CN114379685A - 一种多轮动平衡车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多轮动平衡车，属于车辆领域。本发明的多轮动平衡车采用五轮或六轮的多轮结构，使得除前轮之外的其它车轮构成不随车身摆动的稳定的车底盘，扩大了车底盘的触地面积与容错特性，使整车的动态(制动)安全性能得到极大的改善；将前轮与摆动的车身成为一体，可以使得前轮直接转向系统在多轮动平衡车中得以保留，使无迟滞的高效转向的实现简单易行且极为经济；侧轮在前后轮中的不同位置设计，使得动平衡车在结构设计上得到良好兼顾，提升了其对不同应用场合的适应性。本发明通过上述改进，使得多轮动平衡车成为一种更安全可靠、经济性更高的、更方便实现且适用性更好的小型城市通勤工具。

Description

一种多轮动平衡车
技术领域
本发明涉及车辆领域，更具体地说，涉及一种多轮动平衡车。
背景技术
目前的小型电动车或摩托车主要存在以下问题：①小型二轮车虽灵活紧凑，有很好的动平衡特性，但它做不到全封闭，不能根本解决风吹雨淋防寒问题；并且两轮系统，防滑(制动)特别是防侧滑(制动稳定性)能力差，安全系数低。②小型三轮或四轮车虽然可以采用全封闭车厢，增强了制动性能，但如果速度快了就容易侧翻，如果既要快又不能侧翻，则就需要增加车宽，又失去了其紧凑灵活的优势，所以现在常规的小型三轮或四轮车速度都不能太快，并且宽度方向尺寸大都在1米以上，这就使它的适用人群和场合受到了很大限制。
中国专利号ZL201480067213.4公开了一种“具有倾斜框架的车辆”，其倾斜框架2能相对于所述主架1倾斜，并且具有倾斜轴线35(此处沿用专利201480067213.4中的附图标记)，但它的横拉杆致动元件39能相对于所述倾斜框架2移动，以及通过所述倾斜框架2关于所述倾斜轴线35的倾斜和与其独立地通过所述转向轴线59的旋转被致动，使得所述至少一个能转向的接触元件3a通过所述至少一个横拉杆7经历转向运动，并且所述横拉杆致动元件39能够通过所述倾斜框架的倾斜且与所述倾斜独立地通过所述转向管6的旋转而相对于所述主架1移动，以用于所述至少一个横拉杆7的致动。可以看出，该专利申请案公开的车辆，其车身框架的倾斜与车辆的转向是相关的，即横拉杆7的致动有两个因素：倾斜框架2的倾斜和通过轴线59的旋转；这样，车的倾斜会影响车的转向，反之，车的转向运动同时也会影响车身的倾斜。从二轮车的动平衡原理我们知道，车身的倾斜与转向是分离的，不相干的，否则车身不能实现动平衡。比如二轮车在高速经过弯道时，车身的倾斜角是很大的，但车的转向是很细微的；二轮车在低速度行驶时，细微的车身倾斜需要较大角度的转向来使车身重新回到平衡点，由此可以看出，车身倾斜与转向不能存在明显的相关性，否则难以真正意义上实现车辆的动平衡，也就是说，虽然该专利提出的这种车具有了可倾斜的框架，绕倾斜轴线倾斜，但它不能实现类似二轮车的动态平衡状态。
中国专利申请号201610157690.0公开了“一种三轮以上摩托车用强制控制车架和车轮自动平衡机构”，其平衡机构把车分成前后两部分，前部分含前轮，后部含后轮，整个前部分通过“车架连接轴承组”与后部分连接，这样前部分可以相对后部分围绕轴承的轴线摆动，该专利申请案有两个特点：一是强制控制平衡侧倾；二是车身在倾斜或摆动过程中，作为转向轮的前轮跟随车身倾斜摆动，由于所有车轮是始终着地的，因此这种摆动的结果是车轮随着摆动倾斜。这两个特点都不能形成类似二轮车的动态平衡所需要的失稳式的摆动或倾斜，因此它也不能形成类似二轮车的动态平衡状态。
专利《一种人机联合平衡车》(专利号为201922148722.2)提出了一种结合二轮车与三轮/四轮各自优点的解决方案，即采用三轮或四轮的车底盘，但车身是可以在底盘上左右自由摆动的，车行驶时是依赖驾车人的平衡控制对车身进行平衡的，即用二轮车的驾车平衡原理来驾驶三轮或四轮车(本文称这种车为动平衡车)，这样就解决了传统小型三轮或四轮车在高速行驶时的稳定性，又获得了三轮或四轮车的制动稳定性以及封闭车厢对人的保护作用。然而，在该专利申请案中，虽提及了能够用于四轮结构的人机联合平衡车，车身上不设置车轮，车身通过前后两个摆动装置与车的前后两个车底盘连接，相当于对二轮车框架进行了直接迁移，把前轮分为两轮、把后轮分为两轮，由于后轮不转向，因此后轮一分为二没有问题，但前轮需要转向，如果不改变转向方案，则两前轮将绕它们连线的中心转动，而不是两轮单独绕各自的转向节旋转，其结果是前两轮实质上是一个超宽的单轮，前部摆动中心仍在地面，相当于没有超出正三轮的范畴，因此该专利在真正的四轮和倒三轮车(前轮非一体式转向)上的应用受到了很大的限制。
由此我们可以看到，目前的动平衡技术实质上只在正三轮上得到了成功应用，而正三轮动平衡车虽然具有较好的静态安全性，但在制动安全性上存在先天的较大缺陷(详见后文阐述)，为此我们有必要对正三轮动平衡车进行改进，一种方案是在真正的倒三轮与四轮车(前轮非一体式转向)上运用动平衡技术，但实践表明，动平衡技术要在真正的倒三轮与四轮车上实现，必须采用间接转向系统，使得非一体式转向的两前轮的转向与车身的平衡摆动相独立，而间接转向系统存在的迟滞性对动态平衡的稳定性产生了最主要的不利影响，使得动平衡技术在真正的倒三轮与四轮车上的应用受到了制约。
含五轮及以上车轮的车在现有技术中通常是两种形式，一种是把原三轮车的每只后轮换成同轴的两轮，另一种是把原三轮车的两后轮变成矩形布置的多轮结构，这两种形式的目的都是增加车的载重能力，都用在载重三轮车的场合。对于小型通勤车，因为不存在过大的载重负荷，所以基本没有这种多轮结构。所以在传统多轮车设计理念的框架上，小型通勤车上使用五轮甚至六轮结构显得完全没有必要。然而，众所周知，多轮布局的车辆具有更好的行驶稳定性，如四轮代步车的稳定性优于三轮代步车的稳定性等，中国专利申请号200780001026.6公开了一种“轮式车辆”，其通过在转向轮的两侧各设置一个触地前轮，形成一种五轮布局的代步车辆，其为了提高代步车辆的稳定性和操控灵活性，将转向轮与两侧的触地前轮传动连接在一起，也正是由于转向轮与两侧的触地前轮的这种关联性，使这种五轮布局的代步车辆难以应用动平衡技术。
综上，动平衡技术在正三轮上得到了很好的应用，这样可以获得一种更紧凑的城市通勤工具，但正三轮动平衡车在安全性上仍存在不足；当我们将动平衡技术向真正的倒三轮与四轮车(前轮非一体式转向的倒三轮和四轮车)延伸时，又存在转向问题的困扰。因此，如何进一步改善动平衡车的动态安全性和动平衡车的转向问题成为本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的一个目的在于提供一种多轮动平衡车，采用本发明的技术方案，通过多轮的动平衡车设计，使车的动态(制动)安全性能得到极大改善，同时使动平衡车在车的结构设计上得到良好兼顾，获得了一种安全性、经济性更高的、适用性更好的小型城市通勤工具；
本发明的另一个目的在于解决将动平衡技术应用于三轮以上动平衡车时，如何用简单经济的手段实现无迟滞的高效转向的问题，采用本发明的技术方案，将前轮与摆动的车身设计为一体，可以使得前轮直接转向系统在多轮动平衡车中得以保留，使无迟滞的高效转向的实现简单易行且极为经济，进一步提高了动平衡车的经济性和实用性。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种多轮动平衡车，包括车的摆动部分和车的不摆动部分，所述车的摆动部分能够相对于车的不摆动部分沿车行进的垂直方向摆动，且该摆动为失稳式摆动，以便于车在行驶过程中实现动态平衡；
所述车的摆动部分含有一只前轮，所述车的不摆动部分含有侧轮和后轮，所述侧轮和后轮组合方式有两种：一种是两只侧轮、两只后轮，从而与前轮共同构成五轮动平衡车；另一种是四只侧轮、一只后轮，从而与前轮共同构成六轮动平衡车；
所述五轮动平衡车的两侧轮的轮间距与两后轮的轮间距之比为0.75～1.25，且所述前轮轴线到侧轮轴线的距离与前轮轴线到后轮轴线的距离的比值为0～0.7，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的结构设计的情况下，获得尽可能高的制动安全性；
所述六轮动平衡车的四只侧轮分成两组，呈矩形或等腰梯形布置，侧轮在车的纵向上不超过前轮和后轮，两组侧轮的轮轴间距与前轮轴线到后轮轴线的距离之比为0.2～1.0，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的结构设计的情况下，获得尽可能高的静态安全性与制动安全性；
所述车的摆动部分在行驶过程中能够不借助任何外力以动态平衡状态站立不倒，感受所述动态平衡状态、然后调整并维持这种动态平衡状态的主体是驾车人或电子平衡控制系统，驾车人在驾车过程中利用人体自身的平衡感知和操控动作使车的摆动部分处于动态平衡状态而站立，或者使用电子平衡控制系统使车的摆动部分处于动态平衡状态而站立；
所述车的摆动部分为车身，车的不摆动部分为车底盘，车身与车底盘的连接装置为摆动装置，所述车身通过摆动装置安装于车底盘上；所述车身通过前轮触地获得来自地面的支撑，同时车身通过摆动装置获得来自车底盘的支撑；
所述车身能够相对于车底盘及地面在沿车行进的垂直方向上摆动，且该摆动为失稳式摆动，以使车身在行驶过程中在不借助任何外力的情况下动态平衡地立于车底盘与地面之上；所述前轮随车身的摆动而摆动，车身的摆动不会产生后轮及侧轮相对于地面的倾斜摆动。
更进一步地，所述前轮为转向轮，前轮采用的转向装置为直接转向装置。
更进一步地，所述后轮为定向驱动轮，所述侧轮为万向轮或者第二转向轮；当侧轮为第二转向轮时，由所述车身发出的转向操作通过转向传递装置传递到侧轮，所述转向传递装置是一种使车身的摆动与车的转向传递相互不影响的装置，在转向传递的过程中车身能够同时摆动，转向传递不影响车身的摆动，车身的摆动不影响转向的传递。
更进一步地，所述摆动装置采用滚动式摆动装置，所述滚动式摆动装置包括摆动上部构件和摆动下部构件，所述摆动上部构件与所述车身连接，所述摆动下部构件与所述车底盘连接，所述摆动上部构件滚动放置于摆动下部构件上，所述摆动上部构件能够在摆动下部构件上左右来回滚动，从而形成车身相对于车底盘及地面的左右摆动；摆动上部构件和摆动下部构件的接触面之间具有防滑结构或制成有相互啮合的齿形结构。
更进一步地，所述摆动装置还具有纵向旋转轴线，使摆动装置能够在车的纵向平面内转动，该纵向旋转轴线垂直于车的纵向平面，用于防止摆动装置向车底盘传递纵向上的扭矩。
更进一步地，所述摆动装置为万向节，所述万向节的一个轴与所述车身固定连接，所述万向节的另一个轴与所述车底盘固定连接，所述车身通过万向节能够相对于车底盘沿车的左右方向摆动以及在车的纵向平面内旋转，该万向节还能够在车身转向时使车底盘跟随转向。
更进一步地，所述车的摆动部分设置有摆轴上减震缓冲装置，所述摆轴上减震缓冲装置用来吸收由车的不摆动部分传递过来的冲击和振动。
更进一步地，所述车底盘为一体式或分体式。
更进一步地，所述摆动装置还包括阻尼机构，所述阻尼机构用来给车的摆动部分的左右摆动增加阻尼以增加动平衡操控的稳定性，且阻尼机构增加阻尼的程度以不失去车的摆动部分动态平衡的操控为限。
更进一步地，所述电子平衡控制系统是陀螺仪电子平衡控制系统。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)采用五轮或六轮的多轮结构，使得除前轮之外的其它车轮构成稳定的车底盘，扩大了车底盘的触地面积与容错特性，使整车的动态(制动)安全性能得到极大的改善；侧轮在前后轮中的不同位置设计，使得动平衡车在结构设计上得到良好兼顾，提升了其对不同应用场合的适应性；前轮为单轮的设置使得直接转向系统在多轮多平衡车中的实现成为可能，而直接转向系统的采用可以使得无迟滞的高效转向的实现简单易行且极为经济。
(2)侧轮采用万向轮或第二转向轮的设置使得多轮结构的动平衡车得以实现，否则侧轮会阻碍车身转向从而使车不能正常使用；当侧轮设置成第二转向轮时，可以方便的设置制动装置，使侧轮参与到车的制动中来，从而极大的提升了车的防滑性能和制动性能。
(3)滚动式摆动装置的使用可以使得车身与车底盘形成扩大的面接触，从而更有利于动态平衡运行的稳定性。
(4)使摆动装置具有纵向旋转轴线z2，可以防止摆动装置向车底盘传递纵向上的扭矩。这样不管车的减震缓冲装置的变化对摆动轴线z1形成什么样的影响，车底盘对其车轮的力的分配比例是固定的，因此也有利于车底盘的受力设计；使用万向节这一现有成熟产品作为摆动装置，不仅简化了相关结构，也使车的设计和制作过程得以简化。
(5)车底盘不设置减震缓冲装置而在车身设置摆轴上减震缓冲装置，简化了车底盘的结构、减轻了其重量(有利于动平衡的控制)，并使摆动轴线z1不受减震缓冲装置伸缩的影响；摆动装置中阻尼机构的设置有利于提高动态平衡运行的稳定性。
(6)车底盘为一体式或分体式，可以提高动平衡车在不同应用场合、不同车型的适应性。
(7)使用电子平衡控制系统来实现动态平衡，①可以使人从驾驶中解放出来，不需要始终专注于动态平衡的控制，并可避免人为疏忽的危险因素；②比传统的电子平衡车更安全。
附图说明
图1为本发明一种多轮动平衡车的五轮动平衡车的一种实施例的主要结构侧面示意图；
图2为本发明一种多轮动平衡车的五轮动平衡车的一种实施例的主要结构俯视示意图；
图3为图1中车身的主要结构侧面示意图；
图4为图1中车底盘的主要结构俯视示意图；
图5为本发明一种多轮动平衡车的六轮动平衡车的一种实施例的主要结构侧面示意图；
图6为本发明一种多轮动平衡车的六轮动平衡车的一种实施例的主要结构俯视示意图；
图7为图5中车身的主要结构侧面示意图；
图8为图5中车底盘的主要结构俯视示意图；
图9为本发明中的轴承式摆动装置的结构示意图；
图10为本发明中的铰链式摆动装置的结构示意图；
图11为本发明中的滚动式摆动装置的横向剖视结构示意图；
图12为本发明中的滚动式摆动装置的纵向剖视结构示意图；
图13为本发明中的十字转轴式摆动装置的示意图；
图14为本发明中具有可转动支座的摆动装置的示意图；
图15为本发明的一种多轮动平衡车的分体式车底盘的示意图；
图16为本发明一种多轮动平衡车的侧轮为第二转向轮时的主要结构侧面示意图；
图17为图16中A-A剖视图；
图18为本发明一种多轮动平衡车的侧轮为第二转向轮时的主要结构俯视示意图；
图19为图16中车底盘与转向传递装置的主要结构俯视示意图。
图20为本发明的一种多轮动平衡车的容错特性分析图；
图21为正三轮、倒三轮与四轮动平衡车的容错特性对比图；
图22为本发明中的多轮动平衡车与十字形动平衡车的容错特性对比分析图。
示意图中的标号说明：
01、前轮；02、侧轮；03、后轮；z1、摆动轴线；z2、纵向旋转轴线；
1、车身；11、车身架；12、转向把手；13、前轮叉；14、摆轴悬臂轴承组件；15、摆轴悬臂构件；16、摆轴上减震缓冲装置；
2、摆动装置；2a、轴承式摆动装置；2a1、轴承；2a2、轴承座；2a3、转轴；2a4、阻尼块；2b、铰链式摆动装置；2b1、铰链上构件；2b2、铰链下构件；2b3、销轴；2b4、轴向固定件；2c、滚动式摆动装置；2c1、滚轮固定件；2c2、滚轮接触件；2c3、限位件；2c4、承托件；2d、十字转轴式摆动装置；2d1、十字构件；2d2、车身连接构件；2d3、摆动轴；2d4、摆动轴向固定件；2d5、横向轴；2d6、横向轴向固定件；25、可转动支座；2e、可纵向旋转摆动装置；
3、车底盘；3a、一体式车底盘；3b、分体式车底盘；31、底盘架；3a1、一体式底盘架；3b1-1、底盘前架；3b1-2、底盘后架；32、动力装置；33、减震缓冲装置；34、悬臂构件；35、悬臂轴承组件；36、转向转轴；37、转向力臂；38、转向拉杆；39、转向节；3A、横拉杆；
4、转向传递装置；41、钢丝线牵引装置；42、钢丝线；43、套管；44、始端套管固定装置；45、终端套管固定装置；46、被动牵引装置。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
本发明需要解决的首要问题是：要解决动平衡技术向正三轮之外的车型应用的必要性，分析正三轮动平衡车存在安全缺陷的根源。根据专利201922148722.2《一种人机联合平衡车》所述的动平衡车的平衡原理会得到结论：动平衡车行驶过程中的安全性(动态安全性)只要求车底盘形成对地的面接触就可以，而与其触地的形状无关(不考虑车轮的数量因素)，而正三轮动平衡车已然达到了上述要求，按理就是安全的，动平衡技术就未必一定要向倒三轮、四轮或更多车轮的车进行延伸；退一步的说，即使动平衡车的动态安全性与车的横向和纵向轮距是有关的(符合人们常规的经验判断)，那么，是不是只要纵向与横向轮距确定，其动态安全性就确定，而与车底盘触地形状无关？本文的结论是否定的，即在相同的横向和纵向轮距下，正三轮与倒三轮不同，更与四轮不同，动平衡车的安全性与车底盘触地形状有关；并且在几种车底盘触地形状中，正三轮是动态安全性中最为不利的一种。
为了便于分析说明动平衡车安全性决定因素及相互关系，本文是从一些概念展开的，包括：失稳式摆动、动态平衡、车在行驶过程中受到的合力R、静态安全线、静态安全区、容错特性(包括：容错区、容错角、容错弧线)，这些概念的具体含意及相关原理分述如下：
失稳式摆动：是在没有驾车人操控或其它平衡控制系统控制的情况下，车的摆动部分处于非边界的任一位置时，都是失稳的，都是要回到边界位置才可以获得稳定状态的摆动形式，失稳式的摆动是建立车的摆动部分动态平衡的必要条件。
动态平衡(或称动平衡)：本文所述的动态平衡包含了两种情况，一种是由驾车人通过驾驶实现的动态平衡，另一种是由电子平衡控制系统实现的动态平衡，它们共同的核心特征是，在车的行驶过程中所受到的合力R始终指向或是通过摆动轴线z1，由于摆动轴线z1也是车的支撑轴线，因此车身在不需要任何其它的外力辅助的情况下能保持稳定的站立状态。这种合力R始终指向摆动轴线z1的过程是一个动态过程(参照下面合力R的阐述)，具有先决性与自发性，人在动态平衡控制状态下，是条件反射式的潜意识反应，这是明显区别于非动态平衡控制下，过弯时倾斜车身的显意识支配行为的，显然后者具有明显的滞后性与不准确性。
车在行驶过程中受到的合力R：如图20所示，车在行驶过程中受到的力主要有三个：重力、离心力和惯性力，其中惯性力为加速惯性力或减速惯性力；重力与离心力的合力记为R1，惯性力记为F，R1与F的合力记为R，其作用点位于整车(包括车和乘驾人)的重心。关于离心力，我们常存在的误区是，离心力只有在转弯的时候才会有，而实际上车在行驶过程中离心力是一直存在的，只是直线行驶时，离心力很小，而转弯时离心力明显；二轮车在行驶时，看似直线行驶的状态，其实我们一直在不停的微调龙头以形成微小的离心力，微观上车的行驶路径是S形，在离心力的作用下，我们才能不断纠正合力R1(匀速下只有重力与离心力)，形成了它不断的回到支撑轴线(即是摆动轴线)上来以保持平衡不倒，而宏观上则表现为相对稳定的“直线”行驶，完全绝对的直线行驶(把龙头固定住)二轮车做不到，但三轮车能做到就是这个道理。关于惯性力F，这是一个会常常被人们忽略的力，但实际上它是决定车的安全状态的一个重要因素，力F是向前(减速制动时)或向后(加速时)的，大小等于车的总质量×加速度a(或制动加速度)，并且加速惯性力不会太大但减速惯性力会可能非常大。图20中所示了R1和力F形成合力R的情况，重力加速度为9.8m/s2，如果分别取制动加速度为10m/s2、7m/s2和5m/s2，并假定车辆处于直线行驶(离心力忽略)，则S点、P点和Q点就是这三种制动状态下的动平衡车的合力R通过地面的位置，由图20中我们也可以看出，重心高度的增加和重心的前移都会增加车在紧急制动下前翻的风险。需要说明的是：对于动平衡车，由于存在车的摆动部分和车的不摆动部分，理论上说应该把这两部分的受力进行分开讨论，但考虑到车的不摆动部分对于动平衡的机理探讨及由此关联的车的安全性的分析基本没有实质影响，为了便于阐述，从抓主要矛盾的角度出发，忽略了车的不摆动部分的这种影响，不过在设计动平衡车时，应该尽量减小车的不摆动部分的质量，因为车的不摆动部分的质量越小，对动平衡的控制越是有利。如果定义R所在的直线与地面的交点为N，则我们可以得到以下结论：1.1、车在匀速直线行驶时，忽略微观对合力的调整所需要的微小离心力(下同)，车的合力R即为重力，垂直地面向下，N点落在M点上(M点为重心在地面上的垂直投影)，此时车身直立(垂直于地面)；行车过程中，车在大部分时间里都是近匀速直线行驶的，因此N点基本都在M点的正前、正后方的一个很小的范围内变动，即N点在AC连线上且基本在M点附近。1.2、车在匀速过弯时，车的合力R即为重力与过弯离心力的合力R1，N点落在M点的正左或正右侧，即N点在DE线上，此时车身倾斜，N点离M点的距离因离心力的增大而增大；实际绝大部分情况下的过弯都是滑行(微减速)，也有少数微加速的可能性，这样N点落在DE线附近的区域内。1.3、车在直线加(减)速时，惯性力F向后(前)，R为惯性力F与重力的合力并指向后(前)下方，N点落在M点的正后(前)方，此时车身直立，N离M点的距离由惯性力F的大小决定，即N点在AC连线上且会离M较远。1.4、车在过弯时同时伴随明显的加(减)速，注意这种情况很少发生，特别是过弯制动减速会很危险(人的下意识会提前减速，以尽量避免这种情况)，N点落在M点的斜后(前)方，此时车身倾斜，N离M点的距离由惯性力F和离心力共同决定。1.5、车在失去动态平衡状态下，这时一定是发生了突发情况使车身失控了(N点基本离开了AC线)，这种情况通常是减速状态，因此N点落在M点的斜前方，N离M点的距离由减速惯性力F和车的姿态决定，惯性力F越大，N点越远离M点。而对于非动平衡车而言，N点却是随机的、任意的落在车的静态安全区(见后面的定义)内的。
以上除了惯性力之外，其它内容在专利201922148722.2《一种人机联合平衡车》都有相同或相近的描述，但正如上文所述，惯性力是决定车的安全状态的一个重要因素，因此本文将对惯性力影响下的动平衡车的安全状态进行重点分析。
静态安全线与静态安全区：本文用静态安全线来反映动平衡车的静态安全性。如图20所示，把相邻车轮触地点的中心连接起来形成的多边形区域是静态安全区，图20中五轮动平衡车的静态安全区为多边形AB1B2C1C2。传统车的动态安全性也是用这个静态安全区来表征的，但动平衡车则不同，这在后面的容错区中讨论。整车的重心所在的横截面与静态安全区的交线为重心所在的静态安全线，简称静态安全线，即图中的DE线。重心高度对于车的静态安全性是有直接的影响的，只是我们的目的是比较不同类型的车的安全性，而不是具体的实物车，为了对比的方便，我们统一假定车的重心高度相同(下同)，这样可用DE线的长短很直观的反映出其静态安全性的大小。
容错特性：本文用制动状态容错特性(简称容错特性)来反映动平衡车的制动安全性。我们知道车辆发生安全事故基本是处于制动状态的(或者是伴随制动的)，在正常行车过程中，如果我们发现了异常情况，就会采取制动，并且异常情况越突然，制动就会越紧急，惯性力会越大；当车辆发生碰撞，形成被动制动，这时的惯性力往往特别大；又由于动平衡车解决了过弯易侧翻的问题，行驶过程中的绝大部分状态的安全性能都比较好，因此分析制动状态的安全性对动平衡车而言就更重要和更有意义。三轮及以上动平衡车在动态平衡被破坏后并不是马上触发翻车的，在失去动平衡到触发翻车之间存在一个中间的缓冲状态，本文将这个中间缓冲状态的表征参数称为容错特性，包括：容错区、容错角与容错弧线。静态安全区中，静态安全线向前的区域为容错区，在图20中，容错区为多边形AB1DEB2区域；容错角是在某一制动加速度下(假定这个制动加速度不变)，前方容错范围的夹角；图20中以M为圆心，MQ长为半径的圆被容错区截得的弧为容错弧线。那么，容错弧线所对应的圆心角即为容错角，Q点位置不同(制动加速度不同)，容错角不同，容错弧线长短不同。由于是考虑制动状态，因此容错特性的参数都在重心所在横截面的前方，即图中DE线的前方。假设某时刻车处于动平衡状态，N点落在地面的某点(设为X点)上，当动态平衡被破坏时，N点就开始离开X点进入容错区，此时只是车身处于开始失衡的状态，底盘部分仍然处于稳定的安全状态，即使存在车轮制动滑行，但整车并没有失稳，仍没有开始倾倒，如果此时我们还没有来得及反应，那么N点继续远离X点向容错区边界靠近，只有当N点越过边界，整车才开始翻倒。因此容错区为我们提供了反应和纠偏的时间，这个时间的长短与容错区的大小、容错角大小、容错弧线的长短直接相关(要综合这三个参数，因为失衡过程中制动加速度、车的姿态等都可能在变化)，容错区、容错角及容错弧线越大，可供我们反应和纠错的时间越长。二轮车没有容错区，一旦失衡，动平衡很容易迅速恶化使车失控并很快摔倒，人几乎没有反应的时间，在失控过程中还很容易进一步促发侧滑、过度转向等不利反应，从而进一步加速和加重了失衡进程。容错区是三轮及以上动平衡车所特有的，它不是安全区，因为一旦合力离开X点进入容错区就表示危险已经触发，但它也不是危险区，因为在容错区内，还不会导致翻车的危险结果，容错区还有阻止失衡加速恶化的作用(因为底盘这时还是稳定的)，条件反射式的纠偏也只需要很短的时间就可以让车辆重新回到动平衡运行的正常状态。
从上述分析可以看出，容错特性对动平衡车的行驶安全性至关重要，它应该成为评价动平衡车最关键最主要的安全指标；越好的容错特性(容错区、容错角、容错弧线越大或越长)意味着越好的安全性；同时我们也可以看出，增加轮距(纵向和横向)、降低重心高度是改善容错特性最直接最有效的方法。需要注意：①容错区基本是整个静态安全区，因为任一瞬间的平衡点(X点)只有一个，除这个点之外的静态安全区都是容错区。②容错特性不等于静态安全区，尽管算上加速行驶过程的容错区在形状和面积上等于静态安全区，但容错特性关注的是制动状态，是DE线的前方性质，所以需要加入容错角与容错弧线(实际是引入了惯性力，这是与现有技术的关键区别)，因此不能用传统的静态安全参数来衡量动平衡车的制动安全性能。
下面我们利用上述概念对三轮、四轮动平衡车的安全性进行比较和分析(设车的横向和纵向轮距相同、重心高度和位置相同)。
正三轮、倒三轮和四轮(矩形)动平衡车的比较：图21显示了正三轮、倒三轮、四轮(矩形)动平衡车的静态安全线、容错区、容错角与容错弧线的情况，从图中我们很容易看出：①正三轮的静态安全线DE长于倒三轮(尽管它们具有相同面积的静态安全区)，说明在静态下，正三轮防倒性能明显优于倒三轮；②正三轮的容错区小于倒三轮，正三轮在较大制动加速度a下的容错角、容错弧线都小于倒三轮，并且当a值越大，对应的容错弧线正三轮的越短而倒三轮的越长，说明在紧急制动状态下，倒三轮的安全性明显优于正三轮，并且制动越紧急，这种差距越明显；③越紧急的制动，正三轮的容错弧线与容错角减小得越快，因此会非常危险；④正三轮与倒三轮的静态安全区的面积是相等的，但它们具有不同的静态与动态的安全特性，因此不能只看静态安全区面积的大小；倒三轮的静态安全参数低于正三轮，但紧急制动下的动态安全性能明显优于正三轮，因此对动平衡车安全性能的评价不能只看静态参数；⑤矩形布置的四轮车，具有最优的静态安全线、容错区、容错角与容错弧线。
从上述对比分析，我们可以得到结论：3.1、正三轮动平衡车有好的静态安全性，但制动安全性最差，特别是越紧急的制动越危险，容错特性指标快速降低；3.2、倒三轮动平衡车的静态安全性差，轻制动时的安全不足，但紧急制动的安全性较正三轮有明显提高，并且越紧急制动这种相对优越性越明显；3.3、矩形布置的四轮动平衡车具有最好的静态安全性(静态安全线最长)与制动安全性(容错特性最好)。
至此，本发明首要问题的答案就很显然：虽然正三轮动平衡车有着不错的静态安全性，但关键的制动安全性是除二轮之外的车轮布置形式中最弱的，原因就是它的容错特性最小。因此我们有必要将动平衡技术向其它车型拓展，以改善正三轮在动态安全性上存在的先天不足。
从上述动平衡车的安全性能分析可知，矩形布置的四轮动平衡车具有最好的安全性，那么为什么不直接采用矩形四轮动平衡车呢？如背景技术中所述，动平衡四轮车在实现时受到转向问题的限制，由于无迟滞的高效间接转向系统在现有技术中实现困难，常规结构与制作工艺下的间接转向系统存在的迟滞性问题会导致动态平衡无法稳定运行。面对此问题，我们有三个解决途径：①不计代价，通过性能优异的工艺与材料等手段使得间接转向系统满足要求；②采用直接转向系统(现有二轮车的直接转向装置结构简单，技术成熟)，但意味着不能直接使用矩形四轮布置形式；③放弃人的动平衡实现形式而采用其它方式来实现动平衡，如采用陀螺仪电子平衡控制系统(电子平衡控制系统不像人的操控，它不是通过离心力和转向来控制，比如它可以实现停车状态下的车身直立，因此转向是否高效和及时对实现动平衡几乎没有影响)，但这也意味着放弃了驾驶乐趣的体验。从目前看，显然第二种途径简单、经济，这样就有两种实用性的方案：方案一、在矩形四轮的形式上加上用来直接转向的前轮，构成五轮的结构，从而使动平衡车的动态安全性问题与转向问题得到很好的解决；方案二、在方案一的基础上再加上用来提供动力的单后轮，构成六轮结构，从而在动态安全性问题与转向问题得到很好的解决的基础上，再使得动力方案更简单。
从图20和图21中可以看出，相对于正三轮而言，因为侧轮02的加入，使得整车的容错特性有了明显的改善。定义前轮01轴线与后轮03轴线之间的距离为l，前轮01轴线与侧轮02轴线之间的距离为k，λ为k与l的比值，则λ越小，容错特性越好，当λ为零时，其容错特性达到与矩形四轮同等状态(侧轮与后轮具有相同的轮间距)，即达到最好的状态。若λ等于1，即侧轮与后轮并排，在同一轴线，这种情况与正三轮没有区别；当λ超过0.7时，从结构上来说侧轮与后轮紧挨着以至重叠，这会给结构设计带来很大麻烦，更主要的是这种情况下侧轮对的容错特性改善所产生的意义不大，已没有必要采用五轮结构而直接采用正三轮结构。因此本文将λ设定在0～0.7范围内是更有实用意义的考虑，尽管从获得尽可能好的容错特性的角度，要求λ越小越好，但λ值的确定还需要考虑如下因素：①不影响动态平衡的稳定性(λ越小，车身摆动有可能会导致侧轮在水平面内的左右晃动幅度增加明显，从而可能影响动态平衡的稳定性；λ越大，侧轮越靠近摆动装置，这种负面的晃动就越小)；②车的结构设计、空间布置因素等，如λ取零会给车底盘的设计带来麻烦，因为要避开前轮，而适当增加λ值可以利用前轮与车身架之间的空隙；又如使侧轮后移可以使车体的前部有更好的流线设计；再如将侧轮设置在中部靠后的位置(λ值超过0.5)可能会更利于空间的合理利用等等。所以不同的λ值的设置会有不同的功能侧重考虑，这使得多轮动平衡车(六轮同理)可以适应不同的应用场合，很好的提升了它的适用性。
从图21和图22中可以看出，六轮动平衡车为了采用单后轮以获得简捷的动力结构，相对于五轮动平衡车损失了一些静态安全特性，但只要侧轮设置合理，这种损失只是理论上的，而基本不会产生实质的不利影响(或影响很小)。定义两组侧轮轴线间的距离为j，μ为j与l的比值，μ越大，容错特性越好；当μ等于1，其容错特性完全等同于矩形四轮，达到最大；当μ等于0，两组侧轮成为一组，构成十字形动平衡车(车轮呈十字形布置，本文称这种动平衡车为十字形动平衡车)，而μ在0～0.2时与十字形动平衡车的效果基本接近，因此本发明的六轮动平衡车将μ限定在0.2～1。通常情况下可以将μ设计在0.5～0.7，并使车轮呈前后尖的纺锤形布置，这样即可以获得非常好的容错特性，也可以使整车具有紧凑的结构和更好的流线外形。
本文所述的多轮动平衡车所包括的五轮和六轮动平衡车是区别于十字形动平衡车的。对于五轮而言，后两轮的间距与侧两轮的间距是基本相等的(侧轮由于是万向轮或第二转向轮，因支架结构的原因，会使侧轮的间距略小于后轮)，也有可能有意将侧轮间距稍宽于后轮，使整车呈前部略宽于后部的造型，但侧轮间距与后轮间距也是基本相当的，本文界定为两侧轮的轮间距与两后轮的轮间距之比为0.75～1.25。使用五轮结构的目的是利用后轮的两轮进行驱动，以电动车为例：后轮采用双轮毂电机或是单电机+差速器(少数低速车也会采用一个轮毂电机而另一个作为被动轮)来驱动；而十字形动平衡车的后轮为单轮(后轮的轮间距为零)，它的后驱形式只能采用单轮毂电机。对于六轮车而言，它比十字形动平衡车多了一组侧轮，这样就解决了十字形的“顾此失彼”的矛盾(侧轮靠前提高了紧急制动安全性却损失了静态与轻制动时的安全性，侧轮靠后则反之)，并可以使车的静态和动态安全性达到基本等同于矩形四轮的最优效果，只要使μ超过0.2，就能使车的安全性能相对于十字形动平衡车有明显提升。
图22显示了同宽度情况下的多轮动平衡车与十字形动平衡车的容错特性的对比。图中不难看出：①在λ值比较小时，五轮动平衡车具有非常好的容错特性，图中的λ值(为0.25)可以保证在10m/s2以下(图中S点)的整体安全性与矩形四轮完全相同；②相同λ值的情况下，十字形动平衡车在侧轮前方的部分与五轮动平衡车相同，但侧轮后方的部分，越远离侧轮容错特性越差；③当λ值比较小时，十字形车虽然在较大制动加速度下有较好的容错特性，但它牺牲了静态安全性以及在轻制动下的容错特性；④对于十字形车，通过调整λ值可以使其静态及轻制动下的容错特性与紧急制动下的容错特性得到兼顾与调和，如图22中的菱形结构，但这种为了得到一侧性能的提升的兼顾总是以降低另一侧的性能为代价的，必然造成了“顾此失彼”的矛盾；⑤六轮动平衡车在图中这种尺寸(λ为0.25，μ为0.54)设置下，其整体安全性几乎与矩形四轮相同。(注：其它尺寸设定见图20，假定重心位置不变)通过上述的对比分析可以看出，尽管十字形动平衡车的容错特性相对于三轮车(特别是正三轮)有了很大的改善，但它的固有特点仍限制了容错特性的继续提升，而五轮和六轮动平衡车在同样使得直接转向装置得以保留的情况下，可以使动平衡车的容错特性提升到极致。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[实施例1]
本实施例为一种多轮动平衡车的具体实施方式，见图1到图4、图9到图12及图15。其主要的结构特点是：五轮、后轮驱动方式为单电机+差速器、侧轮为万向轮、车底盘含减震缓冲装置、摆动装置不具有纵向旋转轴线z2、一体式车底盘和分体式车底盘。
本实施例的一种多轮动平衡车，包括车的摆动部分和车的不摆动部分，车的摆动部分能够相对于车的不摆动部分沿车行进的垂直方向摆动，即横向摆动，且该摆动为失稳式摆动，“失稳式摆动”的含义参见前文，以便于车在行驶过程中实现动态平衡。所述车的摆动部分含有一只前轮01，车的不摆动部分含有侧轮02和后轮03，侧轮02和后轮03组合方式为：含有两只侧轮02、两只后轮03，从而与前轮01共同构成五轮动平衡车。该五轮动平衡车，其两侧轮02的轮间距与两后轮03的轮间距之比为0.75～1.25，且所述前轮01轴线到侧轮02轴线的距离k与前轮01轴线到后轮03轴线的距离l的比值为0～0.7，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的结构设计的情况下，获得尽可能高的制动安全性。车的摆动部分在行驶过程中能够不借助任何外力以动态平衡状态站立不倒，感受所述动态平衡状态、然后调整并维持这种动态平衡状态的主体是驾车人或电子平衡控制系统，驾车人在驾车过程中利用人体自身的平衡感知和操控动作使车的摆动部分处于动态平衡状态而站立，或者使用电子平衡控制系统使车的摆动部分处于动态平衡状态而站立。车的摆动部分为车身1，车的不摆动部分为车底盘3，车身1与车底盘3的连接装置为摆动装置2，车身1通过摆动装置2安装于车底盘3上；车身1通过前轮01触地获得来自地面的支撑，同时车身1通过摆动装置2获得来自车底盘3的支撑；车身1能够相对于车底盘3及地面在沿车行进的垂直方向上摆动，使车身1在行驶过程中在不借助任何外力的情况下动态平衡地立于车底盘3与地面之上。前轮01随车身1的摆动而摆动，车身1的摆动不会产生后轮03及侧轮02相对于地面的倾斜摆动。采用上述设计，使得动平衡技术在五轮车上得以实现，并且使得这种五轮动平衡车具有比三轮动平衡车更好的整体安全性(静态和动态安全性)；通过侧轮02在前轮01、后轮03之间的位置调整，使车在结构设计和动态性能(容错特性)上得到良好兼顾；通过前轮01设置在车身1上，使得车采用直接转向系统成为可能。图1至图4的车轮布置形式为五轮，显示了五轮动平衡车的具体结构。
多轮动平衡车的前轮01为转向轮，前轮01采用的转向装置为直接转向装置。所述直接转向装置是指由车身1发出的转向操作向转向轮传递的过程中没有任何中间的间接传动环节的转向装置，转向传递的各零部件之间的连接均为紧固连接，不存在任何相对移动(避震装置存在相对移动不属于转向运动传递环节，它是由震动引起，不会对转向传递产生任何影响)。图3中，转向把手12的轴与前轮叉13固定连接，前轮叉13与前轮01的轮轴固定连接。直接转向装置是现有技术，即为现有自行车、电动二轮车或二轮摩托车的转向装置。采用直接转向装置，从根本上避免了转向迟滞问题给车的动平衡控制带来的负面影响，保障了动态平衡状态的稳定。
在多轮动平衡车中，后轮03为定向驱动轮，那么侧轮02处在前轮和后轮之间时就不能再是定向轮，否则就会影响车的正常行驶。侧轮02可以是万向轮也可以设置成第二转向轮；当侧轮02为第二转向轮时，由车身1发出的转向操作通过转向传递装置4传递到侧轮02，转向传递装置4是一种使车身1的摆动与车的转向传递相互不影响的装置，在转向传递的过程中车身1能够同时摆动，转向传递不影响车身1的摆动，车身1的摆动不影响转向的传递。图1至图4中的侧轮02采用了万向轮，万向轮的采用保证了侧轮方向的随动性，从而保证了侧轮不会影响车辆的正常转向。
摆动装置2是使车身1与车底盘3连接的装置，以实现车身1相对车底盘3的失稳式摆动。摆动装置2的具体结构形式有很多，只要能够使车身1相对于车底盘3在一定角度范围内自由转动倾斜即可。如图9示出了一种轴承式摆动装置2a，该轴承式摆动装置2a包括轴承2a1、轴承座2a2和转轴2a3，车身1的底部与转轴2a3连接成一体，转轴2a3的两端安装轴承2a1，轴承2a1安装于轴承座2a2内，轴承座2a2固定在车底盘3上，车身1以转轴2a3为旋转中心摆动。如图10示出了另一种摆动装置2，即铰链式摆动装置2b，该铰链式摆动装置2b包括铰链上构件2b1、铰链下构件2b2、销轴2b3和轴向固定件2b4，车身1的底部与铰链上构件2b1连接成一体，铰链下构件2b2固定在车底盘3上，销轴2b3穿过铰链上构件2b1和铰链下构件2b2，并由轴向固定件2b4进行轴向固定，使铰链上构件2b1能够相对于铰链下构件2b2绕销轴2b3的轴线转动，即车身1以销轴2b3为旋转中心摆动。图1至图4中，是以铰链式摆动装置这种形式为例显示了它与车身1与车底盘3之间的结构关系。
摆动装置2还包括阻尼机构，阻尼机构用来给车的摆动部分的左右摆动增加阻尼以增加动平衡操控的稳定性，且阻尼机构增加阻尼的程度以不失去车的摆动部分动态平衡的操控为限。阻尼机构可采用阻尼弹簧、阻尼块等形式，其中图9中给出了一种阻尼块形式的阻尼机构，如图9所示，阻尼块2a4被上下抱箍抱在转轴2a3上，并由紧固件进行抱紧调节，抱箍固定在车底盘3上，从而使车身1的摆动获得一定阻尼。
为了进一步提高动平衡车行驶过程中动平衡控制的平稳性和稳定性，具体在本实施例中，上述的摆动装置2优选采用滚动式摆动装置2c，如图11和图12所示，该滚动式摆动装置2c包括摆动上部构件和摆动下部构件，摆动上部构件与车身1连接，摆动下部构件与车底盘3连接，摆动上部构件滚动放置于摆动下部构件上，摆动上部构件能够在摆动下部构件上左右来回滚动，从而形成车身1相对于车底盘3及地面的左右摆动；摆动上部构件和摆动下部构件的接触面之间具有防滑结构或制成有相互啮合的齿形结构。此时，车身1的摆动轴线z1相对于车底盘3是不固定的，摆动轴线z1随着车身1的摆动在一定范围内移动。摆动上部构件和摆动下部构件之间的防滑结构或齿形结构能够减少或防止摆动过程中的侧向滑移。进一步地，滚动式摆动装置2c的摆动上部构件和摆动下部构件之间的接触面为软接触，软接触的一方是柔性件、另一方是刚性件，或者软接触的两方都是柔性件。摆动上部构件和摆动下部构件之间的接触件采用可形变的柔性材料制成或者制成可充气结构。如接触件可以采用橡胶制品，接触件可以为实心结构、也可以为蜂窝结构或空心充气结构等。采用软接触设计，在车身重力的作用下接触面发生形变，形成面接触，从而增加了车身摆动的稳定性，使动平衡车更具安全性。
接图11和图12所示，在上述的滚动式摆动装置2c中，其摆动上部构件包括滚轮固定件2c1和滚轮接触件2c2，滚轮接触件2c2通过滚轮固定件2c1与车身1固定连接；摆动下部构件包括承托件2c4和限位件2c3，承托件2c4与车底盘3连接，限位件2c3安装于车底盘3或承托件2c4上，限位件2c3用于防止滚轮接触件2c2脱离承托件2c4，滚轮固定件2c1与限位件2c3或承托件2c4之间具有轴向限位结构，用以传递车的纵向上的力。滚轮接触件2c2为轮形结构，中心有固定轴，滚轮接触件2c2不能绕固定轴转动，滚轮接触件2c2在承托件2c4上滚动，限位件2c3对滚轮接触件2c2限位，滚轮接触件2c2的固定轴用来连接滚轮固定件2c1并传递力。具体地，滚轮固定件2c1的截面形状为倒“U”形，其与滚轮接触件2c2的固定轴连接的两个支臂向下延伸，将承托件2c4夹于两个支臂之间，这样，利用滚轮固定件2c1与承托件2c4的配合能够传递车前后方向的作用力。滚轮接触件2c2与承托件2c4之间优选采用齿形啮合结构配合，啮合是一个方向或多个方向的，这样可以防止滚动过程中产生滑移，并可以在滚动的同时实现力的传递。
对于多轮动平衡车摆动装置2的摆动轴线z1，比较理想的状态是z1经过车身1的前轮01触地点。摆动轴线z1也可以位于摆动装置2的摆动中心与车身1的前轮01触地点连线的上方或下方的一个小角度范围内。摆动轴线z1确定的原则是，车身1摆动到最大角度时的纵向中心面、整车重心所在的横截面及地面三面形成的交点应落在相邻车轮触地点连线构成的多边形区域内(即静态安全区内)，且该交点离所述多边形区域的边界越远越好。
多轮动平衡车的车底盘3可以是一体式，也可以是分体式。图4所示了一种一体式车底盘3a的结构示意。一体式车底盘3a是通过一体式的底盘架3a1将其各部分连接成稳固的整体。图4所示的车底盘3包含：侧轮02、后轮03、底盘架31(3a1)、动力装置32、减震缓冲装置33、悬臂构件34、悬臂轴承组件35。车底盘3上设有动力装置32，该动力装置32可采用电机+差速器系统以实后轮03对车的驱动。当然，电动机或内燃机动力形式均可适用于本实施例的多轮动平衡车，电动形式的动力源除了本实施例所示的电机+差速器外，还可以是轮毂电机形式。对于电池或油箱，通常是设置在车身1中，可以用软线或柔性软管来实现对底盘3中的动力装置32的连接，从而不受车身1摆动的影响。侧轮02、后轮03与车底盘3之间设有减震缓冲装置33，这些是现有技术，在此不再展开说明。
图15所示了一种分体式车底盘3b的结构示意。分体式车底盘3b是指车底盘分为各个部分，每个部分都各自通过摆动装置2与车身1相连。图15中，侧轮02安装在底盘前架3b1-1上，并设有减震缓冲装置33，底盘前架3b1-1通过摆动装置2连接到车身1上；后轮03安装在底盘后架3b1-2上，并设有减震缓冲装置33、悬臂构件34、悬臂轴承组件35，同时设有动力装置32，底盘后架3b1-2通过摆动装置2连接到车身1上。
本实施例的一种多轮动平衡车，在使用电子平衡控制系统使车身1处于动态平衡状态时，该电子平衡控制系统可采用现有技术中的陀螺仪电子平衡控制系统。陀螺仪电子平衡控制系统已经普遍应用在平衡车上，其具体工作原理在此也不再展开说明。在多轮动平衡车上使用电子平衡控制系统的有益效果在于：①减少人的工作量与人为的危险因素；②多轮结构具有更强的“抓地力”，以及多轮动平衡车的容错特性都使得整车比传统平衡车更安全。
[实施例2]
本实施例为一种多轮动平衡车的又一种具体实施方式，见图5到图8、图13和图14。本实施例的一种多轮动平衡车，其基本结构和工作原理同实施例1，不同之处在于：六轮、后轮驱动方式为单轮毂电机、摆动装置具有纵向旋转轴线z2、车底盘不设减震缓冲装置而在车身上设置摆轴上减震缓冲装置。
在本实施例中，车底盘3包含四只侧轮02和一只后轮03，从而与车身1上的前轮01共同构成六轮动平衡车，车身1在前轮和摆动装置2的作用下，能够相对于车底盘3及地面在沿车行进的垂直方向上摆动，使车身1在行驶过程中在不借助任何外力的情况下动态平衡地立于车底盘3与地面之上。底盘的四只侧轮02分两组，前后两排，呈矩形或等腰梯形布置，矩形或等腰梯形的对称轴位于车的不摆动部分的纵向中心对称面上，侧轮02在车的纵向上不超过前轮01和后轮03，两组侧轮02的轮轴间距与前轮01轴线到后轮03轴线的距离之比为0.2～1.0，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的结构设计的情况下，获得尽可能高的静态安全性与制动安全性。图5到图8所示的六轮动平衡车，其前轮轴线到前排侧轮轴线距离k与前轮轴线到后轮轴线的距离l之比约为0.25，前排侧轮轴线到后排侧轮轴线的距离j与前轮轴线到后轮轴线的距离l之比约为0.54，这种布置方式在本实施例中得到了极佳的动态安全性能，并且整车呈纺锤形，结构紧凑、流线型好。底盘的后轮03为单轮，采用轮毂电机驱动，这样可以使得车的动力系统得到最大程度的简化。
对于上述实施例1中所采用的摆动装置2会向车底盘3传递扭矩，虽然我们可以利用这种扭矩变化来有目的的去分配车底盘3上的车轮的受力，但这个扭矩会因减震缓冲装置33的形变(因载重情况不同引起)发生变化，如果车的载重情况相对稳定，则扭矩的变化不大而不会有明显不利影响；如果车的载重变化较大，则其结果会使得车底盘3上的车轮承受的力的分配会有较大变化，从而会产生不利影响。为了避免上述扭矩带来不利影响，在实施例1中所采用摆动装置的结构基础上，本实施例中的摆动装置2还具有纵向旋转轴线z2，如图6和图8，使摆动装置2能够在车的纵向平面内转动，该纵向旋转轴线z2垂直于车的纵向平面，用于防止摆动装置2向车底盘3传递纵向上的扭矩。这样不管车的减震缓冲装置33的变化对摆动轴线z1形成什么样的影响，车底盘3对其车轮的力的分配比例是固定的，因此也有利于车底盘3的受力设计，具有纵向旋转轴线z2的摆动装置的具体结构见图13和图14。
图13显示了摆动装置2为十字转轴式摆动装置2d的具体结构，该十字转轴式摆动装置2d包括十字构件2d1、车身连接构件2d2、摆动轴2d3、摆动轴向固定件2d4、横向轴2d5和横向轴向固定件2d6，十字构件2d1包含上孔和下孔，上孔和下孔的轴线互相垂直，车身连接构件2d2在十字构件2d1的上孔两侧，摆动轴2d3从它们中间穿过从而构成铰链转动结构，于是车身连接构件2d2可以绕摆动轴2d3的轴线转动，摆动轴向固定件2d4对车身连接构件2d2进行轴向限位，构成摆动轴线z1；横向轴2d5穿过十字构件2d1的下孔，十字构件2d1可以绕横向轴2d5旋转，横向轴向固定件2d6对十字构件2d1进行轴向限位，构成纵向旋转轴线z2；车身连接构件2d2与车身1连接，横向轴2d5与车底盘3连接，于是车身1通过十字转轴式摆动装置2d可以相对于车底盘3既可以绕摆动轴2d3摆动，又可以绕横向轴2d5旋转。图5至图8显示了十字转轴式摆动装置2d在车上的安装位置，横向轴2d5通过摆动装置轴承座组件安装在车底盘3的底盘架31上，因而横向轴2d5可以绕其轴线旋转；车身连接构件2d2与车身1的车身架11固定连接，从而实现车身1绕摆动轴2d3的轴线摆动。
图14给出了另一种具有纵向旋转轴线z2的可纵向旋转摆动装置2e，即通过在图9示出的轴承式摆动装置2a、图10示出的铰链式摆动装置2b、以及图11和图12示出的滚动式摆动装置2c的基础上设置可转动支座25，来使上述的摆动装置2具有纵向旋转的功能。以图14为例进行说明，其组成了包含可转动支座25和滚动式摆动装置，可转动支座25安装在车底盘3的底盘架31上，其它零部件同滚动式摆动装置2c，则整个可纵向旋转摆动装置2e既可以实现车身1的摆动，又可以围绕可转动支座25的轴线在车的纵向上旋转。同样，轴承式摆动装置2a、铰链式摆动装置2b都可以通过增加这种可转动支座25来实现在车的纵向上可旋转。
此外，可以直接利用万向节成为摆动装置2，利用万向节来实现两个方向的自由旋转。作为摆动装置2的万向节，它的一个轴与车身1固定连接，它的另一个轴与车底盘3固定连接，车身1通过该万向节能够相对于车底盘3沿车的左右方向摆动以及在车的纵向平面内旋转；该万向节还能够在车身1转向时使车底盘3跟随转向。由于万向节是现有技术中的成熟产品，使用万向节可以使得摆动装置2的结构以及摆动装置2与车身1、车底盘3的连接结构得到很大的简化。
由前文可知，车的不摆动部分的质量越小，对动平衡的控制越是有利的，即希望车底盘3的质量越小越好；另外，车底盘3上的减震缓冲装置的伸缩会使摆动轴线z1的方向产成较大变化，从而对车的平衡控制产生负面影响。为此，在前述实施例的基础上，在本实施例中，车的摆动部分设置有摆轴上减震缓冲装置16，即在车身1与摆动装置2之间设置有摆轴上减震缓冲装置16，此时可取消车底盘3的减震缓冲装置33，地面对车底盘3的车轮产生的冲击和振动通过车底盘3、摆动装置2之后被摆轴上减震缓冲装置16吸收。具体如图7所示，设于车身1上的减震缓冲装置可称之为摆轴上减震缓冲装置16，在车身1的车身架11上通过摆轴悬臂轴承组件14安装有摆轴悬臂构件15，摆轴悬臂构件15通过摆动装置2安装于车底盘3的底盘架31上，摆轴上减震缓冲装置16的一端铰接在摆轴悬臂构件15上，摆轴上减震缓冲装置16的另一端铰接在车身架11上，使地面对车底盘3的车轮产生的冲击和振动通过车底盘3、摆动装置2之后被摆轴上减震缓冲装置16吸收，这样车底盘3就可以不设减震缓冲装置，从而简化了车底盘3的结构、减轻了其重量，并使摆动轴线z1不受减震缓冲装置伸缩的影响。
[实施例3]
本实施例为一种多轮动平衡车的又一种具体实施方式，见图16至图19。本实施例的一种多轮动平衡车，其基本结构和工作原理同实施例1和实施例2，不同之处在于：侧轮02采用第二转向轮方案。
本实施例的一种多轮动平衡车，其侧轮02设置成第二转向轮，如图16至图19，这里设置侧轮02为第二转向轮而不是万向轮，是因为转向轮的转向是受控的，它可以防止侧滑并可以方便的安装制动装置，从而使侧轮参与到制动中来，可以使车的防滑和制动性能大大提升。
由车身1发出的转向操作通过转向传递装置4传递到转向侧轮02，转向传递装置4是一种使车身1的摆动与车的转向传递相互不影响的装置，在转向传递的过程中车身1能够同时摆动，转向传递不影响车身1的摆动，车身1的摆动不影响转向的传递。若转向与摆动相互干扰，则动态平衡就无法实现。普通的间接转向装置会存在响应迟滞问题，但这里是第二转向系统，因此这种迟滞不会影响车的动态平衡的正常稳定的运行。
本实施例中，转向传递装置4优选采用柔性传动式转向传递装置，该柔性传动式转向传递装置的一端安装于车身1的转向机构上，另一端安装在车底盘3上，并与车底盘3上的转向侧轮传动连接，柔性传动式转向传递装置在车身1与车底盘3之间具有能够随车身1摆动而自由弯曲的柔性传动机构。柔性传动机构能够随车的含转向操控的部分相对于车的含转向轮的部分摆动或倾斜而自由弯曲，使车辆的转向运动与车的摆动或倾斜运动互不影响。
如图16至图19所示，该柔性传动机构包括钢丝线牵引装置41、钢丝线42、套管43、始端套管固定装置44、终端套管固定装置45和被动牵引装置46，钢丝线牵引装置41安装在车身1上并传动连接至车的转向把手12，钢丝线42的始端固定在钢丝线牵引装置41上，终端固定在被动牵引装置46上，套管43套在钢丝线42外，套管43的一端通过始端套管固定装置44被固定在车身1上，套管43的另一端通过终端套管固定装置45被固定在车底盘3上，被动牵引装置46安装在车底盘3的转向转轴36上并传动连接至转向侧轮02。两只侧轮02分别通过转向节39安装于车底盘3的底盘架31上，两组转向节39之间通过横拉杆3A连接，一侧的转向节39与转向拉杆38的一端相连接，转向拉杆38的另一端与转向力臂37相铰接，转向力臂37通过转向转轴36转动安装于底盘架31上。转向把手12转动带动钢丝线牵引装置41转动，钢丝线牵引装置41通过柔性钢丝套管线带动被动牵引装置46转动，被动牵引装置46带动转向力臂37摆动，进而通过转向拉杆38带动侧轮02的转向节39转动，实现两只侧轮02的同步转向控制。需要说明的是，第二转向轮与第一转向轮之间有转向角度的匹配问题，这种匹配关系应根据它们转向的几何关系确定，并可通过钢丝线牵引装置41和被动牵引装置46的传动比来实现。当然，上述柔性传动方式作为间接转向的转向传递装置，它可以很好的实现摆动与转向相互不干扰问题，但它不是唯一的形式，或者虽然转向与摆动之间存在一定的相关性，但这种相关性并不影响到动态平衡的实现与稳定，这样的转向传递装置都是可以的。
从图16到图19还可看到，本实施例中：动平衡车为五轮动平衡车、后轮的动力装置32采用了电机+差速器形式、车底盘3为一体式且未设置减震缓冲装置而在车身1上设计了摆轴上减震缓冲装置16、摆动装置2采用了具有纵向旋转轴线z2的形式，这些都与实施例1与实施例2相关结构相同。同理的，侧轮02作为第二转向轮的方案也可以应用在实施例1和实施例2的其它组合形中；当是六轮动平衡车时，可以优先的使侧轮02的前一组设置为第二转向轮，后一组设置为万向轮。对于六轮的方案，若后一组侧轮到达后轮03的位置时(它们的轴线在一个垂直面内)，侧轮02可以设置成定向轮。
除了以上阐述之外，没有提到的刹车系统及车的其它部件，并不代表本发明的多轮动平衡车没有这些部件，只是它们不是本发明的创新内容。刹车系统可以借用现在电动车或摩托车的系统，由于刹车的传递系统是柔性的，所以它不会影响车身相对于车底盘的摆动；类似的其它相关部件也都可以很容易做到不影响车身相对于车底盘的摆动，在此不一一赘述。
关于车厢，可以是全封闭式的，以达到完全的遮风挡雨、防晒御寒、保护乘驾人员的目的；当然车厢也可以是半封式、敞蓬式，或者是完全没有车厢的简约形式等等。
本发明的一种多轮动平衡车，解决了传统小型四轮车速度与稳定性(容易侧翻)的矛盾，解决了三轮动平衡车制动安全性能低的问题，解决了动平衡四轮车的高效转向问题，使动平衡技术更具实用价值。具体地，采用五轮或六轮的多轮结构，使得除前轮之外的其它车轮构成稳定的车底盘，扩大了车底盘的触地面积与容错特性，使整车的动态(制动)安全性能得到极大的改善；将前轮与摆动的车身成为一体，可以使得前轮直接转向系统在多轮动平衡车中得以保留，使无迟滞的高效转向的实现简单易行且极为经济；侧轮在前后轮中的不同位置设计，使得动平衡车在结构设计上得到良好兼顾，提升了其对不同应用场合的适应性。本发明通过上述改进，使得多轮动平衡车成为一种更安全可靠、经济性更高的、更方便实现且适用性更好的小型城市通勤工具。

Claims (10)

1.一种多轮动平衡车，其特征在于：包括车的摆动部分和车的不摆动部分，所述车的摆动部分能够相对于车的不摆动部分沿车行进的垂直方向摆动，且该摆动为失稳式摆动，以便于车在行驶过程中实现动态平衡；
所述车的摆动部分含有一只前轮(01)，所述车的不摆动部分含有侧轮(02)和后轮(03)，所述侧轮(02)和后轮(03)组合方式有两种：一种是两只侧轮(02)、两只后轮(03)，从而与前轮(01)共同构成五轮动平衡车；另一种是四只侧轮(02)、一只后轮(03)，从而与前轮(01)共同构成六轮动平衡车；
所述五轮动平衡车的两侧轮(02)的轮间距与两后轮(03)的轮间距之比为0.75～1.25，且所述前轮(01)轴线到侧轮(02)轴线的距离与前轮(01)轴线到后轮(03)轴线的距离的比值为0～0.7，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的结构设计的情况下，获得尽可能高的制动安全性；
所述六轮动平衡车的四只侧轮(02)分成两组，呈矩形或等腰梯形布置，侧轮(02)在车的纵向上不超过前轮(01)和后轮(03)，两组侧轮(02)的轮轴间距与前轮(01)轴线到后轮(03)轴线的距离之比为0.2～1.0，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的结构设计的情况下，获得尽可能高的静态安全性与制动安全性；
所述车的摆动部分在行驶过程中能够不借助任何外力以动态平衡状态站立不倒，感受所述动态平衡状态、然后调整并维持这种动态平衡状态的主体是驾车人或电子平衡控制系统，驾车人在驾车过程中利用人体自身的平衡感知和操控动作使车的摆动部分处于动态平衡状态而站立，或者使用电子平衡控制系统使车的摆动部分处于动态平衡状态而站立；
所述车的摆动部分为车身(1)，车的不摆动部分为车底盘(3)，车身(1)与车底盘(3)的连接装置为摆动装置(2)，所述车身(1)通过摆动装置(2)安装于车底盘(3)上；所述车身(1)通过前轮(01)触地获得来自地面的支撑，同时车身(1)通过摆动装置(2)获得来自车底盘(3)的支撑；
所述车身(1)能够相对于车底盘(3)及地面在沿车行进的垂直方向上摆动，且该摆动为失稳式摆动，以使车身(1)在行驶过程中在不借助任何外力的情况下动态平衡地立于车底盘(3)与地面之上；所述前轮(01)随车身(1)的摆动而摆动，车身(1)的摆动不会产生后轮(03)及侧轮(02)相对于地面的倾斜摆动。
2.根据权利要求1所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述前轮(01)为转向轮，前轮(01)采用的转向装置为直接转向装置。
3.根据权利要求1所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述后轮(03)为定向驱动轮，所述侧轮(02)为万向轮或者第二转向轮；当侧轮(02)为第二转向轮时，由所述车身(1)发出的转向操作通过转向传递装置(4)传递到侧轮(02)，所述转向传递装置(4)是一种使车身(1)的摆动与车的转向传递相互不影响的装置，在转向传递的过程中车身(1)能够同时摆动，转向传递不影响车身(1)的摆动，车身(1)的摆动不影响转向的传递。
4.根据权利要求1所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述摆动装置(2)采用滚动式摆动装置(2c)，所述滚动式摆动装置(2c)包括摆动上部构件和摆动下部构件，所述摆动上部构件与所述车身(1)连接，所述摆动下部构件与所述车底盘(3)连接，所述摆动上部构件滚动放置于摆动下部构件上，所述摆动上部构件能够在摆动下部构件上左右来回滚动，从而形成车身(1)相对于车底盘(3)及地面的左右摆动；摆动上部构件和摆动下部构件的接触面之间具有防滑结构或制成有相互啮合的齿形结构。
5.根据权利要求1所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述摆动装置(2)还具有纵向旋转轴线(z2)，使摆动装置(2)能够在车的纵向平面内转动，该纵向旋转轴线(z2)垂直于车的纵向平面，用于防止摆动装置(2)向车底盘(3)传递纵向上的扭矩。
6.根据权利要求5所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述摆动装置(2)为万向节，所述万向节的一个轴与所述车身(1)固定连接，所述万向节的另一个轴与所述车底盘(3)固定连接，所述车身(1)通过万向节能够相对于车底盘(3)沿车的左右方向摆动以及在车的纵向平面内旋转，该万向节还能够在车身(1)转向时使车底盘(3)跟随转向。
7.根据权利要求1所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述车的摆动部分设置有摆轴上减震缓冲装置(16)，所述摆轴上减震缓冲装置(16)用来吸收由车的不摆动部分传递过来的冲击和振动。
8.根据权利要求1所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述车底盘(3)为一体式或分体式。
9.根据权利要求1所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述摆动装置(2)还包括阻尼机构，所述阻尼机构用来给车的摆动部分的左右摆动增加阻尼以增加动平衡操控的稳定性，且阻尼机构增加阻尼的程度以不失去车的摆动部分动态平衡的操控为限。
10.根据权利要求1所述的一种多轮动平衡车，其特征在于：所述电子平衡控制系统是陀螺仪电子平衡控制系统。
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