Автомобили, движущиеся по рельсам

 

Среди многочисленных проектов, которые призваны решить проблему перегруженности транспортных сетей мегаполисов, всё чаще встречаются предложения направить городской транспорт, в том числе и автомобили, по рельсам.

Один из самых смелых проектов представила датская компания RUF International. Предлагаемая датчанами транспортная система представляет собой сеть монорельсовых дорог, по которым движется общественный и личный электротранспорт.

Небольшие участки пути транспорт преодолевает по обычным дорогам, после чего въезжает на рельсы и объединяется в своеобразные поезда.

Конструкция автомобиля, движущегося по рельсам представлена на рис. 3.1

 

Рисунок 3.1. Конструкция автомобиля, движущегося по рельсам

Вставшим на рельсы транспортом не нужно управлять — водитель задаёт программу и может спать, читать, выходить в Интернет или смотреть телевизор — информация передаётся некоему "главному диспетчеру" и автоматическая система всё сделает сама, руководствуясь показаниями установленных повсюду, в том числе и под землёй, датчиков.

В случае необходимости, водитель сможет снова взять управление на себя. Подразумевается, что скорость езды по рельсам будет 120 км/час.

Согласно проекту RUF International, сеть дорог будет состоять из 25-километровых рельсовых участков со специальными "переходами" через каждые пять километров, чтобы одни водители могли присоединиться к "поезду", а другие свернуть или съехать с рельсов (рис.3.2-3.3). Максимальная скорость между "переходами" (150 км/час) при приближении к развязкам автоматически снижается до 30 км/час.

 

Рисунок 3.2. Переход на кольцевую линию

Рисунок 3.3. Переход с рельсов в дорожное полотно

Участки пути без рельсов также автоматизированы: установленные под землёй датчики образуют своеобразный фарватер, так что водитель может совсем не управлять своим авто.

Энергия для электромобилей подаётся непосредственно по монорельсу — это и обеспечивает электропитание во время движения в "поезде", и заряжает аккумуляторы для непродолжительной езды по обычным дорогам.

По прибытии к месту назначения водитель выходит из машины и отправляется по своим делам — автоматика сама отправит автомобиль на ближайшую стоянку, откуда хозяин может вызвать его для продолжения пути.

Есть и другой вариант — безо всяких стоянок, когда каждый может использовать первый попавшийся автомобиль. В качестве защиты от вандализма разработчики предлагают следующую схему: при входе в машину водитель "предъявляет" некую карту, удостоверяющую личность, которую машина идентифицирует.

Машина "запоминает" того, кто последним ездил на ней, а новый водитель должен будет при входе в авто оценить его состояние. Только в случае "приёмки" машины новый водитель идентифицируется и на некоторое время становится её владельцем.

Машины для транспортной системы RAF могут быть любыми — "легковушка", грузовик, автобус — но для езды по рельсам у всех у них должен быть V-образный канал, проходящий по днищу кузова машины (рис. 3.4).

 

Рисунок 3.4. Конструкция рельсов

"Прорезь" проходит посередине и внутри делит салон на две части. Разработчики предлагают использовать "бугор" в качестве подлокотника или "места для ребёнка".

Монорельсовая система предназначена для крупных городов, но авторы проекта не забыли и о жителях пригородной зоны: предусмотрен гибридный транспорт с электрическим и топливным двигателями. Например, общественный пригородный транспорт, названный Maxi-RUF, — это автобус, который может перевозить десять пассажиров, не считая водителя.

Компания работает над своей концепцией с 1988 года. У RUF International 16 спонсоров, в числе которых нет ни одного автопроизводителя, но есть датский филиал Siemens и датские же министерства энергетики и окружающей среды.

Над аналогичным, но куда более реалистичным проектом работают англичане. Монорельсовый проект под названием ULTra (Urban Light Transport) компании Advanced Transport Systems впервые будет реализован в 2004 году. А в январе 2002 года запустили экспериментальную ветвь неподалёку от Бристоля в городе Кардифф (рис.3.5). Если результаты тестов будут признаны удовлетворительными, сети ULTra построят сначала в Кардиффе, а потом и в других городах Великобритании.

 

Рисунок 3.5. Фото экспериментальной ветви в Кардиффе

ULTra — это одна из форм персонального скоростного транспорта (Personal Rapid Transit — PRT). По сути, это монорельсовая дорога, по которой движутся небольшие полностью автоматизированные вагонетки — наземное метро, только без машинистов и, собственно, поездов.

Похожие на капсулы небольшие вагонетки, рассчитанные на несколько человек, будут двигаться по монорельсу со скоростью 25 км/час.

Проект ULTra, который ещё называют "такси без водителя" (driverless taxi), Advanced Transport Systems разрабатывала совместно со специалистами из Бристольского университета.

Первая построенная в Кардиффе испытательная "ветка", по которой будет двигаться 30 "капсул", будет протяжённостью 1,5 км. В развитой сети количество вагонеток увеличится до 120. Движение каждой "капсулы" будет контролироваться центральной системой посредством всевозможных датчиков.

Посадка-высадка пассажиров будет осуществляться на специальных станциях. Нужно отметить, что "капсулы" не останавливаются на главной трассе, а подъезжают к станциям по отдельным путям.

При входе пассажир должен будет вставить в "приёмник" смарт-карту, на которой и будет обозначен маршрут его поездки. Возможно, посредством этой карты будет производиться и оплата за проезд (тариф такой же, как и за проезд в автобусе).

Разработчики утверждают, что, во-первых, их электротранспорт не загрязняет окружающую среду, во-вторых — он лёгкий (вес вагонетки 800 кг), в-третьих, им удалось "минимизировать визуальное вторжение" в архитектурный облик городов и окружающую среду, и, наконец, ULTra — безопасный транспорт.

Действительно, при скорости 25 км/час (а вблизи остановок 5 км/час) мало что может случиться. Тем не менее, каждая вагонетка оборудована специальной "системой обнаружения", которая автоматически остановит "капсулу", если впереди препятствие.

Поломка (вероятность любой из них, по мнению создателей, крайне мала) одной из вагонеток не блокирует всю транспортную систему, а встроенная "система контроля" передаст сигнал в "Центр".

Система предназначена исключительно для городов и, по признанию разработчиков, не заменит автобусы и автомобили, а станет лишь дополнением к существующим видам общественного транспорта.

 

Монокар

 

В современном мире существуют два основных типа транспортных средств.

АВТОМОБИЛИ имеют более высокий комфорт, безопасность, грузоподъемность и т.д., но нельзя не отметить и тот факт, что существующая концепция четырехколесного транспортного средства (автомобиля) не менялась со времен появления телеги и уже не удовлетворяет современным требованиям по маневренности, экономичности, уровню выбросов в окружающую среду и т.п.

МОТОЦИКЛЫ отличаются предельной простотой и надежностью конструкции. Это рама с седлом, двигатель и колеса, переднее из которых - поворотное. Они обладают высокой маневренностью и проходимостью, но практически не защищают водителя от погодных условий, не обеспечивают его безопасность, поэтому почти вытеснены автомобилями.

Но существует концепция, которая объединяет преимущества мотоциклов и автомобилей. Это машина с кузовом автомобиля и двухколесной конструкцией ходовой части. Такая машина (монокар) может обладать комфортом, грузоподъемностью и безопасностью автомобиля и маневренностью, экономичностью и проходимостью мотоцикла.

Устойчивость мотоцикла зависит от равновесия действующих на него сил. Мотоцикл может быть устойчивым только при совпадении точки опоры и равнодействующих сил. При прямолинейном движении такая сила одна. Это сила тяжести, приложенная к центру масс и направленная вертикально вниз. Отклонений от точки опоры она не имеет, следовательно, нет и опрокидывающей силы.

При движении по окружности на машину действует еще и центробежная сила, направленная наружу и создающая опрокидывающий момент. Для удержания машины в равновесии равнодействующая этих сил должна проходить через точку опоры. В мотоциклах баланс достигается либо отклонением водителя в сторону, противоположную опрокидывающему моменту, либо поворотом руля в сторону наклона машины. То есть либо центр тяжести отклоняется до совпадения с точкой опоры, либо точка опоры отклоняется к центру тяжести. При этом равновесие должно поддерживаться с высокой точностью, в противном случае неизбежно опрокидывание мотоцикла в сторону наибольшей действующей силы. Следовательно, устойчивость мотоцикла при движении по окружности зависит от:

1. Скорости движения мотоцикла

2.  Радиуса поворота

3.  Угла наклона мотоцикла

4.  Смещения вылета переднего колеса

Предельный угол наклона машины зависит от конструкции и формы кузова машины. Существует зависимость скорости движения и безопасного радиуса поворота.

V² = g * R* ctg a,

где V - скорость движения мотоцикла, м/сек,

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/сек²,

R - радиус поворота мотоцикла, м,

ctg a - котангенс угла наклона.

При выполнении этих условий переднее колесо нужно поворачивать к центру вращения.

Если требуется пройти поворот с большей скоростью, то мотоцикл должен наклоняться на больший угол при вхождении в поворот и переднее колесо мотоцикла должно быть повернуто в сторону, противоположную повороту. Это делается для большего смещения точки опоры мотоцикла к центру тяжести. Если для сохранения равновесия этого недостаточно, то водитель отклоняет тело от центра вращения до совпадения равнодействующих сил и точки опоры. Для одноколейного транспортного средства подобные маневры могут быть невозможны из-за более широкого кузова.

 

 

Ошибочно считают, что при этом на мотоцикл оказывает влияние гироскопический момент колес. Влияние его незначительно, так как при массе покрышки и обода 3кг, скорости вращения 833 об/мин и скорости поворота руля 0,2 об/мин гироскопический момент колеса равен: 0,35кг. В то же время отклонение центра тяжести или точки опоры мотоцикла на 10 см при высоте центра тяжести 100 см и массе мотоцикла и водителя 140 кг создает отклоняющую силу в 14 кг.

Таким образом, при повороте дополнительное отклонение центра тяжести от точки опоры в килограммах должно быть равно восстанавливающей силе гироскопического момента маховика в килограммах.

Наверное, каждый видел, как на мотогонках мотоциклист, не вписавшись в поворот, скользит по земле в сторону заноса, а следом кувыркается его мотоцикл. Это может произойти с каждой двухколесной машиной. Отличительной особенностью любой двухколесной машины является то, что на виражах она может наклоняться к центру поворота. Это позволяет проходить повороты без заносов с большим ускорением. Но только до тех пор, пока центробежная сила не превысит силу трения. И тогда вылет на обочину неизбежен.

Для двухколесных машин существует определенная зависимость предельного угла наклона от радиуса поворота. Угол наклона монокара зависит от особенностей конструкции, например, ограничен размерами кузова (35 градусов). Если вывернуть руль слишком круто, то монокар ляжет на бок и будет скользить на нем по дороге в сторону заноса. Кувыркатся подобно мотоциклу монокар не сможет из-за маховика. У него слишком большой гироскопический момент сил. Скорее всего, он будет поворачиватся вокруг точки контакта, да и то вряд ли. Водитель и пассажир, разумеется, останутся внутри. Ощущения у них, наверное, будут не из приятных, но каких-либо повреждений или травм им удастся избежать. Их даже внутри кузова болтать не будет, поскольку вектор центробежной силы только вдавит их в кресло.

На выступающей части кузова слева и справа можно установить небольшую площадку - опору. Тогда в случае крутого разворота монокар ляжет не на кузов, а на опору. Это позволит в прямом и переносном смысле слове сделать КРУТОЙ разворот.

Для сохранения равновесия одноколейных транспортных средств можно использовать маховик, который также используется и для рекуперации энергии при разгонах и торможениях. Задача маховика заключается в компенсации возникающих возможных отклонений. Восстанавливающая сила маховика зависит от скорости его вращения. При снижении скорости вращения маховика с горизонтальной осью вращения он начинает отклоняться от вертикали на угол, определяемый равнодействующей силы тяжести и восстанавливающего гироскопического момента.

На остановке гироскопический момент маховика будет максимальным, удерживая машину в вертикальном положении, а при увеличении скорости он будет постепенно снижаться, позволяя наклонять машину для совершения поворотов, так как энергия маховика должна расходоваться на движение машины.

В некоторых конструкциях ось вращения маховика была горизонтальна и маховик вращался в ту же сторону, что и колеса. Наклон такого маховика влево вызывает дополнительный поворот машины влево. Это может облегчить вхождение в поворот, но может служить и дестабилизирующим фактором.

Из этого следует вывод: если направление вращения маховика с горизонтальной осью вращения совпадает с направлением вращения колес, то такая машина более маневренна, но менее устойчива. И, соответственно, наоборот.

Если ось вращения маховика вертикальна, то ее следует отклонять вперед-назад. Но при вертикальной оси гироскопический эффект может вносить дополнительный занос в поворот (подобно винту одноосного вертолета), и понадобиться ставить второй маховик с противоположным направлением вращения. Кроме того, маховик с вертикальной осью обладает дестабилизирующим фактором. При движении в гору или под гору на машину будет дополнительно влиять гироскопический момент, отклоняющий машину вправо или влево. Для компенсации такого эффекта потребуется компенсирующее отклонение руля или установка дополнительного маховика с противоположным направлением вращения.

На гирокаре П.П. Шиловского маховик крепился на раме, позволяющей отклонять его ось, восстанавливая тем самым равновесие машины. Рама отклонялась по сигналу датчиков крена. Можно вместо рамы дополнительно поворачивать или наклонять переднее колесо до совпадения точки опоры с центром тяжести. Поворачивать колесо можно также по сигналу датчика крена.

Но если удастся найти точную зависимость между влияющими на машину силами, то можно будет обойтись и без датчиков крена и т.д.

Зависимости:

· отклонение от точки опоры зависит от угла поворота переднего колеса

· угол поворота переднего колеса зависит от радиуса поворота машины

· радиус поворота зависит от скорости движения машины

· скорость вращения маховика зависит от скорости движения машины

· восстанавливающая сила маховика зависит от скорости его вращения

· от направления вращения маховика с горизонтальной осью зависит устойчивость и маневренность машины

· от предельной скорости движения зависит мощность двигателя

Применение маховика на автомобиле имеет следующие преимущества:

· снижение расхода топлива вдвое за счет рекуперации (возврата) энергии

· уменьшение требуемой мощности двигателя до 40 %

· возможность работы двигателя в точке оптимального режима

· устранение различных систем пуска двигателя и режима холостого хода

· более эффективное (безюзовое) торможение

Удельный расход топлива минимален при работе двигателя примерно на 80 % мощности и раза в 3-4 выше при 10 % процентах. Однако именно эти 10 % процентов и требуются при городском движении большую часть времени. В городском режиме движения также большая часть энергии расходуется при часто чередующихся разгонах и торможениях. Для снижения таких расходов наиболее реально применение гибридных двигателей, представляющих собой маховик в сочетании с двигателем внутреннего сгорания или электромотором.

Двигатель, работая на режиме максимальной экономичности, "закачивает" в него энергию, поддерживая частоту вращения в определенном диапазоне. Энергия, необходимая для движения автомобиля, отбирается через бесступенчатую передачу. В случае торможения кинетическая энергия автомобиля переходит обратно в маховик.

Монокар позволяет уменьшить потери энергии за счет таких решений:

Масса машины. Для снижения массы можно значительно упростить и облегчить конструкцию, удалив некоторые узлы и агрегаты. На монокаре могут не потребоваться двигатель большой мощности (и массы), КПП, радиатор, стартер, генератор, подвеска двух колес, трансмиссия и многое другое. монокар можно сделать приблизительно раза в два легче обычной машины.

Аэродинамическое сопротивление. Создание кузова более обтекаемой формы. Современный автомобиль имеет коэффициент аэродинамического сопротивления C_x=0,4. Если попробовать сделать трехместный кузов в виде капли и разместить двух человек в широкой части и одного сзади в узкой, то можно получить коэфффициент C_x=0,2 или даже меньше. Но подобную форму можно применить только на двухколесной машине, поскольку четыре колеса все равно потребуют прямоугольной формы со всеми вытекающими последствиями.

У большинства современных автомобилей он составляет 0,4. У монокара, благодаря более обтекаемой конструкции двухколесного кузова, он может быть равен 0,2 или даже меньше.

Зависимость мощности от скорости представлена на рис. 4.1.

 

Рисунок 4.1. Зависимость мощности от скорости

F = C _х * S_m * P * V²

где F - сила сопротивления среды, H

C_x - коэффициент аэродинамического сопротивления,

S_m - мидель, м²

P - плотность среды,

V - скорость, м/с

Что составляет 0.2 * 1.22 * 1.2 * 767 = 224 Н при 100 км/час

Для пробега в 100 км потребуется 224 * 100.000 = 22.400.000 Дж, что составляет мощность в 6.2 кВт. (8,4 л.с) при 100 км/час или 3,2 кВт при скорости 72 км/час или 833 Вт при 36 км/час

КПД двигателя. Желательно отказаться от двигателя внутреннего сгорания с КПД 18-20% и применять электродвигатель (КПД 90%). Существенно снизить требуемую мощность двигателя может применение маховика.

Рекуперация энергии. Применение маховика для рекуперации (накопления) энергии торможения с последующей отдачей при разгоне. Если в обычных машинах эта энергия расходуется только на нагрев тормозных колодок, то с применением маховика удается значительно (почти в 2 раза) снизить расход топлива по сравнению с движением в городском режиме.

Сопротивление дороги. Двухколесному монокару потребуется значительно меньше энергии на преодоление сопротивления дороги.

4000H * 0,02 = 80 H

Для пробега в 100 км потребуется 80 * 100.000 = 8.000.000 Дж, что составляет мощность 2.2 кВт/час. (3 л.с.)

Конструкция машины представлена на рис.4.2.

 

Рисунок 4.2. Конструкция монокара

В центре машины между сиденьями водителя и пассажира размещен маховик. Над маховиком - ручка управления типа "джойстик". Непосредственно перед маховиком - узел крепления передней подвески. Сиденье заднего пассажира размещено точно по центру между передними сиденьями. За задним сиденьем небольшой багажник. Под багажником -подвеска заднего колеса.

Кузов представляет собой конструкцию из металлического каркаса и навесных элементов облицовки. Продольно в центре машины находится силовая рама с маховиком и подвесками колес. Кузов двухдверный, с вертикальным открыванием дверей относительно середины лобового стекла. Машина имеет 2 небольших багажника по бокам колесной ниши переднего колеса. Над колесной нишей заднего колеса багажников нет в целях улучшения аэродинамики кузова.

Решением многих проблем монокара будет применение так называемых мотор-колес. Причем технологически оправдано применение трех однотипных мотор-колес. Двух непосредственно в колесах и одного в качестве маховика. Они будут отличаться только максимальной скоростью вращения и массой ротора. Для маховика масса ротора должна быть не менее 20 кг.

Таким образом, вся кинематика машины будет состоять только из двух колес, маховика и электронного блока управления. Блок управления нужен для передачи энергии с маховика на колеса и обратно.

Японскими фирмами сконструированы легкие бесколлекторные электродвигатели постоянного тока на редкоземельных магнитах с максимальным КПД до 98% и высокоэффективные микропроцессорные системы управления. Эти низкооборотные двигатели встроены непосредственно в ступицы ведущих колес. Это дало возможность отказаться от механической трансмиссии и благодаря этому довести общий КПД привода до 96-97%. Серийно производятся мотор-колеса мощностью 200-250 Вт для легких электротранспортных средств - например, для электровелосипедов, которые уже появляются на дорогах мира.