이 사실상 중단되었다.그러나 인도 사무소는 1907년 노스웨스트 프런티어 지역의 모노레일 개발을 위해 6,000파운드(2021년 675,267파운드 상당)의 선불안을 의결했고, 1908년 카슈미르 두르바에 의해 5,000파운드(2021년 555,391파운드 상당)의 선불안을 가결했다.이 돈은 1909년 1월 인도 사무소가 2,000파운드(2021년 221,795파운드에 상당)를 더 지급했을 때 거의 다 썼다.

1909년 10월 15일, 32명의 사람을 태우고 처음으로 자체 동력으로 공장을 돌았다.차량의 크기는 40.0x9.8피트(12.2x3m)였으며, 20마력(15kW) 가솔린 엔진을 장착했으며, 속도는 시속 22마일(35km/h)이었다.가솔린 엔진이 발전기를 구동하고 전기 모터가 두 대차에 위치하는 등 변속기가 전기적이었다.이 발전기는 또한 자이로 모터와 공기 압축기에 전원을 공급했습니다.밸런스 시스템은 이전 모델에 사용된 마찰 휠이 아닌 공압 서보를 사용했습니다.

자이로스는 택시 안에 있었지만, 브레넌은 차량을 공공장소에 전시하기 전에 차량 바닥 아래에 다시 설치할 계획이었지만, 셰를의 기계의 공개로 그는 1909년 11월 10일로 첫 공개 데모를 진행할 수밖에 없었다.모노레일이 공개되기 전에 자이로의 위치를 변경할 시간이 부족했다.

브레넌 모노레일의 진정한 대중적 데뷔는 1910년 런던 화이트 시티에서 열린 일영 전시회였다.이 모노레일 차량은 시속 32km로 원형 선로를 한 번에 50명의 승객을 태웠다.승객 중에는 상당한 열정을 보인 윈스턴 처칠도 있었다.어린이 시계장치 모노레일 장난감이 영국과 독일에서 ^[5][6]생산될 정도로 관심이 많았다.모노레일은 실현 가능한 교통수단임에도 불구하고 추가 투자를 유치하는 데 실패했다.제작된 두 대의 차량 중 하나는 폐차되었고, 다른 하나는 1930년까지 공원 대피소로 사용되었다.

셰를의 차

브레넌이 차량 테스트를 마치자 독일 출판사이자 자선사업가인 아우구스트 셰를은 독일에서 개발한 자이로 모노레일의 공개 시연을 발표했다.이 시위는 1909년 11월 10일 수요일 베를린 동물원에서 열릴 예정이었다.

역시 풀사이즈 차량인 쉐를의 ^[7]기계는 길이가 17피트(5.2m)에 불과한 브레넌의 것보다 다소 작았다.그것은 한 쌍의 가로 벤치 좌석에 네 명의 승객을 수용할 수 있다.자이로들은 좌석 아래에 위치해 있고 수직 축을 가지고 있는 반면, 브레넌은 수평 축 자이로스를 사용했습니다.서보메카니컬은 유압식이고 추진은 전기식이다.엄밀히 말하면 August Scherl은 재정적인 지원을 제공했을 뿐이다.올바른 기구는 폴 프뢰리히에 의해 발명되었고, 자동차는 에밀 팔케에 의해 설계되었다.

공개 시연에서 좋은 평가를 받고 완벽한 성능을 보였지만, 이 차는 상당한 재정적 지원을 받지 못했고, Scherl은 이 차에 대한 투자를 탕감했다.

실로프스키의 작품

브레넌과 셰를이 필요한 투자를 유치하지 못한 후, 1910년 이후 자이로 모노레일의 실질적인 발전은 런던에 거주하는 러시아 귀족인 표트르 ^[8]실로프스키의 작업으로 이어졌다.그의 균형 시스템은 브레넌과 셰를의 원리와 약간 다른 원리에 기초했고, 더 작고 더 느리게 회전하는 자이로스코프를 사용할 수 있게 했다.1911년에 자이로 모노레일 모형을 개발한 후, 그는 1913년에 Wolseley Motors Limited에 의해 만들어지고 런던의 거리에서 테스트된 자이로카를 설계했다.브레넌과 셰를이 선호하는 역회전 쌍이 아닌 단일 자이로를 사용했기 때문에 동작에 비대칭성을 보였고 급격한 좌회전 시 불안정해졌다.그것은 관심을 끌었지만 심각한 자금은 없었다.

• 

  실로프스키 자이로카

제1차 세계 대전 후의 발전

1922년 소련 정부는 레닌그라드와 차르스코에 셀로 사이에 실로프스키 모노레일을 건설하기 시작했지만 프로젝트가 시작된 직후 자금이 바닥났다.

1929년, 74세의 나이에 브레넌은 자이로카를 개발했다.오스틴/모리스/로버 컨소시엄은 자신들이 만든 모든 재래식 자동차를 판매할 수 있다는 이유로 이 제안을 거절했습니다.

동작 원리

기본 아이디어

차량은 하나의 재래식 레일 위를 주행하기 때문에 밸런스 시스템이 없으면 전복될 수 있습니다.

회전축(세차축)이 스핀축에 수직인 짐벌 프레임에 방적륜을 장착한다.어셈블리는 평형 상태에서 스핀 축, 세차 축 및 차량 롤 축이 서로 수직이 되도록 차량 섀시에 장착됩니다.

짐벌의 회전을 강제하면 휠이 세차되어 롤 축 주위에 자이로스코프 토크가 발생하므로, 이 메커니즘은 수직에서 틸트할 때 차량을 오른쪽으로 쏠 수 있습니다.휠은 스핀 축을 회전 축(짐벌 축)과 정렬하는 경향을 보이며, 이 동작으로 인해 차량 전체가 롤 축을 중심으로 회전합니다.

이상적으로는 짐벌에 제어 토크를 적용하는 메커니즘이 수동적이어야 하지만(스프링, 댐퍼 및 레버의 배열) 문제의 근본적인 특성은 이것이 불가능함을 나타냅니다.평형 위치는 차량이 직립한 상태로 유지되므로, 이 위치에서 발생하는 모든 교란이 무게중심의 높이를 감소시켜 시스템의 잠재적 에너지를 낮춥니다.차량을 평형으로 되돌리는 것은 무엇이든 이 잠재적 에너지를 복구할 수 있어야 하며, 따라서 수동적 요소만으로 구성될 수 없습니다.시스템에는 어떤 종류의 액티브 서보가 포함되어 있어야 합니다.

측면 하중

만약 일정한 측면 힘이 자이로스코프 작용만으로 저항한다면 짐벌은 빠르게 정지 위치로 회전할 것이고 차량은 전복될 것이다.실제로 이 메커니즘은 차량이 변형되지 않은 위치에 자이로가 근접한 상태에서 중량 구성 요소로 차량을 방해물로 기울게 합니다.

코너링 시 발생하는 관성 측면 힘이 차량을 코너로 기울이게 합니다.단일 자이로로 인해 차량이 너무 기울어지거나 순력이 대칭 평면에 남아 있을 만큼 충분히 멀지 않은 비대칭성이 발생하므로 측면 힘이 여전히 탑승하게 됩니다.

차량이 코너링에서 올바르게 뱅킹되도록 하려면 차량 회전 속도에서 발생하는 자이로스코프 토크를 제거해야 합니다.

자유자이로가 관성공간에 대한 방향을 유지하고 스핀축에 수직인 축을 중심으로 회전함으로써 자이로모멘트를 발생시킨다.그러나 제어 시스템은 자이로를 고정별이 아닌 섀시에 대해 편향시킵니다.따라서 관성 공간에 대한 차량의 피치 및 요 모션으로 인해 원치 않는 자이로스코프 토크가 추가로 발생합니다.이는 만족스럽지 못한 평형을 가져오지만, 더 심각한 것은 한 방향으로 회전할 때 정적 안정성의 손실과 반대 방향으로 정적 안정성의 증가를 야기합니다.Shilovsky는 그의 도로 차량에서 이 문제에 부딪혔고, 결과적으로 급격한 좌회전을 할 수 없었다.

Brennan과 Scherl은 이 문제를 인식하고 반대 방향으로 세차하는 역회전 자이로 쌍으로 균형 시스템을 구현했습니다.이 배치에서는 관성 공간에 대한 차량의 모든 움직임이 2개의 자이로에 대해 동일하고 반대되는 토크를 발생시켜 결과적으로 상쇄된다.이중 자이로 시스템을 사용하면 커브길의 불안정성이 제거되고 차량이 올바른 각도로 뱅킹되므로 탑승 시 순 측면 힘이 발생하지 않습니다.

Shilovsky는 이중 자이로 시스템의 안정성을 확보하는 데 어려움을 겪었지만, 그 이유는 명확하지 않다고 주장했다.그의 해결책은 회전 속도에 따라 제어 루프 매개변수를 변경하여 어느 방향으로든 유사한 반응을 유지하는 것이었습니다.

마찬가지로 오프셋 하중은 무게 중심이 지지점 위에 놓일 때까지 차량을 기울이게 합니다.옆바람은 차량이 그 안으로 기울어지게 하고, 중량의 구성 요소로 저항하게 합니다.이러한 접촉력은 선회력보다 더 큰 불편을 야기할 수 있습니다. 왜냐하면 선회력은 탑승 시 순 측면 힘을 경험하게 되기 때문입니다.

접촉측의 힘에 의해 Shilovsky 루프에서 짐벌 편향 바이어스가 발생합니다.이는 느린 루프의 입력으로 사용되어 무게 중심을 가로로 이동시켜 차량이 지속적인 비관성 힘이 존재하는 경우 직립 상태를 유지할 수 있습니다.자이로와 횡방향 CG 시프트의 조합은 1962년 특허의 대상입니다.자이로/가로 페이로드 시프트를 사용하는 차량은 Ernest F에 의해 제작되었다.스위니, 해리 페레이라, 루이 E.1962년 미국에서 스위니.이 시스템은 자이로-다이나믹스 모노레일이라고 불립니다.

2 레일 차량에 비해 잠재적인 이점

이 글은 검증을 위해 추가 인용문이 필요합니다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 기사를 개선하는 데 도움을 주십시오. 조달되지 않은 자재는 제거될 수 있습니다.출처 : '자이로 모노레일'– 뉴스 · 신문 · 서적 · 학자 · JSTOR (2008년 2월) (이 템플릿 메시지 삭제 방법 및 삭제 시기 확인)

Shilovsky는 다음과 같은 다양한 혜택을 제공했습니다.

• 이론상으로는 경사가 더 가파르고 모서리가 더 날카로워지기 때문에 선로상의 문제가 감소합니다.

Shilovsky는 그의 저서에서 모노레일로 가능하지만 기존 철도 차량의 방향 안정성을 뒤엎을 수 있는 선로 브레이크의 형태를 묘사하고 있습니다.이는 철골 위의 기존 바퀴에 비해 훨씬 짧은 정지 거리를 가질 수 있으며, 그에 따라 열차 간의 안전 분리 거리를 줄일 수 있습니다.그

• Shilovsky는 자신의 디자인이 실제로 동급 듀오 레일 차량보다 가볍다고 주장했다.Brennan에 따르면 자이로 질량은 차량 중량의 3~5%를 차지하는데, 이는 단일 트랙 설계를 사용하여 절약된 대차 중량과 맞먹습니다.

코너링

수평 곡선을 협상하는 차량을 고려할 때 자이로 축이 수직일 경우 가장 심각한 문제가 발생한다.롤 방정식에 $추가적$인 자이로스코프 모멘트가$도입$되도록 짐벌 피벗에$$ 작용하는 회전 속도$$δ(\$displaystyle$ \Omega$)$ 성분이 있습니다.

${\displaystyle A{\frac {d^{2}\phi}{dt^{2}}+H({\frac {d\theta}{dt}}+\Omega \phi}=Wh\phi})$

이로 인해 회전 시 올바른 뱅크 각도에서 롤이 변위되지만, 보다 심각한 것은 특성 방정식의 상수 항이 다음과 같이 변경됩니다.

${\displaystyle\frac{(Wh-H\Omega)k}{AJ}}$

회전율이 임계치를 초과하는 경우:

$\displaystyle \Omega = frac {Wh}{H}}}$

밸런싱 루프가 불안정해집니다.그러나 같은 자이로가 반대방향으로 회전하면 불안정성의 원인이 되는 롤 토크가 취소되고, 첫 번째 자이로와 반대방향으로 세차하면 동일한 방향의 제어 토크가 생성됩니다.

1972년, 캐나다 정부의 기계 공학 부서는 주로 이 문제를 근거로 모노레일 제안을 거부했습니다.그들의 분석은 정확했지만 범위가 단일 수직축 자이로 시스템으로 제한되었고 보편적이지 않았다.

최대 회전 속도

가스터빈 엔진은 초당 400m(1,300ft/s)^[10]의 고속으로 설계되었으며, 지난 50년 동안 수천 대의 항공기에서 안정적으로 작동했습니다.따라서 제트 엔진 설계에 사용되는 주변 속도의 절반을 가정할 때 CG 높이가 2m(6피트 7인치)인^{[clarification needed]} 10톤(9.8톤, 11단톤)의 자이로 질량을 추정하면 140kg(310lb)에 불과합니다.따라서 차량 질량의 3~5%에 대한 브레넌의 권고는 매우 보수적이었다.

「 」를 참조해 주세요.

• 유착 철도
• 자전거 및 오토바이 다이내믹스
• 자이로카
• 세그먼트웨이 HT
• 라이트 모터스

레퍼런스

참고 문헌

• Schilovsky, Petr Petrovich (1922). The Gyroscope, Its construction and Practical Application. E Spon Publications.
• Cousins, H (1913). "The Stability of Gyroscopic Single Track Vehicles". Engineering 2: 678–681.
• Graham, R (February 1973). "Brennan, His Helicopter and other Inventions". Aeronautical Journal. 77 (746): 74–82.
• Mee, A (1912). "Harmsworth". Popular Science. 3: 1680–1693.
• Eddy, H.T. (1910). "The Mechanical Principles of Brennan's Mono-Rail Car". Journal of the Franklin Institute. 169 (6): 467–485. doi:10.1016/s0016-0032(10)90004-5.
• Tomlinson, N (1980). Louis Brennan, Inventor Extraordinaire. John Hallewell Publications. ISBN 0-905540-18-2.
• "The Scherl Gyroscopic Monorail Car". Scientific American. January 22, 1910.
• "The Brennan Mono-Track Vehicle". The Commercial Motor. November 18, 1909.
• "The Schilowski Gyroscopic Monorail System". The Engineer. January 23, 1913.
• Hamill, P.A. (December 1972). et al. "Comments on a Gyro-Stabilised Monorail Proposal". LTR-Cs-77. Canada: Control Systems Laboratory.
• "Monorail Vehicles". Engineering: 794. June 14, 1907.
• Rogers, G.F.C.; Mayhew, Y.R. (1972). Engineering Thermodynamics, Work and Heat Transfer (third ed.). Longman. p. 433.

외부 링크

위키미디어 커먼스의 자이로 모노레일 관련 매체

• Swinney 모노레일의 모노레일 협회 특집
• 자이로스코프 철도