CN203995766U - 一种中低速三轮或四轮车座椅随动系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种中低速三轮或四轮车座椅随动系统，纵摆支架固定在车架上，横摆支架通过纵摆转轴固定在纵摆支架上，由纵摆动力装置来控制横摆支架相对于纵摆支架在纵向上的摆动角度和角速度；座椅支撑杆通过横摆转轴固定在横摆支架上，由横摆动力装置来控制座椅支撑杆相对于横摆支架的横向摆动角度和角速度；座椅支撑杆与座椅刚性连接；横摆转轴和纵摆转轴的方向垂直且高度相同，构成一个万向节结构，使座椅支撑杆在限定角度内做万向摆动；固定桩、上下永磁限位环、电磁固定环关闭或开启座椅随动系统，且当座椅随动系统关闭时将座椅与车架固定；运算控制机构分别连接纵摆动力装置、横摆动力装置；感应部件将感应信号输入运算控制机构。

Description

一种中低速三轮或四轮车座椅随动系统

技术领域

本实用新型涉及机电一体化的技术领域，尤其涉及一种中低速三轮或四轮车座椅随动系统。

背景技术

目前市面上常见中低速三轮或四轮车基本情况是：前后轴距短、左右轮间距窄、车身重量轻、车身刚性不足、人员乘坐后人车整体重心较高、速度为中低速，普遍在30公里/小时以内、方向操纵为把手式或盘式，无需汽车中的转向助力系统，由机械结构直接驱动转向轮，转向阻尼小，易转向。

这种中低速三轮或四轮车普遍存在的问题如下：

1.中低速三轮或四轮车在转弯时，因人车仍保持垂直状态，驾驶者靠座椅的摩擦力及座椅把手提供的支撑力来对抗离心力，使人产生被甩向相反方向的感觉，产生不适感。

2.中低速三轮或四轮车在以较快速度行驶时，如遇路面突发情况，突然以大角度转向时，人车仍保持垂直状态，整体重心在离心力作用下会向反方向偏移，容易引起侧翻。当车辆在侧面坡上由低处向高处转弯时，更容易发生侧翻事故。

3.中低速三轮或四轮车通常具有一定的爬坡能力，一般可爬10-20°坡，当车上坡时，驾驶者随座椅有后仰的感觉，给人不安全感，尤其在上坡过程中加速，后仰感更加明显，使人不适。对于前后轴距特别短的车型，例如老年代步车，在偶发情况下可能导致上坡时后翻。行业通行的处理方法是在车身后部放置防倾轮，当发生后倾翻覆时，防倾轮着地给予支撑。但这会严重影响驾驶者使用感受。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本实用新型要解决的技术问题是提供了一种中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其利用自动化控制手段根据车身倾角及加速度变化，实时调整座椅倾角及位置，以抵消车辆运动导致的乘坐不适及安全性下降。

本实用新型的技术方案是：这种中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其包括座椅支撑杆、纵摆支架、横摆支架、纵摆转轴、纵摆动力装置、横摆转轴、横摆动力装置、纵摆限位点、横摆限位点、固定桩、永磁上限位环、永磁下限位环、电磁固定环、车架、运算控制机构、感应部件；纵摆支架固定在车架上，横摆支架通过纵摆转轴固定在纵摆支架上，由纵摆动力装置来控制横摆支架相对于纵摆支架在纵向上的摆动角度和角速度；座椅支撑杆通过横摆转轴固定在横摆支架上，由横摆动力装置来控制座椅支撑杆相对于横摆支架的横向摆动角度和角速度；座椅支撑杆与座椅刚性连接；横摆转轴和纵摆转轴的方向垂直且高度相同，构成一个万向节结构，该万向节结构设置有刚性限位点作为安全保障机构，使座椅支撑杆在限定角度内做万向摆动；固定桩、上下永磁限位环、电磁固定环关闭或开启座椅随动系统，且当座椅随动系统关闭时将座椅与车架固定；运算控制机构分别连接纵摆动力装置、横摆动力装置；感应部件将感应信号输入运算控制机构。

感应部件将车身行驶状态信号输入运算控制机构，运算控制机构经过计算后发出指令，操控纵摆动力装置和横摆动力装置，分别控制横摆支架相对于纵摆支架的摆动角度和角速度、座椅支撑杆相对于横摆支架的横向摆动角度和角速度。从而控制座椅倾角和位置。当车辆在有坡度的地面行驶时，可调整座椅支撑杆倾角，使座椅支撑杆始终保持竖直，提高舒适度和车体翻覆临界角；当车辆转弯产生侧向离心力时，调整座椅支撑杆向转向方向适当倾斜，令沿座椅支撑杆方向的支撑力的水平分力与离心力相抵消，消除乘坐者被甩开的不适感，同时使重心向内侧偏移，提高车体侧翻临界角，提高安全性。

附图说明

图1为根据本实用新型的中低速三轮或四轮车座椅随动系统的正面剖视图。

图2为根据本实用新型的中低速三轮或四轮车座椅随动系统的侧面剖视图。

图3为根据本实用新型的中低速三轮或四轮车座椅随动系统的俯视图。

图4为现有技术与本实用新型在横坡时的示意图，其中左图为现有技术在横坡时的示意图，右图为本实用新型在横坡时的示意图。

图5为现有技术与本实用新型在纵坡时的示意图，其中左图为现有技术在纵坡时的示意图，右图为本实用新型在纵坡时的示意图。

图6为现有技术与本实用新型在转向时的示意图，其中左图为现有技术在转向时的示意图，右图为本实用新型在转向时的示意图。

具体实施方式

普通车辆转弯时，乘客会受到竖直向下的重力(G)、座椅提供的竖直向上的支持力(N1)、水平向外侧的离心力(F)、座椅提供的水平向内的摩擦力(N2)，这4个力大小成对相等，方向成对相反，使乘客得以随车辆一起运动。但离心力是作用在乘客躯干重心处，而摩擦力是作用在与座椅的接触面上，两个力不在一个水平面上，会产生向外侧转动的力矩，令乘客产生躯体向外侧甩动的不适感。同时整车重心也向外侧偏离，当达到一定程度时，会引起车辆侧翻。

加装座椅随动系统后，转弯时座椅随座椅支撑杆向内侧倾斜适当角度，此时乘客会受到竖直向下的重力(G)、座椅提供的沿座椅支撑杆方向倾斜向上的支持力(N)、水平向外侧的离心力(F)的作用。支持力的竖直方向分力(G’)与重力大小相等、方向相反；支持力的水平方向分力(F’)与离心力大小相等、方向相反，且在同一水平面上，使得乘客得以随车辆一起运动。乘客与车辆之间无横向力，也就没有相对车辆位移的趋势，同时也没用转动力矩，令驾乘舒适。座椅支撑杆产生倾角时，座椅会向内侧偏移，使重心向内移动，大大降低了侧翻风险。

普通车在坡面上行驶时，座椅随车身仰俯或左右摆动，乘客会感到不适，缺乏安全感，在坡面上也增加了车身翻覆的风险。

加装座椅随动系统，当车身出现倾角时，座椅支撑杆实时调整角度，使座椅支撑杆始终保持竖直向上，提高了乘客舒适性，同时将重心向高处偏移，减小了车身向低处翻覆的风险。

本实用新型的座椅随动系统可以同时兼顾车辆转弯及在坡面行驶的情况，使座椅支撑杆始终处于一个合适的角度，提供完美驾乘体验。

如图1-3所示，这种中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其包括座椅支撑杆5、纵摆支架1、横摆支架2、纵摆转轴3、纵摆动力装置4、横摆转轴6、横摆动力装置7、纵摆限位点8、横摆限位点9、固定桩10、永磁上限位环11、永磁下限位环12、电磁固定环13、车架14、运算控制机构、感应部件；纵摆支架固定在车架上，横摆支架通过纵摆转轴固定在纵摆支架上，由纵摆动力装置来控制横摆支架相对于纵摆支架在纵向上的摆动角度和角速度；座椅支撑杆通过横摆转轴固定在横摆支架上，由横摆动力装置来控制座椅支撑杆相对于横摆支架的横向摆动角度和角速度；座椅支撑杆与座椅刚性连接；横摆转轴和纵摆转轴的方向垂直且高度相同，构成一个万向节结构，该万向节结构设置有刚性限位点作为安全保障机构，使座椅支撑杆在限定角度内做万向摆动；固定桩、上下永磁限位环、电磁固定环关闭或开启座椅随动系统，且当座椅随动系统关闭时将座椅与车架固定；运算控制机构分别连接纵摆动力装置、横摆动力装置；感应部件将感应信号输入运算控制机构。

感应部件将车身行驶状态信号输入运算控制机构，运算控制机构经过计算后发出指令，操控纵摆动力装置和横摆动力装置，分别控制横摆支架相对于纵摆支架的摆动角度和角速度、座椅支撑杆相对于横摆支架的横向摆动角度和角速度。从而控制座椅倾角和位置。当车辆在有坡度的地面行驶时，可调整座椅支撑杆倾角，使座椅支撑杆始终保持竖直，提高舒适度和车体翻覆临界角；当车辆转弯产生侧向离心力时，调整座椅支撑杆向转向方向适当倾斜，令沿座椅支撑杆方向的支撑力的水平分力与离心力相抵消，消除乘坐者被甩开的不适感，同时使重心向内侧偏移，提高车体侧翻临界角，提高安全性。

优选地，运算控制机构是单片机、可编程逻辑控制器、运动控制卡、或电脑。运算控制机构选用单片机，该方案的优点是成本低，占用空间小，布局灵活，缺点是抗干扰能力差，编程复杂。也可选用PLC(可编程逻辑控制器)作为运算控制机构，优点是抗干扰能力强、编程简单，缺点是成本高，占空间。

优选地，感应部件包括安装在中低速三轮或四轮车车身上的陀螺仪、加速度传感器、倾角传感器、驱动电机转速传感器、旋转编码器中的一个或多个。

优选地，横摆动力装置7和纵摆动力装置4包括伺服电机、步进电机或电液伺服系统。使用电液伺服系统作为动力机构，通过液压杆作为驱动动力来推动座椅支撑杆，或者用2根以上液压杆结合座椅支撑杆来支撑座椅，甚至不用座椅支撑杆，仅使用若干液压杆来精确驱动座椅产生水平位移和倾角。电液伺服系统的优点是布局灵活；缺点是液压系统需要定期维护，故障率高，对环境洁净度及温度变化敏感。无论使用哪种机械结构，只要是使座椅随车辆运动状态的变化产生了水平位移和倾角，用以抵消给驾驶者带来的不适感及提高安全性，以及设置物理的刚性限位安全装置，以及设置转换机构可以开启、关闭座椅随动系统就在本实用新型的保护范围内。

优选地，在横摆支架的前后方分别设置纵向摆动限位的支柱8，横摆支架的中心部分为筒形，筒的侧壁距离座椅支撑杆的距离与筒侧壁顶端和横摆转轴的高度成指定比例，使筒顶部构成座椅支撑杆横向摆动的限位点9，使座椅支撑杆横向摆动不超过预设最大角度。支柱由横摆支架平台向下延伸，距离车架留有适当距离，作为纵向摆动限位，使当横摆支架在纵摆支架上自垂直状态开始纵向摆动时，设置最大摆动角度(可以为10-25°，优选地为15°)，达到最大角度时限位支柱顶到车架上，终止纵向摆动。横摆支架中心位置呈方筒状或圆筒形，使筒左右两侧壁距离中心的座椅支撑杆之间的距离与筒两侧壁顶端与转轴的高度差保持合适的比例，使座椅支撑杆绕横摆转轴自垂直状态开始，左右摆动的角度不超过一个最大限制度数(可以为10-30°，优选地为20°)，达到最大角度时，座椅支撑杆碰到筒两侧壁顶端限位点9，终止横向摆动。

优选地，纵摆动力装置、横摆动力装置均由电机驱动，电机通过齿轮减速机与纵摆转轴、横摆转轴直接或通过齿轮间接联接。此方案的优点是布局简单、节省空间、系统可靠性高，缺点是造价高。

优选地，在座椅支撑杆及横摆支架上放置垂直的弧形齿条，直流伺服电机通过小齿轮与弧形齿条咬合。此方案可以减小伺服电机本身的齿轮比，有助于降低成本，但增加了生产难度，降低了系统可靠性。

优选地，将纵摆电机、横摆电机布置在转轴上方，通过滚珠丝杆联接电机和座椅支撑杆，利用滚珠丝杆将转动转化为直线运动的特性，来推拉座椅支撑杆，调整其倾角。此方案优点是成本低，缺点是滚珠丝杆临界转速低可能引起系统震动、对环境洁净度要求高、整体占用空间大，结构复杂。

优选地，固定桩与座椅支撑杆同轴、等直径，永磁上限位环11、永磁下限位环12的磁极方向相反，电磁铁固定环13在永磁上限位环11和永磁下限位环12之间，通过调整电磁铁固定环磁场方向来控制固定环上下移动，套住座椅支撑杆或放开座椅支撑杆。

优选地，在固定桩周围指定距离处设置围筒作为限位点，座椅支撑杆摆动到预设最大角度时座椅支撑杆底部顶到围筒上。

这样两组支架和两个垂直相交的转轴就构成了一个具有刚性物理支撑，并设置了最大限位角的万向机构，利用两组伺服减速电机系统，可以精确控制座椅支撑杆在此范围内摆动的角度和角速度，座椅支撑杆带动顶部的座椅在前后左右限位角内的球面上移动。座椅与座椅支撑杆是刚性垂直连接，则当座椅支撑杆偏向某个方向时，座椅就产生了一个对应的水平位移和倾角。

优选地，感应部件包括安装在中低速三轮或四轮车的车身上的陀螺仪和加速度传感器，直接将车身倾角及加速度信息提交给单片机，该方案优点是成本低。

优选地，感应部件包括安装在中低速三轮或四轮车上的驱动电机转速传感器、倾角传感器和安装在转向杆上的旋转编码器，通过这些传感器，可以测量车辆速度、车身倾角及转向角度，从而计算出加速度变化值。该方案的优点是当计算出加速度变化理论值时，由于车身加速度需要由地面摩擦力产生，力在车辆中传递需要时间，车身加速度还没开始变化，可以给控制系统更多的时间去调整，提高系统平顺性，缺点是成本较高。

在自动化控制方面，是利用单片机以高频率(以下说明中以50毫秒/次的频率举例说明，在实践中如提高检测频率，可使系统反应更加平滑自然，但对电子系统运算速度、内存等提出更高要求，能耗也相对更高，因此针对不同定位的产品，可能会有不同的检测频率)方式监测车身动态，每次监测结果都与前几次检测数据比对，检查车辆运行状态是否发生变化、向哪个方向变化、以及变化率情况，根据单片机中内置算法计算出座椅支撑杆应向哪个方向、以多大的角速度偏转多少角度，并将该指令发给两组直流伺服电机系统，电机系统接收指令后执行指令，并检查执行结果，再将执行结果数据发回单片机，单片机根据新的车身运动监测数据以及伺服电机反馈信息，经过运算再次发出下一循环的指令。如此往复，使座椅支撑杆始终保持在无限接近理想角度位置上，通过连续微调实现座椅实时随动。

在车辆实际操作过程中，无论是加速、减速、转弯，这些运动状态的变化都是有一个过程的，即：变化开始—加速进行—接近目标—减速进行—到达目标终止动作，这个过程最快也要0.3秒左右的时间来全部完成，在此期间单片机可以扫描比对6次车身动态数据，根据连续几个数据的变化速率来判断此时车身是否处于运动状态调整之中、具体处于整个运动状态调整的哪个阶段、即将到达运动状态调整的哪个阶段、运动状态调整目标在哪里，经过计算可以预计整车即将发生的运动变化，可以给伺服电机驱动系统发送经过预判的目标指令，令座椅随动系统能无时差的完成随动任务。

虽然单片机读取实时数据是在整车运动状态变化已经发生以后，芯片经过数据比对和运算再到发出指令需要运算时间，伺服减速电机从收到信号到开始转动也需要一个响应时间，电机转动本身也存在一个启动—加速—减速—到达目标的过程，因此整个随动转向系统需要一个响应时间，该响应时间约在20-30毫秒左右。然而因数据检测是不间断的，数据比对是循环进行的，这样就可以做出预判。而且启动座椅随动系统后，座椅位置和角度是不间断调整的，总是使其无限接近支撑力、重力、加速度产生的离心力的平衡中，根据需要，座椅的调整频率最高可达50毫秒/次甚至更高，因此每次调整的角度和所需的转矩都很小，座椅完成调整动作也极快，在宏观上，可以达到座椅随车身转向、加速、减速实时调整的效果。

当车辆开始上坡时，车身产生向后的倾角，人车重心后移，车身上陀螺仪发出倾角信号，被单片机读取，与前几次扫描结果比对，判断车身发生后倾，随后向纵摆的伺服电机发出指令，使座椅支撑杆向前以适当角速度转动合适角度，使座椅支撑杆在纵向上与水平面始终垂直，令乘坐者不会产生后仰感觉，同时使乘坐者随座椅向前水平移动，使人车整体重心前移，增加安全性。下坡时调控方向相反，当车辆经过左右高度不同的路面时，调控方向随之改变，原理相同。

当车辆开始左转时，乘坐者会受到向右的离心力，人车重心右移，车身上的加速度传感器发出侧向加速度信号，被单片机读取，与前几次扫描结果比对，判断车辆左转，随后向横摆的伺服电机发出指令，使座椅支撑杆向左以适当角速度转动适当角度，令乘坐者受到的重力、座椅支持力与离心力达到平衡，令乘坐者不会产生被甩向右侧的感觉，整体驾驶感觉类似两轮自行车的转向情况，乘车者随座椅一起产生倾角，在感官上始终是垂直坐在座椅上，大大提升了驾乘舒适性。同时人车重心左移，增加整体安全性。向右转向时调控方向相反，原理相同。

当车辆开始大幅度加速时，乘坐者由于惯性会产生后仰的感觉，此时车身上加速度传感器发出前向加速信号，被单片机读取，与前几次扫描结果比对，判断车辆加速，随后向纵摆的伺服电机发出指令，使座椅支撑杆向前以适当角速度转动适当角度，椅背推动乘坐者，令乘坐者随座椅前倾，减弱后仰不适感。大幅刹车减速时调控方向相反，原理相同。

当车辆在坡面道路行驶时，无论是纵向的上下坡，还是横向的侧面坡，亦或是斜向的坡，该系统都会实时调整座椅支撑杆方向，使之保持与水平面垂直，并将此实时角度作为新的初始角度，再产生新的加速度变化时，按前述方式调整，并会累计座椅支撑杆在纵向和横向摆动的总角度，使控制范围不超过横向30°、纵向25°。

座椅随动系统会消耗车辆电力储备，因此当驾驶者不需要使用该系统时，可选择关闭该系统。

当要启动座椅随动系统时，拨动车辆把手上的开关，系统启动，两部伺服电机通电产生静力矩以保持座椅支撑杆初始位置不动，单片机系统自检，系统数据初始化。之后给固定环电磁铁通电若干秒钟，产生磁场，该磁场与座椅支撑杆底部的上限位环磁场方向相反，产生斥力，该磁场与固定桩上的下限位环磁场方向相同，产生吸力，两个力共同作用，使固定环向下移动，吸附在下限位环上，之后自动切断电流以节省电力，固定环被下限位环永磁磁铁吸住。此时固定环仅套在固定桩上，座椅支撑杆可以在电机驱动下自由运动。

当要关闭座椅随动系统时，拨动车辆把手上的开关，单片机指挥两部电机将座椅支撑杆转动到与固定桩正对的位置。之后给固定环电磁铁通电，产生与前述方向相反的磁场，该磁场与固定桩上的下限位环磁场相反，产生斥力，该磁场与座椅支撑杆下部的上限位环磁场方向相同，产生吸力，两个力共同作用，使固定环向上移动，直至吸附在上限位环下，套住座椅支撑杆和固定桩。若干秒后座椅随动系统断电，电磁铁保持通电状态，以确保在行驶中不因颠簸等因素导致固定环下滑失效。

当整车关机时，自动按程序关闭座椅随动系统，之后电磁铁断电，靠上限位环的磁铁吸力保持座椅支撑杆的固定状态。

中低速三轮或四轮车因自身车重低、人车重心高、悬挂功能弱、轴距短、轮间距窄、车身刚性差等因素，在驾驶过程中始终存在转向舒适性差、小角度急转弯安全性差的问题，这两种问题在三轮车中尤其显著。本实用新型完全跳出了长期以来，不仅是中低速三轮或四轮车，包括汽车工业上将座椅固定在车架上的思维框框，实时调控座椅位移和倾角，巧妙地同时解决上述两大问题，彻底改善中低速三轮或四轮车的驾控体验。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：其包括座椅支撑杆(5)、纵摆支架(1)、横摆支架(2)、纵摆转轴(3)、纵摆动力装置(4)、横摆转轴(6)、横摆动力装置(7)、纵摆限位点(8)、横摆限位点(9)、固定桩(10)、永磁上限位环(11)、永磁下限位环(12)、电磁固定环(13)、车架(14)、运算控制机构、感应部件；纵摆支架固定在车架上，横摆支架通过纵摆转轴固定在纵摆支架上，由纵摆动力装置来控制横摆支架相对于纵摆支架在纵向上的摆动角度和角速度；座椅支撑杆通过横摆转轴固定在横摆支架上，由横摆动力装置来控制座椅支撑杆相对于横摆支架的横向摆动角度和角速度；座椅支撑杆与座椅刚性连接；横摆转轴和纵摆转轴的方向垂直且高度相同，构成一个万向节结构，该万向节结构设置有刚性限位点作为安全保障机构，使座椅支撑杆在限定角度内做万向摆动；固定桩、上下永磁限位环、电磁固定环关闭或开启座椅随动系统，且当座椅随动系统关闭时将座椅与车架固定；运算控制机构分别连接纵摆动力装置、横摆动力装置；感应部件将感应信号输入运算控制机构。

2.根据权利要求1所述的中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：运算控制机构是单片机、可编程逻辑控制器、运动控制卡、或电脑。

3.根据权利要求1所述的中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：感应部件包括安装在中低速三轮或四轮车车身上的陀螺仪、加速度传感器、倾角传感器、驱动电机转速传感器、旋转编码器中的一个或多个。

4.根据权利要求1所述的中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：横摆动力装置(7)和纵摆动力装置(4)包括伺服电机、步进电机或电液伺服系统。

5.根据权利要求1所述的中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：在横摆支架的前后方分别设置纵向摆动限位的支柱(8)，横摆支架的中心部分为筒形，筒的侧壁距离座椅支撑杆的距离与筒侧壁顶端和横摆转轴的高度成指定比例，使筒顶部构成座椅支撑杆横向摆动的限位点(9)，使座椅支撑杆横向摆动不超过预设最大角度。

6.根据权利要求1所述的中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：纵摆动力装置、横摆动力装置均由电机驱动，电机通过齿轮减速机与纵摆转轴、横摆转轴直接或通过齿轮间接联接。

7.根据权利要求6所述的中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：座椅支撑杆及横摆支架通过滚珠丝杆与横摆电机及纵摆电机联接或通过齿轮联接，利用滚珠丝杆转动带动螺帽直线运动来推拉座椅支撑杆或横摆支架摆动。

8.根据权利要求1所述的中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：固定桩与座椅支撑杆同轴、等直径，永磁上限位环(11)、永磁下限位环(12)的磁极方向相反，电磁铁固定环(13)在永磁上限位环(11)和永磁下限位环(12)之间，通过调整电磁铁固定环磁场方向来控制固定环上下移动，套住座椅支撑杆或放开座椅支撑杆。

9.根据权利要求1所述的中低速三轮或四轮车座椅随动系统，其特征在于：在固定桩周围指定距离处设置围筒作为限位点，座椅支撑杆摆动到预设最大角度时座椅支撑杆底部顶到围筒上。