一种陀螺稳定二轮不倒车的制作方法

本发明涉及陀螺三轴稳定原理，具体地说是一种陀螺稳定二轮不倒车。

背景技术：

初次学习自行车而人常会遇到自行车侧翻问题，若能让自行车保持相对于纵平面内的受力平衡，即让自行车拥有稳定性，侧翻更加困难，便降低了学车人摔倒受伤的风险。目前市面上还未出现稳定不倒的二轮自行车，而出现的电动平衡车是利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器及伺服控制系统精确地驱动电机进行相应的调整，以保持平衡，系统复杂，耗电大，国内依据陀螺稳定原理开发平衡车还处于空白。

旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个特点，分别是进动和章动，当高速定轴旋转的陀螺遇到垂直于轴向的外力时，它旋转轴的方向不会随着外力的作用发生改变，不仅如此，陀螺自身还绕着自己的几何轴作自转，这是陀螺的进动性。陀螺还有章动，陀螺的章动是指陀螺在自转的同时还绕其自身的几何轴上下摆动，这也是稳定的一种体现。陀螺高速转动时，没有额外的受力时，摩擦力矩等干扰力矩，转速越高，定轴性越好。这即为陀螺旋转稳定原理。而基于高速旋转陀螺的稳定性开发一款能实现“不倒”的二轮样车具有现实意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对陀螺稳定原理，如何将陀螺的稳定性用一个模块实现，并在得到如何布放三个相互垂直且各有一个自由度的陀螺结构，只有在三轴相互垂直且不共面的情况下，才能稳定三个方向的旋转自由度，二轮不倒车在运行时依靠陀螺旋转定轴性才能保持纵向稳定，因此这是核心部件；其次是设计该不倒车的结构，如何将陀螺模块安装在二轮车上，使陀螺模块在不倒车的相应重心点发挥稳定作用，这也是要解决的技术问题。

技术方案

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：该陀螺稳定二轮不倒车由车平台和陀螺稳定系统两大部分组成。车平台包括定向轮、铝合金板、万向轮以及螺栓螺母，使用铝合金是因为铝合金的密度比一般的塑料材料大，比较沉重稳定，且定向轮是安装在铝合金板重心轴线上，铝合金板上钻有安装孔，，两个定向轮均由螺栓螺母与铝合金板连接，万向轮作为后期检验稳定的选择，可以将定向轮卸下，安装上万向轮，由于万向轮的多自由度可以进一步测试二轮不倒车的稳定性；

陀螺稳定系统包括6-12v振动电机、螺栓滚轮滚针轨迹轴承、光轴支撑座、电机板、飞轮、调节板、固定座、短支杆、长支杆、外部电源、直流电机调速器，光轴支撑座通过螺栓螺母与铝合金板固连，支撑座中心轴承转动轴插入光轴支撑座中心圆孔内，光轴支撑座顶部有锁紧孔，通过一根螺栓对光轴支撑座的中心孔进行调节，使螺栓滚轮滚针轨迹轴承定子锁紧在支撑座孔中，固定座两侧钻有安装孔，固定座中间有一通孔，螺栓滚轮滚针轨迹轴承的转轴穿过固定座，由转轴上的螺母进行固定座的定位，其后，钻有椭圆形安装孔的调节板通过螺栓与固定座的两侧通孔相连，由螺母进行固定，螺栓滚轮滚针轨迹轴承的转轴抵在调节板中间的椭圆安装孔，调节板顶部有两个并列的螺纹孔，与电机板通过螺栓固连，电机板正下方固连电机，两者由电机板通孔定位，通过螺栓进行固联，上方为飞轮，飞轮中间钻孔，飞轮与电机轴通过过盈配合连接，飞轮凸台侧边有一锁紧螺纹孔，由于电机转速很高，飞轮与电机轴之间只通过过盈配合连接可能出现不稳定现象，因此用一紧缩螺纹孔加强了飞轮与电机轴之间的配合强度，电机下方通过电线连接至直流电机调速器和外部电源，电机调速器上带有通断开关，以此来控制电流通断。

有益效果

二轮不倒车的稳定类似船舶减摇，电机与飞轮组成一个陀螺，该陀螺被另一个旋转轴连接，二轮车自身前后轴向为一个转动轴，共有三个轴，分别为一个自转轴，一个输入轴，一个输出轴，安装在平衡车上的陀螺有三个自由度，其中一个与车合在一起。作用在车上的外力矩使车产生横倾，同时也会使陀螺产生一个进动，进动紧跟着引发出起抵抗作用的陀螺力矩。本陀螺稳定二轮不倒车结构简单，无车外附体，与市面上常见的平衡车不同之处在于无需复杂的控制系统和传感器，仅依靠陀螺转动的特有力学性能即可实现车辆平稳不倒，安装方便，造价低，可靠性高，平衡效果好。

附图说明

图1为陀螺稳定二轮平衡车整体结构示意图；

图2为平衡车车轮示意图；

图3为轴承座示意图；

图4为飞轮转盘示意图；

图5为调节板结构示意图；

图6为电机板结构示意图；

附图中，各标号代表的部件列表如下：

1、车轮；2、铝合金板；3、电机；4、飞轮转盘；5、转速调节器；6、外部电源；7、轴承与轴承座；8、电机板；9、固定板；10、调节板；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本装置由车平台和陀螺系统组成，车平台包括定向轮1和铝合金板2两部分，定向轮通过螺栓分别安装在铝合金板中心轴向两端，使车平台可以前后移动；陀螺系统包括直流电机3、飞轮转盘4、直流电机调速器5、外部电源6、螺栓滚轮滚针轨迹轴承和轴承座7、电机板8、固定板9、调节板10组成，固定板9与调节板10固连，轴承座7与铝合金板2固连，固定板9与调节板10轴孔连接，电机2、飞轮4、电机板8、调节板10、固定板9组成的整体可围绕轴承7旋转轴旋转，电机3与飞轮转盘4可组合为一个陀螺，依据陀螺三轴稳定特性，电机轴为自转轴，轴承旋转轴为输入轴，两个定向轮组成输出轴，陀螺具有三自由度，分别为绕电机轴旋转，绕轴承轴旋转，还有与车平台固连绕输出轴左右摆动，车平台铝合金板2两端分别安装一个陀螺系统，且方向相反，保证该车的重心位置始终在铝合金板2中心处，与电机板固连的调节板10安装孔为椭圆形孔，安装时可以上下调整高度以改变电机3和飞轮4相对于铝合金板2的高度，飞轮4凸台上钻有安装孔，方便横向插入支杆以保证飞轮和电机轴孔连接更牢固。

本发明具体平衡原理是：如图1所示，装置开始工作时，外部电源6接入启动，电机3带动飞轮转盘4绕轴自转，给予铝合金板2侧向一个外力，车产生绕输出轴的左右摆动，相当于对旋转中的陀螺施加了外力矩，引起陀螺在外力矩矢量和自转轴构成的平面产生角位移，产生绕轴承7转动轴的进动，进动紧跟着产生抵抗左右摆动的陀螺力矩，力矩与使车辆倾倒的力矩方向相反，使二轮车保持平衡不倒。飞轮的角动量即飞轮的惯性矩和角速度的乘积，角动量越大则克服外转矩的能力越大，平衡力矩更大，可通过直流电机调速器5调整飞轮转速以适应不同扰动力矩，达到最佳平衡效果。

技术特征：

技术总结
本发明是一种陀螺稳定二轮不倒车。本发明装置包括车平台和陀螺稳定系统，陀螺稳定系统固连在车平台两端，车平台负责车辆行进，陀螺稳定系统负责平衡车辆，电机与电机板、飞轮转盘组成动力陀螺，绕电机轴高速旋转提供陀螺力矩，电机、电机板、飞轮转盘、调节板、固定板组成一个整体可绕轴承轴旋转产生进动，最大限度转化为复原力矩使车辆平衡。本发明结构简单，安装方便，车辆平衡效果好，推广应用前景非常广阔。

技术研发人员：梁景奇;党建军;莫慧黠
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2017.09.12
技术公布日：2018.02.02