一种车轮十字形布置的动平衡车

1.本发明涉及车辆领域，更具体地说，涉及一种车轮十字形布置的动平衡车。


背景技术：

2.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。
3.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。因此，该专利申请案不能实现类似二轮车的动态平衡状态。
4.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。
5.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)。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，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，因此该专利在四轮和倒三轮的实用场合的应用受到了很大的限制。
6.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，鉴于动平衡技术独特的动平衡特点，在我们准备把它向真正的倒三轮、四轮车(前轮非一体式转向)延伸前有必要首先考察一下必要性。因为从专利201922148722.2《一种人机联合平衡
车》的动平衡理论我们可以得到推论：动平衡车既然可以始终自动的让车身在行驶过程中所受到合力通过摆动轴线，因此车底盘的作用是保证摆动轴线的稳定，那么只要底盘与地面是面积接触，就能达到上述要求，与车底盘采用什么形状与地面接触无关。本文在重点考察惯性力的情况下对动平衡车的安全性进行了分析，发现实际情况并非如此，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)。然后，本文通过采用转向与摆动相独立的间接转向方案，对前轮非一体式转向的四轮动平衡车进行了实践尝试，实践结果表明：在现有技术的情况下，间接转向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。
7.车轮十字形布置的形式与传统称为菱形布置的形式看上去十分相似，但经检索，本文发现传统菱形布置主要是为了解决车底盘的紧凑设计和灵活转身的问题，其出发点与需要解决的问题与本文不同：专利cn200310123893.0《菱形电动车》为车轮菱形布置的电动汽车，专利cn200510137683.6《四轮车的车轮配置结构》具有自由转向的前轮、后轮和有驱动的可转向的两侧轮且车轮可倾斜，专利cn200820161983.7《四轮车辆底盘》具有导向前轮、驱动的后轮和两侧轮，专利cn201420312616.8《一种安环四轮车》车轮近菱形布置且可倾斜等等，这些专利以矩形布置的四轮车为对比对象，突出了菱形布置的紧凑结构和更小的转弯半径这些技术优势；其中专利cn200510137683.6《四轮车的车轮配置结构》还与三轮车进行了对比，说明了它在转动半径与抗翻能力(静态稳定安全系数ssf)上相对于三轮车的优势，但是ssf对动平衡车行驶过程中的抗翻能力评价是有明显缺陷的(见后文分析)；另外上述专利中，要么没有提及转向系统，要么涉及的转向均是间接转向系统。


技术实现要素：

8.1.发明要解决的技术问题
9.本发明的一个目的在于提供一种车轮十字形布置的动平衡车，采用本发明的技术方案，通过控制车轮十字形布置中的侧轮在前轮与后轮之间的位置(k与l的比值在0～0.8之间)，使车轮十字形布置的动平衡车在车的结构设计上和车的静态、动态(制动)安全性能上得到良好兼顾，获得了一种更安全可靠、经济性更高的、更方便实现的小型城市通勤工具；
10.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问题，采用本发明的技术方案，通过十字形车轮布局，可以使得作为转向轮的前轮直接转向系统在十字形动平衡车中得以保留，以极其简单经济的方法实现了动平衡车的无迟滞高效转向功能；加上车轮十字形布局具有的结构紧凑、转弯半径小等的优势，使得十字形动平衡车的实用性得到了极大的提高。
11.2.技术方案
12.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
13.本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，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；
14.该动平衡车的整车含有前轮、侧轮和后轮，所述前轮设于动平衡车的前部，所述后
轮设于动平衡车的后部，所述侧轮位于前轮与后轮之间且设于动平衡车的左右两侧，形成十字形车轮布置结构；所述前轮轴线与后轮轴线之间的距离为l，前轮轴线与侧轮轴线之间的距离为k，且k与l的比值在0～0.8之间，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的静态安全性的情况下，获得尽可能高的制动安全性；
15.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。
16.更进一步地，所述车的摆动部分为车身，车的不摆动部分为车底盘，所述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；
17.所述前轮设于车身上，所述后轮和两只侧轮设于车底盘上，所述车身的前部分通过前轮触地获得支撑，所述车身后部分通过摆动装置获得来自车底盘的支撑；
18.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，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，所述车身的摆动不会产生后轮及侧轮相对于地面的摆动或倾斜。
19.更进一步地，所述车的摆动部分为车身，车的不摆动部分为车底盘，所述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；
20.所述前轮、后轮和两只侧轮均设于车底盘上，所述车身完全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在沿车行进的垂直方向上摆动，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之上；所述车身的摆动不会产生任何车轮相对于地面的摆动或倾斜；
21.车的转向操作从车身发出，通过转向传递装置传递到车底盘的转向轮实现转向，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。
22.更进一步地，所述车的摆动部分为车身，车的不摆动部分为车底盘，所述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；
23.所述后轮设于车身上，所述前轮和两只侧轮设于车底盘上，所述车身的后部分通过后轮触地获得支撑，所述车身前部分通过摆动装置获得来自车底盘的支撑；
24.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，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；所述后轮随车身的摆动而摆动，车身的摆动不会产生前轮及侧轮相对于地面的摆动或倾斜；
25.车的转向操作从车身发出，通过转向传递装置传递到车底盘的转向轮实现转向，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。
26.更进一步地，所述前轮为转向轮，当两只侧轮为定向轮时，所述后轮为万向轮或者第二转向轮；当后轮为定向轮时，两只所述侧轮为万向轮或者第二转向轮；并且，当存在第二转向轮时，转向操作由所述车的摆动部分通过转向传递装置传递到第二转向轮，所述转向传递装置是一种使车的摆动部分的摆动与车的转向传递相互不影响的装置，在转向传递
的过程中车的摆动部分能够同时摆动，转向传递不影响车的摆动部分的摆动，车的摆动部分的摆动不影响转向的传递。
27.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车的摆动部分连接，所述摆动下部构件与所述车的不摆动部分连接，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，从而形成车的摆动部分相对于车的不摆动部分的左右摆动；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。
28.更进一步地，所述车身上的前轮为一体转向式双轮转向装置，所述一体转向式双轮转向装置包含两只车轮，两只车轮围绕它们轴心连线的中心转向，且两只车轮始终保持触地。
29.更进一步地，所述摆动装置的摆动轴线经过车身所含车轮的触地点；或者，所述摆动装置的摆动轴线位于摆动装置的摆动中心与车身所含车轮的触地点连线的上方或下方的一个小角度范围内；摆动轴线确定的原则是，车身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，且该交点离所述多边形区域的边界越远越好。
30.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。
31.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。
32.更进一步地，所述转向传递装置为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的转向机构上，另一端安装在车底盘上，并与车底盘上的转向轮传动连接，所述柔性传动式转向传递装置在车身与车底盘之间具有能够随车身摆动而自由弯曲的柔性传动机构。
33.更进一步地，所述柔性传动机构包括钢丝线牵引装置、钢丝线、套管、始端套管固定装置、终端套管固定装置和被动牵引装置，所述钢丝线牵引装置安装在车身上并传动连接至车的转向把手，所述钢丝线的始端固定在钢丝线牵引装置上，终端固定在被动牵引装置上，所述套管套在钢丝线外，所述套管的一端通过始端套管固定装置被固定在车身上，所述套管的另一端通过终端套管固定装置被固定在车底盘上，所述被动牵引装置安装在车底盘上并传动连接至转向轮。
34.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。
35.更进一步地，所述车的摆动部分与车的不摆动部分的连接装置中还包括阻尼机构，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。
36.更进一步地，所述车的摆动部分包含辅助支撑装置，该辅助支撑装置布置于车的
两侧并能够收放，在驻车或行驶过程中，由驾车人操控使所述辅助支撑装置放下并触地，以实现辅助支撑，也能够同时进行辅助制动；在不需要进行辅助支撑时，驾车人对辅助支撑装置进行回收操控，使之收起。
37.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。
38.3.有益效果
39.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：
40.(1)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，其在充分发挥十字形车轮布局前后结构紧凑、行驶灵活等优势的基础上，通过控制k与l的比值在0～0.8之间，在不影响车的动态平衡、静态安全性的情况下，提高车的容错特性，获得尽可能高的制动安全性，使车轮十字形布置的动平衡车在车的结构设计上和车的静态、动态(制动)安全性能上得到良好兼顾，从而获得了一种安全可靠性、经济性更高的、更方便实现的小型城市通勤工具；
41.(2)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，其前轮设于车身上，后轮和两只侧轮设于车底盘上，前轮作为转向轮随车身的摆动而摆动，通过十字形车轮布局，使作为转向轮的前轮直接转向系统在十字形动平衡车中得以保留，实现了动平衡车的无迟滞高效转向功能，进而提高了动平衡车的行驶操控性和安全性，使动平衡车既能获得最佳的操控体验，又能获得更高的行驶安全性，极大提高了动平衡车的实用性；
42.(3)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，在转向轮采用间接转向时，通过转向传递装置使转向操作与车身摆动相独立，即车身的摆动与车的转向传递相互不影响，使车身不含车轮和车身只含后轮的动平衡车的动态平衡功能成为可能；车身不含车轮的这种形式可以更加有利于电子平衡控制系统的动平衡的实现；车身只含后轮的这种形式可以使动平衡车在动力源的布置上获得更好的优势，可以将现有的二轮车的动力系统直接进行嫁接；
43.(4)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，其摆动装置采用滚动式摆动装置，使摆动上部构件相对于摆动下部构件沿车行进的垂直方向来回摆动，这样，车的摆动轴线随着车身的摆动能够在一定范围内移动，并且摆动上部构件和摆动下部构件之间的接触面设置为软接触以形成更大接触面，这些都能极大提高动平衡控制的稳定性，从而更具安全性；
44.(5)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，其车身上的前轮为一体转向式双轮转向装置，既保持了高效转向，又有了两点支撑，能够进一步扩大动平衡车的绝对容错区、容错弧线与容错角，进一步提高了容错特性；
45.(6)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，其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，这有利于车底盘的受力设计；
46.(7)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，其转向传递装置为柔性传动式转向传递装置，其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，使动平衡车的摆动和转向动作相互独立成为可能；
47.(8)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，减震缓冲装置设置在车身与摆动装置之间，使得车的不摆动部分的结构更加简化，车的不摆动部分的质量更小，对动平衡的控制更加有利；
48.(9)本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，其摆动装置还包括阻尼机构，增加摆动阻尼以增加动平衡操控的稳定性；车的摆动部分包含辅助支撑装置，改善了静态及轻制动状态下的安全性，并且可在行驶过程中实现辅助支撑和辅助制动。
附图说明
49.图1为本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车的侧面示意图；
50.图2为本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车的后面示意图；
51.图3为本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车的实施例1的主要结构俯视示意图；
52.图4为图3中a-a方向的剖视图；
53.图5为本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车摆动到一侧的示意图；
54.图6为本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车的容错区分析图；
55.图7为本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车的摆动轴线投影区的几种情况示意图；
56.图8为正三轮与倒三轮动平衡车的容错特性对比图；
57.图9为本发明中的前轮采用宽轮或一体转向式双轮的十字形动平衡车的容错区分析图；
58.图10为本发明的十字形动平衡车采用辅助支撑装置前后的容错区对比图；
59.图11为本发明中的轴承式摆动装置的结构示意图；
60.图12为图11中b-b方向的剖视图；
61.图13为本发明中的铰链式摆动装置的结构示意图；
62.图14为图13中c-c方向的剖视图；
63.图15为本发明中的滚动式摆动装置的横向剖视结构示意图；
64.图16为本发明中的滚动式摆动装置的纵向剖视结构示意图；
65.图17为本发明中的十字转轴式摆动装置的示意图；
66.图18为本发明中具有可转动支座的摆动装置的示意图；
67.图19为本发明中前轮转向采用柔性传动式转向传递装置的结构示意图；
68.图20为本发明中前轮为龙头转向同时后轮转向采用柔性传动式转向传递装置的示意图；
69.图21为本发明中的中间侧轮作为第二转向轮采用柔性传动式转向传递装置的示意图；
70.图22为本发明中一体转向式双轮转向装置的示意图；
71.图23为图3所示的具体实施例的车底盘结构示意图；
72.图24为图23的俯视图；
73.图25为本发明中采用只在车身设置减震缓冲装置的结构示意图；
74.图26为图25中f-f方向的剖视图；
75.图27为本发明中具有辅助支撑装置的十字形动平衡车的结构示意图；
76.图28为图27的俯视图；
77.图29为图27的底盘结构俯视图；
78.图30为图27中的辅助支撑装置的两种工作状态示意图。
79.示意图中的标号说明：
80.01、前轮；02、侧轮；03、后轮；z1、摆动轴线；z2、纵向旋转轴线；
81.1、车身；11、车身架；12、转向把手；13、摆轴悬臂轴承组件；14、摆轴悬臂构件；15、摆轴上减震缓冲装置；16、辅助支撑装置；161、辅助支撑构件；162、控制钢丝；163、钢丝终端受控构件；164、辅助支撑轴承组件；165、弹簧复位机构；
82.2、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；2e、万向节；25、可转动支座；
83.3、车底盘；31、底盘架；32、转向转轴；33、悬臂轴承组件；34、悬臂构件；35、减震缓冲装置；36、动力装置；
84.4、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；47、转向力臂；48、转向拉杆；49、转向节；4a、横拉杆。
具体实施方式
85.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。
86.没有特别说明，本文中的“四轮车”指车轮矩形布置的四轮车，“十字形动平衡车”指本发明的车轮十字形布置的动平衡车。
87.本发明需要解决的首要问题是：动平衡技术向正三轮之外的其它车型延伸的必要性。如背景技术中所述，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)，那么，有了正三轮动平衡车，动平衡技术就未必一定要向倒三轮和四轮车延伸；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。
88.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、摆动轴线投影区、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：
89.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。
90.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支配行为的，显然后者具有明显的滞后性与不准确性。
91.车在行驶过程中受到的合力r：如图6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，但实际上它是评估车的安全性的一个重要因素，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6中所示了r1和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7m/s2和5m/s2，并假定车辆处于直线行驶(离心力忽略)，则p点和q点就是这两种制动状态下的动平衡车的合力r通过地面的位置，由图6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，图7中的直线g为车重心所在的横截面与地面的交线，故m点在直线g上)，如图6至图10所示，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l1l2连线上(图7)，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l1l2连线附近的区域内(图7中l1l2连线附近的灰色区域)。1.3、车在直线加(减)速时，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，这种情况基本是减速状态，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，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。
92.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，惯性力是评估车的安全性的一个重要因素，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。
93.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6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，即图6中的四边形abcd，传统车的静态和动态情况下安全区相同(动平衡车在动态时，这个区域的作用有所不同，这在容错区中讨论)。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ef线。专利cn200510137683.6《四轮车的车轮配置结构》中所述的“静态稳定安全系数ssf”是重心在地面的投影点到侧轮中心连线地面投影的距离与重心高度的比值，“越高的ssf值代表具有较高的抗滚翻及抗倾覆能力”(见专利cn200510137683.6说明书记载)，虽然该专利没有说明“滚翻”和“倾覆”是动态还是静态，但显然是动态下才更有意义。对于动平衡车，如前所述，车在运动中的合力r始终指向摆动轴线，因此在正常行驶过程中，重心高度对于动平衡车动态下的横向倾翻没有影响，只要正常行驶(合力r论述中的结论1.1、结论1.2的情况)，不管是不是过弯，过弯是不是过急，车都不会侧翻(弯过急的情况下，我们会主动提前减速；速度很快的时候，我们会主动拐大弯)，因此我们不能用ssf来评估动平衡车的动态安全性。ssf是可以用来评价动平衡车的静态安全性的，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ef线的长短很直观的反映出其静态安全性的大小。
94.摆动轴线投影区：摆动轴线投影区定义为车身在摆动极限角(定义“摆动极限角”为车身可以摆动的最大角，可以通过车的框架结构上的限位实现)之间摆动时，摆动轴线z1所在的车身对称中心面扫过地面的区域。如图7所示，摆动轴线投影区为直线a1和a2之间的区域(直线a1和a2为车身位于摆动极限角时，车身对称中心面与地面的交线)。图7所示了四种类型的动平衡车：图7的(a)为车底盘含侧轮与后轮且摆动轴线z1过前轮触地点的情况，图7的(b)为车底盘含侧轮与后轮且摆动轴线z1过前轮触地点的上方的情况，图7的(c)为车底盘含前轮与侧轮且摆动轴线z1过后轮触地点的情况，图7的(d)为车底盘含所有车轮且摆动轴线z1与地面平行的情况。车身处于动平衡时，n点落在摆动轴线投影区内，并且只要是动态平衡，n点就不可能横向越过此区域，所以此区域也是动平衡车受力的横向限制区，即直线a1和a2将车在动平衡状态的受力在横向上限制在它们之间，因此直线a1和a2靠得越近，就越能将n点限制在静态安全区内。但是n点是可以在纵向上处于静态安全区外的，此时虽然车身处于动平衡状态，但仍会翻车。由前述结论1.1、结论1.2知，动平衡车在绝大部分情况下n点落在m点前后及左右，所以只要保证l1和l2点(直线g与直线a1和a2的交点)位于静态安全区内，就可以保证动平衡车在常规行车状态下的安全，并且，点l1和点l2离静态安全区
边界越远，安全裕量越大。由此我们又可得到结论：2.1、摆动轴线投影区越小，动平衡状态下的受力区就被横向限制得越小，它离静态安全区横向的边界就越远，安全裕量就越大；同时l1和l2点必须位于静态安全区内并且尽可能远离静态安全区边界。2.2、摆动轴线z1离地面越近越好，因为在相同的摆动极限角的情况下，摆动轴线z1离地面越近，摆动轴线投影区就越向中心线ac收缩，l1和l2点就越向ac靠近，l1和l2点所处的位置就越安全，车的动态平衡安全性就越高。上述结论2.1和2.2也是确定摆动轴线z1的方向和高低的基本原则。
95.需要注意：
①
以上所说的n点是指在动态平衡前提下的，但n点本身与动态平衡没有关联，不能说n点落在直线a1和a2之间就表示车一定处于动平衡状态，在非动平衡时，n仍有可能在直线a1和a2之间。
②
直线a1和a2之间的点代表了相应的动平衡下的合力状态，当n点落在某点上时，如果此时车身处于动平衡，则说明合力r通过摆动轴线z1并落在此点上；如果此时车身非动平衡，说明合力r虽指向该点但却离开了摆动轴线z1；如果n点落在直线a1或a2之外，则车身肯定为非动平衡，合力r肯定不通过摆动轴线z1。
96.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，即图6中多边形abefd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6中以m为圆心，mp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，p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ef线的前方。假设某时刻车处于动平衡状态，n点落在摆动轴线投影区的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。
97.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
容错区不是静态安全区中去除摆动轴线投影区的部分，不需要去除摆动轴线投影区，因为任一瞬间的平衡点只有一个，除这个点之外的静态安全区都是容错区。
②
容错特性不等与静态安全区，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，是直线g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(如ssf)来衡量动平衡车的制动安全性能，这一点从本文后面关于正三轮与倒三轮的容错特性对比也能看出。
98.下面我们利用上述概念对三轮、四轮和十字形动平衡车的安全性进行分析(设车的横向和纵向轮距相同、重心高度和位置相同)。
99.正三轮与倒三轮的比较：图8显示了正三轮与倒三轮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：正三轮的静态安全线ef长于倒三轮(尽管它们具有相同面积的静态安全区)，而正三轮的容错区小于倒三轮；正三轮的在较大制动加速度a下的容错角、容错弧线小于倒三轮，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。这说明：
①
在静态下，正三轮防倒性能明显优于倒三轮(所以不能只看静态安全区面积的大小)；
②
在制动状态下，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
在紧急制动下，正三轮的容错弧线与容错角会快速的减小，因此会非常危险；
④
同理不要图示我们也能得到，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。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，因此动平衡技术需要向其它车型拓展。(注：图8与图6的中相关尺寸完全相同，实际作图尺寸为：l＝1250mm、k＝750mm、p＝400mm、w＝570mm、侧轮宽80mm、两侧轮外侧最大尺寸650mm；另外图中也可以看出，制动情况下，重心高度h对安全性有影响，h越大，相同制动加速度a下的p点越向前，安全性越低。)
100.十字形动平衡车与正三轮动平衡车的比较：从图6和图8可以看出，在相同的横向、纵向轮距及重心高度的条件下，十字形动平衡车的容错区、容错角与容错弧线均比正三轮动平衡车的有很大提高。如果把十字形动平衡车前轮与侧轮连线向后延长(如图6)，与后轮轴线相交得到w1，则w1为相同容错特性情况下的正三轮动平衡车的后轮间距，从图中可以看出，w1超出w很多，即w1/w＝l/k。图6中，k＝750mm、l＝1250mm、w＝570mm(轮宽80mm，侧边总宽570+80＝650mm)，此时w1＝950mm(侧边总宽为950+80＝1030mm)。则我们可以看到，总宽650mm的十字形动平衡车与总宽为1030mm的正三轮动平衡车具有相同的制动安全性！并且尽管650mm十字形动平衡车较1030的车的静态安全线有所减小(ef线略小于e1f1线)，但这种减小并没有实质影响，即十字形动平衡车的静态稳定性已经足够。所以，十字形动平衡车的这种车轮布置形式，应用在动平衡车上优势明显，具体为：
①
相对于正三轮动平衡车极大的提高了容错特性，提高了制动安全性；
②
相对于倒三轮动平衡车，它可以通过调整k与l的比值使静态安全性与制动安全性之间得到一种调和；
③
解决了极小代价下的高效转向问题，保障了多轮结构的动平衡车的稳定性，从而极大提高了动平衡车的实用性；
④
比三轮车多一只车轮，增加了制动点和“抓地”性能；
⑤
若后轮作为驱动轮，可不需要差速器，会使整车
获得最简、最紧凑的动力结构；
⑥
车的转弯半径小，转身更灵活；
⑦
前后单轮可以使车的前后部结构更紧凑，车的流线形更好、更加灵巧。
101.从上述对比分析，我们可以得到结论：3.1、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)；3.2、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；3.3、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；3.4、十字形动平衡车的静态安全性、制动安全性介于矩形四轮动平衡车与三轮动平衡车之间，因k与l的比值的不同而呈现不同的变化(详见后文)；3.5、十字形动平衡车并不要求整车的重心因侧轮的前移而向前移，相反的，本文仍认为整车的重心还是要靠近车的后部，这样才能使得am线足够长，以提高车的制动安全性。
102.上述的分析与比较不仅帮助我们弄清了动平衡车安全性的决定因素和相互关系，解决了本发明的首要问题。而且我们可以根据上面的分析结果对十字形动平衡车的安全性、稳定性等提出优化方案。(以下仍在相同轮距与重心高度的情况下讨论)
103.首先是关于k与l的比值(以下定义为λ)：本发明认为λ在0～0.8之间都是适合的，确定这个值的主要原则是：
①
不影响动态平衡的实现，
②
能获得尽可能好的容错特性，
③
兼顾静态安全线的长度，
④
驱动与主要制动轮的布置，
⑤
车的结构设计、空间布置因素等。从不影响动态平衡实现的角度，当λ较小时(如λ＜0.5)时，两侧轮就不宜采用定向轮；若考虑侧轮为驱动轮和主要制动轮(此时侧轮应是定向轮)，则λ应较大(如λ＞0.5)；从获得尽可能好的容错特性(制动安全性)出发，λ应尽可能小；从兼顾静态安全线的角度，λ应尽可能大；从车的结构设计与空间布置角度，λ可能需要根据情况进行避让调整。在λ＞0.8时，本文认为这时十字形动平衡车跟正三轮动平衡车已经没有明显的区别，没有必要再采取车轮十字形布置这种形式。同时需要注意的是，当λ＝0时，十字形动平衡车并不等同于倒三轮动平衡车，它们之间存在本质的区别，包括转向结构、摆动轴线和车的摆动部分的组成等等存在明显的不同。
104.万向轮与第二转向轮的设置：十字形动平衡车的前轮是作为转向轮的，那么侧轮和后轮必然不能同时为定向轮，则：(1)将侧轮或后轮设计成万向轮是一个最简单的方法，但它的缺点是制动问题。带刹车的万向轮是现有技术，只是把它用在动平衡车上还是要进行改进，我们需要把手或脚上发出的制动动作传递给万向轮的刹车并且要考虑车轮可能位于的方位，不过实现这种结构在现有的技术下完全没有问题；如果我们干脆不对万向轮采取制动，对于后轮采用万向轮的情况，制动轮数量等同于三轮，但它还有两个明显安全优势：
①
稳定的底盘，
②
扩大的容错特性；对于侧轮采用万向轮的情况，制动轮数量等同于二轮而少于三轮，但它的两大安全优势(稳定的底盘和扩大的容错特性)使它的安全性仍然可以优于三轮，所以对于经济型十字形动平衡车，直接采用万向轮仍具有很好的现实意义。(2)将侧轮或后轮设计成第二转向轮，此时前轮与第二转向轮之间转向角度的比例关系应根据它们转向的几何关系确定，并可以通过第二转向的传动机构来实现这种比例关系。第二转向轮的转向是间接转向，由于第二转向具有随动性和辅助性，因此这时的间接转向存在的迟滞问题并不会对车的动态平衡带来不利影响，而由于第二转向轮具有很好的防侧滑性能，因此这种方案会使得整车安全性更有保障，缺点是转向机构相对复杂。
105.使用宽的车轮：为了进一步改善车的制动安全性，前轮使用更宽的车轮，图9中的
上图显示了考虑车轮宽度因素的容错区状态，在前轮使用更宽车轮的情况下，容错区进一步扩大、容错弧线与容错角也得到进一步增加，制动安全性得到进一步改善。
106.前轮或后轮采用一体式双轮结构：沿着上文的思路，我们得到一个继续优化的方案：前轮采用双轮，如图9中的下图所示，这时绝对容错区、容错弧线与容错角(不考虑车轮宽度因素的容错特性)将得到明显扩大。此时，这种双轮区别于常规的前双轮结构，它是整体转向的，并且在车身摆动时，这两轮要始终触地，这种转向结构既保持了高效转向，又有了两点支撑(结构见图22，该结构为现有技术)，但这种结构的双轮间距不能过大，否则会影响使用。如果需要前两轮有更大的间距，就需要使它们各自转向，这时，十字形的车轮布置就失去实际意义，而由矩形四轮布置替代。同理，后轮也可以设置为一体式的紧凑的双轮结构，以适用在后部过重，即重心过于靠后的场合。
107.采用可收放辅助支撑装置：虽然容错区随λ越来越小而面积越来越大、紧急制动的容错弧线比较长，但当λ很小时(如λ≤0.2)，其静态安全线ef就比较短，如图10中的左图所示，同时在轻制动情况下的安全性并不高，为了改善静态及轻制动状态下的安全性，我们可以通过设置可收放辅助支撑装置来弥补(结构见图30)，当可收放辅助支撑装置作用时(静态和制动时都可以放下用以辅助支撑和辅助制动)，从图10中的右图上可以看出容错特性可以达到与矩形车轮布置几乎等同效果。当然，这种等同效果是在辅助支撑装置起作用条件下的，对于大多数的情况，比如提前预判、提前准备、能够及时反应，都能够使辅助支撑装置发挥作用，但也存在来不及反应的过于紧急的情况，因此这种辅助支撑装置方案在总体安全性上仍然不及矩形车轮布置的动平衡车。
108.以上是关于本发明首要问题的解决和相关的优化措施的说明，下面将对本发明的第二方面问题进行讨论。
109.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)，但意味着放弃矩形四轮布置形式；
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)。从目前看，显然第二种途径简单、经济，而十字形车轮布置形式既可以使得二轮车的直接转向系统得以保留，还可以使得车的安全性高于三轮。因此，动平衡车转向问题的发现与直接转向系统的采用是本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车的又一重要发明点。
110.如果我们采取了第一种和第三种关于解决四轮车转向问题的途径，使用了高效的无迟滞的间接转向系统或是电子平衡控制系统(其它方式实现动平衡)，那是不是十字形动平衡车就没有意义了？答案也是否定的，当符合要求的间接转向系统、电子平衡控制系统都很容易实现且经济时，十字形车轮布置的传统优点就突显出来，即结构紧凑、流线形好、转弯半径小、转身容易等。所以，作为一种前瞻的可能性，作为技术方案的一个分支，本发明将
前轮采用间接转向的十字形动平衡车和采用电子平衡控制系统的十字形动平衡车也纳入进来。
111.前轮采用间接转向的十字形动平衡车：前轮采用间接转向的技术方案有两类，一是车底盘包含所有车轮，二是车底盘包含前轮和侧轮而后轮安装在车身上。对于前者，它是能更好的适用于利用电子平衡控制系统来实现动态平衡的方式，由于摆动轴线z1与地面平行，避免了摆动轴线z1与地面不平行(前轮或后轮在车身的情况)情况下摆动出现的“摇头”和“摆尾”的现象，因而更有利于电子平衡系统来准确控制车身的动平衡状态。对于后者，后轮安装在车身上的好处是它具有最直接的动力传动结构，特别适用于内燃机为动力源的情况，可以将现有二轮车的车身结构整体直接嫁接过来。
112.采用电子平衡控制系统的十字形动平衡车：目前陀螺仪电子平衡系统已经普遍应用在平衡车上，它可以使独轮车、两轮车实现平衡，同样将它应用在十字形动平衡车上完全可行，其价值在于更高的速度和安全性。这是因为：
①
十字形动平衡车的重心高与车的占地面积比更小，四轮比两轮具有更强“抓地力”，这些都使得车具有更好的静态和动态安全性；
②
十字形动平衡车有容错区，使得的安全性得到进一步提高，而独轮平衡车、两轮平衡车均没有容错区，一旦失衡基本没有机会纠偏而直接翻车；
③
如果将人的操控与电子平衡系统进行结合，不但可以使控制系统得到简化，提高了整车的性价比，而且在电子平衡系统出现故障的情况下，可以迅速由人的操控接管，从而进一步提高了车的行驶稳定性与安全性。
113.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
114.[实施例1]
[0115]
本实施例为动平衡车的车身含有前轮的具体实施方式。
[0116]
如图1至图5所示，本实施例的一种车轮十字形布置的动平衡车，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。该动平衡车的整车含有前轮01、侧轮02和后轮03，前轮01设于动平衡车的前部，后轮03设于动平衡车的后部，侧轮02位于前轮01与后轮03之间且设于动平衡车的左右两侧，形成十字形车轮布置结构；如图6所示，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，且k与l的比值在0～0.8之间，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的静态安全性的情况下，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。采用上述设计，在充分发挥十字形车轮布局前后结构紧凑、行驶灵活等优势的基础上，通过控制k与l的比值在0～0.8之间，使车在结构设计上和车的静态、动态性能(容错特性)上得到良好兼顾。
[0117]
在本实施例中，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；前轮01设于车身1上，后轮03和两只侧轮02设于车底盘3上，车身1的前部分通过前轮01触地获得支撑，车身1后部分通过摆动装置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采用一体式转向结构，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相对于地面的摆动或倾斜。通过十字形车轮布局，使作为转向轮的前轮直接转向系统在十字形动平衡车中得以保留，实现了动平衡车的无迟滞高效转向功能，进而提高了动平衡车的行驶操控性和安全性，使动平衡车既能够获得最佳的操控体验，又能获得更高的行驶安全性，极大提高了动平衡车的实用性。
[0118]
在车轮十字形布置的动平衡车中，前轮01、侧轮02和后轮03可采用不同的结构形式，具体地，前轮01为转向轮，当两只侧轮02为定向轮时，后轮03为万向轮或者第二转向轮；当后轮03为定向轮时，两只侧轮02为万向轮或者第二转向轮。并且，当存在第二转向轮时，转向操作由车的摆动部分通过转向传递装置4传递到第二转向轮，转向传递装置4是一种使车的摆动部分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的摆动部分能够同时摆动，转向传递不影响车的摆动部分的摆动，车的摆动部分的摆动不影响转向的传递。上述的转向传递装置4的具体结构形式可参见实施例2。图1至图5示出了两只侧轮02为定向轮，后轮03为万向轮的具体实施方式，同时两只侧轮02为驱动轮。前轮01安装于车身1上，并采用一体式转向结构，即前轮01直接通过安装于车身1上的转向柱与转向把手12连接，两只侧轮02和后轮03均安装于车底盘3上，由转向把手12直接控制转向轮转向的形式称之为“直接转向”。参见图23和图24所示，侧轮02和后轮03与车底盘3之间设有减震缓冲装置35，车底盘3上设有动力装置36，该动力装置36可采用电机+差速器系统，用于驱动两只侧轮02旋转。当然，电动机或内燃机动力形式均可适用于本实施例的车轮十字布置的动平衡车，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。需要说明的是，通常情况下驱动轮为定向轮，但前轮或第二转向轮作为驱动轮也是可行的，而万向轮是不能作为驱动轮的。内燃机形式的动力源基本只能以定向轮为驱动轮，否则转向与动平衡问题会使传动系统变得非常复杂。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中的动力源的连接，从而不受车身1摆动的影响。如图23和图24所示，在本实施例中，将减震缓冲装置35设于车底盘3上，两只侧轮02安装于悬臂构件34上，悬臂构件34通过悬臂轴承组件33安装于底盘架31上，在悬臂构件34的两侧各设有一组减震缓冲装置35，减震缓冲装置35的一端铰接在悬臂构件34上，另一端铰接在底盘架31上。后轮03也通过减震缓冲装置35安装于底盘架31上。
[0119]
车身1相对于车底盘3的摆动通过摆动装置2实现，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11和图12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13和图14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。
[0120]
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，图15和图16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，摆动上部构件与车的摆动部分连接，摆动下部构件与车的不摆动部分连接，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，从而形成车的摆动部分相对于车的不摆动部分及地面的左右摆动；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的摆动轴线相对于车底盘3是不固定的，摆动轴线随着车身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，既保证了动平衡车的摆动灵活性，又提高了摆动动作的可控性，从而增加了车身摆动的稳定性，使动平衡车更具安全性。
[0121]
接图15和图16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。
[0122]
此外，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12中给出了一种阻尼块形式的阻尼机构，如图12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。
[0123]
如图1、图4和图6所示，在本实施例中，比较理想的状态是摆动装置2的摆动轴线z1经过车身1的前轮01触地点。而实际由于车轮轮胎压力的变化、车的减震缓冲系统的变化，特别是车在空车与承载以及不同载重状态下，车的减振缓冲系统会发生明显的变化，这会导致摆动轴线z1不可能精确的、固定的通过前轮的触地点，而是会形成一个夹角(摆动装置2的中心与车前轮触地点的连线与摆动轴线z1形成的夹角)，车的不同载重会使这个夹角有不同变化。这个向上或向下的夹角会带来转向龙头过“灵”或过“沉”的效果，因此也可以被有意加以利用。故作为另一种实施方式，摆动装置2的摆动轴线z1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。本发明认为这个夹角不宜过大，建议在5
°
以内，不能超过10
°
，否则会对动平衡控制带来严重干扰。摆动轴线z1的
设置(即摆动装置2的安装位置)不是随意的，是有原则的，设置不当会直接影响平衡车的安全使用，该原则为：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，且该交点离所述多边形区域的边界越远越好(同前文结论2.1和2.2)。
[0124]
为了进一步提高车轮十字形布置的动平衡车的容错特性，在本实施例中前轮01可采用双轮结构。如图22所示，车身1上的前轮01为一体转向式双轮转向装置，该一体转向式双轮转向装置包含两只车轮，两只车轮围绕它们轴心连线的中心转向，且两只车轮始终保持触地。采用一体转向式双轮转向前轮设计，既保持了高效转向，又有了两点支撑，能够进一步扩大动平衡车的绝对容错区、容错弧线与容错角，进一步提高了容错特性。上述的一体转向式双轮转向装置的具体结构形式为现有技术，在此不再赘述。
[0125]
本实施例的一种车轮十字形布置的动平衡车，在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，利用陀螺仪电子平衡系统来辅助车身1的动态平衡或者完全由陀螺仪电子平衡系统来完成车身1的动态平衡。陀螺仪电子平衡系统的控制原理与人的平衡操控不同，陀螺仪电子平衡系统可以使车在静止时仍可以使车身保持直立状态，而人的平衡操控需要借助转向以获得离心力来进行调整。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。
[0126]
[实施例2]
[0127]
本实施例为动平衡车的车身不含车轮的具体实施方式。
[0128]
本实施例的一种车轮十字形布置的动平衡车，其基本结构和工作原理同实施例1，不同之处在于：
[0129]
在本实施例中，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；前轮01、后轮03和两只侧轮02均设于车底盘3上，即车身1不含车轮，车底盘3含所有车轮，车身1完全通过摆动装置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之上。车身1的摆动不会产生任何车轮相对于地面的摆动或倾斜，车身1摆动的摆动轴线z1相对于车底盘3是固定的或随摆动动作在一定范围内移动的；车的转向操作从车身1发出，通过转向传递装置4传递到车底盘3的转向轮实现转向，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。
[0130]
本实施例的一种车轮十字形布置的动平衡车，其转向轮与转向把手12之间通过转向传递装置4传动连接，属于“间接转向”，间接转向由于存在了转向传递的中间环节，因而会引起转向响应迟滞、有换向间隙、转向不准确等问题，这些问题的存在会直接影响到动态平衡的实现与稳定。当转向操作侧(位于车身1内，如转向把手12)相对于转向轮摆动时，就必须采用间接转向方式，尤其是动平衡车，转向运动不能影响到摆动，否则动态平衡就不能实现。在上述实施例1中，其前轮01属于车身1，不存在转向操作侧相对于转向轮的摆动，摆动轴线在转向轮之下，因此转向不影响摆动；而本实施例的前轮01属于车底盘3，所以不能采用直接转向方式。为了实现车的转向操作与车的摆动互不干扰，上述的转向传递装置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，为非一体式转向的动平衡车实现动态平衡提供了一种切实可行的技术思路，使动平衡车的摆动和转向动作相互独立，车的动态平衡控制更加自如。
[0131]
如图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上并传动连接至转向轮。钢丝线42作为线芯设于套管43内，且钢丝线42能够相对于套管43沿轴向来回滑动，钢丝线42和套管43构成能够一同弯曲的柔性钢丝套管线，钢丝线42和套管43都是柔性的，可以一同弯曲，弯曲时，套管43截面几乎不变形，因此不会影响钢丝线42在套管43内部的滑动，这样，钢丝套管线就可存在两种互不干涉的运动。
[0132]
具体地，钢丝线牵引装置41固定在转向把手12的轴上，被动牵引装置46固定在前轮01的转向转轴32上。当转向把手12转向时，带动钢丝线牵引装置41转动，进而对钢丝线42产生牵引作用，钢丝线42带动被动牵引装置46转动使得转向轮的转向转轴32转动，转向转轴32对转向轮产生推拉运动，实现转向轮的方向控制；钢丝线42和套管43成对且对称布置，当转向把手12左转向时，带动一侧钢丝线42被牵引同时另一侧钢丝线42被释放，当转向把手12右转向时，之前被牵引的一侧钢丝线42被释放，之前被释放的一侧钢丝线42被牵引。因此转向把手12相对于车身1的转向运动转变成了钢丝线42相对于套管43的相对滑动，在钢丝线42的传递牵引下，被动牵引装置46转动控制相应转向轮的转向运动。上述的钢丝线牵引装置41、被动牵引装置46与对应的钢丝线42的接触面均采用圆弧形结构，圆弧形接触面的圆心为钢丝线牵引装置41或被动牵引装置46的转动中心，钢丝线42始终沿圆弧形接触面的切线方向被牵引。
[0133]
当具有第二转向轮时，转向操作由车的摆动部分也通过转向传递装置4传递到第二转向轮。如图20所示，其为后轮03为第二转向轮的形式，此时钢丝线牵引装置41依然固定在转向把手12的轴上，不同地是被动牵引装置46固定在后轮03的转向转轴32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，进而带动后轮03的转向转轴32转动，实现后轮03的同步转向控制。如图21所示，其为侧轮02为第二转向轮的形式，此时钢丝线牵引装置41依然固定在转向把手12的轴上，不同地是，两只侧轮02分别通过转向节49安装于车底盘3的底盘架31上，两组转向节49之间通过横拉杆4a连接，一侧的转向节49与转向拉杆48的一端相连接，转向拉杆48的另一端与转向力臂47相铰接，转向力臂47通过转向转轴32转动安装于底盘架31上，被动牵引装置46固定在该转向转轴32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47摆动，进而通过转向拉杆48带动侧轮02的转向节49转动，实现两只侧轮02的同步转向控制。此
外，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，此处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。
[0134]
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，只要是转向传递高效、及时、准确并且能够实现转向与摆动不相互干扰，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。
[0135]
[实施例3]
[0136]
本实施例为动平衡车的车身含有后轮的具体实施方式。
[0137]
本实施例的一种车轮十字形布置的动平衡车，其基本结构和工作原理同实施例1，不同之处在于：
[0138]
在本实施例中，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；后轮03设于车身1上，前轮01和两只侧轮02设于车底盘3上，车身1的后部分通过后轮03触地获得支撑，车身1前部分通过摆动装置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；后轮03随车身1的摆动而摆动，车身1的摆动不会产生前轮01及侧轮02相对于地面的摆动或倾斜；车的转向操作从车身1发出，通过转向传递装置4传递到车底盘3的转向轮实现转向，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。
[0139]
对比实施例1可以看出，本实施例在摆动方式上与实施例1基本相同，一个是只有前轮01随车身1摆动，一个是只有后轮03随车身1摆动，因此在摆动轴线z1的设置上，本实施例与实施例1的原理、设置原则与效果相同，在此不再展开说明。
[0140]
由于前轮01位于车底盘3上，因此不能采用直接转向方式。为了实现车的转向操作与车的摆动互不干扰，上述的转向传递装置4优选采用柔性传动式转向传递装置，对比实施例2可以看出，本实施例的转向机构与实施例2相同，因此详细结构与工作原理见实施例2。
[0141]
实施例2和实施例3均采用了间接转向(即非一体式转向)，本发明把它们纳入进来的理由与有益效果在前文中有详细说明，在此也不再赘述。
[0142]
[实施例4]
[0143]
对于上述实施例1中车身1上含有前轮01的十字形动平衡车和上述实施例3中车身1上含有后轮03的十字形动平衡车，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35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或实施例3的基础上，本实施例中的摆动装置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。这样不管车的减震缓冲装置35的变化对摆动轴线z1形成什么样
的影响，车底盘3对其上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。
[0144]
如图17所示，本实施例中的摆动装置2为十字转轴式摆动装置2d，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27、图28、图29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。
[0145]
图18给出了另一种具有纵向旋转轴线z2的摆动装置2，即通过在图11和图12示出的轴承式摆动装置2a、图13和图14示出的铰链式摆动装置2b、以及图15和图16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18为例进行说明，其组成了包含可转动支座25的滚动式摆动装置2f，可转动支座25安装在车底盘3的底盘架31上，滚动式摆动装置2f的其它零部件同滚动式摆动装置2c，则整个滚动式摆动装置2f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。
[0146]
此外，图20和图26给出了又一种具有纵向旋转轴线z2的摆动装置2的结构形式，即摆动装置2为万向节2e，使用万向节2e可以实现两个方向旋转自由度。万向节2e的一个轴与车身1固定连接，万向节2e的另一个轴与车底盘3的底盘架31固定连接，车身1通过万向节2e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2e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。
[0147]
[实施例5]
[0148]
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部分的质量越小越好。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15，即可在车身1与摆动装置2之间设置有摆轴上减震缓冲装置15，此时车底盘3可不设置震缓冲装置35，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15吸收，具体如图25和图26所示。采用该结构设计，使得车的不摆动部分的结构更加简化，车的不摆动部分的质量更小，对动平衡的控制更加有利。
[0149]
具体地，如图25、图26、以及图27和图28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15，在车身1的车身架11上通过摆轴悬臂轴承组件13安装有摆轴悬臂构件14，摆轴悬臂构件14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15的一端铰接在摆轴悬臂构件14上，摆轴上减震缓冲装置15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15吸收，简化了车底盘3的结构。
[0150]
[实施例6]
[0151]
由前文可知，当前轮01轴线与侧轮02轴线之间的距离k与前轮01轴线与后轮03轴线之间的距离l的比值λ很小时(如λ≤0.2)，其静态安全线就比较短，在轻制动情况下的安全性并不高，其容错特性如图10中的左图(安全性分析见前文)。参见图10中的右图，并结合图27至图30所示，为了改善静态及轻制动状态下的安全性，在前述实施例的基础上，本实施例的一种车轮十字形布置的动平衡车，车的摆动部分包含辅助支撑装置16，该辅助支撑装置16布置于车的两侧并能够收放，在驻车或行驶过程中，由驾车人操控使辅助支撑装置16放下并触地，以实现辅助支撑，也能够同时进行辅助制动；在不需要进行辅助支撑时，驾车人对辅助支撑装置16进行回收操控，使之收起。
[0152]
具体如图30所示，该辅助支撑装置16包含辅助支撑构件161、控制钢丝162、钢丝终端受控构件163、辅助支撑轴承组件164和弹簧复位机构165，控制钢丝162的始端固定在驾车人的操作机构上，其终端固定在钢丝终端受控构件163上；辅助支撑构件161与钢丝终端受控构件163都固定在辅助支撑轴承组件164上，弹簧复位机构165一端固定在车身架11上，另一端固定在辅助支撑构件161上。当驾车人通过对操作机构的操作产生对控制钢丝162的拉动时，控制钢丝162拉动钢丝终端受控构件163使之绕辅助支撑轴承组件164的轴线旋转，进而带动与辅助支撑轴承组件164固连的辅助支撑构件161的外端转动到触地状态，从而实现辅助支撑；当驾车人释放对控制钢丝162的拉动，则辅助支撑构件161在弹簧复位机构165弹簧力的作用下恢复到收起状态；如果是在车的行驶过程中使辅助支撑触地，则在实现辅助支撑的同时实现对车的辅助制动。
[0153]
另外，在本实施例中，其后轮03作为驱动轮，采用轮毂电机作为动力装置36，两只侧轮02采用万向轮。
[0154]
除了以上阐述之外，没有提到的刹车系统及车的其它部件，并不代表本发明的十字形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。
[0155]
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；本发明的十字形动平衡车的简约形式的前后轮距可以小于1.1米、侧轮距小于0.5米，尺寸基本等同于二轮车，而本发明的十字形动平衡车相对于二轮车具有更高的安全性。
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本发明的一种车轮十字形布置的动平衡车，解决了传统小型四轮车速度与稳定性(容易侧翻)的矛盾，解决了正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，在充分发挥十字形车轮布局前后结构紧凑、行驶灵活等优势的基础上，通过对十字形车轮布局的进一步优化设计，能够在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的静态安全性的情况下，提高了动平衡车的容错特性(制动安全性)，使十字形动平衡车在车的结构设计上和车的静态、动态性能上得到良好兼顾，获得了一种安全可靠性、经济性更高的、更方便实现的小型城市通勤工具。同时，通过十字形车
轮布局，使作为转向轮的前轮直接转向系统在十字形动平衡车中得以保留，用极为简单经济的手段实现了动平衡车的无迟滞高效转向功能，从而获得最佳的操控体验和行驶安全性，极大提高了动平衡车的实用性。

技术特征：
1.一种车轮十字形布置的动平衡车，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；该动平衡车的整车含有前轮(01)、侧轮(02)和后轮(03)，所述前轮(01)设于动平衡车的前部，所述后轮(03)设于动平衡车的后部，所述侧轮(02)位于前轮(01)与后轮(03)之间且设于动平衡车的左右两侧，形成十字形车轮布置结构；所述前轮(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，且k与l的比值在0～0.8之间，以在不影响车的动态平衡、并在兼顾车的静态安全性的情况下，获得尽可能高的制动安全性；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。2.根据权利要求1所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述车的摆动部分为车身(1)，车的不摆动部分为车底盘(3)，所述车身(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；所述前轮(01)设于车身(1)上，所述后轮(03)和两只侧轮(02)设于车底盘(3)上，所述车身(1)的前部分通过前轮(01)触地获得支撑，所述车身(1)后部分通过摆动装置(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，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，所述车身(1)的摆动不会产生后轮(03)及侧轮(02)相对于地面的摆动或倾斜。3.根据权利要求1所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述车的摆动部分为车身(1)，车的不摆动部分为车底盘(3)，所述车身(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；所述前轮(01)、后轮(03)和两只侧轮(02)均设于车底盘(3)上，所述车身(1)完全通过摆动装置(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)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)之上；所述车身(1)的摆动不会产生任何车轮相对于地面的摆动或倾斜；车的转向操作从车身(1)发出，通过转向传递装置(4)传递到车底盘(3)的转向轮实现转向，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所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述车的摆动部分为车身(1)，车的不摆动部分为车底盘(3)，所述车身(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；所述后轮(03)设于车身(1)上，所述前轮(01)和两只侧轮(02)设于车底盘(3)上，所述车身(1)的后部分通过后轮(03)触地获得支撑，所述车身(1)前部分通过摆动装置(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，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；所述后轮(03)随车身(1)的摆动而摆动，车身(1)的摆动不会产生前轮(01)及侧轮(02)相对于地面的摆动或倾斜；车的转向操作从车身(1)发出，通过转向传递装置(4)传递到车底盘(3)的转向轮实现转向，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。5.根据权利要求1所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述前轮(01)为转向轮，当两只侧轮(02)为定向轮时，所述后轮(03)为万向轮或者第二转向轮；当后轮(03)为定向轮时，两只所述侧轮(02)为万向轮或者第二转向轮；并且，当存在第二转向轮时，转向操作由所述车的摆动部分通过转向传递装置(4)传递到第二转向轮，所述转向传递装置(4)是一种使车的摆动部分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的摆动部分能够同时摆动，转向传递不影响车的摆动部分的摆动，车的摆动部分的摆动不影响转向的传递。6.根据权利要求1所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，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车的摆动部分连接，所述摆动下部构件与所述车的不摆动部分连接，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，从而形成车的摆动部分相对于车的不摆动部分的左右摆动；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。7.根据权利要求2所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述车身(1)上的前轮(01)为一体转向式双轮转向装置，所述一体转向式双轮转向装置包含两只车轮，两只车轮围绕它们轴心连线的中心转向，且两只车轮始终保持触地。8.根据权利要求2或4所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述摆动装置(2)的摆动轴线(z1)经过车身(1)所含车轮的触地点；或者，所述摆动装置(2)的摆动轴线(z1)位于摆动装置(2)的摆动中心与车身(1)所含车轮的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，且该交点离所述多边形区域的边界越远越好。9.根据权利要求2或4所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，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。10.根据权利要求9所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述摆动装置(2)为万向节(2e)，所述万向节(2e)的一个轴与所述车身(1)固定连接，所述万向节(2e)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(2e)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(2e)还能够在车身(1)转向时使车底盘(3)跟随转向。
11.根据权利要求3或4或5所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述转向传递装置(4)为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)上的转向轮传动连接，所述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。12.根据权利要求11所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述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)，所述钢丝线牵引装置(41)安装在车身(1)上并传动连接至车的转向把手(12)，所述钢丝线(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，所述套管(43)套在钢丝线(42)外，所述套管(43)的一端通过始端套管固定装置(44)被固定在车身(1)上，所述套管(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，所述被动牵引装置(46)安装在车底盘(3)上并传动连接至转向轮。13.根据权利要求1所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，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(15)，所述摆轴上减震缓冲装置(15)用来吸收由车的不摆动部分传递过来的冲击和振动。14.根据权利要求1所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述车的摆动部分与车的不摆动部分的连接装置中还包括阻尼机构，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。15.根据权利要求1所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，其特征在于：所述车的摆动部分包含辅助支撑装置(16)，该辅助支撑装置(16)布置于车的两侧并能够收放，在驻车或行驶过程中，由驾车人操控使所述辅助支撑装置(16)放下并触地，以实现辅助支撑，也能够同时进行辅助制动；在不需要进行辅助支撑时，驾车人对辅助支撑装置(16)进行回收操控，使之收起。16.根据权利要求1所述的一种车轮十字形布置的动平衡车，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。

技术总结
本发明公开了一种车轮十字形布置的动平衡车，属于车辆领域。本发明的车轮十字形布置的动平衡车，通过其侧轮在前轮与后轮之间不同的位置设置，使车的静态和动态安全性能得到兼顾、调和，并在此基础上进行进一步优化，使得本发明的动平衡车比正三轮、倒三轮动平衡车具有更好的容错特性，因而具备了更优的安全性；同时十字形车轮布局，使得直接转向系统可以在本车中继续使用，用极其简单经济的手段实现了本发明的动平衡车的无迟滞高效转向功能，从根本上保障了车的动平衡的稳定性；再加上车轮十字形布置的紧凑结构、转弯半径小等特点，使车轮十字形布置的动平衡车的成为更具安全性、实用性、经济性的小型城市通勤工具。经济性的小型城市通勤工具。经济性的小型城市通勤工具。


技术研发人员：陈俊华 周皞 范晓峰 周小荣
受保护的技术使用者：常州工程职业技术学院
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8