CN109572891A - 一种具有自动平衡装置的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有自动平衡装置的车辆，底盘包括沿平行于车辆纵向轴线方向延伸的底盘主轴，车体上设置有关于车辆纵向轴线对称布置的支撑滑轨，支撑滑轨沿竖向分别设置于车辆的前部和尾部并向底盘方向延伸；底盘主轴上设置有至少一个底盘基座，车体通过底盘基座与底盘可旋转连接；车辆还包括主动平衡装置，主动平衡装置包括车体平衡驱动系统和悬挂系统，车体平衡驱动系统与底盘主轴配合，平衡驱动系统驱动车体围绕底盘主轴转动；悬挂系统分别设置于底盘主轴的两端，悬挂系统通过滑座组件与支撑滑轨配合，滑座组件上设置与车轮铰接的车轮立柱。本发明的车体和车轮可自动倾斜，使得车辆能获得很窄的尺寸，整个车体稳定性和安全性较高。

Description

一种具有自动平衡装置的车辆
技术领域
本发明涉及一种四轮交通工具，更具体地涉及一种具有自动平衡装置的车辆。
背景技术
随着城市汽车保有量的不断增加，道路上行驶的车辆也越来越多，交通形势日趋严峻，污染情况也日趋严重，一方面堵车已成为很多城市交通的痼疾，另一方面，密集的人口、有限的生活空间和日益增多的汽车保有量也使得停车越来越困难。传统的私家汽车通常具有四个甚至更多的乘客座位，驾驶舱通常包括并列的主驾驶位和副驾驶位，整车的宽度较宽，尺寸较大。然而，据统计，当前的交通出行情况中，尤其是城市日常通勤中，一大部分为个人短途出行，一辆汽车中通常只有一至两个乘员，对于四座或四座以上的车型而言，存在极大的出行资源浪费。对于这一大部分交通出行需求而言，交通工具的空间尺寸要求较小，单座或双座的微型化汽车设计足以满足个人短途交通出行的需求。同时，微型化的汽车设计不仅能够有效减缓拥堵，方便停车，实现停车位共享，而且能够节省空间，减少排放，为节能环保贡献力量。
对于只有两个座位的微型化汽车，当其座位采用纵列式而非并列式的布局时，此时由于车身横向尺寸变窄，更有利于节省空间，便于行车和停车。然而，需要注意的是，对于四座或者四座以上的汽车，由于横向尺寸较宽，弯道行驶时较宽的轮间距使得汽车转弯时能够保持相对稳定，不易翻车。对于纵列式布局的微型化汽车，由于其横向宽度较窄，其横向车轮间距甚至只有普通汽车的一半，转弯时由于离心力的作用很容易翻车。
针对以上问题，现有技术中借鉴两轮摩托车的原理，在转弯时由驾驶者主动改变身体重心以使摩托车倾斜，该种倾斜状态在驾驶者的熟练操控下能够很好地克服离心力，从而使摩托车始终保持平衡。类似于两轮摩托车的平衡原理，近年来现有技术中的一些三轮或四轮摩托车的设计也采用车身倾斜技术以提高车辆行驶的稳定性。然而，这类车辆的悬挂系统通常直接与车体相连接，易于受到每个车轮来自地面的直接冲击，同时为了实现倾斜控制，其驱动装置也比较复杂而且分散，导致了此类车辆的车体设计复杂，横向稳定性也不佳，安全性不高，尤其是弯道行驶时，也极易翻车。另外，这类车辆通常还需要移动驾驶员的重心或通过复杂的操作来保持车辆的稳定，难以达到传统汽车驾驶时的舒适感与稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有自动平衡装置的车辆，从而解决现有技术中微型车辆的稳定性不佳且不易操控的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种具有自动平衡装置的车辆，所述车辆包括底盘、车体和车轮，所述底盘安装于所述车体下方，所述底盘包括沿平行于车辆纵向轴线方向延伸的且分别位于所述车辆的前部与尾部的底盘主轴，所述车体上设置有关于车辆纵向轴线对称布置的支撑滑轨，所述支撑滑轨沿竖向设置并且向所述底盘方向延伸；所述底盘主轴上设置有至少一个底盘基座，所述车体通过所述底盘基座与所述底盘可旋转连接；所述车辆还包括主动平衡装置，所述主动平衡装置包括：车体平衡驱动系统，所述车体平衡驱动系统与所述底盘主轴配合并连接所述车体和所述底盘，所述平衡驱动系统驱动所述车体围绕所述底盘主轴转动；以及两套悬挂系统，所述悬挂系统分别设置于所述车辆前部与尾部的所述底盘主轴上，所述悬挂系统通过滑座组件与所述支撑滑轨配合，所述滑座组件上设置车轮立柱，所述车轮立柱与所述车轮铰接。
根据本发明的一个实施例，所述车体平衡驱动系统包括固定于所述车体底部的平衡电机以及减速器，所述平衡电机与所述减速器连接，所述减速器的输出轴与所述底盘主轴连接。
根据本发明的一个实施例，所述车体的前部和尾部分别设置有车体基座和减速器，所述减速器分别安装在所述车体基座上，所述减速器的输出轴分别与前后底盘主轴连接。
根据本发明的一个实施例，所述平衡电机至少一个，所述平衡电机的转轴两端分别与两个所述减速器的输入轴直接相连或通过同步驱动轴相连。
根据本发明的一个实施例，所述底盘主轴的两端分别形成有沿水平方向设置且与所述底盘主轴的轴线垂直的底盘横梁，每套所述悬挂系统还包括两根滑座连杆，所述底盘横梁远离所述底盘主轴的两端与所述滑座连杆的底端连接，所述滑座连杆的顶端与所述滑座组件连接。
根据本发明的一个实施例，所述滑座组件包括上支撑滑座、下支撑滑座、减震器以及车轮立柱，所述上支撑滑座和所述下支撑滑座沿着所述支撑滑轨布置，所述上支撑滑座和所述下支撑滑座上分别形成有与所述支撑滑轨滑动配合的上支撑滑座孔和下支撑滑座孔，所述上支撑滑座和所述下支撑滑座之间设置有平行于所述支撑滑轨的所述减震器，所述车轮立柱设置于所述下支撑滑座上。
根据本发明的一个实施例，所述滑座连杆的一端与所述上支撑滑座铰接，所述滑座连杆的另一端与所述底盘横梁远离所述底盘主轴的一端铰接。
根据本发明的一个实施例，所述滑座连杆的一端与所述上支撑滑座固定连接并形成一体，所述滑座连杆的另一端铰接有导向滑块，所述底盘横梁远离所述底盘主轴的两端形成有与所述导向滑块滑动配合的导向槽；或者所述滑座连杆的另一端上形成有导向槽，所述底盘横梁远离所述底盘主轴的两端连接有与所述导向槽滑动配合的导向滑块。
根据本发明的一个实施例，所述车辆前部的所述车轮立柱上套设有前轮基座，所述前轮基座与所述车轮立柱的位置相对固定，所述前轮基座可绕所述车轮立柱轴线相对转动，所述车轮通过转动轴固定于所述前轮基座上。
根据本发明的一个实施例，所述车辆还包括转向系统，所述转向系统包括方向盘、方向盘连杆组件、齿轮齿条箱组件、转向连杆以及车轮基座推杆，所述方向盘安装于所述方向盘连杆组件的顶端，所述方向盘连杆组件的底端与所述齿轮齿条箱中的齿轮连接，所述齿轮齿条箱组件安装于所述底盘主轴上，所述转向连杆在水平面上大致沿着垂直于所述底盘主轴的方向设置，所述转向连杆的一端与所述齿轮齿条箱组件的齿条连接，所述转向连杆的另一端与所述车轮基座推杆的一端连接，所述车轮基座推杆的另一端与所述前轮基座固定连接。
本发明提供的具有自动平衡装置的车辆，通过车体平衡驱动系统和悬挂系统使得四轮可自动倾斜，从而进一步使得车辆能够获得很窄的尺寸，整个车体与三轮车等可倾斜车相比具有较高的稳定性和安全性；由于底盘与车体分离，简化了车体平衡驱动系统与控制的设计；四轮独立悬挂于底盘上，增加了车体的稳定性与适应性，同时由于单个车轮受到来自不平路面的冲击将会通过底盘被其它三个减震器同时吸收，从而有效减缓了跳动的车轮对车体的冲击；另外，通过车体平衡驱动系统和悬挂系统可使得车辆实现完全自动的横向稳定与平衡控制，简化了驾驶员的操作，驾驶员只需控制行驶方向和速度，便于驾驶。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的具有自动平衡装置的车辆的侧面示意图；
图2根据图1的具有自动平衡装置的车辆的底盘、前部悬挂系统、转向系统、车轮与车体的连接示意图；
图3是根据图2的具有自动平衡装置的前部悬挂系统的立体放大示意图；
图4是根据图2的具有自动平衡装置的车辆的悬挂系统的滑座组件的放大示意图；
图5是根据图2的具有自动平衡装置的车辆的尾部悬挂系统的立体示意图；
图6是根据本发明另一个实施例的具有自动平衡装置的车辆的悬挂系统的立体示意图；
图7是根据本发明的一个实施例的具有自动平衡装置的车辆正常行驶状态下的后视图；
图8是根据图7的具有自动平衡装置的车辆在转弯状态下的后视图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
图1为根据本发明一个实施例的具有自动平衡装置的车辆的侧面示意图，由图1可知，本发明提供的具有自动平衡装置的车辆，包括底盘10、车体20、车轮40和主动平衡装置，其中，底盘10位于车体20下方，车体20中设置有前后排纵向排列的座位30，主动平衡装置包括车体平衡驱动系统60和悬挂系统70(图2)，车体20通过车体基座50与底盘10旋转铰接，车体平衡驱动系统60安装于车体20底部并且与底盘10配合以使车体20可围绕底盘10转动，悬挂系统70安装于底盘10和车体20上，四个车轮40固定于悬挂系统70上。在实际实施例中车体基座50可与车体20一体成型。
具体地，本发明中的底盘10包括两个设置于车辆前部和尾部的底盘主轴11，底盘主轴11为一设置于车体20下方且平行于车辆纵向轴线方向延伸的柱体，前后底盘主轴11设置在同一条纵向轴线上，并通过底盘连接支架16固定形成整体。在实际实施例中前后底盘主轴11和底盘连接支架16可一体成型。车体基座50包括基座板、基座套、基座通孔和基座安装孔，其中，基座板为一矩形平板，基座套基本上呈圆环状且固定于基座板上，基座套中心形成有截面为圆形的基座通孔，两个基座通孔穿过底盘主轴11而分别耦合于销套上，车体基座50的基座板通过螺接或一体成型固定于车体20的下方，从而使得车体20与底盘10铰接并且车体20可在车体基座50的作用下围绕底盘主轴11转动。
进一步地，在图1中，车体20的下方还设置有车体平衡驱动系统60，车体平衡驱动系统60包括同步驱动轴61、平衡电机62、减速器63，平衡电机62通过电机支座固定在车体20底部，减速器63固定在车体基座50上，平衡电机62的转动轴的两端通过联轴器64和同步驱动轴61连接，减速器63和同步驱动轴61分别位于平衡电机62的两侧，两个减速器63分别固定于车体基座50的上，平衡电机62的转动经过减速器63进行变换后，输出转速变小，输出力矩放大，从而使得当平衡电机62输出动力时，通过减速器63带动前后底盘主轴11同步转动，从而等价于带动车体20围绕底盘主轴11转动。
根据本发明的另一个实施例，车体平衡驱动系统60的减速器63可只设置一组，此时，平衡电机62驱动减速器63的输入轴，减速器63的输出轴驱动底盘主轴11，从而推动车体20绕底盘主轴11转动。
图2为根据图1的具有自动平衡装置的车辆的底盘、车辆前部的悬挂系统、转向系统、车轮与车体的连接示意图，图3为根据图2的悬挂系统的放大示意图，由图2结合图3可知，车体20的前端和尾部还分别设置有向底盘10方向延伸的两根支撑滑轨21，前端的两根支撑滑轨21和后端的两根支撑滑轨21均关于车辆的纵向轴线对称布置，支撑滑轨21为沿竖直方向设置的柱体。车体20的前端还设置有方向盘安装孔，方向盘连杆组件92通过方向盘安装孔固定于车体20上。主动平衡装置的前部和尾部的悬挂系统70分别设置于底盘主轴11的两端，每套悬挂系统70包括底盘横梁71、两根滑座连杆72以及两个滑座组件80，其中，底盘横梁71沿着水平方向设置且垂直于底盘主轴11的轴线方向，底盘横梁71的中部固定于底盘主轴11上；两个滑座连杆72关于车辆的纵向轴线对称的布置于底盘横梁的末端，滑座连杆72的一端与底盘横梁71铰接固定，滑座连杆72的另一端与滑座组件80铰接固定。
图4为根据图3的滑座组件的放大示意图，由图3结合图4可知，每一套滑座组件80包括上支撑滑座81、下支撑滑座82、减震器83以及车轮立柱84，其中，上支撑滑座81和下支撑滑座82为长方体形状且沿着支撑滑轨21上下布置，上支撑滑座81和下支撑滑座82分别形成有上支撑滑座通孔812和下支撑滑座通孔822，支撑滑轨21穿过上支撑滑座通孔812和下支撑滑座通孔822并与上支撑滑座通孔812和下支撑滑座通孔822滑动配合；上支撑滑座81的侧面上设置有耳部811，滑座连杆72的另一端通过耳部811与上支撑滑座81铰接固定。上支撑滑座81和下支撑滑座82之间安装减震器83，减震器83沿竖向设置且平行于支撑滑轨21，从而将上支撑滑座81和下支撑滑座82连接在一起，同时，减震器83包括上段831和下段832，通过上段831与下段832的配合实现伸缩，由于在上段831和下段832之间装有弹簧和阻尼，从而当车轮40受到地面的冲击弹起时，减震器83可以吸收来自车轮的冲击，减缓车轮上下跳动。下支撑滑座82上还安装有车轮立柱84，车轮立柱84和减震器83分别位于下支撑滑座82的上下两侧；车辆前部的车轮立柱84上套设有前轮基座45，前轮基座45上设置有转动轴安装孔451，车轮基座45通过转动轴安装孔451与车轮40的转动轴铰接固定，从而使得车轮40可以围绕转动轴旋转，车轮基座45与车轮立柱84的位置保持相对固定，但是车轮基座45可围绕车轮立柱84进行一定角度的转动以实现车轮转向。
进一步地，在图2和图3中，本发明提供的具有自动平衡装置的车辆还包括转向系统90，转向系统90包括方向盘91、方向盘连杆组件92、齿轮齿条箱组件93、转向连杆94以及车轮基座推杆95，其中，方向盘91安装于方向盘连杆组件92的顶端，齿轮齿条箱组件93安装于方向盘连杆组件92的底端，齿轮齿条箱组件93中的齿轮通过方向盘连杆组件92以及旋转接头(图中未示)与方向盘91连接，齿轮齿条箱组件93固定于底盘主轴11上并且与两个转向连杆94连接，两个转向连杆94在水平方向上沿着大致垂直于底盘主轴11的轴线方向设置，两个车轮基座推杆95的一端通过万向旋转接头分别与转向连杆94的末端连接，车轮基座推杆95的另一端与车轮基座45固定连接，车轮基座推杆95在水平面内大致沿着平行于底盘主轴11的轴线方向延伸，整体而言，车轮基座推杆95垂直于车轮立柱84，车轮立柱84垂直于底盘横梁71，底盘横梁71垂直于底盘主轴11。通过以上结构，转动方向盘91可通过方向盘连杆组件92以及齿轮齿条箱组件93的传动使得转向连杆94推动车轮基座推杆95，从而进一步推动左前轮41和右前轮42同步转向。
图5为根据图2的具有自动平衡装置的车辆的底盘、尾部悬挂系统、车轮与车体的连接示意图，由图5可知，车辆尾部的悬挂系统70也包括底盘横梁71、两根滑座连杆72以及两套滑座组件80，其中，底盘横梁71的中部与底盘主轴11固定连接，两套滑座组件80分别与支撑滑轨21配合；值得注意的是，车辆尾部的悬挂系统70中车轮立柱84直接与后轮43、44的转动轴铰接固定，无需设置前轮基座，同时，车辆尾部不设置转向系统，悬挂系统70的其他部分均与车辆前部的悬挂系统相同，在此不再赘述。
图6为根据本发明另一个实施例具有自动平衡装置的车辆的悬挂系统的立体示意图，车辆前部和后部的悬挂系统对称布置，在此仅以车辆后部的悬挂系统为例进行说明，由图6可知，该悬挂系统70包括底盘横梁71、两个滑座连杆72以及两套滑座组件80，其中，底盘横梁71沿着水平方向设置且垂直于底盘主轴11的轴线方向，底盘横梁71的中部固定连接在底盘主轴11上，底盘横梁71远离底盘主轴11的两端形成有导向槽711，该导向槽711的延伸方向与下连杆71的延伸方向相同；两套滑座组件80的设置方式与上述实施例中相同，在此不再赘述。两个滑座连杆72的一端直接固定于上支撑滑座81上并形成一体，在实际设计时滑座连杆72可以是上支撑滑座81上的一个凸台支座，两个滑座连杆72的另一端铰接有导向滑块，该导向滑块安装于底盘横梁71的导向槽711内并与该导向槽711配合，使得滑座连杆72下端的导向滑块可沿着导向槽711来回小幅度滑动，从而进一步使得当车体20绕底盘主轴11偏转时，车体20上的支撑滑轨21将通过滑座组件80带动车轮同步偏转。在实际设计时滑座连杆末端铰接的导向滑块和底盘横梁的导向槽可以互换，即滑座连杆末端有导向槽而底盘横梁末端铰接有导向滑块。需要注意的是，在该实施例中，车辆前部的悬挂系统70的车轮立柱84上同样套设有车轮基座45，车轮基座45分别与车轮40和转向系统的车轮基座推杆固定，在此不再赘述。
图7为根据本发明的一个实施例的具有自动平衡装置的车辆正常行驶状态下的后视图，图8为根据图7的具有自动平衡装置的车辆转弯时处于倾斜平衡状态下的后视图，由图7结合图8可知，当转弯时，车体20可受控倾斜，当车体的离心力Fa和重力G的合力F始终通过左右轮与地面支撑点P3、P4连线的中点P0时，车辆将如在水平地面上的直线行驶一样稳定。
另外需要注意的是，本发明所述的车辆的前后悬挂系统可在同一辆车上采用不同的悬挂系统方案。本发明的驱动系统可采用现有技术中的轮毂电机、轮边电机，或者主驱电机或燃油发动机和差速机构等，比如，采用轮毂电机分别驱动两个后轮，或者采用燃油发动机或电动机和差速机构驱动两个后轮，在此不再赘述。
本发明提供的具有自动平衡装置的车辆，通过车体平衡驱动系统和悬挂系统使得车体和四轮可自动同步倾斜，从而进一步使得车辆能够获得很窄的尺寸，整个车体与三轮车等可倾斜车相比具有较高的稳定性和安全性；由于底盘与车体分离，简化了车体平衡系统驱动与控制的设计；四轮独立悬挂于底盘上，增加了车体的稳定性和适应性，同时由于单个车轮受到来自不平路面的冲击将会通过底盘被其它三个减震器同时吸收，从而有效减缓了跳动的车轮对车体的冲击；另外，通过车体倾斜系统和悬挂系统可使得车辆实现完全自动的横向稳定与平衡控制，简化了驾驶员的操作，驾驶员只需控制行驶方向和速度，便于驾驶。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种具有自动平衡装置的车辆，所述车辆包括底盘、车体和车轮，所述底盘安装于所述车体下方，所述底盘包括沿平行于车辆纵向轴线方向延伸的且位于所述车辆的前部与尾部的底盘主轴，其特征在于，
所述车体上设置有关于车辆纵向轴线对称布置的支撑滑轨，所述支撑滑轨沿竖向设置并且向所述底盘方向延伸；
所述底盘主轴上设置有至少一个底盘基座，所述车体通过所述底盘基座与所述底盘可旋转连接；
所述车辆还包括主动平衡装置，所述主动平衡装置包括：
车体平衡驱动系统，所述车体平衡驱动系统与所述底盘主轴配合并连接所述车体和所述底盘，所述平衡驱动系统驱动所述车体围绕所述底盘主轴转动；以及
两套悬挂系统，所述悬挂系统分别设置于所述车辆前部与尾部的所述底盘主轴上，所述悬挂系统通过滑座组件与所述支撑滑轨配合，所述滑座组件上设置车轮立柱，所述车轮立柱与所述车轮铰接。
2.根据权利要求1所述的具有自动平衡装置的车辆，其特征在于，所述车体平衡驱动系统包括固定于所述车体底部的平衡电机以及减速器，所述平衡电机与所述减速器连接，所述减速器的输出轴与所述底盘主轴连接。
3.根据权利要求2所述的具有自动平衡装置的车辆，其特征在于，所述车体的前部和尾部分别设置有车体基座和减速器，所述减速器分别安装在所述车体基座上，所述减速器的输出轴分别与前后底盘主轴连接。
4.根据权利要求3所述的具有自动平衡装置的车辆，其特征在于，所述平衡电机至少一个，所述平衡电机的转轴两端分别与两个所述减速器的输入轴直接相连或通过同步驱动轴相连。
5.根据权利要求1所述的具有主动稳定装置的车辆，其特征在于，所述底盘主轴的两端分别形成有沿水平方向设置且与所述底盘主轴的轴线垂直的底盘横梁，每套所述悬挂系统还包括两根滑座连杆，所述底盘横梁远离所述底盘主轴的两端与所述滑座连杆的底端连接，所述滑座连杆的顶端与所述滑座组件连接。
6.根据权利要求5所述的具有自动平衡装置的车辆，其特征在于，所述滑座组件包括上支撑滑座、下支撑滑座、减震器以及车轮立柱，所述上支撑滑座和所述下支撑滑座沿着所述支撑滑轨布置，所述上支撑滑座和所述下支撑滑座上分别形成有与所述支撑滑轨滑动配合的上支撑滑座孔和下支撑滑座孔，所述上支撑滑座和所述下支撑滑座之间设置有平行于所述支撑滑轨的所述减震器，所述车轮立柱设置于所述下支撑滑座上。
7.根据权利要求6所述的具有自动平衡装置的车辆，其特征在于，所述滑座连杆的一端与所述上支撑滑座铰接，所述滑座连杆的另一端与所述底盘横梁远离所述底盘主轴的一端铰接。
8.根据权利要求6所述的具有自动平衡装置的车辆，其特征在于，所述滑座连杆的一端与所述上支撑滑座固定连接并形成一体，所述滑座连杆的另一端铰接有导向滑块，所述底盘横梁远离所述底盘主轴的两端形成有与所述导向滑块滑动配合的导向槽；或者所述滑座连杆的另一端上形成有导向槽，所述底盘横梁远离所述底盘主轴的两端连接有与所述导向槽滑动配合的导向滑块。
9.根据权利要求7或8所述的具有自动平衡装置的车辆，其特征在于，所述车辆前部的所述车轮立柱上套设有前轮基座，所述前轮基座与所述车轮立柱的位置相对固定，所述车轮通过转动轴固定于所述前轮基座上。
10.根据权利要求9所述的具有自动平衡装置的车辆，其特征在于，所述车辆还包括转向系统，所述转向系统包括方向盘、方向盘连杆组件、齿轮齿条箱组件、转向连杆以及车轮基座推杆，所述方向盘安装于所述方向盘连杆组件的顶端，所述方向盘连杆组件的底端与所述齿轮齿条箱中的齿轮连接，所述齿轮齿条箱组件安装于所述底盘主轴上，所述转向连杆在水平面上沿着垂直于所述底盘主轴的方向设置，所述转向连杆的一端与所述齿轮齿条箱组件的齿条连接，所述转向连杆的另一端与所述车轮基座推杆的一端连接，所述车轮基座推杆的另一端与所述前轮基座固定连接。
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