ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ТРАНСПОРТНЫЙ МОДУЛЬ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ЮНИЦКОГО Российский патент 2003 года по МПК B62D35/00 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к построению транспортных средств с высокими аэродинамическими характеристиками, и может быть использовано в высокоскоростной струнной транспортной системе Юницкого.

Известно техническое решение, направленное на улучшение аэродинамики транспортных средств за счет выполнения их кузова по форме, максимально приближенного к форме тела вращения (Хуго В.-Г. Аэродинамика автомобиля. - М.: Машиностроение, 1987, с.32).

Однако в известном техническом решении выполнение требований к улучшению аэродинамики кузова вступает в противоречия с требованиями по его внутренней компоновке, что, в итоге, не позволяет реализовать оптимальное использование внутреннего объема кузова.

Известно также использование кузовов транспортных средств, в которых реализованы рекомендации по оптимизации аэродинамических характеристик за счет приближения их формы к форме тела вращения с одновременным учетом стилистических и эргонометрических требований, предъявляемых к ним именно как к транспортным средствам (Хуго В.-Г. Аэродинамика автомобиля. - М.: Машиностроение, 1987, с.42).

Однако при известности пути решения задачи реальные условия эксплуатации, когда транспортное средство расположено в непосредственной близости от дорожного полотна, не позволяют добиться минимальных значений коэффициента аэродинамического сопротивления.

Наиболее близким к изобретению является высокоскоростной транспортный модуль, используемый в струнной транспортной системе Юницкого, содержащий корпусную часть, выполненную в форме обтекаемого кузова с сопряженными сферообразной передней, каплеобразной средней и конусообразной задней частями, в котором нижняя поверхность средней части выполнена уплощенной. Для связи с рельсовым путем в корпусной части размещены колеса, установленные в два ряда. Движение транспортного модуля обеспечивают, установленные в кузове, привод с системой управления (Журнал "Эврика" 3, 1998, с.53-55).

Значения скоростей, развиваемые в транспортной системе Юницкого (свыше 300 км/ч), накладывают повышенные требования к устойчивости транспортного модуля на рельсовом пути при сохранении минимального значения коэффициента аэродинамического сопротивления.

При неравномерном распределении веса или в случае просадки рельсового пути, например в результате обрыва несущего троса, поперечная устойчивость известного транспортного модуля, величина которой в основном определяется расстоянием между рядами колес, оказывается недостаточной. Повышение устойчивости за счет увеличения расстояния между рядами колес приводит к соответствующему увеличению поперечных размеров кузова транспортного модуля и, как следствие, к ухудшению его аэродинамических характеристик. Увеличение остальных размеров кузова до соотношений, обеспечивающих исходное значение коэффициента аэродинамического сопротивления, приведет, в лучшем случае, к получению прежнего значения динамической устойчивости транспортного модуля на рельсовом пути.

Кроме того, указанные условия движения выдвигают в ряд основных решение задачи по снижению коэффициента аэродинамического сопротивления транспортного модуля, т.к. сопротивление воздуха в суммарном сопротивлении высокоскоростному движению составляет более девяноста процентов. Соответственно, мощность привода транспортного средства и его экономичность на девяносто и более процентов определяются именно аэродинамическими характеристиками кузова модуля.

Форма кузова известного транспортного модуля не обеспечивает получения минимально возможного значения коэффициента аэродинамического сопротивления. Это объясняется тем, что при решенной в нем задаче по оптимальному обтеканию воздухом передней части кузова из-за необходимости соблюдения требований, предъявляемых к габаритной длине транспортного модуля, на задней части его корпуса неизбежно происходит отрыв воздушного потока, вызванный невозможностью устранения скачков градиентов давления. В известном техническом решении не решена также проблема по оптимизации выбора площади лобовой поверхности (миделя) кузова, который так же, как и коэффициент аэродинамического сопротивления, прямым образом влияет на сопротивление воздуха движению транспортного модуля. Кроме того, в известном транспортном модуле колеса размещены по краям кузова под углом к его криволинейным обводам и, соответственно, под углом к обтекающему кузов воздушному потоку, что значительно увеличивает коэффициент аэродинамического сопротивления.

Указанные причины не позволяют оптимизировать показатели транспортного модуля с точки зрения энергетических характеристик.

Заявленный в качестве изобретения высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого направлен на повышение динамической устойчивости и улучшение энергетических показателей за счет снижения потерь, определяемых его аэродинамическими характеристиками.

Указанный результат достигается тем, что высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого содержит корпусную часть, выполненную в форме обтекаемого кузова с сопряженными сферообразной передней, каплеобразной средней и конусообразной задней частями, в котором нижняя поверхность средней части выполнена уплощенной, а также размещенные в корпусной части колеса, установленные в два ряда, и связанный с колесами привод с системой управления, при этом корпусная часть транспортного модуля снабжена двумя дополнительными аналогичной формы кузовами, симметрично закрепленными относительно основного кузова элементами связи, задняя конусообразная часть кузовов выполнена с образующей, имеющей знакопеременную кривизну, а ряды колес размещены в нижней части дополнительных кузовов.

Указанный результат достигается также тем, что длина средней части кузовов и расстояние между рядами колес выбираются из соотношения

где L₁ - длина средней части кузовов между точками линий сопряжения передней и задней частей с нижней уплощенной поверхностью средней части кузовов, м;
L₂ - расстояние между рядами колес, м.

Указанный результат достигается также тем, что длина передней, средней и задней частей кузовов выбирается из условия


где L₃ - длина передней части кузовов от крайней передней точки до точек линии сопряжения передней части с уплощенной нижней поверхностью средней части кузова, м;
L₄ - длина задней части кузовов от крайней задней точки до точек линии сопряжения задней части с уплощенной нижней поверхностью средней части кузова, м.

Указанный результат достигается также тем, что точки линии сопряжения конусообразных поверхностей задних частей кузовов с разными знаками кривизны находятся на расстоянии от линии точек сопряжения средних и задних частей кузовов, выбираемом из условия

где L₅ - расстояние от точек линии сопряжения конусообразных поверхностей задних частей кузова с разными знаками кривизны до точек линии сопряжения средних и задних частей кузовов, м.

Указанный результат достигается также тем, что площади максимального поперечного сечения средней части кузовов и площади максимального поперечного сечения задней части кузовов выбираются из отношения

где S_зад - площадь максимального поперечного сечения задней части кузовов, м²;
S_{ср.макс} - площадь максимального поперечного сечения средней части кузовов, м².

Указанный результат достигается также тем, что сопряжение каплеобразных верхних и уплощенных нижних поверхностей средних частей кузовов осуществляется при условии

где Н₁ - максимальная высота верхних частей кузовов от линии, проходящей через точки кузовов с вертикальным положением касательной, м;
Н₂ - соответствующая высота нижних частей кузовов от линии, проходящей через точки кузовов с вертикальным положением касательной, м.

Указанный результат достигается также тем, что боковые поверхности средних частей кузовов выполнены с отрицательной кривизной.

Указанный результат достигается также тем, что нижняя поверхность средней части корпуса выполнена с отрицательной кривизной.

Указанный результат достигается также тем, что кузова выполнены с различными в поперечном сечении размерами.

Указанный результат достигается также тем, что максимальные поперечные размеры кузовов выбираются из условия

где d₁ - максимальный поперечный размер первого кузова, м;
d₂, d₃ - максимальные поперечные размеры дополнительных кузовов, м.

Указанный результат достигается также тем, что элементы связи между первым и каждым из дополнительных кузовов выполнены в форме двух аэродинамических профилей.

Указанный результат достигается также тем, что элементы связи между первым и каждым из дополнительных кузовов выполнены в форме крыла.

Указанный результат достигается также тем, что элементы связи между первым и каждым из дополнительных кузовов выполнены в форме антикрыла.

Указанный результат достигается также тем, что нижние поверхности первого и дополнительных кузовов расположены в одной горизонтальной плоскости.

Указанный результат достигается также тем, что нижние поверхности первого и дополнительных кузовов расположены в разных горизонтальных плоскостях.

Выполнение корпусной части транспортного модуля, состоящей из трех связанных между собой элементами связи кузовов, при размещении рядов колес в каждом из дополнительных кузовов позволяет, не ухудшая аэродинамических характеристик, повысить его динамическую устойчивость. Расположение рядов колес в вертикальной плоскости симметрии дополнительных кузовов обеспечивает размещение плоскости каждого колеса по направлению воздушного потока, что в значительной степени снижает коэффициент аэродинамического сопротивления. Кроме того, расположение колес в каждом из дополнительных кузовов по оси симметрии позволяет, помимо указанного, увеличить и продольную устойчивость транспортного модуля за счет сдвига места установки колес к передним и задним краям дополнительных кузовов. При неизменной габаритной длине кузова расстояние между передними и задними колесами при их указанном расположении в кузовах может быть увеличено на 10-30%.

Выполнение задней части кузовов транспортного модуля конусообразной формы с образующей, имеющей знакопеременную кривизну, позволяет оптимизировать обтекание кузовов набегающим воздушным потоком. Наличие плавного перехода кривизны образующей задней конусообразной части кузовов от положительного значения к отрицательному, т.е. от выпуклой формы к вогнутой, как показали результаты аэродинамических испытаний, позволяет практически без увеличения габаритной длины задней части кузовов за счет устранения скачков градиента давления значительно снизить их коэффициент аэродинамического сопротивления.

Выбор длины L₁ средней части кузовов и расстояния L₂ между рядами колес исходя из условия

позволяет при оптимизированном с точки зрения аэродинамических характеристик выполнении кузовов транспортного модуля обеспечивать его динамическую устойчивость на рельсовом пути при высокоскоростном, более 300 км/ч, движении.

Уменьшение отношения длины L₁ средней части кузовов к расстоянию L₂ между рядами колес до значения меньше указанного при соблюдении требований по оптимизации аэродинамических характеристик приводит к относительному удлинению передней и задней частей кузовов, размер которых становится соизмеримым с длиной средней части, и, как следствие, к понижению динамической устойчивости. При увеличении значения этого отношения за указанные пределы кузова транспортного модуля вытягиваются в длину, а форма средней части кузовов приближается к цилиндрической, что приводит к увеличению площади боковой поверхности и, соответственно, к увеличению аэродинамического сопротивления.

Выбор размеров передней L₃, средней L₁ и задней L₄ частей кузовов транспортного модуля из условий


позволяет при размещении колес в каждом из оптимизированных по форме дополнительных кузовов транспортного модуля максимально разнести передние и задние колеса, что приводит к повышению его динамической устойчивости на рельсовом пути.

Уменьшение длины L₃ передней части кузовов за границы, определяемые указанным соотношением, не позволяет оптимизировать выбор кривизны их лобовой части с точки зрения уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления и не позволяет эффективно использовать возможность по повышению динамической устойчивости за счет максимально допустимого разноса передних и задних колес при их размещении в кузовах транспортного модуля. Тогда как увеличение длины L₃ за указанные границы приводит к ухудшению аэродинамических характеристик из-за большого отклонения формы передней части кузовов от оптимальной.

Уменьшение длины L₄ задней части кузовов за границы, определяемые указанным соотношением, затрудняет реализовать требования по получению плавного перехода от выпуклой поверхности к вогнутой, т.е. обеспечить отсутствие скачков градиента давления на задней части кузовов, и не позволяет эффективно использовать возможность по повышению динамической устойчивости за счет максимально допустимого разноса передних и задних колес при их размещении в кузовах транспортного модуля. Тогда как увеличение длины L₄ задней части кузовов за указанные границы приводит к понижению динамической устойчивости транспортного модуля из-за рыскания большой консоли задней части кузовов.

Выбор положения точек линии изменения знака кривизны образующей конусообразной поверхности задней части кузовов по отношению к точкам линии сопряжения поверхностей средней и задней части кузовов, удовлетворяющий условию

определяется требованиями, предъявляемыми к задней части кузовов транспортного модуля с точки зрения получения оптимальных аэродинамических характеристик.

Уменьшение расстояния L₅ от точек линии изменения знака кривизны образующей конусообразной поверхности задней части кузовов до точек линии сопряжения поверхностей средней и задней части приведет к возможности срыва воздушного потока за счет большого градиента давления при переходе от средней к задней части кузовов. Тогда как увеличение данного расстояния, за пределы, определяемые указанным соотношением, приведет к снижению динамической устойчивости транспортного модуля из-за рыскания большой консоли задней части кузовов.

Выбор площадей максимального поперечного сечения S_{ср.макс} средней части кузовов и соответствующих площадей максимального поперечного сечения S_задн задней части кузовов, удовлетворяющих условию

определяется требованиями к получению необходимой кривизны поверхности средней части кузовов для их плавного обтекания воздушным потоком. При наличии ограничений на габаритную длину кузовов транспортного модуля указанное условие выполнения кривизны поверхности средней части, как показали аэродинамические испытания, является наиболее оптимальным с точки зрения снижения коэффициента аэродинамического сопротивления.

Выбор площади максимального поперечного сечения S_задн задней части кузовов меньше определяемого указанным выражением приводит к отрыву воздушного потока от кузовов и, соответственно, к ухудшению их аэродинамических характеристик. В случае же выбора площади больше, чем в указанном выражении, ухудшается динамическая устойчивость транспортного модуля из-за рысканья большой консоли задней части кузовов.

Выбор соотношения высот Н₁ и Н₂ при сопряжении каплеобразной верхней и уплощенной нижней поверхностей средней части кузовов из условия

позволяет, как показали аэродинамические испытания, при сохранении оптимизированных значений коэффициента аэродинамического сопротивления реализовать требования к форме кузовов, выдвигаемые с точки зрения эргономики и конкретного предназначения транспортного модуля.

При выполнении боковых поверхностей средней части кузовов транспортного модуля с отрицательной кривизной их вогнутая форма позволяет при оптимизации использования внутреннего объема кузовов уменьшить площадь их фронтальной поверхности (миделя) и, соответственно, силу сопротивления воздуха.

Выполнение нижней поверхности средней части кузовов с отрицательной кривизной позволяет уменьшить максимальную высоту кузовов, не изменяя оптимизированного профиля верхней части кузовов, что приводит к уменьшению максимальной площади поперечного сечения и, соответственно, к снижению лобового и бокового аэродинамического сопротивления. Кроме того, в результате указанного выполнения нижней поверхности средняя часть кузовов будет приподнята над рельсами и путевой структурой, что, как показали испытания, положительно скажется как на снижении коэффициента аэродинамического сопротивления, так и на снижении уровня шума при высоких скоростях движения транспортного модуля.

Выполнение дополнительных кузовов со значительно меньшими поперечными размерами, чем у первого, что может быть оправдано при разделении их функционального назначения, приводит к уменьшению их общего аэродинамического сопротивления.

Выбор максимальных поперечных размеров кузовов транспортного модуля из условия

позволяет при фиксированном расстоянии между рядами колес обеспечить его необходимую динамическую устойчивость и получить оптимальные значения коэффициентов аэродинамического сопротивления при минимальном взаимном влиянии обтекающих кузова воздушных потоков.

При увеличении поперечных размеров кузовов за пределы указанного условия начинает сказываться их влияние друг на друга, выражающееся в появлении воздушных завихрений в промежутке между кузовами, что приводит к увеличению коэффициента аэродинамического сопротивления. Уменьшение поперечных размеров кузовов за пределы указанного условия представляется нецелесообразным, т.к. вызовет затруднения при размещении в них пассажиров и грузов и, кроме того, приведет к относительному увеличению длины элементов связи между кузовами, а следовательно, и к увеличению коэффициента аэродинамического сопротивления.

Соединение каждого из кузовов друг с другом с помощью элементов связи, выполненных в форме двух аэродинамических профилей, позволяет значительно повысить надежность конструкции транспортного модуля и его устойчивость на путевой структуре.

Выполнение элементов связи, установленных между кузовами, в виде крыла позволяет снизить вертикальную нагрузку на колеса транспортного модуля и, соответственно, на путевую структуру, что приводит к возможности понижения их стоимости и повышения долговечности.

Выполнение элементов связи, установленных между кузовами, в виде антикрыла позволяет создать направленную вниз прижимающую силу, увеличивающую сцепление колес с путевой структурой, что, в итоге, обеспечивает достижение более высоких скоростей движения.

В зависимости от конкретного выполнения путевой структуры, предназначенной для перемещения транспортного модуля, нижние поверхности первого и дополнительных кузовов могут быть расположены в одной или в разных горизонтальных плоскостях.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где в проекциях представлены: на фиг.1а, 1б, 1в - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого при среднем и крайних значениях отношений длины средней части кузовов к расстоянию между рядами колес; на фиг.2а, 2б, 2в - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого при среднем и крайних значениях условий выполнения передней и задней частей кузовов; на фиг. 3а, 3б, 3в - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого при различных местах расположения линии, проходящей через точки изменения знака кривизны огибающей конусообразной поверхности задней части кузовов; на фиг.4а, 4б, 4в - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого при среднем и крайних значениях отношений площадей максимального поперечного сечения задней части кузовов к соответствующим площадям максимального поперечного сечения средней части кузовов; на фиг.5а, 5б, 5в - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого при крайних и среднем значениях соотношений максимальных высот при сопряжении каплеобразной верхней и уплощенной нижней поверхности средней части кузовов; на фиг.6 - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого с отрицательной кривизной боковых поверхностей средней части кузовов; на фиг.7 - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого с отрицательной кривизной нижней поверхности средней части кузовов; на фиг.8 - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого с различными в поперечном сечении кузовами; на фиг.9а, 9б, 9в - высокоскоростной транспортный модуль транспортной системы Юницкого при различном взаимном расположении первого и дополнительных кузовов в вертикальной плоскости.

Корпусная часть высокоскоростного транспортного модуля транспортной системы Юницкого состоит (фиг.1а, 1б, 1в) из трех кузовов обтекаемой формы - основного 1 и дополнительных 2 и 3, скрепленных друг с другом элементами связи 4. Кузова 1, 2 и 3 выполнены с сопряженными сферообразной передней 5, каплеобразной средней 6 и конусообразной задней 7 частями. Нижняя поверхность 8 средней части 6 основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов выполнена уплощенной. Для связи с путевой структурой 9 в нижней части дополнительных кузовов 2 и 3 установлено по ряду колес 10. В кузовах также размещены привод 11 с системой управления 12.

Длина L₁ средней 6 части кузовов между точками линий сопряжения поверхностей передней 5 и задней 7 частей кузовов с нижней 8 поверхностью средней части 6 кузовов при выбранном расстоянии L₂ между рядами колес 10, установленных в каждом из дополнительных кузовов 2 и 3, определяется исходя из получения необходимой динамической устойчивости транспортного модуля.

Длины L₃ передней 1 и L₄ задней 7 частей кузовов (фиг.2а, 2б, 2в) определяются исходя из обеспечения динамической устойчивости транспортного модуля и оптимизации значения коэффициента аэродинамического сопротивления.

Задняя 7 конусообразная часть основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов выполнена со знакопеременной кривизной (фиг.3а, 3б, 3в). Переход от выпуклой формы поверхности к вогнутой осуществлен в точках 13 линии, положение которой определяется исходя из требований по оптимизации обтекания кузовов набегающим воздушным потоком при различных режимах эксплуатации и конкретного конструктивного их выполнения.

Площади S_задн максимального поперечного сечения А-А задних частей 7 (фиг. 4а, 4б, 4в) кузовов по отношению к соответствующим площадям S_{ср.макс} максимального поперечного сечениях средних частей 6 кузовов определяют условия оптимального обтекания воздушными потоками основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов модуля при соблюдении требований к динамической устойчивости.

Соотношение максимальных высот Н₁ и Н₂, измеряемых от линии, проходящей через точки 14, 15 основного 1 и точки 14¹, 15¹ и 14¹¹, 15¹¹ дополнительных 2 и 3 кузовов с вертикальным положением касательных к кузовам, выбираемое при сопряжении соответственно каплеобразных верхних и уплощенных нижних средних 6 частей основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов (фиг.5а, 5б, 5в), определяется из требований по минимизации фронтальной поверхности кузовов и требований по оптимизации коэффициента аэродинамического сопротивления, а также с учетом требований с точки зрения эргономики в зависимости от конкретного предназначения транспортного модуля.

Боковые поверхности 16 средней 6 части кузовов 1, 2 и 3 (фиг.6), выполненные с отрицательной кривизной, обеспечивают оптимизированное обтекание кузовов набегающими воздушными потоками.

Нижняя поверхность 8 средней 6 части кузовов 1, 2 и 3 (фиг.7), выполненная с отрицательной кривизной, обеспечивает оптимизацию обтекания кузовов набегающими воздушными потоками и снижает уровень шума.

Выполнение дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля с отличающимися относительно друг друга и относительно основного 1 кузова поперечными размерами (фиг. 8) позволяет оптимизировать аэродинамическое сопротивление транспортного модуля при разделении функционального назначения кузовов.

Значения максимальных поперечных размеров d₁, d₂ и d₃ определяются исходя из условия исключения взаимного влияния обтекающих кузова 1, 2, и 3 воздушных потоков при обеспечении оптимальных значений коэффициентов аэродинамического сопротивления.

Элементы связи 4, закрепляющие дополнительные кузова 2 и 3 относительно основного кузова 1, могут быть выполнены в форме двух аэродинамических профилей (фиг. 1в), при этом в зависимости от конкретных требований элементы связи могут иметь форму крыла (фиг.1б) или антикрыла (фиг.2б).

Движение транспортных модулей в транспортной системе Юницкого осуществляется со скоростями 300 км/ч и выше. При таких значениях скоростей движения основополагающим фактором, оказывающим влияние на энергетические показатели транспортного модуля, является его сопротивление набегающему воздушному потоку, величина которого пропорциональна квадрату скорости движения, площади лобового сопротивления и коэффициенту аэродинамического сопротивления.

При движении транспортного модуля, корпусная часть которого состоит из связанных между собой элементами связи 4 основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов 1, 2 и 3, набегающий воздушный поток равномерно, без отрывов, обтекает сопряженные переднюю сферообразную 5 и среднюю каплеобразную 6 части кузовов (фиг. 1а, 1б, 1в). При сходе воздушного потока с задней 7 конусообразной части кузовов за счет выполнения ее образующей со знакопеременной кривизной обеспечивается плавное, без скачков градиента, изменение давления. Это позволяет избежать отрывов воздушного потока от кузовов 1, 2 и 3 и, соответственно, улучшить коэффициент аэродинамического сопротивления транспортного модуля. При обтекании воздушным потоком колес 10, установленных в корпусных нишах и расположенных в вертикальной плоскости симметрии дополнительных кузовов 2 и 3, основное влияние на аэродинамическое сопротивление будет оказывать только их выступающая за пределы кузовов часть. Однако влияние этой выступающей части колес 10 минимизировано за счет расположения плоскости вращения колес по направлению движения обтекающих кузова 2 и 3 воздушных потоков. Увеличенная опорная база в направлении движения транспортного модуля, получаемая за счет сдвига места установки колес 10 к передним и задним краям дополнительных кузовов 2 и 3, обеспечивает значительное повышение динамической устойчивости транспортного модуля.

Требования к повышению динамической устойчивости при выбранной форме построения корпусной части транспортного модуля накладывают определенные условия на соотношения размеров элементов кузовов.

Так, при выбранном расстоянии L₂ между рядами колес 10, связанными с рельсами путевой структуры 9, выбор длины L₁ средней 6 части кузовов между точками линий сопряжения поверхностей передней 5 и задней 7 частей кузовов с нижней поверхностью 8 средней 6 части кузовов должен осуществляться из условия

Оптимальное значение отношения L₁/L₂=2,5 (фиг.1а) позволяет при движении транспортного модуля достаточно просто обеспечить необходимое значение его динамической устойчивости при выбранной форме кузовов.

При выполнении основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля со значением отношения, меньшим, чем L₁/L₂=1 (фиг.1б), возникают чисто конструктивные трудности по реализации формы кузовов, обеспечивающей плавное обтекание их набегающим воздушным потоком с одновременным обеспечением динамической устойчивости, т.к. требования к оптимальному с точки зрения коэффициента аэродинамического сопротивления выполнению кузовов приводит к относительному удлинению передних и задних их частей и, соответственно, к понижению динамической устойчивости транспортного модуля.

В случае выполнения основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля со значением отношения, большим, чем L₁/L₂=10 (фиг.1в), с учетом ограничений на их поперечные размеры при движении с большими скоростями значительную роль начинает играть вырождение средней 6 части кузовов в цилиндр, что приводит к увеличению площади боковой поверхности и, соответственно, к увеличению аэродинамического сопротивления.

Большое влияние на коэффициент аэродинамического сопротивления транспортного модуля и, соответственно, на потери, возникающие при указанных скоростях движения, оказывают плавность сопряжения передней 5, средней 6 и задней 7 частей основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов (фиг.2а, 2б, 2в), а также выступающие части конструкции, в частности колеса 10, связывающие кузова с путевой структурой 9.

Для решения задачи по плавному сопряжению сферообразной передней 5, каплеобразной средней 6 и конусообразной задней 7 частей основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов при уже реализованных с точки зрения оптимизации коэффициента аэродинамического сопротивления требованиях к их форме возникает необходимость в определенном выборе размеров L₃ и L₄ соответственно передней 5 и задней 7 частей кузовов.

Так расстояние L₃ от крайней передней точки основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов до точек линии сопряжения поверхности передней 5 части с нижней 8 уплощенной поверхностью средней 6 части кузовов и расстояние L₄ от крайней задней точки кузовов до точек линии сопряжения поверхности задней 7 части с уплощенной нижней 8 поверхностью средней 6 части кузовов по отношению к длине L₁ средней 6 части должны выбираться соответственно из условий


Средние значения отношений L₃/L₁=0,3 и L₄/L₁=0,4 (фиг.2а) позволяют без особых трудностей обеспечить построение кузовов транспортного модуля с необходимыми аэродинамическими обводами.

При выполнении основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля со значениями отношений меньше, чем L₃/L₁=0,1 (фиг.2б) и L₄/L₁=0,2 (фиг. 2в), возникают конструктивные сложности по обеспечению плавного сопряжения передней 5, задней 7 и средней 6 частей кузовов при условии соблюдения требований к их форме с точки зрения оптимизации аэродинамических характеристик транспортного модуля.

В случае выполнения основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля со значениями отношений больше, чем L₃/L₁=0,5 (фиг.2в) и L₄/L₁= 0,75 (фиг. 2б), ухудшается динамическая устойчивость транспортного модуля из-за рыскания большой консоли передней 5 и задней 7 частей кузовов.

При сходе воздушного потока с задней 7 части основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов на аэродинамические характеристики транспортного модуля при его движении с высокой скоростью по путевой структуре значительное влияние оказывает расстояние L₅ (фиг.3а, 3б, 3в), на котором расположены точки 13 линии изменения знака кривизны огибающей конусообразной задней 7 части основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов от точек линии сопряжения поверхностей средней 6 и задней 7 частей кузовов. Так, при фиксированных габаритной длине транспортного модуля и, соответственно, размере L₁ средней 6 части кузовов положение точек 13 на задней 7 части основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов, через которые проходит указанная линия, определяется условием

При среднем значении отношения L₅/L₁= 0,3 (фиг.3а) достаточно просто реализовать требования по обеспечению плавного схода воздушного потока с задней 7 части основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов и разумного выбора длины самой задней 7 части, влияющей на динамическую устойчивость транспортного модуля на путевой структуре 9.

При выполнении основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля со значениями соотношений меньше, чем L₅/L₁=0,05 (фиг.3б), становится реальным срыв воздушного потока при переходе от средней 6 части кузовов к их задней 7 части.

В случае выполнения основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля со значениями отношений больше, чем L₅/L₁=0,5 (фиг.3в), при соблюдении требований к форме задней 7 части с точки зрения оптимизации аэродинамических характеристик ухудшается динамическая устойчивость транспортного модуля из-за рысканья большой консоли задней 7 части кузовов.

Большое значение на аэродинамические характеристики транспортного модуля при его высокоскоростном движении оказывает величина кривизны верхней каплеобразной поверхности средней 6 части основного и дополнительных 2 и 3 кузовов (фиг.4а, 4б, 4в).

Наиболее оптимальным для получения высоких аэродинамических характеристик, соответствующих каплеобразному профилю, при наличии ограничений на габаритную длину транспортного модуля является условие, когда

При выполнении основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов со значением отношения S_зад/S_{ср.макс}=0,5 (фиг.4а) удается достаточно просто получить оптимальное значение коэффициента аэродинамического сопротивления, учитывая ограничения на габаритную длину транспортного модуля.

В случае выбора значения отношения больше, чем S_зад/S_{сред.макс}=0,75 (фиг. 4б), для обеспечения плавного схода воздушного потока возникает необходимость в удлинении задней 7 части кузовов, что понижает динамическую устойчивость транспортного модуля из-за рысканья большой консоли задней 7 части.

При выполнении основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля с отношением меньше S_зад/S_{ср.макс}=0,2 (фиг.4в) возникают причины для отрыва воздушного потока.

В зависимости от конкретного предназначения и областей использования высокоскоростной транспортный модуль может иметь различное соотношение максимальных высот Н₁ верхней части основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов и соответствующих им высот Н₂ нижней части основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов от линии, проходящей через точки 14 и 15, 14¹ и 15¹, 14¹¹ и 15¹¹ кузовов с вертикальным положением касательной (фиг.5а, 5б, 5в).

Учитывая, что реально высокоскоростной транспортный модуль может использоваться как для пассажирских перевозок, так и для перевозок грузов различной плотности, указанное отношение определяется условием
.

Одним из оптимальных условий для выполнения основного кузова транспортного модуля, предназначенного для пассажирских перевозок, представляется Н₂/Н₁= 0,5 (фиг. 5а). При этом условии достаточно легко регулируются требования, предъявляемые к транспортному модулю с точки зрения эргономики и получения оптимального значения коэффициента аэродинамического сопротивления.

Выполнение основного кузова транспортного модуля, например, для перевозки грузов большой плотности с отношением меньше Н₂/Н₁=0,1 (фиг.5б) представляется нецелесообразным из-за значительного отклонения от формы, обладающей наименьшим коэффициентом аэродинамического сопротивления.

Выбор значений отношения больше Н₂/Н₁=0,9 (фиг.5в) отрицательно сказывается на требованиях, предъявляемых с точки зрения эргономики.

На величину сопротивления воздуха движению транспортного модуля, наряду с коэффициентом аэродинамического сопротивления, большое значение оказывает и площадь его лобовой поверхности (мидель).

Для уменьшения площади лобовой поверхности и, соответственно, улучшения аэродинамических характеристик боковые поверхности 16 средней 6 части основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов (фиг.6) выполняются с отрицательной кривизной, что одновременно позволяет оптимизировать использование внутреннего объема кузовов транспортного модуля.

Снижению максимальной площади поперечного сечения и, соответственно, высоты основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов, бокового и, частично, лобового аэродинамического сопротивления способствует также выполнение нижней 8 поверхности кузовов с отрицательной кривизной (фиг.7), т.е. приподнятой над путевой структурой. Вогнутая форма нижней поверхности 8 средней части 6 кузовов при движении транспортного модуля приводит также, как показали аэродинамические испытания, к улучшению коэффициента аэродинамического сопротивления и к снижению уровня шума при высоких скоростях движения транспортного модуля.

При функциональном разделении назначения кузовов транспортного модуля, например при размещении привода 11 с запасом топлива и части системы управления 12 в дополнительных 2 и 3 кузовах, а пассажиров - в основном 1 кузове (фиг. 8), появляется возможность за счет уменьшения поперечных размеров дополнительных 2 и 3 кузовов уменьшить суммарное аэродинамическое сопротивление транспортного модуля.

Кроме того, выполнение дополнительных 2 и 3 кузовов транспортного модуля с отличающимися относительно друг друга и относительно основного 1 кузова поперечными размерами позволяет оптимизировать аэродинамическое сопротивление транспортного модуля при разделении функционального назначения кузовов.

Максимальные поперечные размеры d₁, d₂ и d₃ основного 1 и дополнительных 2 и 3 кузовов (фиг.8), выбранные из условия

обеспечивают устранение взаимного влияния обтекающих кузова воздушных потоков, что необходимо для сохранения присущих каждому из кузовов коэффициентов аэродинамического сопротивления.

Для повышения надежности элементы связи 4 между основным 1 и дополнительными 2 и 3 кузовами могут быть выполнены в форме двух аэродинамических профилей (фиг.1в).

Для решения задачи по обеспечению надежного сцепления колес 10 с путевой структурой 9 при высокоскоростном движении транспортного модуля элемент связи 4 межу основным 1 и дополнительными 2 и 3 кузовами (фиг.2б) может быть выполнен в форме антикрыла, обеспечивающего направленную вниз прижимную силу.

В случае предназначения транспортного модуля для перевозки грузов элемент связи 4 между основным 1 и дополнительными 2 и 3 кузовами (фиг.1б) может быть выполнен в форме крыла, что позволит снизить вертикальную нагрузку на колеса 10 и путевую структуру 9 и, как следствие, понизить их стоимость и увеличить долговечность.

Исходя из конкретных требований, определяемых областью использования и условиями эксплуатации, взаимное расположение основного 1 и дополнительных кузовов 2 и 3 относительно друг друга по вертикали может принимать различные формы. Так, например, нижние поверхности кузовов могут быть расположены в одной горизонтальной плоскости (фиг.9а). Возможно расположение нижних поверхностей дополнительных кузовов 2 и 3 в горизонтальной плоскости, лежащей ниже (фиг.9б) или выше (фиг.9в) нижней поверхности основного кузова 1.

Использование изобретения позволит значительно повысить динамическую устойчивость и улучшить аэродинамические характеристики высокоскоростного транспортного модуля, используемого в транспортной системе Юницкого, что, в итоге, повысит эксплуатационные и экономические показатели транспортной системы.

Изобретение относится к транспортному машиностроению и предназначено для использования при построении транспортных средств с высокими аэродинамическими характеристиками. Высокоскоростной транспортный модуль содержит три аналогичных скрепленных элементами связи кузова обтекаемой формы с сопряженными сферообразной передней, каплеобразной средней и конусообразной задней частями. При этом задняя конусообразная часть кузовов выполнена с образующей знакопеременной кривизны. Для снижения коэффициента аэродинамического сопротивления и повышения динамической устойчивости предлагаются определенные соотношения размеров элементов кузовов и формы их выполнения. Модуль позволяет при повышенной динамической устойчивости улучшить энергетические показатели транспортной системы. 11 з.п.ф-лы, 21 ил.

1. Высокоскоростной транспортный модуль, содержащий кузов обтекаемой формы с плавно сопряженными между собой сферообразной передней, каплеобразной средней с уплощенной нижней поверхностью и конусообразной задней частями, а также установленные в нижней части кузова колеса, отличающийся тем, что задняя часть кузова выполнена по образующей, имеющей знакопеременную кривизну, и при соотношениях длин передней, средней и задней частей кузова, не выходящих за пределы
0,1≤L₃/L₁≤0,5,
0,2≤L₄/L₁≤0,75,
линия сопряжения поверхностей различной кривизны находится от линии сопряжения средней и задней частей кузова на расстоянии, ограниченном соотношением
0,05≤L₅/L₁≤0,5,
где L₁ - длина средней части кузова между линиями сопряжения передней и задней частей с уплощенной нижней поверхностью средней части кузова, м;
L₃ - длина передней части кузова от крайней передней точки кузова до линии сопряжения передней части с уплощенной нижней поверхностью средней части кузова, м;
L₄ - длина задней части кузова от крайней задней точки кузова до линии сопряжения задней части с уплощенной нижней поверхностью средней части кузова, м;
L₅ - расстояние от линии сопряжения поверхностей противоположной кривизны задней части кузова до линии сопряжения средней и задней частей кузова, м,
при этом транспортный модуль снабжен двумя дополнительными кузовами, аналогичными основному по форме и закрепленными симметрично относительно него элементами связи. 2. Транспортный модуль по п. 1, отличающийся тем, что длина L₁ средней части кузова и расстояние L₂ (м) между рядами колес связаны соотношением
1≤L₁/L₂≤10. 3. Транспортный модуль по п. 1 или 2, отличающийся тем, что площадь максимального поперечного сечения средней части кузова и площадь максимального поперечного сечения задней части кузова связаны соотношением:
0,2≤S_задн/S_ср≤0,75,
где S_задн - площадь максимального поперечного сечения задней части кузова, м²;
S_cp - площадь максимального поперечного сечения средней части кузова, м². 4. Транспортный модуль по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что сопряжение каплеобразной верхней и уплощенной нижней поверхностей средней части кузова осуществляется при условии
0,1≤H₂/H₁≤0,9,
где H₁ - максимальная высота верхней части кузова от линии, проходящей через точки кузова с вертикальным положением касательной, м;
Н₂ - соответствующая высота нижней части кузова от линии, проходящей через точки кузова с вертикальным положением касательной, м. 5. Транспортный модуль по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что боковые поверхности средней части кузова выполнены с отрицательной кривизной. 6. Транспортный модуль по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что нижняя поверхность средней части кузова выполнена с отрицательной кривизной. 7. Транспортный модуль по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что кузова выполнены с различными в поперечном сечении размерами. 8. Транспортный модуль по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что максимальные поперечные размеры кузовов связаны соотношением

где d₁ - максимальный поперечный размер основного кузова, м;
d₂ и d₃ - максимальные поперечные размеры дополнительных кузовов, м. 9. Транспортный модуль по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что элементы связи между основным и каждым из дополнительных кузовов выполнены в виде двух аэродинамических профилей. 10. Транспортный модуль по п. 9, отличающийся тем, что элементы связи между основным и каждым из дополнительных кузовов выполнены в форме крыла или антикрыла. 11. Транспортный модуль по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что нижние поверхности основного и дополнительных кузовов расположены в одной горизонтальной плоскости. 12. Транспортный модуль по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что нижние поверхности основного и дополнительных кузовов расположены в разных горизонтальных плоскостях.