Гиростабилизатор двухколесного одноколейного транспортного средства
GYROSTABILIZER FOR TWO-WHEELED SINGLE-TRACK VEHICLE

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к гиро-стабилизированным двухколесным транспортным средствам, преимущественно мотоциклам.
Известно гироскопически стабилизированное транспортное средство [Патент US №8918239 B2], гиростабилизатор которого включает по меньшей мере два смонтированных продольно в единой раме несвободных (с двумя степенями свободы) гироскопа. Каждый гироскоп имеет ротор, ось которого шарнирно связана с кольцом, которое шарнирно связано с рамой. Устойчивость этого двухколесного транспортного средства обеспечивается гироскопическим эффектом, создаваемым вращением этих двух несвободных гироскопов в раме. Скорость движения транспортного средства, частота вращения роторов гироскопов и угол отклонения переднего колеса контролируются электронными датчиками. Недостатком этого гирокара является то, что для прохождения поворотов на высокой скорости, чтобы обеспечить наклон рамы внутрь поворота, электроника уменьшает скорость вращения гироскопа (гироскопов), то есть снижает устойчивость транспортного средства.
Известно также другое транспортное средство [Заявка DE №102013200020 A1] также с двумя гироскопами, оси вращения которых в начальном положении параллельны. При этом каждый гироскоп установлен в рамке, шарнирно закрепленной на корпусе транспортного средства с возможностью принудительного поворота вокруг оси перпендикулярной продольной оси транспортного средства. Гироскопы вращаются в разных направлениях, и в штатной ситуации гироскопический эффект нивелируется. При заносах (рыскании), то есть неуправляемом повороте транспортного средства вокруг вертикальной оси специальные электродвигатели (сервомоторы) поворачивают гироскопы каждый, по сигналу с микроконтроллера, в соответствии со специальным алгоритмом, в результате чего начинает проявляться гироскопический эффект, возвращающий транспортное средство в устойчивое положение. Данное техническое решение направлено на решение только одной задачи, а именно на исключение заносов одноколейного транспортного средства (мотоцикла) на достаточно высоких скоростях. Применение гиростабилизации в других возможных ситуациях, например, прохождение поворотов с наклоном транспортного средства, езда на малых скоростях, не рассматривается.
В качестве прототипа выбран гиростабилизатор двухколесного одноколейного транспортного средства [Патент RU №2546036 C1, МПК B60P 1/36, опубл.10.02.2003], выполненный в виде гироскопа в кардановом подвесе. Внешнее кольцо карданова подвеса имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с рамой транспортного средства, причем ось этого соединения направлена вдоль продольной оси транспортного средства, внутреннее кольцо карданова подвеса имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с внешним кольцом, вал ротора гироскопа имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с внутренним кольцом карданова подвеса, причем оси всех трех шарнирных соединений взаимно перпендикулярны, внешнее кольцо карданова подвеса является опорой для водителя, а гиростабилизатор имеет средство блокировки поворота внешнего кольца вокруг оси его шарнирного соединения с рамой транспортного средства. Поворот двухколесного транспортного средства на высокой скорости производится его наклоном в сторону поворота без участия руля. Гиростабилизатор сохраняет горизонтальную ориентацию подножки и ног водителя и позволяет водителю через реакцию ног и корпуса контролировать устойчивость транспортного средства. При зафиксированном внешнем кольце перпендикулярно относительно рамы обеспечивается устойчивость всего транспортного средства без участия водителя. Как упомянуто в описании к указанному изобретению, управляемость и быстродействие зависят только от навыков водителя, однако нужно учитывать, что во многом необходимые навыки носят специфический характер, например наклон транспортного средства на высокой скорости при прохождении поворота, стоя на гиростабилизированной платформе. К тому же реакция водителя заведомо уступает быстродействию электроники.
Задача изобретения - создание гиростабилизатора двухколесного одноколейного транспортного средства, применимого в максимально большом количестве режимов езды, а также способного корректировать или ограничивать действия водителя, способные привести к аварийной ситуации. Авторы также ставили задачу обеспечения возможности установки гиростабилизатора как на уже существующие модели мотоциклов, так и на вновь создаваемые с учетом минимальных изменений и доработок конструкции.
Указанная задача решается гиростабилизатором двухколесного одноколейного транспортного средства, предпочтительно мотоцикла, выполненным в виде гироскопа в кардановом подвесе, внешнее кольцо карданова подвеса имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с рамой транспортного средства, причем ось этого соединения направлена вдоль продольной оси транспортного средства, внутреннее кольцо карданова подвеса имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с внешним кольцом, вал ротора гироскопа имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с внутренним кольцом карданова подвеса, причем оси всех трех шарнирных соединений взаимно перпендикулярны, при этом гиростабилизатор имеет средство блокировки поворота внешнего кольца вокруг оси его шарнирного соединения с рамой транспортного средства. Согласно предложению гиростабилизатор размещен на маятнике заднего колеса и имеет средство блокировки поворота внутреннего кольца вокруг оси его шарнирного соединения с внешним кольцом, при этом каждое средство блокировки выполнено в виде серводвигателя, обеспечивающего возможность принудительного поворота соответствующего кольца по команде микроконтроллера, контролирующего скорость и допустимые углы наклона транспортного средства, а на внутреннем кольце на оси шарнирного соединения с валом ротора закреплен дополнительный груз.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено устройство гиростабилизатора в разрезе.
На фиг. 2 представлен вид маятника транспортного средства (мотоцикла) с гиростабилизатором в сборе.
На фиг. 3 представлены схематичные изображения транспортного средства до (А) и после установки (Б) гиростабилизатора.
На фиг. 4 показана сравнительная схема работы заявляемого гиростабилизатора (А) и гиростабилизатора-прототипа (Б) при подъеме.
На фиг. 5 показана сравнительная схема работы заявляемого гиростабилизатора (А) и гиростабилизатора-прототипа (Б) при повороте.
Гиростабилизатор 1 представляет собой гироскоп 2 в кардановом подвесе, внешнее кольцо 3 карданова подвеса имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с рамой (маятником) 4 транспортного средства 5, причем ось этого соединения направлена вдоль продольной оси транспортного средства 5, внутреннее кольцо 6 карданова подвеса имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с внешним кольцом 3, вал ротора гироскопа 2 имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с внутренним кольцом 6 карданова подвеса, причем оси всех трех шарнирных соединений взаимно перпендикулярны. Каждое из колец 3 и 6 связаны с серводвигателями 7 и 8, которые в свою очередь подключены к микроконтроллеру 9, например с сенсорным управлением 10. На внутреннем кольце 6 на оси шарнирного соединения с валом ротора закреплен дополнительный груз 11. Привод гироскопа 2 включает электродвигатель 12.
Гиростабилизатор работает следующим образом.
Запуск гироскопа 2 производится только после поворота ключа зажигания. Маховик (гироскоп) 2 раскручивается примерно 6-10 секунд в зависимости от его диаметра и веса, который в свою очередь зависит от размера и веса транспортного средства (мотоцикла) 5. На данном этапе отсутствует какое-либо стопорение колец 3 и 6 карданова подвеса. Далее водитель (пилот) снимает мотоцикл 5 с подножки и ставит его в вертикальное положение. Одновременно серводвигатель 7 устанавливает кольцо 3 в горизонтальное положение и фиксирует (стопорит) его в этом положении. Соответственно гиростабилизатор 1 переходит в несвободное состояние (с двумя степенями свободы) с одной неустойчивой координатой (положение мотоцикла в продольной вертикальной плоскости). Согласно первой теореме Томсона-Тета-Четаева гироскопическую стабилизацию можно осуществить только при четном числе неустойчивых координат, соответственно вторая координата системы (угол поворота ворота кольца 6) также должна быть неустойчивой [См., например: Меркин Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987, стр. 180-182]. Соответственно серводвигатель 8 поворачивает кольцо 6 таким образом, что груз 11 размещается в верхней части, и удерживает его в таком положении. При раскручивании гироскопа 2 до расчетных значений происходит гиростабилизация транспортного средства 5 в вертикальном положении. В данном режиме скорость транспортного средства 5 может варьироваться от 0 до приблизительно 10 км/ч. В других режимах движения не происходит (в отличие от прототипа) полной разблокировки кольца 3. При езде в гору или под гору, или по ухабистой поверхности, или по жидкой грязи по сигналу с микроконтроллера 9 происходит постоянная корректировка положения колец 3 и 6. Например, при движении в гору (фиг. 4А) серводвигатели сохраняют горизонтальное положение кольца 3 и соответствующее положение кольца 6. При работе по схеме прототипа гироскопический эффект снижается (фиг. 4Б). При необходимости, кольца гироскопа могут выставляться для предотвращения, посредством гиростабилизации, заносов (рыскания) по аналогии с решением-аналогом [Заявка DE №102013200020 A1]. Также по команде с микроконтроллера 9 (в соответствии с данными, поступающими с различных датчиков), гиростабилизатор 1 может фиксировать (ограничивать) максимально возможный угол наклона транспортного средства 5 при прохождении поворота в зависимости от характеристик транспортного средства, состояния дороги, погодных условий и т.п. Предустанавливать отдельные параметры работы микроконтроллера 9, отключать и подключать дополнительные функции возможно с блока сенсорного управления 10.
Размещение гиростабилизатора на маятнике 4 заднего колеса обусловлено прежде всего тем, что это единственное место, где можно установить стабилизатор, не прибегая к изменению существующей рамы транспортного средства (мотоцикла) 5, которая имеет просчитанную геометрию утвержденную главным конструктором и руководством компании производителя. По предварительным оценкам после установки гиростабилизатора 1 на модернизированный маятник 4 удлинение базы мотоцикла 5 составит 20 см (фиг. 3). Есть и второй фактор, который влияет на руление - это расположение гиростабилизатора 1 не по центру, а намного ближе к задней оси мотоцикла 5. Гиростабилизатор 1 оказывает свое воздействие на маятник 4, который прикреплен к раме или двигателю, но поворачивает и задает направление переднее колесо, поэтому на него оказывать стабилизирующее свойство нужно в меньшей степени, и это возможно при удалении от межосевого центра к заднему колесу, тем самым не мешая держать гиростабилизатору 1 вертикаль или указанное отклонение. При соблюдении этих факторов транспортное средство 5 становится устойчивым на малых скоростях и в то же время маневренным как никогда ранее (фиг. 5).