ジャイロモノレール

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長トン、24短トン）22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（121年前） （1903年）

ジャイロモノレール、ジャイロスコープモノレール、ジャイロ安定化モノレール、またはジャイロカーは、回転する車輪のジャイロスコープ作用を利用して、単一のレールの上でバランスをとる際に生じる 固有の不安定性を克服する、単レールの 陸上車両を指す用語です。

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ており、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。そのバージョンは、1962年に米国でアーネスト・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なかった。

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できることである。また、 TGVなどの現代の高速鉄道に典型的な7kmの旋回半径に比べて、車両が航空機のようにカーブで自動的に傾くため^{[2] 、乗車中に横方向の}遠心加速度が発生しないため、より急な旋回が可能となる。

大きな欠点は、機関車だけでなく客車や貨車を含む多くの車両が、直立状態を保つために動力付きのジャイロスコープを必要とすることです。

重心の横方向の移動やリアクションホイールの使用など、バランスを維持するための他の手段とは異なり、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を与えることのみを目的としています。したがって、バランスシステムのアクティブな部分は、より正確にはロールダンパーとして説明されます。

ルイス・ブレナンは22トン（22長トン、24短トン）22トン（空車重量）の試作車両を開発した。^[4]ブレナンは1903年に最初のモノレールの特許を申請した。

彼の最初のデモモデルは、バランス調整システムを備えた 30.0 x 11.8 インチ (762 x 300 mm) の箱に過ぎませんでした。しかし、陸軍評議会がフルサイズの車両の開発に10,000ポンドの予算を推奨するには、これで十分でした。これは財務部門によって拒否されました。しかし、陸軍はさまざまな資金源から2,000ポンドを調達し、ブレナンの研究に資金を提供しました。

この予算内で、ブレナンは6.0×1.5フィート（1.83×0.46メートル）の大型モデルを製作した。このモデルは、直径5.0インチ（127ミリメートル）のジャイロスコープローター2つでバランスを保っていた。このモデルは、現在もロンドン科学博物館に所蔵されている。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かれた。この軌道は、通常のガス管を木製の枕木に敷き、50フィート（15メートル）のワイヤーロープ橋、鋭角の角、最大5分の1の傾斜で構成されていた。ブレナンは1907年に王立協会での講演でこのモデルを実演し、「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。^[5]

ブレナンの規模縮小された鉄道は、陸軍省の当初の熱意を大いに証明した。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、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を開発するために6,000ポンド（2023年の801,733ポンドに相当）の前払いを決議し、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。

1909年10月15日、この鉄道車両は初めて自力で走行し、32人を乗せて工場内を走行した。車両のサイズは40.0 x 9.8フィート (12.2 x 3 m) で、20馬力 (15 kW) のガソリンエンジンを搭載し、最高速度は時速22マイル (35 km/h) であった。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、電気モーターが両方の台車に取り付けられていた。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。

ジャイロは運転台内に設置されていたが、ブレナンは車両を公開する前に車両の床下に設置し直す計画だった。しかし、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。モノレールの公開前にジャイロを再配置する時間がなかったのだ。

ブレナンのモノレールが実際に公にデビューしたのは、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。モノレールの車両は、円形の線路を時速20マイル (32 km/h) で一度に50人の乗客を乗せて走った。乗客の中にはウィンストン・チャーチルもおり、彼は非常に熱狂した。関心は非常に高く、一輪でジャイロ安定化装置付きの子供用のゼンマイ仕掛けのモノレール玩具がイギリスとドイツで製造された。^{[6] [7]} モノレールは実用的な輸送手段であったが、それ以上の投資を引き付けることはできなかった。製造された2台の車両のうち、1台はスクラップとして売却され、もう1台は1930年まで公園のシェルターとして使用された。

ブレナンが車両のテストを終えたちょうどその頃、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行うと発表した。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。

シェルルのマシン^[8]もフルサイズの乗り物だったが、ブレナンのものよりやや小さく、全長はわずか17フィート（5.2メートル）だった。横向きのベンチシート2つに4人の乗客を乗せることができた。ジャイロはシートの下にあり、垂直軸を持っていたが、ブレナンは水平軸のジャイロを2つ使っていた。サーボ機構は油圧式で、推進力は電気式だった。厳密に言えば、アウグスト・シェルルは資金援助をしただけだった。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・ファルケが設計した。

この車は好評を博し、公開デモンストレーションでは完璧なパフォーマンスを見せたにもかかわらず、十分な資金援助を得ることができず、シャールは投資を帳消しにした。

ブレナンとシェルが必要な投資を集められなかった後、1910年以降、ジャイロモノレールの実用的開発はロンドンに住むロシア貴族ピョートル・シロフスキー^[9]の仕事によって続けられた。彼の平衡システムはブレナンとシェルのものとわずかに異なる原理に基づいており、より小型でゆっくり回転するジャイロスコープの使用を可能にした。1911年にジャイロモノレールのモデルを開発した後、シロフスキーはジャイロカーを設計し、これはウォルズレー・モーターズ社によって製造され、1913年にロンドンの路上でテストされた。ブレナンとシェルが好んだ反対方向に回転する一対のジャイロではなく、単一のジャイロを使用していたため、動作が非対称になり、急な左折時に不安定になった。関心は集まったが、本格的な資金提供はなかった。

1922年、ソビエト政府はレニングラードとツァールスコエ・セローの間にシロフスキーモノレールの建設を開始したが、プロジェクト開始後まもなく資金が枯渇した。

1929年、74歳の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、従来型の自動車は製造すればすべて売れるという理由で、この計画を断りました。

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。^[10]

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、単一の線路で双方向の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的に動作するキャビンは、それに応じて狭く設計されています。

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。^[11]

この車両は従来の単一のレール上を走行するため、バランス調整システムがなければ転倒してしまいます。

回転ホイールは、回転軸（歳差軸）がスピン軸に垂直なジンバルフレームに取り付けられています。このアセンブリは、平衡状態でスピン軸、歳差軸、および車両ロール軸が相互に垂直になるように車両シャーシに取り付けられています。

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、ロール軸を中心にジャイロトルクが生じるため、この機構は垂直から傾いた車両を正しい状態に戻す可能性を秘めています。車輪は、スピン軸を回転軸 (ジンバル軸) に合わせる傾向があり、この動作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適用するメカニズムは受動的（スプリング、ダンパー、レバーの配置）であるべきですが、問題の根本的な性質から、これは不可能であることがわかります。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発生す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何であれ、この位置エネルギーを回復できなければならず、したがって受動要素だけ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。

一定の横方向の力がジャイロスコープの作用だけで抵抗されると、ジンバルはすぐに回転して停止し、車両は転倒します。実際、このメカニズムにより、車両は外乱に向かって傾き、重量成分で外乱に抵抗し、ジャイロは偏向していない位置に近い状態になります。

コーナリングによって生じる慣性横力により、車両はコーナーに傾きます。ジャイロが 1 つしかないと非対称性が生じ、車両が傾きすぎたり、対称面内に正味の力が留まるほど傾かなかったりするため、横力は依然として車内で感じられます。

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、回転軸に垂直な軸を中心に回転することでジャイロモーメントが生成されます。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。その結果、慣性空間に対する車両のピッチとヨーの動きによって、不要なジャイロトルクが追加されます。これにより、不十分な平衡状態が発生しますが、より深刻なことに、一方向に曲がるときに静的安定性が失われ、反対方向には静的安定性が増大します。シロフスキーは、その結果、急な左折ができなくなった路上車両でこの問題に遭遇しました。

ブレナンとシェルはこの問題を認識しており、反対方向に歳差運動する逆回転ジャイロのペアを使用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、慣性空間に対する車両のすべての動きは、2 つのジャイロに等しく反対方向のトルクを発生させ、結果的に相殺されます。ダブル ジャイロ システムにより、カーブでの不安定性が排除され、車両は正しい角度に傾くため、車両に正味の横方向の力は発生しません。

シロフスキーは、ダブルジャイロシステムでは安定性を確保するのが難しいと主張したが、その理由は明らかではない。彼の解決策は、旋回速度に応じて制御ループ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というものだった。

同様に、オフセット荷重によっても車両は傾き、重心が支持点より上になります。横風によって車両は傾き、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力よりも不快感を引き起こす可能性があります。なぜなら、これらの接触力によって車両に生じる横方向の力は正味で大きくなるからです。

接触側力により、シロフスキー ループにジンバル偏向バイアスが発生します。これは、より低速のループへの入力として使用して重心を横方向にシフトし、持続的な非慣性力がある場合でも車両が直立したままになるようにすることができます。このジャイロと横方向の重心シフトの組み合わせは、1962 年の特許の対象です。ジャイロ/横方向のペイロードシフトを使用する車両は、1962 年に米国でアーネスト 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構築されました。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。

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、優先権の問題が軽減されるなど、いくつかの利点を挙げた。シロフスキー氏は著書の中で、モノレールでは実現可能だが従来の鉄道車両の方向安定性を乱す可能性のある軌道上ブレーキの一形態について説明している。これにより、従来の車輪と鋼鉄のブレーキに比べて停止距離が大幅に短縮される可能性があり、列車間の安全な間隔もそれに応じて短縮される。その結果、線路の占有率と容量が向上する可能性がある。

シロフスキー氏は、彼の設計は実際に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、これは単線設計で節約できる台車重量に匹敵する。

水平カーブを走行する車両を考えると、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 ピボットを中心に回転速度の成分が作用するため、ロール方程式に追加のジャイロ モーメントが導入されます。 ${\displaystyle \オメガ}$

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

これにより、ロールが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。

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

明らかに、回転率が臨界値を超えると、

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

バランスループは不安定になります。ただし、同一のジャイロを反対方向に回転させる場合、不安定性の原因となっているロールトルクがキャンセルされ、最初のジャイロと反対方向に強制的に歳差運動させれば、同じ方向に制御トルクが生成されます。

1972年、カナダ政府の機械工学部門は、主にこの問題を理由にモノレールの提案を拒否した。^[12]彼らの分析は正しかったが、その範囲は単一の垂直軸ジャイロシステムに限定されており、普遍的ではなかった。^{[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、^[13]過去 50 年間に何千機もの航空機で確実に稼働してきました。したがって、ジェットエンジン設計で使用される周速度の半分と仮定すると、重心高 2 メートル (6 フィート 7 インチ) の 10 トン (9.8 英トン、11 米トン) の航空機のジャイロ質量は、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車両質量の 3 ～ 5% という数値は、非常に保守的でした。^{[オリジナル研究? ]}

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• セグウェイHT
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• シロフスキー、ペトル・ペトロヴィッチ（1922）。ジャイロスコープ、その構造と実用的応用。E Spon Publications。
• カズンズ、H (1913)。「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 2 : 678–681。
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• 「ブレナン モノトラック車両」。コマーシャル モーター誌。1909 年 11 月 18 日。
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• Rogers, GFC; Mayhew, YR (1972)。工学熱力学、仕事と熱伝達（第3版）。ロングマン。p. 433。
• 森 博 (2017). ジャイロモノレールの理論と実験(PDF) .
• 森 博 (2017). シンプルなジャイロモノレールの作り方(PDF) .

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