Содержание
Введение3
1. Электромобиль4
2. Легкие электротранспортные средства12
3. Автомобиль, движущийся по рельсам17
4. Монокар20
5. Беспилотные самолеты27
6. Гелиотранспорт32
7. Монорельсовые дороги36
8. Моторвагонные поезда38
9. Комбинированные системы общественного рельсового транспорта43
10. Скоростной пассажирский трубопровод47
11. Индивидуальные летательные аппараты49
Заключение52
Литература53
Введение
Во все времена и у всех народов транспорт играл важную роль. На современном этапе значение его неизмеримо выросло. Сегодня существование любого государства немыслимо без мощного транспорта.
В ХХ в. и в особенности во второй его половине произошли гигантские преобразования во всех частях света и областях человеческой деятельности. Рост населения, увеличение потребления материальных ресурсов, урбанизация, научно-техническая революция, а также естественно-географические, экономические, политические, социальные и другие фундаментальные факторы привели к тому, что транспорт мира получил невиданное развитие как в масштабном (количественном), так и в качественном отношениях. Наряду с ростом протяженности сети путей сообщения традиционные виды транспорта подверглись коренной реконструкции: значительно увеличился парк подвижного состава, во много раз поднялась его провозная способность, повысилась скорость движения. В то же время на первый план вышли транспортные проблемы. Эти проблемы по преимуществу относятся к городам и обусловлены чрезмерным развитие автомобилестроения. Гипертрофированный автомобильный парк крупных городов Европы, Азии и Америки вызывает постоянные пробки на улицах и лишает себя преимуществ быстрого и маневренного транспорта. Он же серьезно ухудшает экологическую обстановку.
Транспорт как особо динамичная система всегда был одним из первых потребителей достижений и открытий самых различных наук, включая фундаментальные. Более того, во многих случаях он выступал прямым заказчиком перед большой наукой и стимулировал ее собственное развитие. Трудно назвать область исследований, не имевшую отношения к транспорту. Особенное значение для его прогресса имели фундаментальные исследования в области таких наук, как математика, физика, механика, термодинамика, гидродинамика, оптика, химия, геология, астрономия, гидрология, биология и другие. В неменьшей степени транспорт нуждался и нуждается в результатах прикладных исследований, проводимых в области металлургии, машиностроения, электромеханики, строительной механики, телемеханики, автоматики, а в последнее время электроники и космонавтики. В свою очередь некоторые открытия и достижения, полученные в рамках собственно транспортных наук, обогащают другие науки и широко используются во многих нетранспортных сферах народного хозяйства.
Дальнейший прогресс транспорта требует использования последних, постоянно обновляемых результатов науки и передовой техники и технологии. Необходимость освоения возрастающих грузовых и пассажирских потоков, усложнение условий для сооружения транспортных линий в необжитых, трудных по топографии районах и крупных городах. Стремления повысить скорость сообщений и частоту отправления транспортных единиц, необходимость улучшения комфорта и снижения себестоимости перевозок все это требует совершенствования не только существующих транспортных средств, но и поиска новых, которые могли бы более полно удовлетворить поставленным требованиям, чем традиционные виды транспорта. К настоящему моменту разработано и реализовано в виде постоянных или опытно-эксплуатационных установок несколько новых видов транспортных средств и значительно больше существует в виде проектов, патентов или просто идей.
Следует иметь в виду, что большинство так называемых новых видов транспорта в принципе предложены много лет назад, но они не получили применения и ныне повторно предлагаются или возрождаются на современной технической основе.
1.Электромобиль
Электромобиль - транспортное средство, ведущие колеса которого приводятся от электромотора, питаемого аккумуляторными батареями. Впервые появился он в Англии и во Франции в начале 80-х годов девятнадцатого века, то есть раньше автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Сконструированный И.В.Романовым в 1899 году кэб тоже был электрическим. Тяговый электродвигатель в таких машинах получал питание от батарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего 20 ватт-часов на килограмм. В общем, чтобы питать двигатель мощностью в 20 киловатт в течение часа, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Поэтому с изобретением двигателя внутреннего сгорания производство автомобилей стало стремительно набирать обороты, а об электромобилях забыли до возникновения серьезных экологических проблем. Во-первых, развитие парникового эффекта с последующим необратимым изменением климата и, во-вторых, снижение иммунитета многих людей вследствие нарушения основ генетической наследственности.
Данные проблемы были спровоцированы токсическими веществами, которые в достаточно больших количествах содержатся в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания. Решение проблем состоит в снижении уровня токсичности отработавших газов, особенно окиси и двуокиси углерода, притом что объем производства автомобилей нарастает.
Ученые, проведя ряд исследований, наметили несколько направлений решения перечисленных задач, одной из которых является производство электромобилей. Это, по сути, первая технология, официально получившая статус нулевого выброса, и она уже представлена на рынке.
Чем привлекателен электромобиль, наверно, представляет каждый. В первую очередь, он почти не дает выброса вредных веществ. Ядовитых газов, попадающих в атмосферу при зарядке и разрядке аккумуляторных батарей, несравненно меньше, чем при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Чтобы отапливать электромобили зимой, на них устанавливают автономные обогреватели, потребляющие бензин или дизельное топливо. Но они, понятно, не загрязняют атмосферу так сильно, как ДВС.
Второе преимущество - простота устройства. Электродвигатель обладает очень привлекательной для транспортных средств характеристикой: на малых скоростях вращения у него большой крутящий момент, что очень важно, когда нужно тронуться с места или преодолеть трудный участок дороги. ДВС же развивает максимальный крутящий момент при средних оборотах, поэтому, если требуется большое усилие на малых, его приходится
увеличивать с помощью коробки передач. Троллейбусы, например, в таком агрегате не нуждаются. Не требуется он и электромобилю, поэтому управлять им проще, чем автомобилем с механической коробкой передач.
Третье преимущество вытекает из второго. Электромобиль не требует столь тщательного ухода, как обычное авто: меньше регулировок, не потребляет много масла, проще система охлаждения, а топливная (если не считать отопитель) вообще отсутствует.
И все же электромобиль устроен не так просто, как может показаться: ему необходимы сложные преобразователи напряжения и много тяжелых и громоздких аккумуляторов, которые трудно разместить. Главный же недостаток, который сдерживает внедрение электромобилей, - малая энергоемкость батарей. Бак с бензином малолитражки весит около 50 кг, обеспечивая запас хода более полутысячи километров. Батареи весят обычно больше 100 кг (а то и несколько сотен), а пробег не превышает 100 км, причем при движении с небольшой скоростью.
Вопреки бытующему мнению о высокой экономичности аккумуляторных электромобилей, анализ показывает, что химическая энергия топлива, сжигаемого на электростанциях, используется для движения транспортного средства всего на 15% и менее. Это происходит из-за потерь энергии в линиях электропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах для аккумуляторов и самих аккумуляторах, электромашинах, как в тяговом, так и в генераторном режимах, а также в тормозах при невозможности рекуперации энергии. Для сравнения, дизельный двигатель на оптимальном режиме преобразует в механическую энергию около 40% химической энергии топлива. При большом распространении аккумуляторных электромобилей, а особенно с учетом сказанного, им просто не будет хватать электроэнергии, вырабатываемой электростанциями мира. Не следует забывать, что суммарная установочная мощность двигателей всех автомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира.
Проблемы снимаются при питании электромобилей от так называемых первичных источников электроэнергии, вырабатывающих энергию непосредственно из топлива. В первую очередь, такими источниками являются топливные элементы (ТЭ), потребляющие кислород и водород. Кислород можно забирать из воздуха, а водород, в принципе, можно запасать в сжатом или сжиженном виде, а также в так называемых гидридах. Но реальнее его получать из обычного автомобильного топлива прямо на электромобиле с помощью конвертора. Эффективность топливных элементов несколько снижается, но зато не меняется вся инфраструктура топливозаправочного хозяйства. КПД топливных элементов при этом все равно очень высок около 50%.
Однако электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных как на максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные для топливных элементов. Это, во-первых, невозможность рекуперации энергии при торможении, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть они не могут заряжаться электроэнергией, а во-вторых, низкая удельная мощность топливных элементов.
При огромной удельной энергии топливных элементов (порядка 400...600Втч/кг), удельная мощность при экономичном разряде не превышает 60Вт/кг. Это делает массу топливных элементов для реальных мощностей, необходимых автомобилям, очень большой. Например, для электромобиля с максимальной потребной мощностью 100кВт и электробуса с максимальной потребной мощностью 200кВт, это соответствует массам топливных элементов 1670 и 3330кг, соответственно. Если прибавить массы тяговых электродвигателей, примерно равные 150 и 400кг, соответственно, то получаются массы силовых агрегатов, совершенно неприемлемые для легкового электромобиля, и требующие пятитонного прицепа для электробуса.
Делаются попытки снижения массы топливных элементов с использованием в качестве промежуточных источников энергии конденсаторных накопителей энергии, обладающих высокой удельной мощностью. Однако, и этот путь недостаточно эффективен, так как лучшие современные конденсаторные накопители, доступные для автомобильной техники, имеют удельные энергетические показатели около 0,55Втч/кг и 0,8Втч/литр. В таком случае для накопления всего 2кВтч энергии (это значение рекомендовано специалистами как для электромобилей, так и для электробусов), потребуется около 3000кг или 2,5м3 конденсаторов, что нереально. Меньшие значения запасаемой энергии существенно снижают динамические качества машины. Кроме того, при коротком замыкании мощные конденсаторы могут загореться, что очень нежелательно для транспорта. Гораздо эффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергии супермаховика, соединенного с обратимой электромашиной.
Супермаховик маховик, изготовленный навивкой из волокон или лент на упругий центр. Удельная энергия супермаховика на порядок больше значений данного параметра для лучших монолитных маховиков, к тому же он обладает свойством безопасного разрыва, не дающего осколков.
Такие схемы осуществлены в новейших опытных образцах гибридных электромобилей фирм Mechanical Technology Inc.(США), EDO Energy (США), и известной Ливерморской национальной лаборатории (LLNL, США). Удельная энергия супермаховиков из кевлара и графита, достигающая сотен Втч/кг, снижает его необходимую массу до нескольких килограммов (при удельной энергии 200Втч/кг, для накопления 2кВтч потребуется супермаховик массой всего 10кг). Однако электромашина накопителя, необходимая здесь помимо тягового двигателя, и рассчитанная на максимальную мощность и поэтому весьма тяжелая, снижает эффективность этой схемы. К тому же она, как и тяговый двигатель должна быть обратимой (и мотором, и генератором), что дополнительно усложняет привод.
Оригинальную схему гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом предложила, изготовила и испытала фирма "BMW" (Германия). Несомненным преимуществом данного технического решения является наличие только одной электромашины, что снижает массу и приближает его к автомобильным схемам (рис.1.1). Тип маховика фирма "BMW" в отчете не уточняет, поэтому используемый накопитель условно назван просто маховичным.
Рисунок 1.1. Схема гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и электромеханическим приводом фирмы "BMW" (Германия):1 источник тока; 2 система управления; 3 обратимая электромашина; 4 дифференциальный механизм; 5 мультипликатор; 6 маховичный накопитель; 7 главная передача
Источник тока 1 через преобразователи и систему управления 2 связан с обратимой электромашиной 3, рассчитанной на максимальную мощность электромобиля. Электромашина 3 через сложный дифференциальный механизм 4 с мультипликатором 5 связана с маховиком 6 накопителя и главной передачей 7. В результате масса источника тока 1, например, топливного элемента, может быть выбрана исходя из удельной энергии, а не удельной мощности,
что снижает ее для электромобиля и электробуса с пробегом, соответственно, 400 и 600км до 100...150 и 700...1000кг. Это вполне приемлемо для данных транспортных средств.
Однако непременным недостатком всех схем с электроприводом остается наличие тяжелого и сложного обратимого электродвигателя. Это отражается на экономичности привода и его массе, включая систему преобразователей тока. Мощная электромашина неэкономична при работе на малых мощностях, характерных для разгона (зарядки) маховичного накопителя. Кроме того, в схеме, помимо главной передачи, присутствует сложный по конструкции и управлению дифференциальный механизм с мультипликатором и тремя системами фрикционного управления (муфтами или тормозами), что усложняет и удорожает привод.
Новая концепция электромобиля, предложенная проф. Н.В.Гулиа, состоит в максимальном приближении и унификации устройств электро- и автомобиля. Это позволяет предельно упростить и уменьшить массу силового агрегата транспортного средства, увеличить его КПД и эффективность рекуперации энергии, а также сделать возможным использование существующих шасси автомобилей и автобусов для установки силовых агрегатов электромобилей и электробусов. Последнее обстоятельство должно существенно удешевить машины, в максимальной степени унифицировать их производство с возможностью оперативно менять соотношение количества машин различных типов и программу их выпуска. Кроме того, по желанию заказчика, транспортное средство может быть оснащено как источником механической энергии (обычным или гибридным тепловым двигателем), так и электрической (топливные элементы с супермаховиком), с установкой заменяемых агрегатов в том же двигательном отсеке при полном сохранении всей трансмиссии.
Такая трансмиссия должна быть рассчитана на перспективу, и включать уже не ступенчатую, а бесступенчатую коробку передач. Такие коробки передач уже достаточно широко выпускаются на основе ременных вариаторов с различными типами ремней (тянущих и толкающих), и используются на автомобилях фирм Nissan, Honda, Fiat, Subaru и др.
Московский государственный индустриальный университет (МГИУ) в содружестве с АМО ЗиЛ ведет работы по разработке бесступенчатой коробки передач на основе нового планетарного дискового вариатора. Бесступенчатая коробка передач на основе дискового вариатора новой концепции может использоваться как на легковых, так и на грузовых автомобилях (в том числе и седельных тягачах) и автобусах.
Новый вариатор, рассчитанный на высокие значения крутящего момента достаточно низкооборотных двигателей автобусов, дает возможность применить новую концепцию электромобиля на мощных электробусах. Следует заметить, что для данной схемы не исключается использование бесступенчатой коробки передач любого типа, имеющей достаточную экономичность, малые габариты и массу, соизмеримые с существующими коробками передач.
Схема электромобиля новой концепции представлена на рис.1.2.
Рисунок 1.2. Схема электромобиля новой концепции
Как и в других гибридных схемах электромобилей, источник электроэнергии выбирается исходя из критерия удельной энергии, что при исключительно высоком значении этого параметра обеспечивает малые массы, а также объемы топливных элементов. В данной схеме в качестве промежуточного источника энергии использован супермаховик с теми же энергетическими и массовыми параметрами, что и в других гибридных схемах с маховичным накопителем.
Принципиальным отличием данной концепции электромобиля от других гибридных схем является отбор мощности от источника электроэнергии необратимой электромашиной специализированным разгонным электродвигателем малой мощности, соответствующей эффективной удельной мощности источника электроэнергии. Для упомянутых выше легкового электромобиля и электробуса это соответствует 15 и 20кВт. Благодаря высокой частоте вращения разгонного электродвигателя до 35000об/мин для легкового электромобиля и 25000об/мин для электробуса, что соответствует частоте вращения разгоняемых супермаховиков для накопителей этих машин, масса их весьма мала, соответственно 15 и 30кг (это обычные показатели для отечественных конструкций авиационного назначения).
Источник энергии и разгонный электродвигатель могут быть объединены в один энергетический блок, сходный по массе и габаритам с демонтируемым с шасси двигателем и его системами. Топливный бак и система питания в принципе могут быть сохранены с добавлением конвертора для получения водорода из топлива.
Таким образом, в энергетическом блоке химическая энергия топлива преобразуется в механическую в виде вращения вала, совершенно так же, как и у теплового двигателя. Функцию сцепления выполняет выключатель, подключающий электромотор к источнику энергии.
Таким образом, по желанию заказчика в двигательный отсек может быть установлен любой преобразователь химической энергии топлива в механическую тепловой двигатель или новый энергетический блок. Далее все, как и в обычном автомобиле, вал энергетического блока соединяется с коробкой передач, в данном случае бесступенчатой. Такая коробка передач уже в недалеком будущем заменит менее эффективные ступенчатые даже на обычных автомобилях. В результате мы получаем электромобиль новой концепции в максимальной степени унифицированный с обычным автомобилем.
Каковы же преимущества электромобиля новой концепцииПо сравнению с автомобилем это несравненно более высокая эффективность использования топлива и экологическая безопасность. По сравнению со средним КПД преобразования химической энергии в механическую порядка 10...15% у тепловых двигателей на автомобилях (не следует путать с КПД тепловых двигателей на оптимальном режиме 30% у бензиновых двигателей и 40% у дизельных), этот КПД у топливных элементов с конвертором 50%, а у кислородно-водородных топливных элементов 70%. Вредные выхлопы у топливных элементов практически отсутствуют. Примерно такие же преимущества у электромобилей новой концепции по сравнению с аккумуляторными электромобилями, с той разницей, что вредные выбросы последних имеют место не на самой машине, а на электростанциях.
По сравнению с наиболее передовыми конструкциями гибридных систем электромобилей с топливными элементами и маховичными накопителями, например, схемой предложенной и осуществленной фирмой "BMW", преимуществом новой концепции является меньшие габаритно-массовые показатели и высший КПД электромашины. Это обусловлено тем, что в новой концепции электромашина не универсальная, обратимая, а узко специализированная, разгонная, загруженная практически постоянной мощностью, почти на порядок меньше максимальной и при высоких частотах вращения. Второе преимущество заключается в отсутствии сложного дифференциального механизма с тремя фрикционными муфтами или тормозами, переключающими режимы. Третье преимущество состоит в том, что процесс регулирования частот вращения и моментов от супермаховика до ведущих колес осуществляется не электроприводом, а механическим вариатором, имеющим высший КПД. В особенности это касается процесса
рекуперации энергии при торможении, в результате которого кинетическая энергия машины переходит в супермаховик. Ни по частотной полноте передачи этой энергии, ни по КПД этого процесса, электротрансмиссия не идет ни в какое сравнение с механическим вариатором. И последнее преимущество, о котором уже говорилось почти традиционная автомобильная схема и соизмеримые габаритно-массовые показатели нового энергетического блока с существующими двигателями, позволяют легко заменять один вид источника энергии на другой, получая при этом как автомобиль (с обычной или гибридной схемой двигателя), так и гибридный экономичный и динамичный электромобиль новой концепции.
На рис.1.3 представлена схема городского электробуса новой концепции. Эта схема предоставляет устройству большую гибкость, чем в изображенной на рис.1.2 структурной схеме.
Рисунок 1.3. Схема городского электробуса новой концепции:1 источник тока; 2 электродвигатель; 3 механизм реверса; 4 коробка отбора мощности; 5 планетарный дисковый вариатор; 6, 7 карданные передачи; 8 главная передача; 9 коническая зубчатая передача; 10 супермаховичный накопитель
Здесь блок супермаховичного накопителя 10, снабженный своим редуктором 9, расположен независимо от остальных агрегатов и мягко подвешен на раме для уменьшения и без того небольших гироскопических усилий при горизонтальном расположении супермаховика. С помощью коробки отбора мощности 4 и карданных передач 7 этот блок может связываться с вариатором 5 как независимо, так и совместно с электродвигателем 2. Этот электродвигатель может быть соединен с вариатором 5 и независимо от супермаховика, и играть роль полноценного тягового двигателя, в основном, на стационарных режимах движения. Несмотря на то, что электродвигатель 2 в этом случае несколько увеличивается по мощности и массе, энергоемкость супермаховичного накопителя может быть существенно снижена, реально до 0,5кВтч. Это позволяет изготовлять супермаховик из такого стабильного и сравнительно дешевого материала, как стальная углеродистая проволока. Выход из строя (разрыв) супермаховика настолько безопасен, что тяжелого защитного кожуха, существенно превышающего по массе сам маховик, и необходимого при маховике из углепластиков, не требуется. Вариатор позволяет тяговому электродвигателю работать в эффективном диапазоне крутящих моментов и частот вращения, передавая только часть мощности, необходимой для движения электробуса, что благоприятно для его работы.
Но как бы там ни было - электромобили пользуются спросом. Более того, есть места, где они совершенно вне конкуренции. Скажем, поля для популярной в мире игры в гольф. Инвентарь и обслуживающий персонал перемещают на электромобилях упрощенной конструкции, порой без крыши, дверей, с облегченным, часто укороченным, кузовом, без систем безопасности - всего того, что заметно увеличивает массу автомобилей. Упрощенные машины хороши и для перевозок в закрытых помещениях: на складах, в цехах, где вредные выбросы нежелательны. Широко используют такие электромобили-тележки для перевозки туристов на курортах, в национальных парках, но здесь им труднее конкурировать с автомобилями.
Полноразмерные машины, предназначенные для движения по улицам городов, приживаются с трудом, хотя не исключено, что в скором будущем ситуация может измениться. А причину этому нужно искать... в климате американского штата Калифорния.
Выхлопные газы автомобилей под воздействием солнечных лучей образуют особо ядовитые вещества, так называемый смог. Для перенасыщенного машинами солнечного штата это - проблема номер один. Поэтому калифорнийские нормы токсичности выхлопа традиционно строже, чем в других штатах США, не говоря уже о Европе. Теперь здесь принят закон о постепенной замене автомобилей электромобилями: в 2003 году их должно быть - 10% от общего числа машин, а в 2010-м - 15%.
Многие ведущие автомобильные фирмы работают над электромобилями, тем не менее на выставках чаще увидишь машины малоизвестного происхождения. В выборе двигателя мнения конструкторов расходятся: используют и моторы постоянного тока, и переменного, например, асинхронный со специальными преобразователями и сложной системой регулирования. Напряжение питания также различно. Явное предпочтение отдают никель-кадмиевым батареям и свинцовым, в которых используется не жидкий электролит, а гель. Иногда применяют системы жидкостного охлаждения двигателей и поддержания теплового режима аккумуляторов.
Самый популярный в мире электромобиль изготовляют... в Польше. Уже выпущено более 200 тысяч штук. Электромобили "Мелекс" - упрощенного типа, на 2, 4 и 6 мест, рассчитаны на индустрию спорта и развлечений (назовем хотя бы тот же гольф), для складских работ, как цеховой транспорт. При собственной массе около 880 кг полезная нагрузка - 320, а с прицепом - более 900. Запас хода - 70 км. Максимальная скорость - до 23 км/ч - выдает назначение машины.
Другая фирма из Восточной Германии "Транспорт-Системтехник" создала 10 прототипов такси. Пятиместная машина с пластмассовым кузовом весит всего 600 кг, развивает 80 км/ч, имеет запас хода 140 км. Батареи - никель-металлогидридные. Конструкторам удалось сделать относительно просторную внутри машину при длине всего 2,5 м. САКСИ (то есть такси из Саксонии) обещают выпускать серийно через два года (рис.1.4).
Рисунок 1.4. САКСИ такси из Саксонии.
В Японии автомобильная компания "Honda" финансирует проект создания парка сдаваемых в прокат малогабаритных электрических и "гибридных" машин, включающий новую технологию их эксплуатации. Осуществление этого проекта, получившего название "Intelligent Community Vehicle System" ("Региональная интеллектуальная транспортная система") - ICVS, по замыслу разработчиков, позволит существенно снизить вредное воздействие транспорта на окружающую среду, уменьшить вероятность заторов и улучшить условия парковки в зонах с высокой интенсивностью движения.
City Pal представляет собой малогабаритный переднеприводной электромобиль размерами 3210 х 1645 х 1645 мм с синхронным двигателем на постоянных магнитах. Его максимальная скорость 110 километров в час, запас хода на полностью заряженных аккумуляторах 130 километров. Несмотря на небольшие размеры, в электромобиле достаточно просторный для водителя и пассажира салон и багажник большой вместимости. City Pal оснащен кондиционером и современной навигационной системой. Кроме того, в нем есть оборудование для автоматического (беспилотного) управления и зарядки. Фото City Pal представлено на рис.1.5.
Рисунок 1.5. Двухместный электромобиль City Pal.
Сверхминиатюрный одноместный мини-электромобиль Step Deck предназначен для езды в густонаселенном городе. По всему периметру кузова машины снаружи установлены подножки-бамперы. Благодаря такой конструкции Step Deck можно парковать буквально вплотную к другим машинам в самых стесненных условиях. Габаритные размеры мини-электромобиля 2400 х 1185 х 1690 мм. На стоянке, предназначенной для одного обычного легкового автомобиля, можно
разместить четыре такие машины. Комбинированная силовая установка с приводом на заднюю ось состоит из четырехтактного ДВС объемом 49 см3 с водяным охлаждением и синхронного электромотора с постоянными магнитами, что позволяет развивать скорость до 60 километров в час (рис.1.6).
Рисунок 1.6. Городской одноместный мини-электромобиль Step Deck.
Электромобили фирмы "Honda", задействованные в системе ICVS, взять напрокат не так просто. Для этого сначала следует приобрести специальную магнитную карточку IC. С ее помощью на терминалах ICVS можно выбрать наиболее подходящий для конкретной поездки один из четырех видов экипажей, оформить его аренду, вернуть экипаж на стоянку и оплатить прокат наличными или с банковского счета. Помимо этого карточка IC используется для запуска двигателя вместо обычных автомобильных ключей. Оформлением проката электромобиля занимается сам клиент практически без участия служащих терминала. Удобно и то, что не обязательно возвращать экипаж на ту же стоянку, на которой его арендовали, можно оставить или поменять электромобиль на любом другом терминале ICVS.
Контрольный центр ICVS получает всю оперативную информацию о месте нахождения того или иного экипажа по специальной радиосвязи. В случае необходимости оператор, используя внутреннюю радиосвязь и широкоугольные лазерные радары, может в автоматическом режиме направить в нужное место до четырех "беспилотных" экипажей. Для этого электромобили оснащены магнитными и ультразвуковыми сенсорами, взаимодействующими с индукционными кабелями, проложенными под покрытием терминала. Экипажи могут заезжать на стоянку, выезжать с нее и парковаться по команде из контрольного центра также без участия водителя. На терминалах ICVS предусмотрена автоматическая зарядка аккумуляторных батарей всех электромобилей.
2.Легкие электротранспортные средства
Из всех разновидностей электромобилей наибольший интерес с практической точки зрения представляют легкие электротранспортные средства (ЛЭТС) с комбинированным электрическим и чаще всего мускульным приводом. По мнению президента североамериканской компании "EV Global Motors" Ли Якокка, в скором времени электророллер, электроскутер, электромопед, одно- или двухместный мини-электромобиль, а чаще всего - электровелосипед будет стоять в гараже каждого американца. Согласно прогнозу, в ближайшие 10 лет ежегодный объем продаж индивидуального электротранспорта составит в мире 6-10 миллиардов долларов.
Всемирный велобум, охвативший практически все развитые и развивающиеся страны, в полной мере подтверждает предположение о том, что грядущее столетие будет веком велосипеда. По прогнозу американских специалистов, уже в первой четверти XXI века двухколесные педальные машины начнут вытеснять автомобили и постепенно станут основным средством передвижения. Обоснованность подобного прогноза подтверждает общая картина происходящего. В США и Германии - безусловных мировых лидерах по количеству легковых автомобилей на каждого жителя - ежегодно продается велосипедов больше, чем автомобилей. Бесконечную вереницу велосипедистов можно наблюдать на дорогах Дании, Голландии, Швеции и других стран Европы. В Японии практически каждый второй житель регулярно ездит на велосипеде, а Токио в часы пик буквально забит велосипедистами. Каждый день 500 миллионов человек ездят на велосипеде на работу в Китае. Во многих европейских мегаполисах вводится запрет на автомобильное движение в городских центрах и открываются бесплатные пункты проката велосипедов.
Невиданная популярность велосипеда не случайна, во многом она связана с негативными последствиями автомобилизации. Дело в том, что автомобиль, завоевав практически всю планету, стал главным потребителем невосполнимых природных ресурсов (нефти), загрязнителем земли, воды и воздуха и "производителем" шума. В автомобильных авариях ежегодно погибает людей больше, чем в иных кровопролитных войнах. Главная же опасность автомобиля, как утверждают медики, в том, что он отучил нас самостоятельно двигаться. Люди начинают понимать это и, чтобы бороться с гиподинамией, пересаживаются на велосипед.
Велосипед был первым изобретением, позволившим человеку перемещаться быстрее и дальше только за счет собственных мускулов. Но едва двухколесная машина появилась на свет, изобретатели стали думать над тем, как увеличить ее мощность и скорость. Начиная со второй половины прошлого века велосипед пытались оснастить дополнительным источником энергии: паровой машиной, электромотором, бензиновым и даже реактивным двигателем. Однако из-за большого веса, громоздкости и целого ряда других недостатков ни один из них на велосипеде не прижился. Тогда же, около ста лет назад, одновременно с электромобилями были сконструированы и первые электровелосипеды. Но очень скоро и те и другие, не выдержав конкуренции, уступили дорогу автомобилям, а сами надолго были забыты.
Второе рождение электровелосипеда произошло буквально на наших глазах. В 1994 году японская компания "Ямаха" начала выпуск нового велосипеда с дополнительным электроприводом, а сейчас конструкторы фирмы разрабатывают модели электровелосипедов уже третьего поколения. В прошлом году в одной только Японии было продано 250 тысяч таких двухколесных "гибридов". Вслед за "Ямахой" производством электровелосипедов одна за другой занялись компании "Хонда", "Панасоник", "Саньо", "Мицубиси" и "Судзуки". Специалисты прогнозируют, что через год-два на электровелосипедах будут ездить больше миллиона японцев.
Сегодня электровелосипеды выпускают все крупные велостроительные компании Азии, Америки и Европы. Власти Китая считают, что электровелосипеды способны заменить десятки тысяч чадящих и тарахтящих мотороллеров и мотоциклов и тем самым существенно улучшить транспортную ситуацию. В Шанхае, например, уже открыто 15 центров зарядки велосипедных аккумуляторов и более 100 пунктов их замены. Кроме того, планируется построить сеть аварийных зарядных станций, где любой велосипедист сможет, опустив в автомат монету и вставив вилку зарядного устройства в розетку электрозарядной колонки, быстро зарядить аккумулятор.
Современный электровелосипед - вполне комфортное, экологически чистое транспортное средство, требующее минимальных затрат на содержание и совсем мало места в гараже и на стоянке. Что касается скоростных качеств электровелосипеда, то на горизонтальном участке дороги его без особого труда может обогнать обычный спортивно-туристский велосипед. И дело тут не в низкой мощности мотора. Электровелосипед специально сконструирован так, что электропривод вырабатывает ток только тогда, когда велосипедист жмет на педали. Как только он перестает работать ногами или разгоняется до скорости 20-24 км/ч, мотор автоматически отключается. Хочешь ехать быстрее - крути педали.
На так называемых "тихих" электровелосипедах, развивающих скорость до 24 км/ч, электропривод выполняет вспомогательную функцию - с ним велосипедист затрачивает меньше усилий, что особенно важно в поездках на большие расстояния,
при встречном ветре или подъеме в гору. Мощность электромотора не превышает 250 Вт - это величина, соизмеримая с мощностью, которую может достаточно долго развивать сам велосипедист. На электровелосипеде трогаются с места на одних педалях. Когда же скорость достигает 2-3 км/ч, специальный датчик на вилке приводного колеса автоматически включает мотор. Но есть электровелосипеды с более сложными датчиками, они включают электромотор сразу после трогания с места.
В Швейцарии и некоторых штатах США выпускают более мощные "быстрые" электровелосипеды, скорость которых не ограничивается 20-24 км/ч. На них устанавливают электромоторы мощностью 400 Вт и более, работающие независимо от педалей. Мощность двигателя и соответственно скорость регулируются ручкой "газа". На "быстром" электровелосипеде электрический привод играет основную роль, а мускульный - вспомогательную. Технические характеристики у такой машины примерно такие же, как у легкого мопеда. Ездить на "быстром" электровелосипеде можно только в защитном шлеме, с правами на управление мопедом и номерным знаком (его выдают вместе со страховым полисом). Привод электромотора передает усилие на переднее или заднее колесо велосипеда при помощи шестеренчатого редуктора, цепной передачи или фрикционного ролика, который прижимается к покрышке ведущего колеса (рис. 2.1).
Рисунок 2.1. "Быстрый" электровелосипед американской компании EV Global Motors.
Вот уже несколько лет японские, тайваньские и немецкие фирмы выпускают электровелосипеды с мотор-колесами мощностью 200-250 Вт, которые встраиваются в ступицу. Идея мотор-колеса не нова, но до последнего времени эта конструкция не находила широкого применения. Использование мотор-колеса на электровелосипедах дало возможность отказаться от механической трансмиссии, а значит, значительно повысить эффективность электропривода. Специалисты считают, что управляемое бортовым микропроцессором мотор-колесо - наиболее удачная и перспективная конструкция привода электровелосипеда.
На электровелосипедах обычно применяют никель-кадмиевые аккумуляторные батареи емкостью 7-10 ампер-часов, весом 5-7 килограммов и более дешевые, но менее долговечные и энергоемкие, герметичные свинцово-цинковые аккумуляторы с желеобразным электролитом. Время зарядки аккумуляторной батареи - 4-5 часов, запас хода при полной зарядке - 20-30 километров и более. Хотя уже появились электровелосипеды третьего поколения, например "Старкросс" фирмы "Ямаха", с запасом хода свыше 40 километров. Есть и новые, пока еще достаточно дорогие никель-металлгидридные и никель-водородные аккумуляторы, увеличивающие пробег электровелосипеда без подзарядки до 50 километров.
В США, Японии, Германии и других, наиболее развитых, странах уже сейчас электровелосипед вполне может заменить второй семейный автомобиль, который обычно используют для поездок на расстояние в среднем до 15 километров, например на работу или за покупками. Особенно он пригодится не слишком спортивным и пожилым людям, всем тем, кто осознает необходимость умеренных, но регулярных физических нагрузок. В гараже, на стоянке, на проезжей части электровелосипед занимает места во много раз меньше, чем малогабаритный автомобиль. И самое главное, он не загрязняет окружающую среду.
В последнее время "электротранспортным островом" стали называть Тайвань. Пять лет назад здесь насчитывалось всего 67 электромопедов и электромотоциклов, а в прошлом году их продали уже около пяти тысяч. Правительственное агентство по охране окружающей среды (ЕРА) установило квоту на продажу этих электротранспортных средств в размере не менее 2% от объема продаж мопедов, мотороллеров и мотоциклов. По прогнозам, в нынешнем году объем продаж электромопедов и электромотоциклов возрастет в три раза и составит 16 тысяч штук. Государство компенсирует часть затрат на приобретение электротранспортных средств таким образом, чтобы для покупателя их стоимость была сопоставимой с ценой мопедов и мотороллеров с объемом двигателя 50 смз.
Электровелобум можно наблюдать и в Италии. В декабре 1998 года в историческом центре итальянской столицы, где ежегодно бывают миллионы туристов, начали создавать парк сдаваемых в прокат электророллеров и сеть электрозарядных станций. Этот проект финансируют муниципалитет Рима, Министерство защиты окружающей среды, ассоциации WWF и "Italia Nostra". Строительством зарядных станций и организацией проката электророллеров Lepton занимается итальянская компания "Atala Rizzato". На первом этапе планируется открыть 85 станций для "медленной" шести-, семичасовой зарядки аккумуляторов с использованием 16-амперных зарядных устройств и 30 станций для "быстрой" одно-, полуторачасовой зарядки. Первые рассчитаны на одновременную зарядку аккумуляторных батарей четырех экипажей, а вторые - только двух. Все станции строятся в местах парковки, на них можно будет заряжать аккумуляторы как муниципальных, так и частных электророллеров, электровелосипедов и электромобилей. Ориентировочная стоимость проката электророллера - 1,3-1,8 доллара в час.
В западных странах "тихие" электровелосипеды, у которых мотор лишь помогает движению, наиболее популярны среди людей старше 40 лет. Больше всего на них ездят в Японии и европейских странах. Молодежь привлекают скоростные модели с мощным электроприводом и современным дизайном. На "быстрых" электровелосипедах можно изменять мощность мотора, а постоянно крутить педали необязательно. Они доминируют в США и Китае. Фото "тихого" электровелосипеда представлено на рис. 2.2.
Рисунок 2.2. "Тихий" электровелосипед тайбейской фирмы "Elebike Co., Ltd" с мотор-колесом постоянного тока мощностью 250 Вт, напряжением 36 В и со свинцово-цинковой аккумулятор ной батареей емкостью 7 ампер-часов (в пластиковом корпусе на наклонной раме).
Цены на электровелосипеды в Европе, Японии и США колеблются от 1000 до 2000 долларов. Самые дешевые - в Китае и на Тайване, там их можно приобрести за 200-350 долларов. Еще дешевле купить обычный велосипед и самому или в мастерской поставить на него комплект электропривода: мотор, аккумуляторную батарею, зарядное устройство, электронный блок, пульт и ручку управления. Одна из моделей элктровелосипедов, пользующихся спросом, представлена на рис. 2.3.
Рисунок 2.3. Электровелосипед "Dracle" японской фирмы "Panasonic"
По прогнозу специалистов, к 2003 году количество электровелосипедов в мире превысит два миллиона.
По материалам, предоставленным компанией "Honda", она будет производить четыре базовых экипажа: двухместный электромобиль City Pal, одноместный экипаж с комбинированной двигательной установкой Step Deck, одноместный электророллер Mon Pal и электровелосипед Raccon.
Одноместный электророллер Mon Pal (рис. 2.4) очень удобен для повседневных поездок на небольшие расстояния. Его скорость не более 6 километров в час. Электророллер вполне подходит для езды в пешеходных зонах, на садово-парковых дорожках, в больших торговых и выставочных помещениях, что наверняка понравится людям пожилого
возраста. Габаритные размеры Mon Pal - 1450 х 690 х 1080 мм (1625 мм с тентом). Привод коллекторного электродвигателя постоянного тока осуществляется на заднюю ось.
Рисунок 2.4. Электророллер для пожилых людей Mon Pal.
Электровелосипед Raccon 26LX-3В (рис. 2.5) хорош тем, что требует от велосипедиста значительно меньше усилий при езде на большие расстояния, на затяжных подъемах и против ветра, чем все другие модели. Его вес 31 кг, габаритные размеры 1885 х 580 х 770-920 мм (в зависимости от высоты седла). Электровелосипед оборудован передним и задним багажниками на 4 и 10 кг. Raccon снабжен малогабаритным коллекторным двигателем постоянного тока напряжением 24 В, мощностью 220 Вт и компактной никель-кадмиевой аккумуляторной батареей емкостью 5 А.ч размером с не очень толстую книгу формата А4. Полностью заряженной аккумуляторной батареи, которую обычно помещают на раме позади переднего багажника, хватает на то, чтобы проехать 27 километров и при этом освещать дорогу фарой с лампой мощностью 3,8 Вт. Магнитные датчики скорости и электронный блок управления равномерно увеличивают мощность электропривода при возрастании скорости движения от 0 до 15 километров в час и обеспечивают постоянную мощность в интервале скоростей 15-23 километра в час. На большей скорости электродвигатель автоматически отключается. Хочешь ехать быстрее - крути педали!
Рисунок 2.5. Электровелосипед Raccon фирмы "Honda".
3.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.
4.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 Cx=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 Cx=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 * Sm * P * V2
где F - сила сопротивления среды, H
Cx - коэффициент аэродинамического сопротивления,
Sm - 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.
Преимущества применения мотор-колес на транспортных средствах:
компоновка автомобиля улучшается благодаря достаточно свободному выбору места установки мотор-колеса относительно других агрегатов автомобиля;
общая масса агрегатов электропривода (не только мотор-колес) снижается по сравнению с массой агрегатов гидромеханического привода;
желаемое распределение массы автомобиля по осям получается вследствие возможности варьировать базой автомобиля;
число деталей и узлов механической передачи, подверженных интенсивному износу в эксплуатации, сокращается, что повышает надежность системы в целом;
возможность реализации одним мотор-колесом большой мощности, что позволяет повысить грузоподъемность автомобиля без увеличения числа ведущих колес;
возможность бесступенчатого или в крайнем случае двухступенчатого регулирования силы тяги;
торможение на затяжных уклонах большой величины высокоэффективно и надежно благодаря использования электрического тормоза
Управление машиной осуществляется рукояткой типа "джойстик", установленной между креслами водителя и пассажира. На рукоятке также находятся кнопки включения фары, поворотов, сигнала и др. Управление осуществляется изменением передаточного числа вариатора. При наклоне рукоятки "вперед-назад" и "влево- вправо" происходит соответственно торможение-разгон и повороты машины. При максимальном отклонении рукоятки "вперед" может происходить срабатывание дополнительного тормозного захвата заднего колеса.
Панель управления имеет небольшие габариты, цифровую индикацию на светодиодах и может быть размещена в любом удобном месте, например на зеркале заднего вида в центре машины. Вместо индикации можно применить синтезатор речи.
Индицировать можно:
1. Скорость движения машины;
2. Повороты (можно заменить огнями на зеркалах заднего вида);
3