CN101780816A - 一种非同轴左右轮式驱动车辆结构 - Google Patents

Abstract

一种非同轴左右轮式驱动车辆结构，它涉及一种个人辅助交通工具，它包含一个供驾驶者踩踏的踏板(9)，一个支撑踏板并联结驱动部件的车体，一对位于车体左右两侧踏板下方的可旋转支撑车体且非同轴的左右驱动第一车轮(10L)、第二车轮(10R)，一个供驾驶者扶持并控制方向的把手(1)及使把手复位的弹性机构，其中左右驱动车轮(10L)、(10R)可旋转的支撑整车及驾驶者；通过偏转把手来控制转向，不易侧滑不易翻倒，便于携带存放。

Description

一种非同轴左右轮式驱动车辆结构

技术领域：

本发明涉及一种个人辅助交通工具，尤其涉及一种有人驾驶由控制系统通过检测人与车体重心偏移角度并控制其运行的智能代步车辆。

背景技术：

两轮自平衡装置和技术起源于倒立摆理论，最早由日本山藤一雄发明了类似的两轮平衡装置，2002年至2003年相续被美国公司用于ibot轮椅技术和segway两轮平衡车上。用于商场，高尔夫球场，机场等，被认为是划时代的交通工具。2008年日本丰田公司开始开发类似产品。

现有技术中的一种这样的车辆已经在例如专利文献1中公开。根据专利文献1中，其所描述的车辆为“左右两轮自动平衡电动车，两轮分布在驾驶者的左右两侧，包括车厢立杆、电路、车轮、电动机及其驱动电路、角度及角速度传感器、蓄电池、面板处理把手总成、转向控制机构、脚踏传感器。”

专利文献1中同轴车辆期望得到的效果是“提供一种控制和驱动电路拓扑结构简单、可靠性高、电池易于更换、转向容易、便于运输和上下坡推行、安全便捷、制造成本低的左右两轮自动平衡电动车。”。

此外，作为现有技术中的另一种该类的车辆已经在例如专利文献2中公开。在专利文献2中公开的车辆是“在重心很高的骑乘状态下，骑乘者可稳定行驶，其身体上部不会左右摇晃。该车辆包括：用于驾驶者骑乘的踏板；车体；当行驶方向被设定为滚动轴线的时候，该车体支撑所述踏板从而能够在围绕作为中心的滚动轴线旋转的滚动方向上改变姿态；一对车轮。该对车轮位于与所述车体行驶方向垂直的方向上同一轴线的两侧并且被所述车体可旋转地支撑；一对单独驱动和旋转所述对车轮的车轮驱动装置；和用于直接改变所述踏板的姿态或通过所述车体间接改变所述姿态的把手。”

根据专利文献2中的具有上诉结构的车辆，希望达到的效果是“当行驶在倾抖路面的时候由于重力作用，以及当转向且骑乘者处于站立状态重心位置很高时，由于离心力的作用，骑乘者的身体上部也会左右摇晃而不稳定，而且当这样的力变得过大的时候车辆也会翻转。”

[专利文献1]公开专利申请No 200710130309.2

[专利文献2]公开专利申请No 200610089876.3

但在上述专利文献1所述车辆中，其踏板的上表面是连续的，而且两轮同轴，当车体负重后，轮胎磨损较大，并且离心力变大时，车体容易发生侧翻；此外该专利所述车辆在倾斜路面骑乘时，车体、踏板、把手都处于倾斜状态，使骑乘者不舒适，而且有发生侧翻的危险。

关于专利文献1所述车辆容易侧翻的原理，参见专利文献2“技术背景”部分的详细论述；专利文献1所述车辆在倾斜路面上时，驾驶者手臂要伸出距离身体很远的地方去操作把手，不舒适而且容易发生危险，参看附图1。

而在上述专利文献2所述的车辆中，车体为平行连杆机构，用于转向的把手与车体联动，该结构试图解决共轴两轮车辆易翻转和在倾斜路面不舒适感的问题，效果并不理想，不足之处如下：

1.平坦路面转向

专利文献2所述的车辆低速大半径转向时，需旋转位于把手上端的加速器环；低速小半径转向时，需要旋转加速器环和偏转把手两个动作叠合起来才能实现；高速转向时又只需偏转把手。这样，在不同速度下的不同半径转向所需操作不一，非常繁琐，现实中驾驶者很难界定当前速度与转弯半径的准确值，故不易操作；尤其是加速器环，驾驶者难以靠其旋向来直观的操纵车辆的转弯方向，非常容易混淆左右，引发事故；此外，由于把手与驾驶者的脚踏板联动，把手的偏转带动踏板的倾斜，特别在低速转向时，很容易给人不安全和不稳定的感觉。

2.一个轮子位于台阶上或车辆位于倾斜路面上

虽然专利文献2所述的车辆左右脚踏板可旋转，但在一个轮子踏上台阶或者位于倾斜路面时，驾驶者需要一个调节过程，如附图2A、2B所示。附图2A中，踏板需顺时针旋转才能达到附图2B中踏板平行水平面的状态。

假设附图2A此时人体重心位于踏板TR上面，对于铰接点D分析可知，重力G与地面支持力N均产生逆时针力矩，此时驾驶者需施加给把手很大的力F(F再转换为直接作用力F’)才能克服G与N产生的逆时针力矩，使踏板向顺时针方向倾斜至平行水平面的状态。这个过程把手旋转沉重，难以操作。

而当人体重心位于左边踏板TL上面时，重力G与地面支持力N产生相反方向力矩，相互抵消，这样驾驶者可以相对轻松的转动把手，使得踏板向顺时针方向倾斜至平行水平面的状态。然而即使达到如附图2B的状态，左右两个踏板虽然平行水平面，但是却存在高度差，驾驶者站立其上必然是一侧腿绷紧，另一侧腿弯曲，而绷紧的腿不仅要支持自身重力还要克服把手弹性元件的恢复力，不易操作。

综上所述，专利文献2所述的车辆在一个轮子位于台阶上或位于倾斜路面上时，驾驶者首先需要将重心移至某一个踏板，然后转动把手至竖直位置。整个操作流程复杂，需要很高的技巧，即使操作做到了最后体验效果又不理想。实际上，该类车辆在此类路况中容易引发事故，在其适用的环境内非常少见并且应该尽量避免，即使出现此类路况，车辆也会短时间通过，对驾驶者来说还来不及做相应操作，故该车辆结构并不适用。

此外，专利文献2所述的车辆结构复杂，装配流程复杂，整车框架易在前后方向产生间隙。

现有技术的类似车辆，存在车辆易翻转和操作流程繁琐复杂，难以给驾驶者安全舒适感等问题。

实践发现，驾驶者在该类车辆上的舒适度主要是通过手和脚感知的，脚对高度的感知比对左右倾斜的角度的感知更加敏感；当需手脚配合做主动动作时，人的舒适度会下降；此外该类车辆的驾驶者站立于车体上面时，其重心被动改变比主动改变的舒适性差。

发明内容：

本发明的目的是提供一种非同轴左右轮式驱动车辆结构，它操作灵活、简单，便于携带，行驶过程中不易翻转，安全稳定人性化。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：车辆包含一个供驾驶者踩踏的踏板9，踏板上具有防滑及限位特征；一个支撑踏板并联结驱动部件的车体，其中踏板与车体相对固定；一对可旋转支撑车体的驱动第一车轮10L、第二车轮10R，第一车轮10L、第二车轮10R分别位于车体左右两侧且位于踏板下方；第一车轮10L、第二车轮10R非同轴，且可根据需要设置车轮内倾角及前束角。一个供驾驶者扶持并控制方向的把手1及使把手复位的弹性机构；驾驶者可根据需要安装或拆除把手、调整把手高度、折叠把手至最小体积、安装显示设备及控制设备至把手上；把手1可以左右摆动并自动复位，且把手1的左右摆动不影响踏板和车体的姿态，把手1左右摆动所围绕的轴线位于车体左右方向对称面内且具有倾斜向地平面的倾角，把手上安装操作按扭，手柄和指示面板以及固定在把手上的喇叭与照明灯具等；它操作灵活、简单，便于携带，行驶过程中不易翻转，安全稳定人性化。

本发明设计的车体主要由一个零件构成，便于生产，减少装配工作量，同时又具有强度可靠和密封性好等优点；驱动车轮内倾角在离心力较大时仍可有效防止侧翻；可伸缩把手不仅能够方便的适应驾驶者的操作习惯，而且非常便于携带和存放；靠把手转动来实现转向的方式直观便捷，使驾驶者充分感受人车一体的舒适感。需要左转向时只需向左拨动把手，而向左倾斜的把手一方面传递信号给控制器，另一方面引导驾驶者身体向左倾斜以克服转向时的离心力；向右转向原理同上。本发明由于把手旋转与车体不会产生联动，所以把手只是引导驾驶者主动做相应的姿态调整，而不是强制驾驶者被动调整，这样就提高了舒适性。此外具有倾斜角度的把手旋转轴能够使得把手在转向过程中与人体保持大致恒定的距离，大大提高了人性化程度；而可伸缩的把手，使得整车便于携带，存放所需空间小。本发明设计的扭簧旋转机构，结构简单、稳定，占用空间小，成本低廉，驾驶者手感更加舒适。

附图说明：

图1为背景技术中专利文献1所述车辆在倾斜或者路面上的行驶状况的示意图；

图2A为背景技术中专利文献2所述车辆通过台阶或倾斜路面时初始姿态的示意图；

图2B为背景技术中专利文献2所述车辆通过台阶或倾斜路面时稳定姿态的示意图；

图3A为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构的正视图；

图3B为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构的侧视图；

图3C为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构的俯视图；

图4为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构沿C-C的剖面视图；

图5A为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构在直线行驶时轮胎内倾示意图；

图5B为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构在转向时轮胎内倾角发生变化示意图；

图6为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构防止侧翻原理解释图；

图7为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构轮胎前束角度示意图；

图8为驾驶者骑乘本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构进行转向操作示意图；

图9为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构可伸缩把手处于收缩状态示意图；

图10为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构可伸缩把手收缩且扶持夹向前旋转状态示意图；

图11为本发明非同轴左右轮式驱动车辆结构把手弹性复位部件结构原理图；

图12为本发明第二实施实例正视图和侧视图。

具体实施方式：

参看3A、3B、3C和图4，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含一个供驾驶者踩踏的踏板9，一个支撑踏板并联结驱动部件的车体，一对可旋转支撑车体的左右驱动第一车轮10L、第二车轮10R，一个供驾驶者扶持并控制方向的把手1及使把手复位的弹性机构，其中左右驱动车轮10L、10R可旋转的支撑整车及驾驶者。

所述的车体主要包括踏板9，一对支撑踏板9的第一侧板11L、第二侧板11R，及前挡板8、底板42、后挡板18、上盖板24、开关盖23、指示灯固定台7、指示灯26，还包括控制电路系统28、控制电路系统支撑板27、电池41、电池后盖43，以及第一停车支架13、第二停车支架14；其中，踏板9由一个平板制成，其尺寸等于或者稍大于人脚，为防止驾驶者脚侧滑，在踏板9两侧分别有轻微第一凸起部位9a、第二凸起部位9b，此外为检测有人无人状态，踏板两侧靠近中间位置有脚踏开关按钮安装孔，分别安装有第一脚踏开关25L1、第二脚踏开关25L2、第三脚踏开关25R1、第四脚踏开关25R2；前挡板8中间上部位置有斜面8a，斜面8a上面有把手弹性复位机构安装孔8b，孔8b轴线与水平面有一定的倾角；第一停车支架13、第二停车支架14可使停车位置处于一个合适的角度，给驾驶者上车时以最舒适的感觉，同时，在较大坡度行驶时，可以车体防止被刮伤。

驱动部件主要包括第一轮子10L、第二轮子10R，第一驱动马达11L、第二驱动马达11R，第一夹紧轮毂19L、第二夹紧轮毂19R，螺母20。第一轮子10L、第二轮子10R与第一驱动马达11L、第二驱动马达11R分布通过夹紧第一夹紧轮毂19L、第二夹紧轮毂19R和螺20母联结在一起，从而实现轮子与马达同步转动；其中左右轮子马达轴线不同轴，且与水平面有一定夹角，从而实现了车轮的内倾，有效的防止了车体的侧滑和翻倒。

参看图5A，左右轮子马达中心线不同轴，且与水平方向有一定夹角分布为α，β。参看图5B，当车辆转弯时，由于离心力的作用，较多的重量会转向外侧的车轮上，外侧车轮受压增大，内侧车轮受压减小，这时，内侧轮的倾角β减小为β₁，而轮内边缘可以与路面有较好的接触以增大摩擦力从而阻止侧向打滑；同时，外侧轮倾角α增大为α₁，使车轮外缘与路面有较好的附着以阻止车辆的侧滑。另一方面，车轮内倾还可以有效防止车辆翻倒。为了使左右两轮平稳的直线行驶，修正由于轮子内倾引起的车轮向内侧转动，引进了车轮向外的前束角γ(参看图7)，从而使得正负为零，左右两个轮子直线行进。

参看图6，图6中标记G表示骑乘者重力矢量，F表示向心力矢量，W表示G与F的合力矢量，A、B分布表示左右轮子与地面接触点，C表示合力矢量W延长线与地面的交点。由力学理论得知：当C点位于A，B点之间时，车辆不会翻倒：当C点与A或B点重合时，车辆位于一个临界状态；当C点位于A，B点之外时，车辆便会翻倒。显然，当离心力不变时，C点不变，此时由于轮子内倾导致A，B点向外移动，从而使得翻倒所需克服的逆向力矩增大，所以该结构稳固不易翻倒。

把手部件主要包括手扶架1、转接头2、一级杆3、紧固旋钮4、二级杆5、下接头7等组成。驾驶者通过偏转把手来带动转向机构转动，用传感器感应信号并将信号传递给控制系统，以此来实现转向动作。把手部件具有倾斜的旋转轴线，这样在转向时，手扶架1始终与身体保持大致相同的距离，不会使人有压迫感(如图8所示)。把手杆部分可以伸缩，当驾驶者需要携带或者存放时，旋转紧固旋钮4即可使得一级杆3收缩至空心的二级杆5中(如图9所示)；为了进一步便于携带，还可以将手扶架1向后旋转180°(如图10所示)。

参看图11，把手复位的弹性机构是由扭簧31，旋转轴32，轴承30、33，螺母29、36，扭簧旋转前端盖37、扭簧旋转后端盖44，扭簧固定端盖34，扭簧固定套39，限位柱38组成。扭簧固定端盖34和扭簧固定套39均有一大小相同的滑槽，滑槽相对错动把扭簧31预拉一定角度后，固定扭簧固定端盖34和扭簧固定套。扭簧旋转前端盖37和后端盖44中心均有一锥孔，分别与旋转轴32两端锥面配合并由螺母36、29压紧而成为一体。把手连接件6与扭簧旋转前端盖37固连，把手连接件6转动会带动扭簧旋转前端盖37旋转。当把手未转动即把手处于中间平衡位置时，扭簧31一端与扭簧旋转前端盖37在a处相切，另一端与扭簧旋转后端盖44在b处相切，与扭簧固定端盖34固连在一起的限位柱38处于c处限位滑槽的中间位置；当把手转动时，如图所示方向，扭簧旋转前端盖37带动扭簧31一端转动，此时扭簧另一端被扭簧固定套39上的滑槽卡在b处不动，继续转动把手，当扭簧旋转前端盖37上的限位滑槽被限位柱38挡住时，把手即转动到极限位置，而此时扭簧31并未被后端盖滑槽卡死，限位对弹簧起了保护作用。相反方向时，原理亦如此。松开把手，把手由于回复力作用自动回复到中间位置。

参看图12，为本发明第二实施实例正视图和侧视图；该实施实例进一步简化了零件生产工艺，左右两个轮子轴线同轴且平行于地平面，内倾角和前束角都为零，其他组成与连接关系均与第一实施例相同。

Claims (6)

1.一种非同轴左右轮式驱动车辆结构，其特征在于它包含：一个供驾驶者踩踏的踏板(9)，踏板上具有防滑及限位特征；一个支撑踏板并联结驱动部件的车体，其中踏板与车体相对固定；一对可旋转支撑车体的驱动第一车轮(10L)、第二车轮(10R)，第一车轮(10L)、第二车轮(10R)分别位于车体左右两侧且位于踏板下方；第一车轮(10L)、第二车轮(10R)非同轴，且可根据需要设置车轮内倾角及前束角；一个供驾驶者扶持并控制方向的把手(1)及使把手复位的弹性机构；驾驶者可根据需要安装或拆除把手、调整把手高度、折叠把手至最小体积、安装显示设备及控制设备至把手上；把手(1)可以左右摆动并自动复位，且把手(1)的左右摆动不影响踏板和车体的姿态，把手(1)左右摆动所围绕的轴线位于车体左右方向对称面内且具有倾斜向地平面的倾角。

2.根据权利要求1所述的一种非同轴左右轮式驱动车辆结构，其特征在于所述的车体主要包括踏板(9)，一对支撑踏板(9)的第一侧板(11L)、第二侧板(11R)，及前挡板(8)、底板(42)、后挡板(18)、上盖板(24)、开关盖(23)、指示灯固定台(7)、指示灯(26)，还包括控制电路系统(28)、控制电路系统支撑板(27)、电池(41)、电池后盖(43)，以及第一停车支架(13)、第二停车支架(14)；其中，踏板(9)由一个平板制成，其尺寸等于或者稍大于人脚，为防止驾驶者脚侧滑，在踏板(9)两侧分别有轻微第一凸起部位(9a)、第二凸起部位(9b)，此外为检测有人无人状态，踏板两侧靠近中间位置有脚踏开关按钮安装孔，分别安装有第一脚踏开关(25L1)、第二脚踏开关(25L2)、第三脚踏开关(25R1)、第四脚踏开关(25R2)；前挡板(8)中间上部位置有斜面(8a)，斜面(8a)上面有把手弹性复位机构安装孔(8b)，孔(8b)轴线与水平面有一定的倾角；第一停车支架(13)、第二停车支架(14)可使停车位置处于一个合适的角度，给驾驶者上车时以最舒适的感觉，同时，在较大坡度行驶时，车体可以防止被刮伤。

3.根据权利要求1所述的一种非同轴左右轮式驱动车辆结构，其特征在于驱动部件主要包括第一轮子(10L)、第二轮子(10R)，第一驱动马达(11L)、第二驱动马达(11R)，第一夹紧轮毂(19L)、第二夹紧轮毂(19R)，螺母(20)；第一轮子(10L)、第二轮子(10R)与第一驱动马达(11L)、第二驱动马达(11R)分布通过夹紧第一夹紧轮毂(19L)、第二夹紧轮毂(19R)和螺(20)母联结在一起，从而实现轮子与马达同步转动；其中左右轮子马达轴线不同轴，且与水平面有一定夹角，从而实现了车轮的内倾，有效的防止了车体的侧滑和翻倒。

4.根据权利要求1所述的一一种非同轴左右轮式驱动车辆结构，其特征在于左右轮子马达中心线不同轴，且与水平方向有一定夹角分布为α，β；当车辆转弯时，由于离心力的作用，较多的重量会转向外侧的车轮上，外侧车轮受压增大，内侧车轮受压减小，这时，内侧轮的倾角β减小为β₁，而轮内边缘可以与路面有较好的接触以增大摩擦力从而阻止侧向打滑；同时，外侧轮倾角α增大为α₁，使车轮外缘与路面有较好的附着以阻止车辆的侧滑；另一方面，车轮内倾还可以有效防止车辆翻倒；为了使左右两轮平稳的直线行驶，修正由于轮子内倾引起的车轮向内侧转动，引进了车轮向外的前束角γ，从而使得正负为零，左右两个轮子直线行进。

5.根据权利要求1所述的一种非同轴左右轮式驱动车辆结构，其特征在于把手部件主要包括手扶架(1)、转接头(2)、一级杆(3)、紧固旋钮(4)、二级杆(5)、下接头(7)组成；驾驶者通过偏转把手来带动转向机构转动，用传感器感应信号并将信号传递给控制系统，以此来实现转向动作；把手部件具有倾斜的旋转轴线，这样在转向时，手扶架(1)始终与身体保持大致相同的距离，不会使人有压迫感；把手杆部分可以伸缩，当驾驶者需要携带或者存放时，旋转紧固旋钮(4)即可使得一级杆(3)收缩至空心的二级杆(5)中，处于收缩状态下的一级杆(3)的下端与两个轮子支撑车体，使得车体处于一个稳定状态；为了进一步便于携带，还可以将手扶架(1)向后旋转180°。

6.根据权利要求1所述的一种非同轴左右轮式驱动车辆结构，其特征在于把手复位的弹性机构是由扭簧(31)，旋转轴(32)，轴承(30)、(33)，螺母(29)、(36)，扭簧旋转前端盖(37)、扭簧旋转后端盖(44)，扭簧固定端盖(34)，扭簧固定套(39)，限位柱(38)组成；扭簧固定端盖(34)和扭簧固定套(39)均有一大小相同的滑槽，滑槽相对错动把扭簧(31)预拉一定角度后，固定扭簧固定端盖(34)和扭簧固定套；扭簧旋转前端盖(37)和后端盖(44)中心均有一锥孔，分别与旋转轴(32)两端锥面配合并由螺母(36)、(29)压紧而成为一体；把手连接件(6)与扭簧旋转前端盖(37)固连，把手连接件(6)转动会带动扭簧旋转前端盖(37)旋转；当把手未转动即把手处于中间平衡位置时，扭簧(31)一端与扭簧旋转前端盖(37)在a处相切，另一端与扭簧旋转后端盖(44)在b处相切，与扭簧固定端盖(34)固连在一起的限位柱(38)处于c处限位滑槽的中间位置；当把手转动时，如图所示方向，扭簧旋转前端盖(37)带动扭簧(31)一端转动，此时扭簧另一端被扭簧固定套(39)上的滑槽卡在b处不动，继续转动把手，当扭簧旋转前端盖(37)上的限位滑槽被限位柱(38)挡住时，把手即转动到极限位置，而此时扭簧(31)并未被后端盖滑槽卡死，限位对弹簧起了保护作用；相反方向时，原理亦如此；松开把手，把手由于回复力作用自动回复到中间位置。

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