CN101384443A - 轻型陆地车辆 - Google Patents

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CN101384443A
CN101384443A CNA2007800054103A CN200780005410A CN101384443A CN 101384443 A CN101384443 A CN 101384443A CN A2007800054103 A CNA2007800054103 A CN A2007800054103A CN 200780005410 A CN200780005410 A CN 200780005410A CN 101384443 A CN101384443 A CN 101384443A
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CN
China
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vehicle
wheel
suspension
unit
frame
Prior art date
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Pending
Application number
CNA2007800054103A
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English (en)
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罗伯特·J·伯克
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ITS Bus Inc
Original Assignee
ITS Bus Inc
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Abstract

本发明提供主要由商用成品的(COTS)零件制造的各种型式和尺寸的轻型轮式陆地车辆，其使用可替代的悬架，例如摆臂。一个实施例提供一种采用单元式车身设计的运输车辆，该车辆由不同数量的基本上相同的单元构成，它们首尾相连组成具有不同尺寸和定员的车辆。其它实施例包括轻型乘用车，例如轿车，用COTS零件制造，包括能提供大垂直车轮位移的独立悬架。一个实施例提供一种轿车型车辆，其具有横滚安全笼车架、和轻型的外骨架式外车架，车架位于诸如三轮或四轮结构的多轮结构中。车身板能迅速轻易地连接到管式车架结构上，并且很容易拆卸和移动，并且易于更换。自行车具有电动的踏板助推器单元。另外，气动踏板助推器减少峰值能量需求并延长电池寿命。

Description

轻型陆地车辆
技术领域
概括地说，本发明涉及轮式运输工具领域。特别是，本发明涉及轻型、廉价的陆地车辆。
背景技术
从二十世纪中期开始，人口在不断增加，同时大量人口持续从小城镇迁移到城市中心区，使得美国很多大城市出现了高速公路拥挤和城市扩张。越来越多的看法认为最受青睐的运输方式即私人汽车增加了环境负担，反而会影响生活质量。因此，这些因素造成有效的城市公共运输的方式获得了优先考虑。向城市公共运输提供有效车辆和系统作为新重点的一个确定信号是对城市公共汽车快速增长的需求。仅仅在美国，目前的资本储备包括至少五万五千辆单独的车辆；且每年购买新公共汽车的费用远远超过十亿美元。新购买的车辆数量每年以大约百分之十到十五的速度递增。虽然大部分增长的需求来自公营部门，但是在私营部门中也需要高效、低成本的公共汽车；例如，点对点穿梭、观光、教育、市内运输和娱乐。
随着对公共汽车需求的增加，对车辆本身也出现更高的要求，尤其是来自于公营部门购买者和管理者，这就要求公共汽车设计能够减少公营部门的路面养护和修理、扩充街道和高速公路和停车成本；同时，还要改善与噪声污染、空气污染、通勤时间过长相关的社会成本，还要改善无障碍设施。
即使政府对新公共汽车技术发展给予了大量补贴，但是传统的公共汽车技术很难有显著的改进。基本上，将新材料和替代能源整合在一起的尝试还不足以满足城市运输管理者和乘客的预期，也无法显著地降低运营成本以及最初的购买成本。然而，逐渐减少的石油储量以及对温室效应逐渐增加的担心形成了新的紧迫感。现有技术揭示了许多尝试以提高公共汽车的工艺性、减少车辆自重、增加操纵性和安全性、提高乘坐舒适性以及提高燃油效率。
下面，说明几种使用模块结构技术的城市公交车。例如，V Belik、BKurach、Y Trach的美国专利US4469369(1984年9月4日)“Module element of citybus or like vehicle and bus assembled on the basis of such module elements”描述了一种用于城市公共汽车的模块元件，其自身由底盘单元、车门部件、和窗户部件所制造。模块可以是左向或右向的。根据要作为驱动单元还是转向单元，提供不同版本的底盘单元。该模块和前后元件以及不同数量的中间部件组装在一起，以提供不同尺寸和定员的公共汽车。
H 的美国专利US4596192(1986年6月24日)“Universal vehicle systemfor the public local trafficc”描述了一种用于市内公共乘客运输的车辆系统，其中，不同的车辆组件组装起来形成不同尺寸和定员的车辆。该车辆仅适用于有履带的车辆、可能用于带有或不带有履带的车辆、以及可能仅用于不带有履带的车辆。
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Figure A200780005410D0006163100QIETU
、H Eklund、J Pettersson的PCT申请SE94/01108(1993年11月24日)“Chassis for a bus”描述了一种公共汽车底盘，其中不同的前端模块很容易由不同的前轮模块和驾驶室模块结合产生，这样驾驶室的高度根据公共汽车其余部分的高度而变化。
然而，上述例子都没有考虑使用非常规悬架系统(允许使用复合建筑材料和轻质零件)来加强行驶性能并降低载荷需求。它们也没有考虑通过提出诸如全轮驱动和全轮转向的特征、或诸如混合动力系统的替代能源策略、或不同车辆子系统的微处理器控制提高车辆操纵性和操纵性。
D Quattrini和A Carlo的欧洲专利申请EP90202043(1989年8月11日)“Electrically powered urban public transport vehicle with a floor at a reducedheight”描述了一种城市公共运输车辆，其具有高于地面的、高度很低的乘客舱，车轮接近前端和后端区域。每个轮轴都具有自己的驱动电机，提供全轮驱动，在恶劣天气和道路条件下允许最佳牵引力。另外，还包括全轮转向以在有限空间内加强操纵性。但是，Quadratttini等人没有想到使用混合动力系统或减少载荷需求的非常规悬架(允许用复合材料结构和轻质成品零件构建车辆)。而且，他们没有考虑单元式车身结构。
鹿特丹市政府在“Manufacturing and implementation of a lightweight hybridbus”(参见www.eltis.org/data/101e.htm)中描述了整合了模块化的轻质车身系统的公共汽车，使得使用相同的制造系统制造不同尺寸车辆，大大减轻了重量并具有混合牵引力。但其中并没有提到结构中哪些特性用于减轻重量，也没有提及涉及诸如全轮驱动、全轮转向、改良悬架、或车辆子系统的微处理器控制的特征。
L Woods、J Hamilton的美国专利US4468739(1984年8月28日)“Computeroptimized adaptive suspension system having combined shock absorber/air springunit”和L Woods、J Hamilton的美国专利US4634142(1987年1月6日)“Computeroptimized adaptive suspension system”描述了一种车辆悬架系统，其中计算机控制阻尼力和弹簧力，以在较宽范围的行驶条件下优化行驶和操纵性能。虽然通过给控制器编程可以实现不同的悬架性能，但是没有证据显示所述悬架系统结合了减少车架承载要求的特征，使得车辆能够以轻质、成品的汽车或轻型卡车零件制成。而且，所述悬架没有提供相对于路面调整车辆高度的装置。而且也没有提出该悬架适用于城市公共运输车辆。
P Eisen的美国专利US5137292(1992年8月11日)“All-wheel steering formotor vehicles”描述了一种全轮转向结构，其在前后轮轴之间具有联轴器。但没有说明所述结构适用于双轴车辆之外的任何其他车辆。更重要的是，该转向系统是一个简单的机械系统。也没有说明在多轴车辆中微处理器或控制器单独控制每个轮轴。
因此，需要一种城市运输车辆，其：
买得起并且容易制造；
重量轻；
具有高度操纵性；
提供良好的乘坐舒适性；
节能；以及
使公共汽车所产生的空气和噪音污染最小化甚至消除。
提供一种单元式车身结构将是显著的技术进步，其中车辆是用相同组件或单元制造，一个单元包括乘客舱、相连的地板、侧壁、车顶、带有传动系的轮轴、车轮、悬架、转向和制动器。仅仅通过将所需数量的单元＂螺栓连接＂制造不同尺寸的车辆是有益的，其很容易允许制造具有任意数量均匀间隔的轮轴的车辆。最好提供一种悬架，其中每个车轮具有自己的独立悬架，从而提供大大改进的乘坐平顺性。在车架上配置悬架以允许减少的载荷是有益的，使得用轻质、成品零件和轻质材料制造车辆。给车辆装有节能、混合燃料系统是非常有益的，这样大大降低或消除对日益减少且破坏环境的石油燃料的依赖。最好也使车辆配备全轮转向，因而允许大大减小转向半径并使得车辆在市内交通以及狭窄的、住宅区街道中易于操纵。提供一种综合控制转向、悬架、制动和动力系统的高级控制系统是有益的。
发明概述
考虑到上述需求，本发明提供一种采用单元式车身设计的轻型、高操纵性的陆地车辆，其中该车辆由不同数量的基本相同的单元构成，它们首尾相连固定组装起来以制造不同尺寸和定员的车辆。每个单元包括乘客舱、相连的地板、侧壁、车顶；带有传动系的轮轴、车轮、悬架、转向和制动器。单元本身部分是用耐用、轻质材料(例如复合或先进的钢材)制造，大大减轻了完工车辆的重量，使得基本上提高燃料经济性且大大减少了在道路上的磨损。本发明的车辆具有多轴结构，每个单元具有轮轴以致典型的车辆具有至少三个轮轴，优选地均匀间隔。多轴悬架提供连接到每个车轴每端车轮上的独立悬架。
提供多对悬架，例如加长摆臂(优选地紧密并且均匀间隔)以减少车身的载荷要求，允许使用轻质成品零件，例如用于轻型卡车和SUV的零件，从而进一步减少车辆必须的重量，并实质上降低制造和修理成本。
全轮转向系统提供车辆良好的操纵性，还允许车辆以以前不能采用的方式操纵，例如在困境中(tight spots)停车时的侧向模式，或者原地转动模式(pivot mode)。通过基于微处理器的命令与控制系统调节转向系统，以及悬架、动力和制动系统。
混合动力系统将替代电动机的燃料发动机和全轮驱动与储存在多个蓄电池中主要能量结合起来。
本发明的其它实施例提供各种类型和尺寸的陆地车辆，其主要由商用成品零件整合另一种独立悬架(例如摆臂悬架)而构成。一个实施例提供一种采用单元式车身设计的运输车辆，其中该车辆由多个基本上相同的单元构成，它们首尾相连组装成具有不同尺寸和定员的车辆。每个单元包括乘客舱、相连的地板、侧壁、车顶；带有传动系的轮轴、车轮、悬架、转向和制动器。
本发明的其它实施例包括轻型乘用车(例如轿车)，它们也由商用成品零件制造，包括独立悬架系统(例如摆臂悬架)。一个实施例提供轿车型车辆，其具有横滚安全笼(roll-cage)车架，和轻质外骨架型(exo-skeleton)的外车架。本实施例用于各种车轮结构中，例如三轮或四轮结构。车身板迅速且容易地连接到管式车架结构上，并且也易于拆卸和移动及便于更换。
附图说明
图1示出根据本发明的具有不同尺寸的城市公共运输车辆；
图2是图1中城市公共运输车辆的分解图，由根据本发明的多个单元构造而成；
图3是图1中城市公共运输车辆车身的骨架图，示出根据本发明的车架；
图4示出根据本发明的、装有座椅和活动顶蓬的图3中的车身。
图5示出通过将不同数量的根据本发明的相同车身单元结合的不同尺寸的车辆的组装方法；
图6示出根据本发明通过提供图1所示的刚性、多轴城市公共运输车辆中的独立、计算机控制的悬架所获得的乘坐质量的有益效果；
图7是根据本发明的、用于一个车轮的独立悬架及其相连部件的示意图；
图8是根据本发明的、使用独立悬架的车辆结构的示意图；
图9是侧视图，示出将图8中的悬架装配成整个车辆结构；
图10示出根据本发明的、图7中的悬架的高度调节器；
图11示出根据本发明的、图7中悬架中的快速反应、刚性可变的空气弹簧；
图12示出根据本发明的、图7中的悬架的点制动(drop-stop)主动减震器；
图13是根据本发明的城市公共运输车辆的平面图，该车辆分别在侧向模式、原地转动模式和轨道模式下装备了全轮转向；
图14是根据本发明的带有全轮转向系统的车辆的侧视图；
图15示出根据本发明的用于图14所示车辆的转向控制界面；
图16是根据本发明的图14的转向系统的控制传感器的示意图；
图17是示意图，示出将操作者界面连接到根据本发明的转向控制传感器上；
图18示出根据本发明、带有安装在车轮上的转向致动器的轮轴；
图19示出根据本发明用于图1所示的城市公共运输车辆上的动力装置；
图20示出根据本发明用于图1所示的城市公共运输车辆上的蓄电池组；
图21示出根据本发明的多个城市公共运输车辆首尾相连形成一辆列车；
图22示出如图10—6所示的具有摆臂悬架的运输车辆；
图23示出根据本发明所述、图22中的车辆中采用的前置定位臂悬架；
图24示出摆臂悬架所受力和力矩的图解；
图25是示意图，其中图23的悬架的三个主要垂直位置彼此重合；
图26是示意图，其中图23的悬架的三个主要垂直位置彼此分开；
图27是示意图，示出可以转向，并且车轮能够在垂直方向上具有很大位移的直列悬架；
图28示出根据本发明的轻型陆地车辆；
图29示出根据本发明的图18中的车辆所采用的横滚安全笼车架；
图30是图28中车辆的侧剖图，示出根据本发明的悬架与车轮的连接；
图31示出构成根据本发明的图30中的车架的壁板的剖视图；
图32示出根据本发明的图30中的车辆的俯视图；
图33示出根据本发明的图31中的壁板的后视图；
图34—39示出各种车身零件、门窗与根据本发明的图28的车架连接；
图40是侧面剖视图，示出根据本发明的图29中的四轮与三轮实施例的比较；
图41示出根据本发明的单座电动三轮车；
图42示出根据本发明所述的带有气动踏板辅助单元的自行车；
图43示出根据本发明的气动踏板辅助单元的第二实施例；
图44示出带有根据本发明的电动轮式电机和气动踏板辅助单元的自行车车架。
发明详细说明
现在的都市运输是有问题的。随着人口持续增长，汽车运输变得越来越难以维系。高速公路的修建和养护成本、以及诸如通勤时间过长、空气污染和石油储量缩小等其他问题使得公共交通越来越引人注意。令人遗憾的是，由于根据汽车运输的土地使用决策及其伴生的经济学问题—具有代表性的是低密度市郊住宅的发展、不断扩散的低层建筑商业性开发以及分散发展都无法发展公共交通方案，因此很难找到有效的解决办法。在一定程度上，由于诸如不愿使用公共交通的社会因素以及该手段(medium)自身的问题，所以公共汽车及其相关运输系统并没有显著增加使用公共交通的人口比例。
本发明提供一种方案，能根本上改变公共汽车运输的经济情况和解决起到限制作用的许多社会因素。现参照附图1a—d，示出城市公共运输车辆具有许多优点：
●单元式车身结构，允许使用相同部件制造具有不同尺寸和定员的车辆。驱动电机、悬架、控制系统发动机和发电机，事实上每个组件，对于小型公共汽车和大型公共汽车来说都是相同的，从而减少零件库存、机械师和操作者的培训和修理时间。
●多个独立悬架，减少了车架的承载需求，以便可减少车辆的总重量；而且也降低每个悬架的载荷需求，允许用成品的汽车或轻型卡车零件制造车辆；并大大稳定车辆的操纵特性。
●计算机控制的制动和悬架系统，允许豪华客车的乘坐舒适性，而没有传统公共汽车的前后震动和摆动。
●混合动力系统，将替代发电机的燃料发动机和全轮转向电驱动与存储在化学电池中的主要能量以及再生制动能量结合起来以恢复动能。随着重量的大幅减少，动力系统显著地改善了燃油经济性，而且不再需要庞大的变速装置，并提供改善的驱动特性。
●使用轻质材料的结构，维护费用更少，车辆使用寿命更长，并允许使用更先进的承载设计和更低成本的制造技术。材料可以是复合材料，或可以是先进的轻质金属产品。
●改进了重量/定员，改进了车辆结构，使得40—50人公共汽车的有效负载与空车重量比从大约60％提高到最大容许载重量的大约150％，并提供很高的燃油效率。
●计算机调节的全轮转向，使得大大减小转向半径以及＂侧向＂和＂原地转动＂转向。
●灵活的座位配置，允许操作者轻易地增加或减少乘客座位定额和结构。
●可选择地给客舱内部设置多个门，提供欧洲火车客舱感觉以及快速进入、就座和离开。
●低地板，带有多个与路缘相平步入的门，超过ADA标准。
●可选择的轿车品质内饰。
如图1所示，提供具有不同尺寸和定员的车辆。图1a示出具有五轴的车辆；图1b示出四轴车辆；图1c示出三轴车辆；及图1d示出六轴车辆。如上所述，车辆的车身至少部分由复合材料制造，例如玻璃纤维、石墨/环氧基或金属基复合材料。通过用轻质材料(例如复合材料和先进的金属产品)替代传统材料，就可以节约重量和能量、减少零件数量和装配成本，并达到传统材料所达不到的结构要求。
图2是本发明的分解图，示出由基本上相同的单元制造的车辆结构。本发明的主要特征是由特定数量的单元制造的特定长度的公共汽车。因此提供了四个乘客舱201，相当于四个单元。如所示，改良末端乘客舱以提供前部和后部单元。示出四个表面单元202和四个地板部件203。示出五个车轴204，其每个端部都连有车轮。因此，一个单元有两个车轴，而其它单元有一个车轴。通常，尽管末端单元204具有两个车轴，但前部单元可以轻易地具有两个车轴，但是为了说明的目的，分别示出单元的不同组件。然而，在实际操作中，一个单元包括乘客舱、相连的地板、侧壁、车顶；带有传动系的车轴、车轮、悬架、转向和制动组件，所有这些部件预先装配成单独单元。如图5所示，车辆的构造基本上包括将所需数量的单元固定在一起以制造所需长度和定员的车辆。因此，图5a示出具有三个单元的车辆，而图5b示出将一个单元增加到三单元车辆上，形成图5c所示的四单元车辆。使用固定件(例如螺钉或铆钉)或使用粘结剂连接该单元。在本发明优选实施例中，该单元是永久地固定起来形成固定尺寸的刚性车辆。然而，单元可拆卸地连接起来从而可以改变车辆配置的实施例是可能的。
图3是没有车轴和车轮的组装车辆300的示图，除去其表面的部分以显示车架。在本发明的优选实施例中提供轻质车架。车架材料可以是复合材料、或轻质金属产品，例如铝。如上所述，在车轴之间以很窄的间隔提供多个独立悬架，给车身提供分散的支撑，大大减少了车架负载需求并允许车架重量大大减小。需要注意的是，车架是连接到单个单元上，以便通过将四个单元用螺栓连在一起而实现图3所示的车架。
图4示出带有表面活动顶蓬401的组装车身。其他没有活动顶蓬的固体车顶的实施例也是可能的。车辆400也装有乘客座椅402。如上所述，乘客座椅是高度配置的，因此座位数量很容易增加或减少。最小的公共汽车可以有14—20个座位，而大型公共汽车可以有45—55个座位。座位可以采用传统的中心通道结构，或者采用乘客舱部件与中心通道部件结合的形式。如上所述，轿车品质的内饰使得提供良好的乘坐舒适性，包括单个座位、隔音车身及车架和保温、以及乘客舱座位的选择。
悬架
现在参考图6，图6a示出具有五个车轴的车辆的侧视图，其中每个车轮603通过相连的独立悬架连接到相应的车轴上。定位多个独立悬架使得两个相邻悬架间的间隔(如箭头602所示)大大减少。与具有双轴或串联车轴结构的传统公共汽车相比，本设置具有很多重要的优点。紧密且均匀隔开的悬架在车辆整个长度上给车身提供均匀分布的支撑，如箭头601所示，这跟传统公共汽车中所采用的仅仅在任一端提供支撑恰恰相反。这种分布式支撑是提供良好的乘坐稳定性的重要因素。因此，当车辆遇到路面下沉605的时候，均匀隔开的悬架(与车辆刚性结构连接)将车轮604处的载荷传递给其余车轮，以便车辆通过下沉的时候保持水平，而消除公共汽车通过公路下沉的时候通常产生的＂前后震动＂。此外，新型的主动悬架元件(包括将单个车轮相对于车身上下移动的高度调节器、快速改变刚性的空气弹簧、和能防止车轮落入路上凹坑(例如)的减震器)使得当车辆遇到不规则路面的时候，可以提供良好的平顺的乘坐感。如上所述，多个悬架提供的分散支撑减少了车辆结构负载的需求，使得车辆可以使用非常轻的结构、采用先进材料构成。因为每个悬架的载荷需求大大降低，车辆悬架可以用＂成品＂轿车或轻型卡车零件制造。
图6b—6d示出作为每个悬架组件的高度调节器带来的有益效果，如下所详述。在计算机控制下，高度调节器在相对慢的时间标度(time scale)下调整每个车轮相对于车身高度，保持全部车轮与道路接触并允许车辆越过道路中的大下沉和隆起。通过调整车辆一侧相对于另一侧的高度，乘客舱可以在道路不平整的时候保持水平，从而防止车辆陷入道路的凹陷中，如图6b所示，以及允许其在隆起的路面上保持水平，如图6c所示。另外，高度调节器允许车辆在高速公路上倾斜转向，如图6d所示。
图7提供用于一个车轮悬架的单个悬架与相连零件的示意图。该悬架包括：
●缓冲器701；
●旋转元件702，包括至少车轮、轮胎、带有轴承部件的轮式电机的旋转元件、和刹车总成的旋转元件；
●非旋转部件703，包括至少控制臂、弹簧、减震器、平衡器、转向致动器和连杆、制动和制动致动器的固定元件、带有轴承部件的轮式电机的固定元件，其按需要也执行车轴、机械结构和轴承/衬套的功能；
●高度调节器组件704，包括垫板、导轨、轴承、致动器、固定连接到车身/车架上的机械结构；
●车身/车架结构705，用于地板、隔板、蓄电池和座位的集成结构。
下面详细介绍独立悬架组件。
现在参考图8，示意图示出独立悬架如何整体连接到车身/车架上。示出上面列举的组件与车辆结构零件的对应关系：
●缓冲器801；
●旋转元件802；
●非旋转元件803；
●高度调节器804，
●车身/结构805。
图8提供的示图是从车辆前部向前看。因此，左侧悬架806以车轮相对于车身处于高位而示出，而右侧悬架807以车轮相对于车身处于低位示出。
图9是车辆的侧视图，示出悬架系统整体如何连接到整个车辆上。如下面的细节所述，悬架受处理器控制，并且接受不同来源的输入。如上所述，每个车轮具有单个独立悬架901，其包括：
●轮胎；
●车轮；
●车轴；
●高度调节器组件；
●弹簧；
●减震器；
●机械支撑架；
●用于悬架结构的传感器；
●动力源：液压的、气动的、和电动的；以及
●稳定器和缓冲器。
一个或多个单元903向独立悬架提供如上所述的动力。电缆902用来传递信号和电流。在优选实施例中，本发明每个车轮都带有如上所述的轮式电机，车轴与轮式电机结合在一起。发明的另一个实施例提供如图18所示的连续轴，每个车轴具有单个驱动电机。在连续轴的情况下(下面进一步说明)，车轮组件也包括传动轴。悬架的控制是通过微处理器或控制器905与信号处理器元件相呼应而调节。向悬架控制系统的输入包括上述传感器、以及道路控制传感器905和操作者界面906的输入。
高度调节器
图10是上述的高度调节器系统1000的详细图。车辆悬架系统的重要条件是每个车轮独立于所有其它车轮上下移动。这一要求通过提供由活塞1002驱动的拖曳四连杆机构1001而满足。如图7所示，高度调节器连杆连接到车辆地板上，使得车轴在被驱动时上下移动。本发明的优选实施例使用液压活塞；不过气动活塞也是适合的。四连杆机构使得车轴以及连接在车轴上所有部件保持垂直而没有任何倾斜。
空气弹簧
如图7所示，车辆悬架包括主动空气弹簧系统。图11示出车辆1100的侧视图，其包括作为悬架组件的主动空气弹簧系统1101。如上所述，每个车轮的悬架相对于车身上下移动，其车身基本上保持水平和稳定。上述高度调节器提供大部分的垂直运动，特别是用于上述相对缓慢的工作，例如在大的隆起和下沉上的运动、在起拱道路上的操作以及转向倾斜。另外，空气弹簧具有长的冲程以便以更高的垂直位移速率流畅地调节基本上垂直的车轮。因为空气弹簧的作用是基于流量控制而不涉及升高车辆或阻碍动态载荷，因此空气弹簧系统非常节能。空气弹簧系统的基本工作原理是空气弹簧1102的本体通过一个或多个渐进的快速作用阀1104与增压室1103连通。如图11b所示，渐进阀1104通过阀片1105(图11b)的作用进行调整，阀片被通用轴(带有以一定角度间隔的凸轮)转动。随着更多的渐进阀完全打开，空气弹簧系统的总容量增加。相反地，越多阀完全关闭，弹簧系统的容积越减少。弹簧刚性与系统内有效容积负相关。因此，如果所有阀关闭，弹簧具有最大刚度。改变弹簧刚性本身并不会改变弹簧施加的力。因此，空气弹簧可以最佳地被表征为常-变量空气弹簧。制造更软弹簧的作用是在车轮通过凸起并且道路升高车轮及压缩弹簧的时候，在弹簧上推车身处感觉到更少的附加力(即更小的＂撞击＂)。在实际中，空气弹簧系统可以将冲击力减少五分之一到十分之一。另外，空气弹簧系统的设计允许它特别快作用，因此就可以相对于时间标度快速响应(弹簧刚性必须在该时间标度变化来相应路面的具体特征)，并优化乘坐质量。
主动减震器
如图7所示，悬架还包括节能的主动减震器。减震器的新的基本目的是减缓或停止进入急剧洼地(例如马路上凹坑)的车轮的剧烈垂直下降。如同在空气弹簧中所述，减震器节能不是由于其抵消车辆重量或动态载荷，而是通过快速作用阀控制元件内部液体流动。因此，所需能量仅仅是用来操作阀。
图12示出减震器1200的细节。减震器包括液压油容器1201，其安装到弹簧的顶端支承板1206上。该安装具有足够强度以克服满载弹簧的力。轴1203的第一端1207连接到弹簧的下部支撑板上。轴的另一端位于容器1201的下表面1208上的中心开口中，并且轴向穿过容器内部并容纳在一个阀杆1202中，阀杆同心地围绕轴1203。推板1204同心地连接在轴上，以便推板被固定且不会旋转。推板1204被封闭在阀片组件1205中，阀片组件与阀杆1202连接。阀杆从容器1201的顶面上的中心开口中突出，并由致动器(未示出)容纳。需要注意的是，液压容器的两面上的开口都具有液密密封以防止液压油从容器中渗漏以及在容器内发生压力损失。在阀片组件1205中封闭推板1204是通过将推板夹在上下两个阀片之间完成的。阀片和推板都具有开口1209(图12b)。阀片彼此固定，每个阀片的开口1211对齐，两个阀片相对于阀杆1203固定。由阀杆1202和阀片组件1205组成的整个阀组件相对于推板1204和轴1203(其保持固定)自由旋转。因此，阀片1210和推板1211的开口可以完全或部分对齐，或它们也可以彼此偏离。
可以看出组合的推板1204和阀片组件1205将液压容器分成两个隔室。当阀片组件1205和推板1204的开口对齐的时候，根据开口对齐的程度允许在隔室之间液体流动，而当开口偏移时，隔室之间的液体流动停止。因此，通过允许液体从一个隔室流入另一个隔室，允许阀片和推板以活塞的方式(相连的弹簧压缩或拉长)移动通过流体。当通过完全地偏移阀片组件和推板的开口阻止液体流动的时候，减震器就停止，并防止阀片移动。因此，根据开口对齐程度提供可变的减震量。
如上所述，阀杆连接到致动器上。致动器旋转阀杆来根据控制系统的输入设定阀和推板的开口对齐。需要注意的是，悬架本身相对于车身上下移动，而车身保持基本上不动和水平。本结构中提供空气弹簧和减震器的目的是阻止每个车轮独立于所有其它车轮的向上和向下运动。因此，在推板之间关闭开口来延缓液体流动并限制推板在容器中的移动以下面的方式减缓车轮向下运动：当推板和阀片的位置停止液体流动的时候，它们将截取的流体推向容器底部，因此就可以阻止弹簧力和车轮组件上的重力。
减震器的阻尼作用可以很快地优化以最佳地处理特殊的路面特征，在阻尼作用中浅洼地引起较少回应而马路上凹坑会引起完全停止。与双轴车辆需要在两个车轴的四个端部始终提供支撑不同，本发明的多轴悬架允许一个车轮暂时不支撑它所支撑的车辆重量，而车辆仍然可以被其余的车轮稳定地支撑。这种减震器与其它主动减震器之间的一个重要区别是使车轮与道路暂时完全脱离接触的作用包括对被压缩弹簧的整个阻力。
乘坐缓冲器
如图10所示，在正常运行过程中，乘坐缓冲器1003位于车身和车轴之间。提供缓冲器以当高度调节器失效的时候，将车轴保持在所需高度上。此外，当不需要高度调节器的时候，缓冲器通过不时地支撑车轴可以减少高度调节器的磨损。
控制
对高度调节器、空气弹簧和主动减震器的控制是通过传感器的分级来完成的，仅仅在最高位置和最低位置上的时候才会有操作者输入。根据车轮的快速垂直加速、车轮上垂直力急剧变化的信息以及路面传感器(road contoursensor)信息的综合情况，通过计算机处理悬架控制驱动主动减震器。任意的操作者输入可以提醒计算机处理悬架注意接近的路面破损。
转向
如早前所述，城市运输车辆在各种受限情况(交通堵塞、住宅区道路狭窄、和需要很小转向半径的急弯)下易于调动是必要的。为此，本发明的车辆具有全轮转向系统，其提供若干转向模式。全轮转向使得车辆相对于车辆尺寸具有非常小的转向半径，使其在城市可能遇到的受限环境中具有很高的操纵性。另外，如图13a和13b所示，也提供其它转向模式：侧向模式(图13a)和原地转动模式(图13b)。侧向模式对于进出拥挤的停车场所并要直接靠到路边来说特别有用，其对于公共汽车来说是常见的操作。虽然侧向模式需要车辆的几个车轮一致受控，但是本发明允许对每个车轮或每对车轮分别控制，从而允许原地转动模式，这对于很小的拐角处转向或在非常有限空间完全转向的情况下非常有用。
如下所述，多个车辆可以连接起来形成列车，需要＂轨道＂转向(图13c)模式，其中在列车中连续的单元与第一单元具有相同路径。
图14示意地示出车辆全轮转向系统的组件。与悬架类似，包括车轮组件、动力源、电缆、传感器、控制元件、和操作者界面：
●车轮组件1401：转向致动器和连杆，在图18中示出细节，所需悬架、机械支撑、控制臂、车身/车架连接件、轴承/衬套、转向传感器；
●驱动力源1403：液压的、气动的、和电动的；
●电缆1402；
●道路传感器1404；
●控制器1405；
●转向控制输入传感器；
●操作者界面1406；以及
●显示器。
车辆的第一车轴也可通过操作者界面机械控制。
图15是车辆转向控制界面的说明。虽然转向可以轻易通过诸如操纵手柄的装置或者甚至是计算机指点装置(例如鼠标)来控制，但是本发明的优选实施例将转向控制功能赋予改进的转向杆，以使对列车的特殊操作需要最小。简单界面使得操作者通过对车轮的简单操作采用不同的转向方式例如侧向运动或倾斜，而不需要将手从方向盘上移走以开动开关或其它控制器。如图15所示，通过拉起方向盘并且沿适当方向转动选择＂原地转动模式＂。通过按下方向盘和旋转选择＂侧向模式＂。仅仅通过沿着所需方向旋转方向盘就可以以传统模式完成转向。使用＂向左倾斜＂和＂向右倾斜＂可以驱动高度调节器来升降车辆的任一侧。控制的＂感觉＂是速度敏感的：转向、转动和侧向输入力随着速度增加而加强，且倾斜反应随着速度增加而增加。操作者依据道路传感器调节输入：悬架控制器可以设定来预测道路情况；＂上前方/下前方＂和＂上后方/下后方＂预测进入隆起和下沉；根据实际悬架感受、道路传感器、和操作者输入来通知控制计算机。单个车轴或单个车轮的控制是通过与每个车轴或每个车轮相连的液压或电动转向控制致动器1801(图18)来调节的。
如图16所示，转向系统包括传感器，将操作者界面的输入转换成转向致动器所需的信号。传感器包括可以彼此相互移动的顶部1603和底部1604(图16A)。选择性地接合转向模式选择插脚(pin)1602来设定转向模式。如图16b所示，中心插脚接合时使得顶部和底部绕着中心插脚互相缠绕，对应于＂原地转动＂模式。当没有插脚接合的时候，对应于＂侧向＂模式，顶部相对于底部横向移动。为了从前部转向，操作者接合底部插脚，这样传感器的顶部在顶部自由移动。为了车辆后部转向，顶部插脚同样接合。将两个部分推到一起以均匀地降低悬架高度，而将它们分开则升高悬架。通过向传感器的任一侧施加不均衡的力，可升高和降低车辆的任一侧。通过将传感器顶部绕着横轴相对于底部旋转就可以调整车辆倾角。通过将传感器顶部相对于底部绕着纵轴旋转调整侧倾。发射器1603通过控制器和信号处理器的调节发射驱动转向致动器的信号。
图17是示意图，示出操作者界面与传感器的连接。在这种情况下，操作者界面(方向盘1701)通过减速器1704和臂1703连接到转向控制传感器1702上。减速器使得方向盘保持传统的旋转方向盘的感觉，缩短了训练时间并便于操作者接受该车辆。
传动系统
如上所述，车辆从混合动力系统获得动力，混合动力系统包括电驱动电机、转换部件、用于产生电力以驱动电机的动力装置和蓄电池。
电驱动电机和传动轴
如下所述，虽然本发明优选实施例在每个车轮使用分开的轮式电机，紧接下来的实施例使用连续车轴，每个车轴具有单个驱动电机。
车辆传动系统包括安装到每个车轴上的高效电动机1803，如图18所示。高效驱动电机的使用通过最小化电动机而减轻车辆整体重量，同时使得能量效率最大化。差速器使得车辆以最有效率的速度行驶，同时使得车轮具有不同的转速。另外，每个驱动电机1802要有驱动电机控制器1803，其基本上是驱动每个线圈的大功率晶体管，每个控制器由控制软件控制，并还有诊断软件。如图18所示，控制器安装在靠近驱动电机的车轴上。
传动轴
需要注意的是，本发明的优选实施例使用轮式电机，每个车轮有一个单独的电动机，电动机轴与电动机形成一体。因此，优选实施例不需要传动轴。但是，使用连续轴的其他实施例需要如下所述的传动轴。
能量通过传动轴从差速器传输到车轮。传动轴包括两个从差速器两边伸出的轴，每个轴连接到等速万向节(CVjoint)上，等速万向节连接到一个半轴上，该半轴通过另一等速万向节连接到相应的车轮上。
动力装置
车辆动力装置1900的主要组件如图19所示。整个系统安装在车辆的后部。动力系统包括：
●发动机(1901)—发动机是车辆的基本能源。本发明的该实施例包括内燃机。车辆优选使用对环境无害的燃料，例如天然气或液化丙烷。
但是，由于车辆的良好燃油经济性部分取决于混合动力系统，因此即使内燃机使用传统的石油燃料(例如汽油或柴油)，也能将排放所引起的有害环境影响减少到最小。此外，本发明实施例也由替代能源(例如燃料电池或氢)供能；
●油箱(1904)；
●发电机(1902)：发动机的能量通过发电机转换成电力。发电机直接连接到发动机的传动轴上；
●发电机控制器(1903)：发电机需要控制元件来适当收集所产生的电能，并根据在每个蓄电池组中对应的控制器来控制蓄电池充电；
●发动机的冷却系统(1908)；
●液压单元(1906)：液压泵和控制器直接地连接到发动机的传动轴上。该单元至少给高度调节器系统、转向和制动系统提供液压动力；
●气动单元(1909)：空气压缩机和控制器直接地连接到发动机的传动轴上。该元件至少为空气弹簧系统提供压缩空气，并给用来替代高度调节器系统的液压动力系统的气动高度调节器以及其它辅助车辆子系统提供压缩空气。
●发动机罩(1907)；以及
●用于乘客区域的环境控制单元(1905)。
蓄电池组
动力系统需要多个间隔一定距离的蓄电池；在本发明的优选实施例中，蓄电池组位于包括第一车轴和最后车轴的车轴上方(即，在车辆两侧一对相对车轮之间的车身内)。图20示出具有多个电池2001的蓄电池组2000。图20中示出四个电池；但这仅仅是为了说明。电池的实际数量可根据电池容量和车辆能量需要变化。电池产生大量的热，需要在电池组外壳2002上设置一个进口2004来冷却电池。因为电池可产生可能有害的烟雾，所以蓄电池组要通过一个或多个出风口2003与外面环境连通。每个蓄电池组还包括电子控制器，用来控制充电、监测蓄电池组的状态、并与发电机控制器连通。
系统指令和控制计算机
如上所述，车辆许多系统的控制是靠处理器调控的：悬架、全轮转向系统和混合动力系统。一些情况下，控制是通过局部控制器完成的，例如动力装置。一些车辆系统可接受各种输入。车辆包括以上没有提到的其他控制系统：
●车门系统控制器；
●车费系统；
●安全防范系统；
●环境控制系统；以及
●通信系统。
因此，需要中心命令与控制系统来控制和调节各种系统控制器的相互作用。
连接若干车辆形成列车
如图21所示，若干车辆可连接以形成列车2100。列车可以通过车辆控制系统(包括转向控制、悬架，推动力)和乘客需要来制造。将单个单元的控制系统主要连杆形成列车的配合单元(而不是连接起来以提供单元内牵引或机械导向力)，公共汽车可快速地连接和分离。公共汽车列车的优点在于可以输送与轻轨车辆一样多的旅客，而不需要轻轨系统那样的结构。除了可通行的道路(例如主要街道或在主要市区的干道，即基本没有急弯的道路)，公共汽车列车基本上不需要深层构造。这些公共汽车单元的列车可通过任何单个单元可以通过的道路，因为车辆转向控制允许列车中连续单元在公路上行驶与在第一个单元相同的轨迹。公共汽车列车由一个驱动设备驱动，因此单个驱动设备可以运输的乘客是单个车辆的几倍，使得大大降低劳动力成本。
作为列车的一部分工作的时候，连续单元转向系统被设定成＂轨道模式＂(图13c)，其中车轮如在轨道上工作一样，与第一个单元在路上的轨迹相同，而不是向传统的后轮采用的切线1301。转向控制系统在＂轨道模式＂下运行所需的其他数据(第一个单元的第一车轴到第二单元的第一车轴之间的距离等等)相对不重要。在现有大型运输车辆中常见的＂家畜运输车厢＂模式中，多个车门可以使得每个门容纳大约20个乘客(至少是短途)，或者每四隔室公共汽车80名乘客，和每三个单元列车240名乘客。对于具有笔直街道的高容量路线来说，5单元列车是可行的。
摆臂实施例
多轮悬架是本发明上述实施例的一系列优点的关键点。优选地，多轮悬架使得每个车轮具有相对较长的垂直位移，以允许车辆通过路上的隆起和下沉，这样例如车轮就具有合适的通过角。
理论上，这样的多轮悬架应包括至少下面一些特征：
●较大的垂直运动；
●实现全轮转向；
●非悬架重量更低，其帮助设计具有平顺和稳定的乘坐感受；
●紧凑，使得侵入乘客区域/有效载荷区域的突起最小；
●零件数量更少且成本低；以及
●耐用并且易于维护。
摆臂悬架具有众多有益特征和好处，以帮助满足下面的功能目标：
●弹簧冲程短而车轮位移长
●节约空间
●零件更少
●重量更轻
●成本很低；以及
●进口和偏离角最大化。
图22示出具有五对装有摆臂悬架的车轮的运输车辆。该图示出使摆臂悬架紧凑的能力，这对于将车轮突起以及悬架套最小化成用于有效负载的体积很重要。该图还示出在所有车轮位置使用的相同设计的摆臂悬架的能力，其非常有助于制造和维护的经济性。
这些悬架的重量很轻很大部分归因于杠杆臂从臂的转动点分别与弹簧/减震器的连接件和车轮杠杆轴的比值。这些长度比与弹簧冲程和车轮位移的比例成正比。更短的弹簧行程意味着更短、更轻、以及更紧凑的弹簧和减震器组件。弹簧力尤其要与现代气动技术和液压单元匹配。
图23示出摆臂悬架的实施例，其确定了主要的几何参数，特别是2h(参见图26)，以及车轮总垂直位移。该示意图示出具有转向装置的摆臂悬架的主要元件，其至少包括：
●叉架(231)；
●主销(king pin)(232)；
●上/下转向臂和驱动工具(233)；
●弹簧和减震器(234)；
●摆臂(236)；以及
●摆臂枢轴(235)。
摆臂悬架所受的力和力矩在图23和24中示出。在这些附图中，w＝车轮支撑的重量，f弹簧＝弹簧中的力，L＝从枢轴到车轮中心的距离，以及r＝从枢轴到弹簧的距离。图24示出弹簧中力的放大过程，该过程是通过减少弹簧伸长来完成对弹簧的压缩。
为了使多轮悬架具有最大的优点，也要调整车轮相对于车身的中间垂直位置。这样的调整可以是通过垂直地移动弹簧连接点的液压或其它工具来调整悬架的中间位置。
图25示出摆臂悬架在三个主要垂直位置的重叠：中间的、向上和向下。这三个位置分别在图26中示出。在图25，三个主要位置的三个附图是根据弹簧/减震器的安装点和摆臂支枢轴承垂直定位。图25示出：
●车轮相对于车身的运动，以及
●摆臂悬架元件的基本作用。三个位置的表示突出了车轮垂直运动与弹簧/减震器伸缩的比率。
在另一个实施例中，图27示出另一悬架，其也可以转向并使得车轮有最大的垂直位移。参考这种直列悬架以表示摆臂设计的相对紧凑。图27的实施例和摆臂悬架之间的主要折中(trade-off)是通过角高达90度甚至更大的角度而在紧凑、低成本、以及摆臂的非悬架重量低对使得直列悬架相对轻便的转向之间的折中。
轻型混合动力陆地车辆
虽然本发明的上述实施例主要针对于运输车辆，例如公共汽车，但是上面阐述的本发明的原理也适合其它轻型陆地车辆、例如轿车。因此持续运输平台可以用来提供带来至少下列优点的轿车型陆地车辆：
●碰撞安全；
●制造成本低；
●运行成本低；
●效率高而环境影响很小；
●车身蒙皮可换；
●分布式制造；
●具有适合城市和乡村的版本；以及
●具有轻型、高经济性到高容量、适合市场的模型。
简单设计和简单制造原则保证了以低成本和高容积制造高质量、实用车辆的可能性。因此，本发明提供一种轻型轿车型陆地车辆2800(图28)，其具有下列特征和优点
●有吸引力的和有趣的外观；
●＂多变＂的车身蒙皮；
●使用分布式制造技术，容易制造；
●具有适合所有城市和所有乡村的版本；
●具有轻型、高经济性到高容量、适合市场的模型；以及
●对环境友好至极。
图28所示的实施例结合了上述原理和特征，其具有至少下列优点、特征、组件、系统，和/或零件：
高实用性；
通过圆管空间框横滚安全笼(图29)提供撞击安全性；
美学上令人满意的外骨架式型外部结构2801；
车辆生产中的高质量；
效率很高并且超净：通过一个或多个超轻的电动机提供能源，电动机带有一系列的电动混合、平行电动混合、和插电混合传动系选择；
●运行成本很低：使用很少燃料、更换部件成本低而维护简单；
●可以用轻型商用的成品零件例如自行车零件来制造；以及
●＂多变＂的车身蒙皮，其可以由车主2802拆卸和更换；
●制造成本低；优选成本不超过最小、最便宜轿车的一半；
●通过最小化对材料的要求最有利于环境；
●使用高度分布式制造技术，容易制造；
●具有适合所有城市和所有乡村汽车市场的版本；以及
●三轮和四轮版本。
下面将详细介绍示例性实施例的各种系统。
图29示出用于图28的车辆上的横滚安全笼车架2900。如图所示，该结构具有中线车架2902和X-车架2901。发明的一个实施例仅仅需要X形车架。结构2900最好用管状材料制造。在一个实施例中，管状材料是金属。但是具有常规知识水平的从业者也可以采用其它材料例如高分子化合物和或复合材料，这也落入本发明的范围内。在本实施例中，各种车架元件和隔板2903是用固定元件(例如连接套筒)组装在一起。其它固定元件(例如螺栓)也是适合的。具有常规知识水平的从业者也可以采用其它适合的固定装置。
动力系统
●串联混合动力或并联混合动力带有车载、发电机、电池系统、和一个或多个电动机。
●插电混合动力；例如：电池可以从混合发电机或墙上插头充电；
●发电机输出可以提供持续的巡航能量以及给电池再充电；
●电池用于给加速度和爬坡提供峰值能量；
●混合牵引电动机和电动机控制，示范实施例采用例如10kw电动机；
●铅酸、深循环电池和用于抗振的螺旋绕组；
●可选的高级电池诸如锂离子；
●混合电池容量可以很小或者可具有适合零排放车辆范围的任意尺寸；
●有效负载承载能力与车辆总额定重量(GWVR)的高比率需要相对更重的蓄电池组；
●电池充电器：制造成包括换向器；
●独立的发电机产品；以及
●便于从车辆携带到工作场所或家的发电机。
传动系统
●后轮传动；
●后座下面整体传动轴；
●从电动机到传动轴的皮带传动；
●在大小皮带轮之间的变速型移动器：两个或三个速比；
●在传动轴端部的皮带传动链轮最好与摆动臂衬套同心；
●在传动轴和车轮上的链轮之间的最终传动齿轮比；
●另一个电动轮毂电动机位于全部车轮上、仅仅位于后轮上或仅仅位于前轮上。
管式车架结构
●外骨架式间隔车架2801不仅牢固而且美观；
●在表面、地板、座位和隔板2903上的管件全部集成在一起；
●重量轻对动力系统有利；
●材料重量轻，成本低；
●加工成本低；
●组装简单；以及
●从带有最小特殊技能或工具的工具箱中进行随意的组装；
车身蒙皮：镶板和窗2802
●低成本；
●蒙皮便于快速安装、拆卸和转变、更换；
●以大范围的嵌板结构提供，使得车主可以使车辆个性化；
●可以采用各种花式布质蒙皮：例如充填不透光且通风的织物、塑料、金属；
●可以选择车底覆盖板：塑料、金属片、塑料薄膜或能消音和/或隔音的金属；
●车辆可以漂浮；
●弹性和/或硬质塑料窗口选择。
悬架3003、3004
●摆臂通过弹簧和带有短冲程的缓冲装置加长车轮冲程；
●根据商用成品的(COTS)零件和便于制造零件进行设计和制造；
●拖曳连杆后悬架3004，最好用COTS自行车零件组装；
●一个或多个引导连杆前悬架3003；
●长轴距提供良好的乘坐纵倾稳定性；
●叉架悬架通过叉架机架上的转向轴承进行转向；
●根据车辆重量，自行车或摩托车车轮3005、轮胎和制动器；
●全部悬架最好相同，这可以进一步减降低生产成本。
转向
●导向连杆转向结构；
●旋转元件和转向臂实现绕着其垂直轴的轮子转动平面的传统转向性状；
●通过添加支撑点以允许车轮转动平面绕着其前后轴旋转而可选择地给转向性状增加特点；
●车轮向转向曲率中心倾斜来增加稳定性；
●优选地，叉架转向轴承轴线大约比车轮轴高度低百分之七十；
●倾斜角小于0.2弧度(12°)用于紧凑转向；
●在正向前方驱动的时候具有实现最小倾斜角的中间或自动回正转向；
●所有悬架最好是相同的，并且全部车轮可以与前述相同模式转向；
●本发明的实施例可能实施全轮转向。
●也可能为具有六个、或八个或更多车轮的实施例。
图30是图28中车辆的侧面剖视图，示出将悬架连接到车架2900上；如上所述，车架2900具有X-车架2901和中线车架2902。在前面的车辆中，导向连杆悬架3033连接到车架2900上。在后面车辆中，拖曳连杆悬架3004连接到车架2900上。前后轴安装在悬架3003、3004上。如上所述，一个实施例提供后轮传动。因此，后轴作为传动轴。采用前轮、四轮或全轮驱动的实施例也在本发明的范围内。在一个实施例中，传动轴是单个轴，其中车轮3004连接到轴的两端。另一个实施例给每个车轮提供独立传动。对于前轴，实施例可能为每个前轮3005具有自己的轴。另外，也可以提供单个前轴，其中前轮3005连接到单个前轴的两端。或者，如上所述，可以在全部车轮、仅仅在前轮、或仅仅在后轮上提供轮毂电动机。
如上所述，车架2900包括至少一个隔板3101。图31和图33是隔板柱车架3100的视图。隔板柱车架包括水线(waterline)车架3102和假底层车架3103。图32是图30中车辆的俯视图，表示前轮3005相对于车架2900的详细位置。
图34-图39是各种车身嵌板、连接到外车架上门窗的系列图。
图34示出连接到车架2801上的前挡风玻璃3401。
图35示出图28中的车辆2800，带有X-车架部件和门孔3501。
图36示出图28中的车辆2800，带有顶板3601和后窗玻璃3602。
图37是图28中的车辆2800的后视图。
图38示出图28中的车辆底壳3801，车辆带有X-车架。
图39示出图28中的车辆，带有X-车架和顶板3601、后窗玻璃3901、底壳3801、门孔3501和挡风玻璃341。
如上所述，本发明包括三轮和四轮的实施例。图40是四轮汽车(A)与三轮汽车(B)侧面剖视对比图。需要注意的是三轮汽车更简单、更小、更轻。例如前后轮的车轮轴距离明显更短。另外，轻重量的车辆带有中线车架，仅仅提供X-车架。另外，前轮安装在叉架上，如自行车或摩托车前轮那样。实际上，本发明的原理也可以用于自行车和摩托车上，来提供轻型、足以支撑的陆地车辆的其它实施例。
自行车和三轮车
除了如上所述三轮实施例，本发明也可以包括三轮汽车，即动力辅助三轮车。
在某些国家，轻型、人力三轮车被广泛使用，例如在农业上。如果根据电动和混合动力技术提供动力辅助版本的三轮车，将是很大的进步。因此，本发明提供全天候的电动和混合三轮车，其包括防止自然因素(the elements)乘客保护装置，以提供很轻、很便宜实用的交通车辆。主要为了实用的车辆也许仅仅使用一个座位，而载客车辆要乘坐三名乘客。
图41示出单个座位的电动三轮车。车辆4100包括自行车车轮4101、自行车悬架4102、制动器4103、链条传动装置4104和换档机构4105及操纵柄控制器426。
另外，车辆包括车身4107，其使用上述横滚安全笼提供乘客保护装置、平顺悬架和舒适的乘坐、精美设计、可以采用或不采用OEM(初始设备制造厂家)零件来实现个性化。
车辆其它系统包括：
●集成了自行车链条、链轮、变速杆等等的动力装置；
●成品发电机；
●电动机和控制器；
●电动机4104；
●＂外骨架式＂横滚安全笼；
●选择原材料和绕度以满足低产品成本和便于分布式制造；
●为了低成本、便于组装，设计管状连接方案；
●悬架、转向、制动；
●车身蒙皮便于连接/拆卸/更换；
●侧面和顶部：织物、塑料；
●还可以选择隔热和隔音的材料；
●对＂水线＂防水的底面玻璃丝；
●选择挡风玻璃。
电动机辅助自行车在世界各地广泛应用。开动电动机的能量主要来自化学电池。对于化学电池这种应用来说，购买成本和更换成本是重要因素，需要有合理的使用寿命。限制电池寿命的原则因素是充放电的速度很快，深度放电或极端放电将最大程度使用每次充电的能量。因此，减轻电动机的一些峰值能量需要通过减少峰值电流来延长电池寿命。自行车操作者通常踩踏板来帮助加速。因为使用机械制动器来减速和停止释放大量能量，因此如果可能本发明的一个实施例中自行车带有再生制动系统。另一种可以与踏板和电池电源结合起来的能量增大装置，作为第三能源有利于操作者和电池，并且出于性能或成本考虑可以替代电动系统。
本发明的一个实施例包括气动踏板助推器PPATM，其使用压缩气体作为能量储存介质。通过压缩气体推动活塞作用，机械的或流体(液压的)装置可以用来将储存腔能量输送给传动系统。流体装置是流体电机，其反转可以作为一个泵，将能量返回压缩气体，并根据需要储存在那里。
气动踏板助推器的主要功能是帮助提供峰值能量需要，因为：(1)在压缩气体中储存的能量小于储存在电池中的能量，以及(2)气动装置快速排放和补充的效率很高，并不会加速磨损或减少寿命。为了使PPATM系统的成本、距离和重量最小化，能量储存可以使用自行车的管式车架结构部件作为气体容器和结构部件来实现。
图43示出整合在自行车车架中的PPATM4200的一个实施例。将来自气体的能量传递给传动系统的机械装置是一个固定到滑动活塞4202上的连续电缆4201。为了推进，活塞被气体压力推动，并围绕其电路拉动电缆。电缆电路环绕并旋转一个滑轮组或齿轮4203，其不同地连接到传动系统上以便推进。为了再生制动并给气体供给能量，皮带轮或齿轮被踏板曲柄4204旋转，踏板曲柄在该方向移动电缆以逆着气体压力拉动活塞，以便压缩气体并储存能量。
对于另一种流体连接装置，可逆的流体电机/泵是位于上述皮带轮处，因此就增加了它到传动系统曲轴的扭矩。经过泵的流体储存在其它结构部件中，从那里它们根据需要被储存在再生制动中的能量泵送或为了给气体输出能量。
图42中的实施例通过使自行车主结构钢管之一加倍来提供气体贮藏和电缆电路。图43示出另一个结构4300，其使用自行车车架结构三角形的三边来储备气体和提供电缆电路。气体贮藏体积一端通过将电缆4301连接到活塞4302上而密封，另一端(法兰)有一个滑动密封4303，其允许电缆运动。另一个实施例中，在法兰端的滑动密封是小直径的伸缩软管，其一端被密封并固定到电缆上，另一端被密封并固定到法兰上。
气动踏板助推器使用齿轮将电缆中活塞力/张力转化成适当推力，并在一段适当的时间内释放所储存的能量来实现所需的推进。踏板曲柄臂的直径和PPATM链轮的直径比例为10:1，便于表示。在行程初期1000psi的气体压力(图43A)对于现代气动能量储存技术来说是很容易实现的，并且可以在1平方英寸的活塞上产生1000磅的力。如果PPATM链轮的半径是踏板曲柄半径的1/10，则PPATM和体重100磅且将全部体重施加在踏板上的操作者提供相等的扭矩。示意图是比较低的推进力。压力可以是3000psi以上，并且区域可以是若干平方英寸。如图43B所示，在行程末端气体存储器中的压力为500psi。
储备足够能量所需的气体压力很容易储存在现有材料和尺寸的管件中。然而，在皮带或链条中的张力会产生将链条拐角拉在一起的力，或造成管状结构“变弯曲＂。因此结构设计成能抵抗失稳损坏模式。
对于特定活塞面积，PPATM施加到曲轴上的最大转矩是通过最大气体压力设定的，这样就可以与骑手施加在踏板系统上的扭矩相比。这种设定可以根据骑手及场地的范围而更高或更低(The setting can be higher or lower in line witha spectrum of sporty to utilitarian riders and venues)。最大转矩可以根据小泵或密封容器提供的压缩气体供给来调整，以改变在PPATM室中的进气量。
与电驱动类似，PPATM通常通过控制柄控制。但是因为它具有能提供峰值能量的特性，PPATM推进可以用来成比例地增加操作者施加到踏板上的力。
带有如上所述的控制装置，只要施加踏板力，PPATM就可以提供加速转矩和推力。最简单的控制是开关。可以通过设定气体压力来选择推力推进的量。根据经验法则，选择给出起动发动机推力的压力，该起动发动机推力大致等于操作者通过踏板施加的最大推力。在排放压缩气体过程中，推力随着气压释放而下降(图43B)，这取决于气体室总容量和活塞经过的体积。
如果气动踏板助推器用于连接到电动的踏板助推器EPATM上，如下所述，则就可以简化或除去用于轮式电机的减速齿轮装置减速器。
图44示出电动机和电池4401，电池的形状为安装在自行车4400的结构三角形上的环形线，并与PPATM类似方式连接到曲轴上。电动机的这种结构与轮毂电动机结构相比减少了非悬架重量。悬架设计工程师的一个重要的目的是将非悬架重量减少到实际最小，非悬架重量包括不被车辆弹簧，例如车轮、轮胎和制动器，支撑的全部车辆重量。或者，电动机和环形电池可以安装成与踏板曲轴同心。这种结构将重心放低，有利于自行车稳定性。
曲轴4403可以被多个链轮4404推动，例如每种动力源一个链轮。本发明的一个优选实施例装备了用于三个动力源的三个链轮。当没有接合传递推进扭矩的时候，三个动力源(踏板/腿部肌肉；电机/电池；和链条(皮带)/压缩气体)中每一个的链轮飞轮独立于其它扭矩来源。同样地，制动的时候，PPATM和EPATM可以彼此独立提供再生制动，并不受驾驶员施加摩擦制动器干扰。P
PPATM和EPATM之间主要区别是气动最适合用于峰值能量比较短的助动，电力适合长时间持续，其使用电池的高比能密度，并将充放电的峰值速率最小化。PPATM助动力突出，但是在将车辆加速到大约30mph的时候或将同等能量输送到爬坡后就用尽了。在正常操作中，PPATM、EPATM和踏板协同工作，并根据驾驶员目的进行控制。
当PPATM没有助动而车辆被其它方式推进或向前滑行的时候，PPATM链轮是飞轮。再生制动是通过锁定驱动链轮到超越正常飞轮来接合的，导致链条或皮带拉动活塞抵抗压缩气体工作来恢复和储备车辆动能到密封气体中。类似的，沿着相反方向旋转带有飞轮链轮踏板也可以在密封气体中储存能量。用于启动PPA的踏板上的阈值力可以被设定成低于或高于要求。
虽然参照某些优选实施例已经描述了本发明，但是本领域普通技术人员将轻易理解其它应用可替代本文前述内容而不脱离本发明精神和范围。因此，本发明只应当由下面的权利要求书限定。

Claims (29)

1、一种车辆，所述车辆包括：
至少两个基本上相同的单元，每个单元具有两个端部和两个相对侧面，底面和顶面；每个单元包括：
车身部分；
至少一对车轮，每个车轮位于所述两侧中的一侧；
用于每个车轮轴，所述车轮连接在所述轴上，
用于每个车轮的独立、摆臂悬架，其中所述悬架将所述轴连接到所述车身部分的所述底面上；
固定连接到所述轴上的驱动电机，其中动力从所述驱动电机传递给所述车轮；
其中所述单元首尾相连组装以便形成刚性的车身结构；
转向系统，其中所有所述车轮都是有效的以实现车辆转向，所述转向系统是微处理器控制的；
动力装置，用于产生能量并将所述能量供给驱动电机；和
一个或多个微处理机控制装置，用于集中控制至少所述转向系统；
其特征在于，提供多对紧密间隔的悬架，来减少所述车辆结构的负载需求，因此用于所述运输车辆的悬架由轻质、成品零件制造。
2、如权利要求1所述的车辆，所述轴包括下列之一：
用于每个车轮的独立轴；和
具有两相对端部的连续轴的一端，配置所述轴以便所述端部位于所述相对侧的端部。
3、如权利要求1所述的车辆，还包括前部单元和端部单元，所述前部单元和所述端部单元中的每个都是用所述单元之一变形而成。
4、如权利要求1所述的车辆，所述车辆至少部分地用轻质材料制造。
5、如权利要求1所述的车辆，所述转向系统包括：
转向控制界面；
全轮转向组件；和
连接在每个轴上的转向致动器，其特征在于，所述轴一致转向或分别转向。
6、如权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述驱动电机包括下列之一：
轮式电机，其中外部元件绕车轮旋转，而内部元件被固定到轴上；和
安装到车轮内侧的电机，其中所述能量通过至少一个转化元件传递给车轮。
7、如权利要求1所述的车辆，其特征在于所述驱动电机包括高效电动机。
8、如权利要求1所述的车辆，所述动力装置包括：
发动机，所述发动机作为所述车辆的基本能源；
油箱；
发电机，其中所述发动机的能量转变为电力，所述发电机与所述发动机的传动轴连接；
发电机控制器，用于控制电力的收集，并与单个蓄电池组上的控制器连接以控制所述蓄电池组充电；
发动机冷却系统；
液压单元，所述液压单元至少提供所述转向和制动系统液压动力；
气动单元，所述气动单元向至少所述悬架提供气动能源；
发动机罩；和
用于乘客区域的环境控制系统。
9、如权利要求1所述的车辆，还包括中心控制元件，所述控制元件用于控制和调节车辆子系统和控制器的工作和相互作用。
10、一种轮式车辆，所述车辆包括；
外车架；
至少一个车身板，可更换地连接在所述车架上；
独立的、摆臂悬架连接在所述车架，用于每个车轮。
11、如权利要求10所述的车辆，其特征在于所述车架是管状。
12、如权利要求10所述的车辆，还包括用于每个车轮的一个车轴，其特征在于所述悬架将所述车轴连接到所述车架上。
13、如权利要求12所述的车辆，还包括固定连接到所述轴上的驱动电机，其中所述动力从所述驱动电机传递给所述车轮。
14、如权利要求10所述的车辆，包括至少一对车轮。
15、如权利要求10所述的车辆，其特征在于所述悬架是相同的。
16、如权利要求10所述的车辆，其特征在于所述悬架包含下列任何：
至少一个拖曳连杆后悬架；
至少一个导向臂前悬架。
17、如权利要求15所述的车辆，所述前悬架还包括叉架机架，所述叉架机架具有至少一个转向轴承。
18、如权利要求17所述的车辆，还包括导向连杆转向系统。
19、如权利要求15所述的车辆，还包括全轮转向系统。
20、如权利要求11所述的车辆，其特征在于所述管式车架结构包括横滚安全笼。
21、如权利要求10所述的车辆，还包括混合动力系统。
22、如权利要求21所述的车辆，所述混合动力装置包括：
混合牵引电动机和相连的控制器，其特征在于所述车辆电机提供巡航能量；和
蓄电池，其特征在于所述蓄电池提供峰值能量。
23、如权利要求22所述的车辆，其特征在于所述电池从插座充电，或从所述电机输出充电。
24、如权利要求21所述的车辆，还包括电池充电器，所述充电器包括至少一个电流换向器。
25、如权利要求21所述的车辆，所述混合动力系统包括独立的发电机。
26、如权利要求25所述的车辆，其特征在于所述发电机是便携的。
27、如权利要求22所述的车辆，还包括传动系。
28、如权利要求27所述的车辆，其特征在于所述传动系提供后轮传动。
29、如权利要求27所述的车辆，所述传动系包括：
传动轴；在所述电机和所述传动轴之间的皮带传动，所述皮带传动包括至少一个皮带轮，其设计尺寸为提供预定的齿轮比；和
皮带移动器，将所述皮带传动从一个皮带轮切换到另一个皮带轮。
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