CN107662449A - 球形车轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种球形车轮装置，包括：球形车轮，磁感系统，供电系统，传感系统和控制系统。本发明要解决的技术问题是提供一种既可以满足汽车沿纵向行驶，也可以满足汽车横向停车或转弯时的横向运动的球形车轮装置。该球形车轮装置具备很多优点，如打破了现有汽车车轮的局限，使车辆可以自由横向、纵向运动，采用磁悬浮原理，运行阻力小，可采用电力驱动，节能环保等。

Description

球形车轮装置

技术领域

本发明涉及一种车轮，尤其是一种球形车轮装置。

背景技术

随着经济社会发展，越来越多的家庭开始购买汽车，汽车已经成为人们日常生活中出行必不可少的一种交通工具，而汽车自诞生以来便使用圆形车轮，这使得汽车只能沿着车轮圆周方向进行滚动。

在汽车需要停车的时候，有些时候汽车转向系统的转弯半径不足以满足需要，比如汽车在停车过程中，如果停车位很狭窄，车就很难停放，除此之外，汽车在过弯道时，如果速度过快就会引起侧向的滑动，汽车在通过颠簸路面时，汽车的操纵稳定性和舒适性将受到很大的影响。目前市场上缺乏能正常运用到汽车上的球形车轮。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种既可以满足汽车沿纵向行驶，也可以满足汽车横向停车或转弯时的横向运动的球形车轮装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种球形车轮装置，包括：球形车轮，磁感系统，供电系统，传感系统和控制系统；所述的球形车轮主要由橡胶轮胎层、铝合金轮面、塑料保持架、磁极和中心球体组成，所述的橡胶轮胎层固定于所述的铝合金轮面外表面，所述的中心球体位于所述的球形车轮的中心，所述的塑料保持架位于所述的铝合金轮面和中心球体之间，该塑料保持架为均匀布满圆孔的球壳，所述的磁极的一端固定于所述的铝合金轮面的内表面，穿过所述的塑料保持架的圆孔后另一端固定于所述的中心球体外表面；所述的磁感系统是与所述的球形车轮配套使用的系统部件，由外层固定板、中层活动板、内层固定板、磁感线圈和活动板驱动装置组成，所述的外层固定板固定于车辆底架上，所述的内层固定板是所述的球形车轮的外壳，所述的活动板驱动装置固定安装在所述的外层固定板内侧，所述的中间活动板是活动部件，所述的活动板驱动装置连接所述的中间活动板并可对所述的中间活动板进行驱动控制，所述的磁感线圈一端连接于所述的内层固定板，另一端与所述的中层活动板连接，所述的磁感线圈均匀布满所述的内层固定板；所述的传感系统包括电流传感器、压力传感器、距离传感器和车速传感器，所述的电流传感器与所述的磁感线圈连接，所述的压力传感器设置于所述的磁感线圈与内层固定板连接的部位，所述的距离传感器设置于内层固定板的内表面，所述的车速传感器设置于所述的磁感线圈上；所述的供电系统为该球形车轮装置提供电力支持；所述的控制系统连接所述的电流传感器、压力传感器、距离传感器和车速传感器并协调该球形车轮装置的各部件正常运转。如图11所示，以球形车轮1的球心为原点建立三维坐标系，车辆前进方向为+X方向，左侧为+Y方向，垂直XY平面向上为+Z方向，以此类推。距离传感器安装在靠近车轮一侧，用于检测内层固定板与车轮的距离。车速传感器为-X轴上不通电的磁感线圈，当车轮旋转时，传感器内磁场发生变化，从而产生交替变化的电动势，控制系统统计电动势变化次数，如果恰好等于车轮一个圆周上磁极的数量，说明车轮转过一周，从而可以得出行驶的距离，再加上转动一周所花费的时间，从而可以得出车速信息。

优选的，作为进一步的优化改进，所述的磁感线圈由球头、导线和磁芯组成，所述的磁芯为圆柱体，所述的球头为两个半球体，分别位于所述的磁芯的两端，所述的导线缠绕于所述的磁芯外表面，所述的电流传感器连接于所述的导线，所述的压力传感器设置于磁芯与内层固定板相接的端部位置；所述的活动板驱动装置由液压缸固定板、液压缸、活塞推杆、固定架、液压缸动力模块、控制单元和液压管路组成，所述的液压缸通过所述的液压缸固定板固定于所述的外层固定板内侧，所述的活塞推杆连接所述的液压缸，所述的固定架位于活塞推杆的外部端头处并固定连接所述的中层活动板，所述的液压缸动力模块和控制单元固定于所述的液压缸外侧，所述的液压缸动力模块通过所述的液压管路与液压缸连接。球头与中层活动板、内层固定板分别构成球铰链，从而使磁感线圈可发生一定角度的旋转。压力传感器安装在磁芯的上部，用来检测线圈所受压力，进而判断车辆运行过程中路面情况，适时增大或者减小线圈的电流。距离传感器安装在磁感系统的+X、-X、+Y、-Y、+Z方向上，用来检测球形车轮与磁感系统外壳之间的距离，如果距离不合适，可适当增大或者减小磁感线圈的电流。电流传感器安装在导线上，用来检测电流方向和大小，以便控制磁感强度。磁芯用于增强导线所产生的磁场强度。活动板驱动装置分别安装在球形车轮的XZ平面和YZ平面。控制单元控制液压缸的运转和活塞推杆的伸长尺寸，由于液压缸通过液压缸固定板固定在外层固定板上，所以当液压缸运转时会使中层活动板发生一定角度的偏转，中层活动板上布满了磁感线圈球头，活动板的运动进而带动磁感线圈发生角度变化，从而改变了磁感线圈所产生磁场的方向。

优选的，作为进一步的优化改进，为了进一步增大橡胶轮胎层与地面的摩擦系数，同时为了车轮更加的防滑和更好的排水，所述的橡胶轮胎层外表面均匀布置有圆形凸起。

优选的，作为进一步的优化改进，所述的供电系统采用发电机供电模式，即汽车发动机带动发电机工作，为该球形车轮装置供电。

优选的，作为进一步的优化改进，所述的供电系统采用汽车自带蓄电池供电模式。

优选的，作为进一步的优化改进，所述的供电系统采用混合供电模式，即在汽车自带蓄电池电量不足时，采用发电机供电模式。

优选的，作为进一步的优化改进，所述的中心球体由为橡胶材料制成。

优选的，为了防止磁极与磁极之间相互干扰，作为进一步的优化改进，所述的磁极与磁极之间可填充绝磁材料，杜绝磁极与磁极之间相互干扰的可能性，不会影响传感器与控制系统的准确性。

与现有技术相比，本发明的优点是：采用球形车轮，汽车可以较方便的横向停车以及转弯时的横向运动；磁感系统、传感系统和控制系统的配合使用，可以对球形车轮进行更有效的控制，使球形车轮可以正常的高速运转，满足在汽车上使用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的整体结构简图。

图2是本发明的外观轴侧简图。

图3是本发明的球形车轮剖视简图。

图4是本发明的橡胶轮胎层剖视简图。

图5是本发明的塑料保持架剖视简图。

图6是本发明的中心球体简图。

图7是本发明的磁感系统剖视简图。

图8是本发明的磁感线圈简图。

图9是本发明的中层活动板剖视简图。

图10是本发明的活动板驱动装置简图。

图11是本发明的车轮坐标系示意简图。

图12是本发明的车辆加速行驶原理简图。

图13是本发明的车辆减速制动原理简图。

图14是本发明的车辆滑行原理简图。

图15是本发明的车辆加速左转原理简图。

图16是本发明的车辆紧急制动原理简图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文的本发明的球形车轮装置，将以较佳实施例，配合所附相关附图，作详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“竖直”、“水平”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例的球形车轮装置，如图1至图10所示，包括：球形车轮1，磁感系统2，供电系统3，传感系统4和控制系统5；球形车轮1主要由橡胶轮胎层11、铝合金轮面12、塑料保持架13、磁极14和中心球体15组成，橡胶轮胎层11固定于铝合金轮面12外表面，中心球体15位于球形车轮1的中心，塑料保持架13位于铝合金轮面12和中心球体15之间，该塑料保持架13为均匀布满圆孔的球壳，磁极14的一端固定于铝合金轮面12的内表面，穿过所述的塑料保持架13的圆孔后另一端固定于中心球体15外表面；磁感系统2是与球形车轮1配套使用的系统部件，由外层固定板21、中层活动板22、内层固定板23、磁感线圈24和活动板驱动装置25组成，外层固定板21固定于车辆底架上，活动板驱动装置25固定安装在外层固定板21内侧，中间活动板22是活动部件，活动板驱动装置25连接中间活动板22并可对中间活动板22进行驱动控制，磁感线圈24一端连接于内层固定板23，另一端与中层活动板22连接，磁感线圈24均匀布满内层固定板23；传感系统4包括电流传感器41、压力传感器42、距离传感器43和车速传感器44，电流传感器41与磁感线圈24连接，压力传感器42设置于磁感线圈24与内层固定板23连接的部位，距离传感器43设置于内层固定板23的内表面，车速传感器44设置于磁感线圈24上；供电系统3为该球形车轮装置提供电力支持；控制系统5连接电流传感器41、压力传感器42、距离传感器43和车速传感器44并协调该球形车轮装置的各部件正常运转。磁感线圈24由球头241、导线242和磁芯243组成，磁芯243为圆柱体，球头241为两个半球体，分别位于磁芯243的两端，导线242缠绕于磁芯243外表面，电流传感器41连接于导线242，压力传感器42设置于磁芯243与内层固定板23相接的端部位置；活动板驱动装置25由液压缸固定板251、液压缸252、活塞推杆253、固定架254、液压缸动力模块255、控制单元256和液压管路257组成，液压缸252通过液压缸固定板251固定于外层固定板21内侧，活塞推杆253连接液压缸252，固定架254位于活塞推杆253的外部端头处并固定连接中层活动板22，液压缸动力模块255和控制单元256固定于液压缸252外侧，液压缸动力模块255通过液压管路257与液压缸252连接。

具体的工作原理，如图11所示，以球形车轮1的球心为原点建立三维坐标系，车辆前进方向为+X方向，左侧为+Y方向，垂直XY平面向上为+Z方向。磁感系统2坐标系也采用相同的命名方式。控制系统5通过对每一个线圈电流大小和方向的控制来满足不同行驶工况下所需动力的需要，下面将以转向车轮的受力情况进行解释不同工况下车辆如何运行。

车辆在加速行驶时，所有线圈均产生与磁极14相同的磁性，即所有线圈与磁极14均排斥，+X—Z和—X+Z范围内线圈供电。+Z轴方向上一定角度范围内的磁感线圈24工作，产生—Z方向的力，从而使车辆悬浮。在XZ平面内的磁感线圈24初始位置为指向圆心，在活动板驱动装置25的作用下发生顺时针旋转，从而使线圈所产生的力有更多的分力沿X轴方向，此时受力情况如图12所示，球形车轮1在力的作用下发生运动。在以上过程中YZ平面上，仅需要Y轴方向上少量磁感线圈24工作，以保证球形车轮1与磁感系统2外壳具有适宜距离。

车辆在减速行驶时，所有线圈均产生与磁极14相同的磁性，即所有线圈与磁极14均排斥，+X+Z和—X—Z范围内线圈供电。+Z轴方向上一定角度范围内的磁感线圈工作，产生—Z方向的力，从而使车辆悬浮。在XZ平面内的磁感线圈24初始位置为指向圆心，在活动板驱动装置25的作用下发生逆时针旋转，从而使线圈所产生的力有更多的分力沿X轴方向，此时受力情况如图13所示，车轮在力的作用下发生减速运动。在以上过程中YZ平面上，仅需要Y轴方向上少量磁感线圈24工作，以保证球形车轮1与磁感系统2外壳具有适宜距离。

车辆在滑行时，所有线圈均产生与磁极14相同的磁性，即所有线圈与磁极14均排斥，+Z范围内线圈供电。+Z轴方向上一定角度范围内的磁感线圈24工作，产生—Z方向的力，从而使车辆悬浮，此时受力情况如图14所示，球形车轮1在惯性力的作用下发生运动。在以上过程中XY平面上，仅需要X轴和Y轴方向上少量磁感线圈24工作，以保证球形车轮1与磁感系统2外壳具有适宜距离。

车辆在加速转弯行驶时，所有线圈均产生与磁极14相同的磁性，即所有线圈与磁极14均排斥，+X—Z、—X+Z、—Y+Z、+Y—Z范围内线圈供电。+Z轴方向上一定角度范围内的磁感线圈24工作，产生—Z方向的力，从而使车辆悬浮。在XZ平面内的磁感线圈24初始位置为指向圆心，在活动板驱动装置25的作用下发生顺时针旋转，从而使线圈所产生的力有更多的分力沿X轴方向，在XZ平面内的磁感线圈24初始位置为指向圆心，在活动板驱动装置25的作用下发生顺时针（沿X轴正方向看）旋转，从而使线圈所产生的力有更多的分力沿X轴方向，此时受力情况如图15所示，球形车轮1在力的作用下发生加速转弯运动。

车辆在紧急制动，所有线圈均产生与磁极14相同的磁性，即所有线圈与磁极14均排斥，+X+Z和—X—Z范围内线圈供电。+Z轴方向上一定角度范围内的磁感线圈24工作，产生+Z方向的力，从而使车辆与球形车轮1抱死。在XZ平面内的磁感线圈24初始位置为指向圆心，在活动板驱动装置25的作用下发生逆时针旋转，从而使线圈所产生的力有更多的分力沿X轴方向，此时受力情况如图16所示，车轮在力的作用下发生减速运动。控制系统5控制减速运动和车轮抱死交替发生，从而保证车辆不会出现因抱死滑行而引起的方向失控现象，保障运行安全。在以上过程中YZ平面上，仅需要Y轴方向上少量磁感线圈工作，以保证球形车轮1与磁感系统2外壳具有适宜距离。

综上所述，本发明将球形车轮，磁感系统，供电系统，传感系统和控制系统，液压技术，磁悬浮技术等综合运用到球形车轮装置上，在现有领域中没有被提及，且相关技术的运用，令该球形车轮装置具备了很多优点，如打破了现有汽车车轮的局限，使车辆可以自由横向、纵向运动，采用磁悬浮原理，运行阻力小，可采用电力驱动，节能环保等。因此，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种球形车轮装置，包括：球形车轮（1），磁感系统（2），供电系统（3），传感系统（4）和控制系统（5）；其特征在于：所述的球形车轮（1）主要由橡胶轮胎层（11）、铝合金轮面（12）、塑料保持架（13）、磁极（14）和中心球体（15）组成，所述的橡胶轮胎层（11）固定于所述的铝合金轮面（12）外表面，所述的中心球体（15）位于所述的球形车轮（1）的中心，所述的塑料保持架（13）位于所述的铝合金轮面（12）和中心球体（15）之间，该塑料保持架（13）为均匀布满圆孔的球壳，所述的磁极（14）的一端固定于所述的铝合金轮面（12）的内表面，穿过所述的塑料保持架（13）的圆孔后另一端固定于所述的中心球体（15）外表面；所述的磁感系统（2）是与所述的球形车轮（1）配套使用的系统部件，由外层固定板（21）、中层活动板（22）、内层固定板（23）、磁感线圈（24）和活动板驱动装置（25）组成，所述的外层固定板（21）固定于车辆底架上，所述的内层固定板是所述的球形车轮（1）的外壳，所述的活动板驱动装置（25）固定安装在所述的外层固定板（21）内侧，所述的中间活动板（22）是活动部件，所述的活动板驱动装置（25）连接所述的中间活动板（22）并可对所述的中间活动板（22）进行驱动控制，所述的磁感线圈（24）一端连接于所述的内层固定板（23），另一端与所述的中层活动板（22）连接，所述的磁感线圈（24）均匀布满所述的内层固定板（23）；所述的传感系统（4）包括电流传感器（41）、压力传感器（42）、距离传感器（43）和车速传感器（44），所述的电流传感器（41）与所述的磁感线圈（24）连接，所述的压力传感器（42）设置于所述的磁感线圈（24）与内层固定板（23）连接的部位，所述的距离传感器（43）设置于内层固定板（23）的内表面，所述的车速传感器（44）设置于所述的磁感线圈（24）上；所述的供电系统（3）为该球形车轮装置提供电力支持；所述的控制系统（5）连接所述的电流传感器（41）、压力传感器（42）、距离传感器（43）和车速传感器（44）并协调该球形车轮装置的各部件正常运转。

2.根据权利要求1所述的球形车轮装置，其特征在于：所述的磁感线圈（24）由球头（241）、导线（242）和磁芯（243）组成，所述的磁芯（243）为圆柱体，所述的球头（241）为两个半球体，分别位于所述的磁芯（243）的两端，所述的导线（242）缠绕于所述的磁芯（243）外表面，所述的电流传感器（41）连接于所述的导线（42），所述的压力传感器（43）设置于磁芯（243）与内层固定板（23）相接的端部位置；所述的球头（241）与所述的中层活动板（22）、内层固定板（23）分别构成球铰链，从而使磁感线圈（24）可发生一定角度的旋转；所述的活动板驱动装置（25）由液压缸固定板（251）、液压缸（252）、活塞推杆（253）、固定架（254）、液压缸动力模块（255）、控制单元（256）和液压管路（257）组成，所述的液压缸（252）通过所述的液压缸固定板（251）固定于所述的外层固定板（21）内侧，所述的活塞推杆（253）连接所述的液压缸（252），所述的固定架（254）位于活塞推杆（253）的外部端头处并固定连接所述的中层活动板（22），所述的液压缸动力模块（255）和控制单元（256）固定于所述的液压缸（252）外侧，所述的液压缸动力模块（255）通过所述的液压管路（257）与液压缸（252）连接。

3.根据权利要求2所述的球形车轮装置，其特征在于：所述的橡胶轮胎层（11）外表面均匀布置有圆形凸起（111）。

4.根据权利要求3所述的球形车轮装置，其特征在于：所述的供电系统（4）采用发电机供电模式，即汽车发动机带动发电机工作，为该球形车轮装置供电。

5.根据权利要求3所述的球形车轮装置，其特征在于：所述的供电系统（4）采用汽车自带蓄电池供电模式。

6.根据权利要求4和5所述的球形车轮装置，其特征在于：所述的供电系统（4）采用混合供电模式，即在汽车自带蓄电池电量不足时，采用发电机供电模式。

7.根据权利要求6所述的球形车轮装置，其特征在于：所述的中心球体（15）由为橡胶材料制成。

8.根据权利要求3或6所述的球形车轮装置，其特征在于：所述的磁极（14）与磁极（14）之间可填充绝磁材料。