一種自行平衡車輪的製作方法

2023-07-10 14:21:02

本發明提出一種自行平衡車輪，此車輪內裝控制力矩陀螺，可自行調整車輪姿態恢復保持平衡，本發明可用於雙輪車輛的製造。

背景技術：

在車輪輪轂中安裝元件較成熟的是輪轂電機技術，輪轂電機技術的技術特點是將動力系統整合到輪轂內，本發明將控制力矩陀螺整合到輪轂內，構成了一種可以自行調節車輪姿態恢復保持平衡的車輪。

陀螺儀被用作穩定器已有一段歷史，20世紀初期使用的施利克被動式穩定器實質上是一個二自由度重力陀螺儀。根據不同原理方案使用不同種類的陀螺儀元件製造不同的陀螺儀儀器用在各種裝置上，其中以控制力矩陀螺為核心元件的姿態調整執行器普遍用於太空飛行器姿態調整。控制力矩陀螺姿態調整器也可以用在摩託車上用於調整摩託車姿態保持摩託車平衡，LIT Motors C1電動摩託車就是使用了控制力矩陀螺姿態調整器。LIT Motors C1電動摩託車是將兩個控制力矩陀螺置於駕駛員座位下方保持車身平衡，這樣的設計佔用很大一部分車身空間，影響車輛其它元件的布局，使用本發明自行平衡車輪製造的車輛則不會佔用車身空間，給車身騰出更多設計空間，用於車輛其它元件的安裝布局。

目前市場上銷售的雙輪平衡車大多是採用動態平衡方案，通過車輛的加速和減速來維持車輛平衡。這種方案需要駕駛員儘量控制自身的重心變化從而維持車輛靜態平衡，很難保證舒適安全的駕駛體驗。本發明使用控制力矩陀螺主動調整車輪姿態維持車輪平衡，使用本發明製造的雙輪平衡車不需要駕駛員刻意控制重心變化，帶來更舒適的駕駛體驗。本發明自行平衡車輪給摩託車、電動自行車、雙輪平衡車帶來更出色的新的平衡解決方案，可以用於車輛製造並推廣使用。

技術實現要素：

本發明的目的是克服上述技術的缺陷，提供一種更簡捷高效的雙輪車輛平衡解決方案。本發明給摩託車、電動自行車、雙輪平衡車提供高效的自行平衡性能。本發明是一種自行平衡車輪，本發明通過以下技術方案來實現。

本發明提出一種自行平衡車輪，其特徵在於所述的自行平衡車輪由以下部件構成：一個車輪，車輪輪轂擁有一定體積的空腔，可繞車軸旋轉；一個車軸，車軸中部具有圓環形框架；一個圓環形電機，可雙向轉動；一個陀螺儀轉子元件。

本發明特徵在於所述的自行平衡車輪通過以下方式組裝和工作：陀螺儀轉子元件旋轉軸與圓環形電機內部轉子旋轉軸相互垂直的前提下，陀螺儀轉子元件與圓環形電機內部轉子十字交叉接觸安裝。也就是陀螺儀轉子元件與圓環形電機形成了控制力矩陀螺。控制力矩陀螺部件安裝在車軸中部的圓環形框架上並置於車輪輪轂空腔中。圓環形電機旋轉會對陀螺儀轉子元件施加一個垂直於其旋轉軸的力矩，陀螺儀轉子和圓環形電機構成的控制力矩陀螺部件會輸出一個垂直於陀螺儀轉子旋轉軸且垂直於圓環形電機轉子旋轉軸的力矩，本發明自行平衡車輪利用上述控制力矩陀螺輸出的力矩調整姿態恢復保持平衡。

本發明中所述的陀螺儀轉子元件在初始狀態其旋轉軸垂直於水平面，陀螺儀轉子和圓環形電機構成的控制力矩陀螺部件可以恢復保持車輪在圓環形電機軸向的平衡，也就是本發明自行平衡車輪可以在本發明所述的圓環形電機軸向上自行恢復保持平衡。根據對本發明的實際需求安裝圓環形電機時改變其軸向，本發明則可以自行恢復保持不同方向上的平衡。本發明所述的自行平衡車輪需要結合平衡感應系統工作，本發明所述的圓環形電機和陀螺儀轉子元件需要接通電源旋轉的方式工作。在車輪在圓環形電機軸向上失去平衡傾斜時，本發明所述的圓環形電機旋轉會給陀螺儀轉子元件施加一個垂直於其旋轉軸的力矩，陀螺儀轉子和圓環形電機構成的控制力矩陀螺部件部件輸出一個垂直於陀螺儀轉子旋轉軸且垂直於圓環形電機旋轉軸的力矩調整車輪姿態恢復維持車輪平衡。本發明可以實現自行調節姿勢恢復保持平衡，安裝了本發明的車輛可以實現自行調節姿勢恢復保持平衡。

附圖說明

圖1是本發明側向透視圖

圖2是本發明中車軸示意圖

圖3是本發明中圓環形電機示意圖

圖4是本發明中去掉一側輪轂的車輪示意圖

圖5是本發明中陀螺儀轉子元件和圓環形電機構成的控制力矩陀螺示意圖

圖1中：100 自行平衡車輪，101 擁有一定體積空腔輪轂的車輪，102 具有圓環形框架的車軸，103 圓環形電機，104 陀螺儀轉子元件

圖5中：500 控制力矩陀螺，501 圓環形電機，502 陀螺儀轉子元件。

具體實施方式

本具體實施方案可以保證車輪不向兩側傾斜，保持車輪軸向上平衡，適用於摩託車、電動自行車的製造。具體實施方式參閱圖1。圖1是本發明提出的一種自行平衡車輪一種實施方案側向圖，為了看清車輪輪轂中各元件安裝情況，圖上去掉了自行平衡車輪100一側的輪轂。本發明提出的一種自行平衡車輪100主要是有以下部件構成：一個擁有一定體積空腔輪轂的車輪110，可繞車軸旋轉；一個具有圓環形框架的車軸120；一個可以雙向轉動的圓環形電機130；一個陀螺儀轉子元件140。

本實施方案中自行平衡車輪100中各部件按以下方式連接：陀螺儀轉子元件140與圓環形力矩電機130呈十字交叉形，陀螺儀轉子元件140安裝在圓環形電機130內部轉子元件上，安裝後陀螺儀元件140的旋轉軸與圓環形電機130轉子旋轉軸互相垂直，陀螺儀元件140與圓環形電機130構成控制力矩陀螺部件；圓環形電機130與車軸120呈十字交叉形，圓環形電機130外部定子安裝在車軸120中部圓環形框架上，安裝後圓環形電機130轉子旋轉軸與車輪100的軸向重合。本實施方案所述的車輪100在初始階段安裝在車輛上時保證陀螺儀轉子元件140轉子旋轉軸垂直於水平面。

本實施方案中陀螺儀轉子元件140需要持續供電旋轉工作，圓環形電機130需要平衡感應系統控制接通電源工作。當車輪100向一側傾斜時，平衡感應系統控制圓環形電機130朝對應方向旋轉會對陀螺儀轉子元件140施加一個垂直於其旋轉軸的扭矩，陀螺儀轉子元件140和圓環形電機130構成的控制力矩陀螺部件輸出一個垂直於陀螺儀轉子140旋轉軸且垂直於圓環形電機130轉子旋轉軸的力矩用於調整車輪姿態恢復保持車輪平衡。

本實施方案中陀螺儀轉子元件140與圓環形電機130構成的控制力矩陀螺可以輸出垂直於陀螺儀轉子元件140旋轉軸並且垂直於圓環形電機130轉子旋轉軸方向的力矩，圓環形電機130轉動會改變陀螺儀轉子元件140旋轉軸方向，因而陀螺儀轉子元件140與圓環形電機130構成的控制力矩陀螺輸出的力矩方向也會改變，控制力矩陀螺輸出的力矩方向與初始階段輸出的力矩方向相差90°後，控制力矩陀螺輸出的力矩對車輪100目標姿態的調整無作用或起到相反作用。所以當本實施方案自行平衡車輪受到傾斜幹擾時，陀螺儀轉子元件140與圓環形電機130構成的控制力矩陀螺迅速輸出相應的力矩調整車輪100姿態恢復平衡，並且會超調一下，利用安裝了本發明的車輛的重力來抵消由於輸出調整車輪100姿態的力矩的過程中陀螺儀轉子元件140產生的角動量的變化，使螺儀轉子元件140恢復初始狀態，這樣無論車輪100再次朝哪一側傾斜，陀螺儀轉子元件140與圓環形電機130構成的控制力矩陀螺可以再次輸出有效力矩調整車輪100姿態恢復保持車輪平衡。

雖然上述實施方案包含很多特定的細節，但是不應構成對實施方案的限制，而且也不應僅僅限於上述提出的這些方案的圖示上。因此，這些實施方案的涵蓋範圍應該由所附的權利要求及其相應的文件所確定，而不是由上述給出的實例所決定的。此外，還應理解為本發明還能作進一步的改動。本專利旨在根據本發明的原理所進行的各種變化、用途或改進；也涵蓋了與本發明所揭示的已知方案或實施方案有所偏離，但是屬於本發明技術及其應用原理的範圍。