CN103958923B - 具有悬挂系统的车轮和具有悬挂系统的对中单元 - Google Patents

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Abstract

一种车轮，具有悬挂系统，可以连接至车辆，例如轮椅，包括：轮毂(38)和围绕所述轮毂(38)的轮轴(42)旋转的轮框(34)。在所述轮毂(38)与轮框(34)之间设置多个支承件(40)。所述支承件(40)用于当被压缩至阈值之前时保持所述距离，并在被压缩至超过所述阈值时可复原地改变所述距离。根据本发明，所述支承件(40)包括弹簧件(50)，用于当所述支承件(40)压缩或拉伸时通过压缩减震冲击。所述弹簧件(50)优选为预压。

Description

具有悬挂系统的车轮和具有悬挂系统的对中单元
【技术领域】
本发明涉及具有悬挂系统(suspensionsystem)的车轮(wheel)。该车轮具体而言可以用于自力驱动(self-propelled)车辆，例如轮椅和自行车。另外，这些车轮还可以用于任何旋转质量(包括机动车辆和装备其他动力装置的车辆的车轮)。另外，本发明涉及包括悬挂系统的对中单元(centralizingunit)，根据本发明，此对中单元可以是车轮的一部分。
【背景技术】
旋转质量有助于适应由于内力和/或外力以及相接触的表面的撞击造成的震动和冲击。一个实例是车轮在非纯平表面上行驶一定距离时的振动。机动车辆和其他车辆通常包括笨重的悬挂系统以保护其底盘或其他有关零件过早出现故障以及避免对乘客造成不舒适的情况。
悬挂系统(大部分包括弹簧和弹簧件)通常一端连接至机器或车辆的静态零件，并与为旋转质量或者旋转器提供稳定旋转轴的轮轴或其他元件直接接触。例如，在粗糙表面上行驶的车轮将把轴向力、垂直力和其他力(例如撞击和/或振动)传输至轮轴，可以利用位于所述轮轴和底盘之间的悬挂装置部分吸收和减小这些力。在车轮内实施悬挂机构已经有数种已知方式。
最近几年，发展的趋势越来越朝向于更为高效的自力驱动车辆，在所述车辆中，投入的人力被转换为具有最小能量损失的车辆运动。现代的轮椅和自行车加入了轻重量的结构零件、具有改进的强度-重量比的车轮结构、设计对于旋转具有最小阻力的轮胎等。大多数驾驶者喜欢刚性或者更有路感的驾乘，而不是柔软的感觉，特别是在大体上平滑的表面上驾驶或者上坡骑行时以及在加速、减速或机动时。在实现悬挂时，生产商通常在生理和改善的舒适性需求与用户的动态喜好之间进行可以接受的权衡。
从GB2188596中可以知晓一种具有弹性轮辐(spoke)的轮椅车轮。这些轮辐非径向设置，从而轮辐可以由冲击力而固定。这种车轮的缺点是轮辐在大应力情况下可能受损。
从DE102005032537可以知晓另一种具有在车轮内部实施的悬挂机构的车轮。此汽车车轮具有包括液压减震器的径向设置的轮辐。使用这种减震器的一个可能的缺点是通过压缩减震器产生的减震特性与拉伸减震器产生的减震特性不同。由于所述车轮具有数个规则设置的减震器，与被压缩的减震器相对设置的减震器将被拉伸。由于上述不同的减震特性，车轮的旋转变得不均衡。另外，DE102005032537所述的减震器不能进行预压(preloade)。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是提供一种车轮，特别是一种用于自力驱动车辆(例如轮椅或自行车)的车轮，其具有平滑和均衡的减震系统(dampingsystem)。
此目的以及其他目的可以通过根据本揭示的一方面的车轮来实现。并通过根据本揭示的另一方面的对中单元来实现。
本发明可以涉及或者在任何旋转质量中实现，所述旋转质量包括车轮，其具有在标称状态下与轮框(rim)成同轴关系的轮毂(hub)。
根据本发明的车轮连接或者可以连接至车辆，特别是自力驱动车辆、轮椅等、或其他车辆(例如汽车、摩托车)等。所述车轮具有轮毂，所述轮毂包括轮轴或者可以连接至所述轮轴。此轮毂可以包括轴承，具体而言所述轴承的内圈可以连接至所述轮轴。另外，所述车轮包括可以围绕所述轮轴旋转的轮框。所述轮框具体而言包括轮缘(wheelrim)、轮胎、轮毂、轴承外圈等。在所述轮毂与轮框之间设置了至少一个、特别是多个支承件。所述支承件通常提供所述固定件与所述轮框之间的固定距离。根据本发明，所述支承件适于在受压至一个阈值之前保持所述距离并在受压超过此阈值时可复原地改变所述距离。根据本发明的实施方式，所述支承件的此功能通过弹簧件获得，所述弹簧件是所述支承件的一部分或者构成所述支承件。所述弹簧件在压缩时存储机械能，并且在优选实施方式中，所述弹簧件被预压至预定阈值，从而只被压缩至大于所述阈值的压缩力。在某些实施方式中，所述弹簧件包括或者连接至或者功能性地连接至减震器，所述减震器只有在弹簧件改变尺寸或者可选地只在弹簧件压缩过程中有效地运转(例如吸收或者消除动能)。在某些实施方式中，如果所述支承件压缩或者如果其拉伸，所述弹簧件由所述行程(stroke)在双方向上压缩。通过独立于所述支承件的压缩或拉伸而压缩所述弹簧件，可选地提供独特的减震特性。因此，本发明的优势是具有多个位于所述轮毂和轮框之间的多个支承件的车轮可以平滑地减震，优选地是只在振幅大于预定阈值的冲击或振动时。在本发明的优选实施方式中，所述支承件包括两个可滑动地相互连接的纵向件。所述两个纵向件可选择地包括两个圆柱件、或者一个圆柱件和一个杆件，其中一个位于另一个内部。所述弹簧件和/或减震器可以位于所述两个纵向件之中和/或之间，从而所述纵向件彼此之间的相对移动使所述弹簧件和/或减震器被压缩。
在某些实施方式中，所述弹簧件和/或减震器的两个末端部分连接至所述两个纵向件其中之一，从而可选地，所述弹簧件的两个末端部分连接至内部纵向件。在此优选实施方式中，所述弹簧件围绕所述外部纵向件。在另一优选实施方式中，所述连接是相反方向的，从而所述弹簧件的两个末端部分连接至所述外部纵向件，这样所述弹簧件优选的位于所述内部纵向件的内部。
在某些这种可选实施方式中，固定件连接至所述弹簧件和所述内部或外部纵向件的末端部分。这些追随(tracked)滑动件优选穿过纵向槽，其优选位于两个纵向件中。这些纵向槽的沿着所述减震器的减震或者移动方向的外末端是所述减震器的止动器(stopper)。如果所述减震器优选预压，则两个追随滑动件由于所述减震器的预压力而被压在所述纵向槽的外末端。
所述追随滑动件将所述弹簧件连接至内部或外部纵向件并优选具有销形外形。
所述弹簧件可以包括弹簧，可选地是螺旋压缩弹簧或活塞弹簧，气动或者液压。在使用活塞类型弹簧的情况下，所述弹簧件可以包括减震功能，例如，如果其活塞件设有至少一个微小开口，允许流体介质在行程过程中从中流过，通过流体摩擦将动能转换为热量。减震器可以设置为独立元件，可选地为液压缸型(例如“减震器”)、线性或者旋转的、或者在固体元件之间的干摩擦上运转的机械减震器、滞后型减震器(例如金属或聚合物压缩结构)。
另外，所述多个支承件可选地以非径向方式连接至所述轮毂。因此，由对车轮位于下部的支承件的冲击产生的压力将不被直接传输至所述车轮的轮轴，但是至少部分地被引导围绕所述车轮的轮轴，导致位于上部位置的支承件伸长。这种非径向结构具有数个优势，包括增加支承件以及内部弹簧件和/或减震器的行程长度(strokelength)并增加整个结构的总体稳定性和/或强度。另外，当所述轮毂脱离相对于所述轮缘的同轴性并且激活悬挂，相互连接的支承件的非径向构造使所述轮毂相对于轮缘围绕其轴线旋转，从而具体而言活塞型的弹簧件和/或减震器防止潜在的“粘附”现象，例如，如果变化的力在行程起始阶段与其垂直的话。
因此，在实施方式中，所述轮毂特别地包括径向设置的臂，从而所述支承件连接至所述这些臂的外部末端部分。
可选地，所述支承件可枢转地连接至所述轮毂和/或所述车轮的旋转件。
在一个实施方式中，所述支承件围绕轮毂对称地设置，从而相邻支承件的距离相等。
在另一个实施方式中，两个支承件构成一对支承件，从而优选地设置多对支承件，从而所述对围绕轮毂对称地设置。在此实施方式中，优选地所述轮毂的臂的末端部分具有两个突出部，从而支承件连接至两个突出部的每一个。与不同臂的末端部分相连的两个支承件形成一对支承件。此对支承件的两个支承件相对于所述轮毂的轴线和轮缘之间的径向线对称地设置。
在本发明的某些实施方式中，所述车辆是自力驱动车辆，例如轮椅或自行车。在某些实施方式中，所述车轮是轮椅中的后轮。在某些实施方式中，所述车轮包括可以固定地围绕从所述车辆伸出的两个轴线旋转的脚轮(caster)。在本发明的某些实施方式中，所述轮毂包括下列至少之一：轮轴、脚轮外壳和轴承内圈。在某些实施方式中，所述轮缘包括下列至少之一：轮胎、轮缘、轮毂外壳、叉架(fork)和轴承外圈。
在本发明的某些实施方式中，所述阈值与所述车轮吸收的最小震动大小相关。可选择地或者额外地，所述阈值与由所述车轮吸收的最小振幅相关。可选择地或者额外地，所述阈值与由所述车轮吸收的最大振幅相互地相关。可选择地或者额外地，所述阈值与由所述车轮吸收的最大振动频率相互地相关。
另外，在某些实施方式的一个方面，本发明涉及可选地包括悬挂系统的对中单元。所述悬挂系统包括至少一个支承件。此支承件具有上述车轮的优选实施方式所述外部纵向件和内部纵向件。具体而言，所述外部纵向件包括内腔并包括两个槽，一个顶部外槽和一个底部内槽。另外，可以在所述外部纵向件的内腔中滑动的所述内部纵向件也包括两个槽，一个顶部内槽和一个底部外槽。在两个顶部槽和两个底部槽的每一个中都设有滑销(slidingpin)。在两个滑销之间，设置弹簧件与两个销相连。所述槽的尺寸和设置使得两个纵向件之间的中心相对位置使得所述顶部销和底部销由弹簧推至最大距离。在所述纵向件的任何非中心相对位置，所述销被压至彼此接近为小于最大距离的距离，从而压缩位于所述两个销之间的弹簧。
所述弹簧件优选预压，从而其标称长度小于所述弹簧的未压缩长度。
在对中单元的优选实施方式中，所述对中单元包括中心件，所述中心件在第一部分连接至第一支承件，在均匀移置的第二部分上连接至第二支承件。优选地，第三支承件连接至中心件，从而所述支承件均匀地移置。所述支承件优选为相同的。加载具有两个支承件的中心件将使得一个中心件伸长而其他支承件压缩，从而两个支承件的两个弹簧件都被压缩，从而其累积的压力对抗所述加载。如果大量的支承件围绕中心件对称设置，存在相同的原理，即使所述支承件伸长，所述弹簧件也被压缩。
【附图说明】
下面将参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
图1A-B是根据本发明实施方式的轮椅和车轮在移动过程中将遇到不同障碍的侧视图；
图2A-C是根据本发明第一优选实施方式的包括多个行程型可选悬挂件的车轮的示意图；
图3是本发明的第二实施方式的透视图；
图4A-F是在图3所示车轮中使用的弹簧件在不同减震状态下的侧视图；和
图5A-C是左右对称弹簧机构的示意图。
【具体实施方式】
为了便于说明和理解，在用于轮椅或者其他类型自力驱动车辆的示例性悬挂机构的场景下对下面的优选实施方式进行说明。但是，本发明并不局限于具体描述的装置，在不背离本发明的总体范围的情况下，本发明可以适于各种应用。例如，具有本发明所述原理的装置可以用于包括机动或其他方式驱动的车辆的车轮的任何旋转质量。
普通悬挂系统用于吸收阻碍或者障碍给车辆导致的减速和/或不需要的振动和/或协助车轮顺应地形并避免与其失去接触或抓紧。为实现此目的，悬挂系统用于吸收和/或散除能量，包括可以转换为有效动能的能量。另外，普通悬挂系统(例如包括金属弹簧、减震材料和弹性体的零件)导致松软或者松散的感受，这可能导致不稳定的感觉，这对于许多用户而言是不满意的。
为了能够对应对上述以及其他考虑，本发明提供或者包括用于根据吸收的干扰或扰动的类型和/或大小可选择响应性(或非响应性)的装置。
请参看附图，图1A-B是根据本发明实施方式的轮椅10和后轮11在移动过程中将遇到不同障碍的侧视图。除了结合两个后轮、例如后轮11之外，轮椅10还包括座椅12和一对脚轮13。在图1A中，轮椅10沿着路径20移动，路径20包括高度为x的台阶或路阶(curbdescent)21以及多个凹槽22，例如铺砌路面上的瓷砖缝隙或槽。高度x在侧壁路缘的情况下可能为大约10cm或更大，在标准楼梯台阶的情况下为15cm或更大。另一方面，凹槽22的高度小于3cm，通常大约为1cm。在某些实施方式中，本发明的悬挂系统包括用于选择性区分不同高度的下降，例如最大1cm的下降，可选地最大3cm和大于等于1cm的下降，可选地3cm，可选地5cm或更高，或者更低或中间。并且，选择性区分可以适用于一定范围内的下降或波动，例如大于3cm并低于10cm。
图中显示轮椅10以其前端向上倾斜地运动接近前向台阶(forward-facingstep)21(通常称为进行“前轮离地”)，并围绕后轮11枢转，这是在进行越过台阶时的通常操作，该操作可能由服务员或者轮椅用户自己进行。所述倾斜角α可以在0°到40°之间，可选择地该角度可以更高。这种倾斜操作改变了轮椅与地面的冲击角度并应该在设计有效悬挂系统的时候考虑。在某些实施方式中，本发明的悬挂系统用于有效悬挂不同冲击角度的下降，可选地角度范围为－10°到10°，可选地－30°到30°，可选地－60°到60°。并且，在某些实施方式中，该下降可能是相反地进行，即后轮先行，而前脚轮还位于顶部平台上，产生通常小于20°的柔和的“拉起(noseup)”角，但这个角度可选地更高。
图1B显示了第二种示例情形，其中车轮11(为了便于说明分别显示)沿着路径30行进，路径30包括高度很大的凸起31，随后是较薄的粗糙不平的路面32。在某些实施方式中，本发明的悬挂系统包括用于选择性地区分不同高度的凸起的装置，例如可以减震0.5cm或更高的凸起，可选地1cm或更高，可选地3cm或更高。可选择地或者额外地，该装置或其他装置可以减震高度小于车轮半径的凸起，可选地小于其半径的3/4，可选地小于其半径的1/2。可选择地或者额外地，该装置或其他装置可以区分道路的类型(例如像路32的粗糙不平的路面)，路的类型导致不同的车辆和/或车轮振动，其区别于加速冲击大小和/或频率，可选地也取决于车辆的速度。在某些实施方式中，悬挂可选择性还基于设定的允许加载(例如轮椅和用户的组合重量)或者基于设定的允许加载范围，从而只有满足了这种条件，悬挂系统可以正确地区分这种预定下降高度。例如，根据本发明实施方式的悬挂系统可以设置在轮椅的两个后轮上，并且设置和预先设置为，例如当轮椅和轮椅的组合重量处于40Kg至120Kg，或者可选地处于50Kg至100Kg，或者可选地处于处于60Kg至80Kg，或者可选地大于70Kg，或者更高或更低或中间值，则所述悬挂系统将在源自高度40mm或更小、可选地20mm或更小、可选地10mm或更小、可选地5mm或更小、可选地2.5mm或更小、或者更高或更低或中间值的下降的冲击情况下不运转。
下面参照图2A-C，其示出根据本发明第一优选实施方式的包括多个行程型可选悬挂件740(或760)的车轮700的示意图。车轮700包括其上装有轮胎720的轮框710、轮毂730以及所述多个悬挂件740，所述悬挂件740对称和均匀地设置并连接在轮框710与轮毂730之间。在某些实施方式中，悬挂件740在小于阈值大小的压力情况下支持轮毂730与轮框710的接触区域(例如凸缘715)之间的固定距离。可选地，悬挂件740不保持或者只部分地支持轮框710的圆形，因此后者相对于先前示出的轮框可选地提供强度。在某些实施方式中，轮毂730包括中心圆形部分736，中心圆形部分736具有钻孔738，期间穿过并容纳轴承(未示出)，所述轴承利用轮轴安装至(例如轮椅的)底盘。三个向外径向延伸部734源自轮毂中心736；每个径向延伸部734末端是角向延伸头732；每个角向延伸头732包括两个侧边；其中每个侧边可枢转地连接至悬挂件740的向内连接部742。悬挂件740包括向外连接部746，其在凸缘715可枢转地连接至轮框710。每个悬挂件740包括能在圆柱形壳体745内滑动地移动的活塞741。活塞741和壳体745包括沿着并平行于其纵向轴线设置的线性槽(分别为744和748)，并且每个都包括在对应的线性槽(销743在线性槽748中，销747在线性槽744中)中滑动地移动的移动销(分别为743和747)。预压压缩弹簧750设置为连接在销743与747之间。弹簧750在(根据预压的)预定阈值下全部舒张或者压缩时，保持销743和747于通常固定的距离。当活塞741和壳体745承受超过所述预定阈值的压缩或者伸展时，所述销最终彼此靠近以压缩弹簧750。还可以设置减震件(未示出)以平行于弹簧750的收缩运动而动作。元件760是替代性设置并可以取代悬挂件740，并同时保持类似特性，其基于气压弹簧770而非螺旋弹簧750。类似地，当元件760以超过所述阈值的在压缩时伸长或缩短时，气压弹簧770将被压缩。在某些实施方式中，气压弹簧包括本领域公知的减震能力。
在图3和图4A-F中显示了可连接至车辆(具体而言是轮椅)的车轮的第二优选实施方式。车轮10包括装有轮胎36的轮框34。轮框34通过三个支承件40连接至轮毂38。轮轴42设置在轮毂38中，在此实施方式中由轴承44环绕。轴承44的内圈固定至轮轴42，轴承44的外圈固定至具有三个臂48的连接件46。臂48径向设置在轮轴42上。支承件40连接至臂48的外末端部分，从而支承件40不以径向方式设置在车轮中。
为了缓冲(damp)行程等，支承件40的长度变化减震所述行程。
在图4A-F中，显示了支承件40处于不同状态。
在通常状态(即轮毂38与轮框34同轴)，每个支承件40都对中，不压缩也不伸长。其中设置的弹簧50基本上被预压(即其保持被压缩至小于其未压缩长度的长度)。
支承件包括两个纵向件52和54，从而圆柱件54围绕内部纵向件52。因此，可以沿纵向56使两个纵向件52和54相对彼此移动。在内部纵向件52中，设置了减震器50。弹簧50包括活塞58，其位于气缸60中。气缸60例如充满压缩气体或油。弹簧50在通常位置开始即被预压，销62相互隔开，从而弹簧已经被压缩至阈值。只有在阈值之上其才能被进一步压缩。(气缸60和杆件58的)弹簧50的末端部分每个都连接至销形追随滑动件62。销形追随滑动件62穿过内部纵向件52的槽64和外部纵向件54的槽66。由于槽64和66，两个纵向件52、54有可能沿纵向56移动。槽长度为该相对运动提供边界，在该边界以上销62被移动。
如图4C-4D所示，组合作用力F和－F压缩支承件40。由于杆件58被压入气缸60以压缩气缸60中的气体，所述力驱动并压缩弹簧50。可选地和额外地，弹簧50用作减震器，从而所述力产生的某些动能被消除并且所述冲击被吸收。另外，左销形追随滑动件62在左槽64、66内移动。右销形追随滑动件62保持在原位。
在某些实施方式中，当根据本发明的自暂停(self-suspended)车轮或对中单元中有至少一个支承件时，至少第二支承件被拉伸，可选地以相同的长度，可选地以不同的长度。在某些这种实施方式中，安装在两个支承件中的弹簧和/或减震器在第一支承件压缩和第二支承件拉伸的过程中应压缩，从而两个弹簧和/或减震器分别有助于总体机械能存储和/或减震。现在请参看图4E-4F，其显示了支承件40由力F拉伸。根据本发明，弹簧50被压缩，即例如杆件58压缩气缸60中设置的气体，即使支承件40被拉伸。在这种情况下，由于左追随滑动件62相对于通常位置保持在原位(图4A-4B)，从而在图4E-4F中右追随滑动件62向左移动。由于右追随滑动件62可以在外部纵向件54的槽66内向左移动，从而在图4E-4F中通过将内部纵向件52向左移动而导致上述移动，因此上述移动是可能的。
根据本发明的对中单元可以包括连接至三个支承件40的中心件48，从而中心件38不需要必须连接至轮毂，并且支承件40不需要必须连接至轮框(例如请参看图3)。
下面参照图5A-5C说明左右对称弹簧机构的原理机制背景。
实际上，保持线性弹性规则的无限弹簧(infinitespring)(例如螺旋弹簧)将在其拉伸至所需力与压缩至所需力之间具有大体相同的比率(通常称为“k”或弹簧常数)。
因此，如果这种弹簧可以作为拉伸弹簧和压缩弹簧，其特性如图5A的曲线所示。
在大多数悬挂系统中，所述弹簧都以某个压缩预压安装，以防止弹簧在任何点被释放，从而减小弹簧在没有压力的情况下的不需要的运动(请参看图5B的曲线)。
由于预压弹簧固有地在一个方向(例如压缩)受压，如果其还倾向于向相反方向(例如拉伸)移动，则预压功能将没有效率。
因此，当将系统压缩预定距离(例如2cm)需要某个数量的力，则将弹簧拉伸相同距离需要较小的力。
本发明允许左右对称的悬挂或者对中单元并不需要沿相反方向安装两种这种机构(或者子系统)，从而用于图5B所示曲线的镜像(mirroredimage)。
当实施对称预压的弹簧系统，压缩和拉伸在其各自方向上都产生相同的力，同时在两个方向上实现预压功能，如图5C所示。
这种“镜像的”弹簧系统具有单向弹簧不具有的几个优点，例如利用单一弹簧件的双向阈值和对称悬挂响应，而其他处理循环或周期扰动的应用必须使用沿相反方向安装的两个系统。
双向阈值的原理可以防止任何方向的运动，只要在系统上未施加大于某个大小的力(例如Fmin)。在此设置下，小于Fmin的任何方向的任何力都不会导致弹簧的任何运动，只有高于Fmin的力将使弹簧在任何方向上以k比率移动(不需要任何特殊推/拉连接)。

Claims (4)

1.一种对中单元，包括悬挂系统，所述悬挂系统包括至少一个支承件，包括：
围绕一内腔的外部纵向件，包括顶部外槽和底部外槽；
在所述内腔中滑动的内部纵向件，包括顶部内槽和底部内槽；
在所述顶部外槽和顶部内槽中设置的顶部滑销；
在所述底部外槽和底部内槽中设置的底部滑销；
弹簧件，其顶部末端连接至所述顶部滑销，其底部末端连接至所述底部滑销；
其中所述顶部外槽、顶部内槽、底部外槽和底部内槽的尺寸和设置使得在所述外部纵向件与所述内部纵向件之间的中心相对位置使得所述顶部滑销和底部滑销由弹簧件推至最大距离。
2.根据权利要求1所述的对中单元，其中在所述外部纵向件与所述内部纵向件之间的任何非中心相对位置，所述顶部滑销和所述底部滑销被压至彼此接近为小于所述最大距离的距离，从而压缩位于其间的弹簧件。
3.根据权利要求1所述的对中单元，其中所述弹簧件在位于所述最大距离时处于标称长度，所述标称长度小于所述弹簧的未压缩长度。
4.根据权利要求1所述的对中单元，包括中心件，所述中心件在第一部分连接至第一支承件，在均匀移置的第二部分上连接至与所述第一支承件基本相同的第二支承件；
其中加载所述中心件，直至大于预定阈值的大小，使得第一支承件伸长而所述第二支承件压缩，从而所述第一支承件的第一弹簧件和第二支承件的第二弹簧件都被压缩，从而其累积的压力对抗所述加载。
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