ジャイロモノレール
単軌陸上車両

ジャイロモノレール
ルイス・ブレナンが開発した22トン（22ロングトン、24ショートトン）（空車重量）の試作車[1]
分類モノレール
業界鉄道輸送
応用交通機関
発明家ルイス・ブレナン
発明された1903年（123年前） (1903)

ジャイロモノレール、ジャイロスコープモノレール、またはジャイロスタビライズドモノレールは、単線走行の 陸上車両であり、 1つまたは複数の回転する車輪のジャイロ作用を利用して、単線走行に伴う不安定性を克服します。同様の操縦可能な車両については、ジャイロカーを参照してください。

モノレールは、ルイス・ブレナン、アウグスト・シェル、ピョートル・シロフスキーの名にちなんで名付けられました。彼らはそれぞれ20世紀初頭に実物大の実用的な試作品を製作しました。1962年には、アーネスト・F・スウィニー、ハリー・フェレイラ、ルイス・E・スウィニーによってアメリカでモノレールの派生型が開発されました。

ジャイロモノレールは試作段階を超えて開発されることはありませんでした。

シロフスキーが挙げたモノレールの主な利点は、当時の従来の鉄道が直面していた速度制限であるハンチング振動を抑制することである。また、 TGVなどの現代の高速鉄道に典型的な数キロメートルの旋回半径に比べて、より急な旋回が可能となる。これは、車両が航空機のようにカーブで自動的にバンクするため[2] 、車内で 横方向の遠心加速度が発生しないからである。

大きな欠点は、機関車だけでなく客車や貨車も含め、多くの車両が直立状態を保つために電動ジャイロスコープが必要になることです。

重心の横方向移動やリアクションホイールの使用といった他のバランス維持手段とは異なり、ジャイロバランスシステムは静的に安定しているため、制御システムは動的安定性の付与のみに機能します。したがって、バランスシステムの能動部分は、より正確にはロールダンパーと呼ばれます。

歴史

ブレナンのモノレール

ハームズワース・ポピュラーサイエンスのモノレールの仕組みを示すイラストと（挿入図）ルイス・ブレナン[3]

ルイス・ブレナンは22トン（22ロングトン、24ショートトン）（空車重量）の試作車両を開発した。[1]ブレナンは1903年に最初のモノレールの特許を申請した。

彼の最初の実証モデルは、バランス調整装置を収めた30.0×11.8インチ（762×300mm）の箱に過ぎなかった。しかし、陸軍評議会はこれで実車開発のために1万ポンドの予算を勧告した。しかし、これは財務部によって拒否された。しかし、陸軍はブレナンの研究資金として、様々な資金源から2,000ポンドを確保した。 [要出典]

この予算内で、ブレナンは6.0フィート×1.5フィート（1.83メートル×0.46メートル）の大型模型を製作した。この模型は、直径5.0インチ（127ミリメートル）のジャイロスコープ回転子2つによってバランスを保っていた。この模型は現在もロンドン科学博物館に所蔵されている。この車両の軌道は、ケント州ジリンガムにあるブレナンの自宅の敷地内に敷設された。この軌道は、木製の枕木に敷かれた一般的なガス管と、50フィート（15メートル）のワイヤーロープ橋で構成され、鋭角なコーナーと最大5分の1の傾斜を備えていた。ブレナンは1907年の王立協会での講演でこの模型を実演し、「発明者の完璧な制御の下、張り詰めた細いワイヤーの上を」前後に走行する様子を見せた。[4] [5]

ブレナンの鉄道規模縮小は、陸軍省の当初の熱意をほぼ証明するものとなった。しかし、1906年に財政緊縮政策を掲げる自由党政権が誕生したことで、陸軍からの資金提供は事実上停止した。しかし、インド省は1907年に北西国境地域のモノレール建設のために6,000ポンド（2023年の801,733ポンドに相当）の前払いを承認し、さらに1908年にはカシミールのダルバールから5,000ポンド（2023年の659,406ポンドに相当）が前払いされた。この資金は1909年1月までにほぼ使い果たされ、インド省はさらに2,000ポンド（2023年の263,333ポンドに相当）を前払いした。[要出典]

1909年10月15日、この鉄道車両は初めて自力で走行し、工場内を32人を乗せて走行した。この車両は20馬力（15kW）のガソリンエンジンを搭載し、最高時速は22マイル（35km/h）だった。トランスミッションは電気式で、ガソリンエンジンが発電機を駆動し、両方の台車に電動モーターが設置されていた。この発電機はジャイロモーターとエアコンプレッサーにも電力を供給していた。バランス調整システムには、以前のモデルで使用されていた摩擦ホイールではなく、空気圧サーボが使用されていた。ジャイロは運転席に設置されていたが、ブレナンは車両を公開する前に床下に再設置する予定だったが、シャールの機械の公開により、最初の公開デモンストレーションを1909年11月10日に前倒しせざるを得なかった。モノレールの公開デビューまでにジャイロを再配置する時間が十分になかったのだ。[要出典]

1909年12月、ブレナンは王立協会に鉄道車両の実演を行った。この車両は、円周200メートル（660フィート）の単線環状線路を時速40キロメートル（時速25マイル）で走行し、40人を乗せた。車両の全長、全高、全幅はそれぞれ12.2メートル×4.0メートル×3.0メートル（40フィート×13フィート×10フィート）であった。[6]

ブレナンのモノレールが初めて一般公開されたのは、1910年にロンドンのホワイト・シティで開催された日英博覧会だった。このモノレールは、一度に50人の乗客を乗せて円形の軌道を時速20マイル（32 km/h）で周回した。乗客の中にはウィンストン・チャーチルもおり、彼はこのモノレールに強い関心を示した。このモノレールへの関心は非常に高く、イギリスとドイツで、単輪でジャイロスタビライザー付きのゼンマイ仕掛けの子供用モノレール玩具が製造された。[7] [8] モノレールは実用的な交通手段であったが、その後の投資は得られなかった。製造された2両のうち、1両はスクラップとして売却され、もう1両は1930年まで公園のシェルターとして使用された。[要出典]

シェルルの車

ブレナンが車両の試験を終えたちょうどその時、ドイツの出版者で慈善家のアウグスト・シェルが、ドイツで開発したジャイロモノレールの公開デモンストレーションを発表した。デモンストレーションは1909年11月10日水曜日にベルリン動物園で行われることになっていた。[要出典]

シェルルのモノレール車両[9]

シェルルの機械[9]もフルサイズの乗り物であったが、ブレナンのものよりやや小型で、全長5.5メートル、全幅1.2メートル（18フィート×4フィート）であった。[6]横置きのベンチシート2席に4人の乗客を乗せることができた。ブレナンは水平軸ジャイロを2つ使用したのに対し、シェルルのジャイロは垂直軸であった。ジャイロは57キログラム（125ポンド）のフライホイールで構成され、シートの下に設置され、毎分8,000回転した。サーボ機構は油圧式で、推進力は電気式であった。[9]

シェルルの鉄道車両には、さらに2つの安全機能が搭載されていました。1つ目は、ジャイロスコープが電力供給がなくても数時間回転し続け、その後完全に停止することで、車両がバランスを失うずっと前に停止できるようにすることです。2つ目は、各コーナーに小さな車輪が取り付けられており、ジャイロスコープが停止する前に地面に降ろして車両を安定させることができました。[6]

厳密に言えば、アウグスト・シェルは単に資金援助を行ったに過ぎません。復原機構はパウル・フレーリッヒが発明し、車体はエミール・ファルケが設計しました。[9]

Scientific Americanの論説では、レールや橋梁の変更の可能性を理由に、その実用性に疑問が投げかけられた。[10]公開デモンストレーションでは好評を博し、完璧なパフォーマンスを見せたにもかかわらず、この車は十分な資金援助を得ることができず、シェールは投資を帳消しにした。[要出典]

シロフスキーの作品

ピョートル・シロフスキーのジャイロカー

ブレナンとシェルが必要な投資を得られなかった後、1910年以降、ジャイロモノレールの実用化開発は、ロンドン在住のロシア貴族ピョートル・シロフスキー[ 11]の研究によって継続されました。彼の平衡システムは、ブレナンとシェルのものと若干異なる原理に基づいており、より小型で低速で回転するジャイロスコープの使用を可能にしました。

第一次世界大戦後の発展

1922年、ソビエト政府はレニングラードとツァールスコエ・セロー間のシロフスキー・モノレールの建設を開始したが、プロジェクト開始直後に資金が枯渇した。

1929年、74歳になったブレナンはジャイロカーも開発しました。しかし、オースチン、モーリス、ローバーのコンソーシアムは、従来型の自動車を全て販売できるという理由で、この提案を却下しました。

21世紀：モノキャブ

2022 年 10 月に、Technische Hochschule OWL、ビーレフェルト応用科学大学、Fraunhofer-Institut für Optronik、Systemtechnik und Bildauswertung、および Landeseisenbahn Lippe e. V. は、ドイツの外部鉄道の一部で、ブレナンのシステムに基づいたジャイロ安定化モノレールを発表しました。[12]

モノキャブと呼ばれるシステムは、車両が1本のレールのみを使用するため、単線での双方向サービスを可能にすることを目的としています。オンデマンドで自動運転するキャビンは、それに応じて狭く設計されています。[13]

2020年9月、モノキャブは欧州地域開発基金とノルトライン＝ヴェストファーレン州から合計360万ユーロの資金提供を受けた。[14]

動作原理

基本的な考え方

この車両は従来の一本のレールの上を走行するため、バランス調整システムがなければ転倒してしまいます。

基本的な動作原理: 垂直軸を中心とした回転により、水平軸を中心とした動きが発生します。

回転する車輪はジンバルフレームに取り付けられており、ジンバルフレームの回転軸（歳差軸）は自転軸に垂直である。このアセンブリは、平衡状態において自転軸、歳差軸、および車両ロール軸が互いに垂直になる ように車両シャーシに取り付けられている。

ジンバルを強制的に回転させると、車輪が歳差運動を起こし、ロール軸を中心としたジャイロスコープトルクが発生します。そのため、この機構は車両を垂直から傾けた際にも正しい姿勢に戻そうとする可能性があります。車輪は回転軸を回転軸（ジンバル軸）に一致させようとする傾向を示し、この作用によって車両全体がロール軸を中心に回転します。

理想的には、ジンバルに制御トルクを加える機構は受動的なもの（バネ、ダンパー、レバーの組み合わせ）であるべきですが、問題の根本的な性質から、これは不可能です。平衡位置は車両が直立した状態であるため、この位置から外乱が生じると重心の高さが低下し、システムの位置エネルギーが低下します。車両を平衡状態に戻すものは、この位置エネルギーを回復させる能力を備えていなければならず、したがって受動的な要素のみで構成することはできません。システムには何らかの 能動サーボが含まれている必要があります。

重心高の乱れ。[説明が必要] (高さの差は誇張して表示されています。) バランス調整システムは、乱れた場合に重力に逆らって車両を正しい位置に戻す作業を行う必要があります。

横方向の荷重

一定の横方向の力にジャイロスコープの作用だけで抵抗すると、ジンバルは急速に回転してストッパーにぶつかり、車両は転倒してしまいます。実際には、この機構により、車両は重力成分によって外乱に抵抗しながら傾き、ジャイロスコープはほぼ偏向していない状態になります。

コーナリング時に発生する慣性横力は、車両をコーナー方向に傾けます。ジャイロが1つしかない場合、車両の傾きが大きくなりすぎたり、あるいは対称面内に正味の力が収まらないほど傾きが小さくなったりするため、車内で横力は依然として発生します 。

車両がコーナーで正しく傾くようにするには、車両の旋回速度から生じる ジャイロトルクを除去する必要があります。

自由ジャイロは慣性空間に対してその向きを維持し、自転軸に垂直な軸を中心に回転させることによってジャイロモーメントを生成します。しかし、制御システムはジャイロをシャーシに対して偏向させ、恒星に対しては偏向させません。そのため、車両の慣性空間に対するピッチングとヨーイングの運動は、不要なジャイロトルクを発生させます。これらの運動は不十分な平衡状態を引き起こしますが、より深刻なことに、一方向への旋回時に静的安定性が失われ、反対方向への旋回時に静的安定性が増大します。シロフスキーは自身の道路車両でこの問題に遭遇し、その結果、急な左折ができなくなりました。

ブレナンとシェルはこの問題を認識し、互いに反対方向に歳差運動する2つの逆回転ジャイロをペアにしてバランス調整システムを実装しました。この配置により、慣性空間に対する機体のあらゆる運動は、2つのジャイロに等しく反対方向のトルクを発生させ、結果として相殺されます。このダブルジャイロシステムにより、カーブでの不安定性が解消され、機体は正しい角度に傾くため、機体に発生するネット横力はゼロになります。

コーナリング時には、逆回転ジャイロがコーナーでの不安定さを回避します。

シロフスキーは、ダブルジャイロシステムでは安定性の確保が難しいと主張したが、その理由は明確ではない。彼の解決策は、旋回速度に応じて制御ループのパラメータを変化させ、どちらの方向の旋回でも同様の応答を維持することだった。

オフセット荷重も同様に、車両を傾け、重心が支持点より上に位置するようにします。横風は車両を横風に押し込み、重量の一部で風に抵抗します。これらの接触力はコーナリングフォースよりも大きな不快感を引き起こす可能性があります。なぜなら、これらの接触力は車体に正味の横方向の力をもたらすからです。

接触側からの力は、シロフスキーループにおいてジンバル偏向バイアスを生み出します。このバイアスは、より低速のループへの入力として利用することで重心を横方向に移動させ、持続的な非慣性力の影響下でも車両を直立させることができます。このジャイロと横方向の重心移動の組み合わせは、1962年の特許の対象となっています。ジャイロと横方向のペイロード移動を組み合わせた車両は、1962年にアーネスト・F・スウィニー、ハリー・フェレイラ、ルイス・E・スウィニーによって米国で開発されました。このシステムはジャイロダイナミクス・モノレールと呼ばれています。

2レール車両との比較

モノレール対2レールの対応

シロフスキー氏は、理論上は急勾配や急カーブを通過できるため、通行権問題が軽減されるなど、多くの利点があると主張しました。著書の中でシロフスキー氏は、モノレールでは実現可能な軌道上ブレーキの一形態について説明していますが、これは従来の鉄道車両の方向安定性を損なう可能性があります。この方式は、従来の車輪と鋼鉄の接触による制動に比べて停止距離を大幅に短縮できる可能性があり、列車間の安全な間隔もそれに応じて狭くなります。その結果、線路の占有率と輸送力が向上する可能性があります。

シロフスキー氏は、自身の設計は同等の複線式車両よりも軽量であると主張した。ブレナン氏によると、ジャイロ質量は車両重量の3～5%を占め、これは単線設計で削減される台車重量に匹敵する。

体の回転の寄与

水平カーブを走行する車両を考えてみると、ジャイロ軸が垂直の場合に最も深刻な問題が発生します。ジンバルピボットを中心に旋回速度の成分が作用するため、ロール方程式にジャイロモーメントが加わります。 Ω {\displaystyle \Omega }

A d 2 ϕ d t 2 + H ( d θ d t + Ω ϕ ) = W h ϕ {\displaystyle A{\frac {d^{2}\phi }{dt^{2}}}+H({\frac {d\theta }{dt}}+\Omega \phi )=Wh\phi }

これにより、ロールは旋回時の正しいバンク角からずれますが、さらに深刻なことに、特性方程式の定数項が次のように変化します。

( W h − H Ω ) k A J {\displaystyle {\frac {(Wh-H\Omega )k}{AJ}}}

明らかに、回転率が臨界値を超えると、

Ω = W h H {\displaystyle \Omega ={\frac {Wh}{H}}}

バランスループは不安定になります。しかし、同一のジャイロを反対方向に回転させることにより、不安定性の原因となっているロールトルクが打ち消されます。また、最初のジャイロとは反対方向に歳差運動を強制すると、同じ方向に制御トルクが発生します。

1972年、カナダ政府の機械工学部は、この問題を主な理由としてモノレールの提案を却下した。[15]彼らの分析は正しかったが、その範囲は単垂直軸ジャイロシステムに限定されており、普遍的なものではなかった。[独自の研究? ]

ガスタービンエンジンは、周速度が毎秒400メートル（1,300フィート/秒）にも達するように設計されており[16] 、過去50年間に数千機の航空機で確実に稼働してきました。したがって、重量10トン（9.8英トン、11米トン）、重心高2メートル（6フィート7インチ）の機体の場合、周速度をジェットエンジン設計の半分と仮定すると、ジャイロ質量はわずか140キログラム（310ポンド）と推定されます。したがって、ブレナンが推奨した機体質量の3～5%という値は、非常に保守的な値でした。[原著論文？ ]

参照

参考文献

  1. ^ ab トムリンソン、N (1980)。ルイス・ブレナン、並外れた発明家。チャタム: J. Hallewell Publications。ISBN 978-0-905540-18-4. OCLC  7488022。
  2. ^ グラハム、R. (1973). 「ブレナン ― 彼のヘリコプターとその他の発明」.航空ジャーナル. 77 (746): 74– 82. doi :10.1017/S0001924000040318. ISSN  0001-9240. OCLC  8271423943. S2CID  117531165.
  3. ^ ミー、アーサー編 (1913). 「走行速度を安全に2倍にできる単軌条ジャイロスコープ車」. グループ8 - パワー • 人間の手助けをする人々の物語 - 第14章：未来の鉄道.ハームズワース・ポピュラーサイエンス. 第3巻. ロンドン: エデュケーショナル・ブック社. pp. 1682, 1684– 1693. OCLC  1167109574 – インターネットアーカイブ経由.
  4. ^ 「旅行革命」『バーミンガム・デイリー・ガゼット』 、バーミンガム、イギリス：T.アリス、1907年5月9日、p.8、OCLC  866859298。
  5. ^ 「ジャイロスコープの奇妙な動作：最も古代の玩具を使った実験から、多くの有用な現代発明が生まれた。鉄道や海洋旅行における近年の成果の多くは、こまの原理に基づいている」ニューヨーク・タイムズ。第56巻、第18号、061ページ。ニューヨーク州ニューヨーク。1907年7月7日。パート5：雑誌セクション、11ページ（52ページ中43ページ） 。 2025年3月16日閲覧。
  6. ^ abc ギブス、ミルドレッド（1910年6月11日）「未来の自動車―モノレール」アルトン・デモクラット誌第29巻第3号2ページ - NewspaperArchiveより。
  7. ^ スピルハウス、アセルスタン；スピルハウス、キャスリーン（1989年）『機械仕掛けのおもちゃ：昔のおもちゃの仕組み』ニューヨーク：クラウン・パブリッシャーズ、pp. 45–46. ISBN 978-0-517-56966-5. OCLC  1150291266 – インターネットアーカイブ経由。
  8. ^ GB 190811221、Scherl、8月、「単線車両に関する改良」、1908年9月10日発行 
  9. ^ abcd 「シェール・ジャイロスコープ・モノレール車」. Scientific American . 102 (4): 84– 185. 1910年1月22日. Bibcode :1910SciAm.102...84.. doi :10.1038/scientificamerican01221910-84. JSTOR  26008166 – インターネットアーカイブ経由.
  10. ^ 「ジャイロスコープ車両の鉄道サービスへの適応性」サイエンティフィック・アメリカン誌、102 (4): 82. 1910年1月22日. doi :10.1038/scientificamerican01221910-82. JSTOR  26008161 – インターネットアーカイブ経由.
  11. ^ 「シロフスキー・ジャイロスコープ・モノレールシステム」『ザ・エンジニア』1913年1月23日。
  12. ^ “Das Projekt”. monocab-owl.de . 2022年5月16日. 2022年7月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年3月14日閲覧。
  13. ^ 「技術リーフレット–プロジェクトMONOCAB OWL - 2022年5月」(PDF) MONOCAB OWL 2022年6月3日2025年3月20日閲覧。
  14. ^ “Regionale 2022: Mobilitätsprojekt Monocab”. Regionale 2022 . 2024年7月25日. 2025年1月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年3月14日閲覧。
  15. ^ Hamill, PA (1972年12月). 「ジャイロ安定化モノレール提案に関するコメント」LTR-Cs-77 . 他. オタワ: 制御システム研究所. OCLC  462168241.
  16. ^ Rogers, GFC; Mayhew, YR (1972).工学熱力学、仕事と熱伝達（第3版）. Longman . p. 433.[ ISBN がありません]

さらに読む

  • カズンズ, H (1913年11月21日). 「ジャイロスコープ付き単軌車両の安定性」.エンジニアリング. 96.ロンドン: 広告出版局: 678–681, 711–712, 781–784. hdl :2027/mdp.39015084593907. ISSN  0013-7782. OCLC  567901164 – HathiTrust経由.
  • エディ、ヘンリー・T. (1910年6月). 「ブレナンのモノレール車両の機械的原理」.フランクリン研究所ジャーナル. 169 (6): 467– 485. doi :10.1016/s0016-0032(10)90004-5 – インターネットアーカイブ経由.
  • Mishra, Vibhooti Narayan; Rajpoot, Yogendra Singh; Tripathi, Ramendra Sharan (2022年12月8日). 「ジャイロスコープを用いた自己バランス型ジャイロモノレールの設計と製作」 . International Journal of Vehicle Structures and Systems (要登録) . 14 (5). doi : 10.4273/ijvss.14.5.09 . ISSN  0975-3540.
  • 「モノレール車両」エンジニアリング誌794号、1907年6月14日。
  • 森博嗣(2017) [2010]. 『シンプルなジャイロモノレールの作り方』（PDF） . 清涼院流水訳. The BBB: Breakthrough Bandwagon Books. ISBN 978-1-365-85998-4。{{cite book}}: CS1 maint: publisher location (link)
  • 森 博(2017) [2010]. ジャイロモノレールの理論と実験(PDF) . 清涼院 流水訳. The BBB: Breakthrough Bandwagon Books. ISBN 978-1-365-85995-3。{{cite book}}: CS1 maint: publisher location (link)
  • シーロフスキー, ペトル・ペトロヴィチ(1924). 『ジャイロスコープ：その実用的な構成と応用、ジャイロスコープの物理学と実験力学の解説、そしてモノレール、船舶、飛行機、艦砲などの安定化への応用方法の解説』ロンドン、ニューヨーク: E. & FN Spon; Spon & Chamberlain. hdl :2027/mdp.39015000991581. OCLC  1467682858 – HathiTrust経由.
  • 「ブレナン・モノトラック車両」。コマーシャル・モーター社。ロンドン：テンプル・プレス社。 1909年11月5～ 6日 。ISSN 0010-3063。OCLC 8755198 – コマーシャル・モーター・アーカイブより。
ウィキメディア・コモンズには、ジャイロモノレールに関連するメディアがあります。
  • 「ジャイロダイナミクスモノレール」モノレール協会. 2025年3月15日閲覧。
  • 「奇妙なもの - ジャイロスコープ鉄道 - ルイス・ブレナンのモノレール車」.キャッツキル・アーカイブ・ウェルカム. 2007年7月11日. 2025年1月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年3月15日閲覧。
  • YouTubeのセルフバランスモノレール
  • カニンガム、ユアン (2023年12月22日). 「1910年のブレナン・ジャイロ・モノレール」.プライマル・ネビュラ. 2025年12月7日閲覧。
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