CN105691513A - 一种前后两轮封闭式主动平衡车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平衡性好的前后两轮封闭式主动平衡车辆，包括车架、前轮、后轮、电池组、驾驶舱、前挡风和座椅，车架上面固定主动平衡系统，主动平衡系统包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体之间设有转子盘，转子盘顶部与上壳体相连，转子盘上设有外转子电机，外转子电机的转轴伸出下壳体，外转子电机固定在下壳体上，下壳体两端的伸出轴分别设置在左轴承座和右轴承座上，旋进电机带动下壳体两端的伸出轴转动，旋进电机与电机固定座相连。本发明描述了采用多个固定在车架上的主动平衡系统，通过调节主动平衡系统施加在车架上的力来改变前后两轮封闭式主动平衡车辆所受侧倾力的方法来使车辆平衡。

Description

一种前后两轮封闭式主动平衡车辆

技术领域

本发明涉及一种两轮车，具体涉及一种前后两轮封闭式主动平衡车辆。

背景技术

常规四轮汽车会产生大量的尾气污染环境，是雾霾等灾害性天气的主要产生源；在交通拥堵常规化的今天，其通过性有待提高。两轮车系已逐渐成为城市交通的主要工具，常规的两轮车系具有方便性和经济性的优点，但是不可避免，由于其平衡方面的缺陷，导致其本身不能采用封闭式结构，在雨雪等恶劣天气出行时候极为不方便，在两轮车上面加上全封闭的驾驶舱，可以提高驾驶的安全性和舒适性，因此需要采用一种安全可靠的方式来解决前后两轮封闭式车辆的平衡问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种平衡性好的前后两轮封闭式主动平衡车辆。

本发明的技术方案是这样实现的：一种前后两轮封闭式主动平衡车辆，包括车架、前轮、后轮、电池组、驾驶舱、前挡风和座椅，车架上面固定主动平衡系统，主动平衡系统包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体之间设有转子盘，转子盘顶部与上壳体相连，转子盘上设有外转子电机，外转子电机的转轴伸出下壳体，外转子电机固定在下壳体上，下壳体两端的伸出轴分别设置在左轴承座和右轴承座上，旋进电机带动下壳体两端的伸出轴转动，旋进电机与电机固定座相连。

车架上安装有由车辆安全辅助系统控制的弹性伸缩架。

下壳体两端的伸出轴上的伞齿与旋进电机端部的齿轮啮合。

驾驶舱上还设有剪刀门。

含外转子电机和固定在外转子电机旋转部分的外壳上的转子盘所组成的机械旋转部分放置在一个密闭的空间中紧固组合为一个整体，并且在密封位置涂抹密封胶，将此密闭空间抽真空。

本发明描述了采用多个固定在车架上的主动平衡系统，通过调节主动平衡系统施加在车架上的力来改变前后两轮封闭式主动平衡车辆所受侧倾力的方法来使车辆平衡。其原理为重型旋转质量、转动惯量存储为能量的机械装置，在主动平衡系统内部存储的能量根据旋进电机旋转的速率与旋进时间来控制主动平衡系统与水平方向的夹角，来产生作用在车架上的反向扭矩用于控制平衡，并能根据外部应激速率通过控制部分来调节使主动平衡达到控制车身平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为主动平衡系统的结构示意图。

图3为图2的剖视图。

图4为本发明的逻辑控制组成示意图。

图5为安全系统工作后伸出的可收缩式弹性支架示意图。

其中：11.剪刀门，12.驾驶舱，13.前挡风，14.前轮，15.车架，16.主动平衡系统，17.电池组，18.后轮，19.座椅，21.左轴承座，22.上壳体，23.转子盘，24.第一螺钉，25.右轴承座，27.下壳体，28.外转子电机，29.第二螺钉，210.旋进电机，211.电机固定座，41.弹性伸缩架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～5所示，一种前后两轮封闭式主动平衡车辆，包括车架15、前轮14、后轮18、电池组17、驾驶舱12、前挡风13和座椅19，车架15上面固定主动平衡系统16，主动平衡系统16包括上壳体22和下壳体27，上壳体22和下壳体27之间设有转子盘23，转子盘23顶部与上壳体22相连，转子盘23上设有外转子电机28，外转子电机28的转轴伸出下壳体27，外转子电机28固定在下壳体27上，下壳体27两端的伸出轴分别设置在左轴承座21和右轴承座25上，旋进电机210带动下壳体27两端的伸出轴转动，旋进电机210与电机固定座211相连。

主动平衡系统16中，外转子电机28分为可旋转部分的外壳和含伸出轴不可旋转的内定子两部分组成。上壳体22通过第一螺钉24与外转子电机28外壳上的转子盘23相连。外转子电机28拖动转子盘23高速旋转储存能量，并根据旋进电机210的旋进角速度来调节平衡系统的夹角。下壳体27通过第二螺钉29与外转子电机28紧固配合，此时下壳体27的伸出轴分别和两端的含轴承的左轴承座21、含轴承的右轴承座25紧固定位，并通过螺钉固定在车架上。

下壳体27两端的伸出轴上的伞齿与旋进电机210端部的齿轮啮合。

驾驶舱12上还设有剪刀门11。

前后两轮封闭式主动平衡车辆可看成是整体为以重心所在位置高度放置的一个质点。前后两轮封闭式主动平衡车辆在不受外力作用下，此时整车倾斜速度较小，可由角度传感器检测整车的空间3D角度，当整车以重心为基点与地面夹角为90°时显示整车为水平状态，旋进电机210不工作，即主动平衡系统16的机械旋转部分处于水平状态，即从整体紧固好的主动平衡系统来看，整体以和左轴承座21和右轴承座25所配合的旋转轴所在的平面和整车所在平面的角度为0°；当前后两轮封闭式主动平衡车辆左倾和右倾时分别计为与地面的夹角为负、正的两个数值，此时控制系统根据力矩等各方面的计算使旋进电机210分别按顺时针和逆时针方向旋进一个合适的圈数，使主动平衡系统的外转子电机28和机械旋转部分按照需要的方向倾斜一定的角度，以此来释放能量作用在车架上，维持前后两轮封闭式主动平衡车辆平衡。即从整体紧固好的主动平衡系统来看，整体以和左轴承座21和右轴承座25所配合的旋转轴所在的平面和整车所在平面的所形成了一个大于0°的夹角角度。

如图4所示，车辆行驶状态根据传感器传输到控制系统，控制系统经分析计算后分别影响主动平衡系统在水平方向上的旋转和垂直方向上的角度倾斜，并将此状态通过信号输送至车辆状态校正模块，从而来控制整车在立体空间中的3D角度状态和位置，安全控制系统在实时检测车辆校正模块，一旦车辆无法通过校正模块来保持车辆的安全位置状态，那么安全控系统立即以高优先级别介入，并以机械手段来控制和保正驾驶人员的安全。

当前后两轮封闭式主动平衡车辆受外力倾斜时，此时因为有外力介入，倾斜的速率较大，此时需要检测车辆的倾斜角速度，通过角速度传感器计算角加速度，以此来控制使旋进电机210以较大的转速迅速响应，从而避免车辆侧翻。并且当这个外力施加的力矩为持续力矩时，就需要主动平衡系统能提供一个持续的旋进方向的角速度来抵抗此持续力矩，因此主动平衡系统16在前后两轮封闭式主动平衡车辆中的安装状态必须是一个可以翻转180°的一个状态。

当在图4中的逻辑控制部分最后一步的车辆辅助安全系统检测时，假设两个主动平衡系统16都损坏或者车辆本身因为故障原因不能保持平衡时，此时车辆安全控制辅件弹性伸缩架41从车身中弹出，如图5所示的落地状态，以机械方式保证车身平衡，从而保证驾驶舱内人员安全。弹性伸缩架41是辅助安全的机械部分，可靠性高，可以有效的为车辆提供二次安全保护，但时由于伸出后会影响整车的安全通过性，因此其通用状态为常闭状态，隐藏于车身车架部分，当且仅当车身辅助安全系统检测到整车有倾倒危险以及两个主动平衡系统16转速过低或者不工作时，弹性伸缩架41才会转为开合状态。

当车身受较大外部力矩撞击后车体倾斜，此时要靠两个主动平衡系统16来抵御外部力矩，因此其安装位置必须要在车架内侧部位，并且有防护装置避免在撞击过程中受挤压而无法工作。

平衡系统在系统中作为储能装置其储能公式：

其中为陀螺仪旋转时的转动扭矩，前后两轮封闭式主动平衡车辆在行驶过程中有三种状态，分别为水平、左倾和右倾)。

当前后两轮封闭式主动平衡车辆倾斜时，可看成是质点的简单运动，其重力倾斜产生的扭矩公式为：Τ＝Η*f*sinθ

其中m为转子盘23的质量，ω₁为旋转轴的角速度，r为转子盘23的半径，H为前后两轮封闭式主动平衡车辆的重心高度，f为前后两轮封闭式主动平衡车辆的重量，θ为前后两轮封闭式主动平衡车辆倾斜的角度。

以此可计算当整车质量为300千克，重心高度为0.5m，当倾斜角最大为90°时，此时车身倾斜产生的最大扭矩为1500N·m。

因此需要调节的平衡系统需要产生的调节扭矩必须要大于1500N·m，因为录入前后两轮封闭式主动平衡车辆中的主动平衡装置16有两个，每个需要调节的数值为大于750N·m，以此可以计算并达到平衡系统尺寸、质量以及转速的三者相统一的数值。

在此状态下不添加主动平衡系统或者平衡系统没有启动时，此前后两轮封闭式主动平衡车辆不能保持平衡状态必须要倾倒，但是加入主动平衡系统16后，并且保持这两个主动平衡系统以计算好的转速匀速转动时，可以实现前后两轮封闭式主动平衡车辆在没有任何支撑的条件下实现平衡而不倾斜。

藉此计算并将此理论依据作为发明内容，经过一系列实验已验证将此主动平衡系统并采用合适的尺寸、质量以及转速可以达到前后两轮封闭式主动平衡车辆在静止过程中的平衡问题，在此过程中分别需要考虑保证的整车的质量以及主动平衡系统采用的机械旋转部分的安装位置，以及在此过程中产生的一系列采取通过机械加工和装配工艺所能影响性能的优化，从而达到主动平衡系统的最优安装性能。

由于在实施此项主动平衡系统的过程中，将持续的机械能输出储存为非连续做功的储能装置，虽然考虑到需要主动平衡系统频繁的调节以保持车体平衡，储能装置是在频繁的释放能量用于维持车身平衡，但是在面对能耗折损方面时，这仍是一个极大的不可避免的缺陷，经过计算动能释放的利用率不到20％，作为整车能源供应部分的电池组17的供能压力较大，并可能会影响前后两轮封闭式主动平衡车辆整车的续航里程，必须要采用一种有效的方式来减少在储能过程中的摩擦损耗，这样可以大大提高系统输出的效率和前后两轮封闭式主动平衡车辆整车的续航里程。

因此将含外转子电机28和固定在外转子电机28旋转部分的外壳上的转子盘23所组成的机械旋转部分放置在一个密闭的空间中紧固组合为一个整体，并且在密封位置涂抹密封胶，外转子电机28的伸出电源线和下壳体27配合处灌散热密封胶，将此密闭空间抽真空，以此来减少摩擦以及启动系统的初始转矩。由此实施平衡系统的最优化结果中产生可预期的一系列减少摩擦的措施均视为与本发明所采用的真空状态所相关的改变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种前后两轮封闭式主动平衡车辆，包括车架(15)、前轮(14)、后轮(18)、电池组(17)、驾驶舱(12)、前挡风(13)和座椅(19)，其特征在于：车架上面固定主动平衡系统(16)，主动平衡系统(16)包括上壳体(22)和下壳体(27)，上壳体(22)和下壳体(27)之间设有转子盘(23)，转子盘(23)顶部与上壳体(22)相连，转子盘(23)上设有外转子电机(28)，外转子电机(28)的转轴伸出下壳体(27)，外转子电机(28)固定在下壳体(27)上，下壳体(27)两端的伸出轴分别设置在左轴承座(21)和右轴承座(25)上，旋进电机(210)带动下壳体(27)两端的伸出轴转动，旋进电机(210)与电机固定座(211)相连。

2.根据权利要求1所述的前后两轮封闭式主动平衡车辆，其特征在于：车架(15)上安装有由车辆安全辅助系统控制的弹性伸缩架(41)。

3.根据权利要求1所述的前后两轮封闭式主动平衡车辆，其特征在于：下壳体(27)两端的伸出轴上的伞齿与旋进电机(210)端部的齿轮啮合。

4.根据权利要求1或2或3所述的前后两轮封闭式主动平衡车辆，其特征在于：驾驶舱(12)上还设有剪刀门(11)。

5.根据权利要求1所述的前后两轮封闭式主动平衡车辆，其特征在于：含外转子电机(28)和固定在外转子电机(28)旋转部分的外壳上的转子盘(23)所组成的机械旋转部分放置在一个密闭的空间中紧固组合为一个整体，并且在密封位置涂抹密封胶，将此密闭空间抽真空。