JP2011121583A - 変動する車輪半径を補償する機構を備えた車輪組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】
車両用の非円形の車輪組立体を提供する。
【解決手段】
車輪組立体は車輪本体を備え、該車輪本体は、前記車輪本体の回転中心から測定される第一半径と第二半径とを有する。前記車輪組立体は、回転中の前記車輪の外側接触面に対する回転中心の高さの変動を補償するように構成された補償機構を備える。前記補償機構は、車両フレームを前記車輪本体に取り付ける第一連結具を備えた直線支持部材を有する。第二連結具は前記補償機構を前記車輪本体に調節可能に連結し、前記第一連結具から離間して、前記回転中心に配置されている。前記補償機構は、回転中に前記第一連結具に対する前記第二連結具の位置を調節するように構成された直線位置決め組立体を備え、該直線位置決め組立体は、前記第一連結具と外側接触面との間の距離を一定にして、単一の乗車高さを提供することを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、車輪を備えた乗物および車輪の設計に関し、より詳細には、車輪半径の変動を補償して、非円形車輪上に支持された車両フレームに円滑、又は平面的かつ一貫的な移動を提供するための一つ以上の器具を備えた非円形の車輪に関する。

エンターテイメント産業において、人目を引き、かつ驚かせるような視覚的効果が探求され続けている。例えば、テーマパークや他の娯楽施設は、しばしば、訪問者や観客を楽しませるためにショーやパレードにおいて乗物を用いており、ただ機能的であるだけでなく、視覚的インパクトを提供するように、パレード車、自転車、商業用カート、乗物、車輪式ロボット・プラットフォーム及びフロート車等を設計することが望ましい。

従来および現在の車両は円形車輪上に支持され、主な移動方式としてこれらの車輪を用い、例えば、車両は一つから四つ、又はそれより多くの車輪によって、道路上または他の表面上を走行する。円形車輪は、協働して車両に（又は、回転中心に連結された車両のフレームに）平坦面上での円滑で一定かつ一貫した移動を提供するような一定の半径と固定された回転中心とを有するため、車両にとって望ましい。基本的な円形車輪は多くの利点を有するが、非円形形状を含んだ多様な形状の車輪を備えた車両には、エンターテイメント性に関する大きな可能性が存在する。エンターテイメント性は、非円形車輪が意外であるという事実に部分的に起因し、人は無意識に回転運動を円形車輪に関連付けるため、円形車輪と同様に回転する非円形車輪への興味が増大する。

非円形車輪を用いるための努力がなされてきたが、これらは典型的には、特別に形成された回転面を必要としていた。例えば、平坦でない面上で回転するように用いられる正方形や他の形状の車輪を利用する多くの車両設計法が存在する。具体的には、正方形の車輪を備えた車両は、正方形の車輪の辺の長さに等しい円弧長を備えた反転した懸垂曲線で形成された平坦かつ平面的ではない道路または表面上を走行するように用いられ、回転中心の比較的一定の高さが維持される。これらの種類の車両は、固定された乗車高さを維持するために（車両フレームの円滑な移動を提供するために）、付加的な機構を必要としないが、該車両は、非常に特別に形成され、かつ非常に特別な形状を有する走行面上を走行するように制約を受ける。

異なる形状の一定の直径を有する車輪を用いて、平坦面上において走行する別の車両の設計法が提案され、該設計法は、支持された車両フレームに設けられた比較的円滑な走行を提供する。例えば、自転車は、（全車輪の周囲の周りに測定される）一定の直径を備えた非円形車輪を備え、これらの形状の集合は、しばしばルーロー（Ｒｅｕｌｅａｕｘ）の形状または物体と呼ばれる。これらの車両は、一定の直径を有する車輪または形状の特性を活用することによって、平坦面上で車両を走行可能とした。例えば、自転車は、地面、即ち走行面に対して平行であり、かつ一定の車輪直径に等しい距離だけ走行面から離間した第二の平面を自転車のフレーム上に備えるように構成される。このようにして、車両フレームは、一般的な自転車または他の車両のように回転中心において支持されず、第二の平面器具を介して、車輪上に支持される。これらの車両は視覚的に驚かせるような効果をもたらすが、一定の直径を有する車輪を用いなければならない制約を受け、より奇抜な、即ち任意の形状を有する車輪には使用できず、車両のフレーム、即ち本体に大きな修正を加える必要があるようにモジュール式ではない。

以下の記載は、車両の一定でない直径を有する車輪の使用を支援する車輪または車輪組立体を提供する。

該車輪組立体は、変化または変動する車輪半径を考慮に入れた補償機構を備え、前記車輪組立体は、円形である必要はなく、即ち一定の直径を有する必要はなく、任意の形状を有することができる。前記半径補償機構によって、車輪のリム、即ち本体（又は、その接触面）が、（車両の側方から見た場合、例えば車輪の回転中心を通過する軸線に沿って見た場合に）三角形状の車輪、丸みを有する多角形状の車輪、花形の車輪、顔形の車輪、又は任意の他の非円形形状であることが可能となる。二つ以上の半径値を有するこれらの非円形形状の車輪のいずれかが、連結、即ち支持された車両フレーム又は本体に平滑または平面的な乗車高さを提供するような（例えば、フレームの取り付け点、即ち位置が、フレームの取り付け又は連結位置から走行面又は地面まで測定されるような走行面に対して固定された、即ち一定の距離、つまり高さに維持されるような）補償機構とともに用いられ得る。

簡潔には、半径補償機構は、非円形車輪の変化する半径を補償するように構成され、半径補償機構は、このような補償を提供する多くの形態を有し得る。車両フレームは、典型的には、半径補償機構の一部を支持するように取り付けられ、即ち連結される。例えば、一実施形態において、車輪組立体に設けられた補償機構はカムを有する。カムトラックは、車輪のフレーム又は本体の内部の近傍（車輪の中心、又は車輪用に選択された回転中心の周り等）に設けられ、カムフォロア（又は、一対のカムフォロア）が、内側カムおよび外側カムによって画定されたカムトラック又は経路上で移動するように配置される。車両フレーム（自転車フレームのフォーク等）は、カムフォロアに取り付けられ、即ちカムフォロアによって支持され、カムフォロア器具が車両の重量を支持する。

カムトラックの選択された特定の形状（即ち、車輪の形状に基づいて算出されたカムの形状）によって、車両フレーム又は本体は、感覚的に予想されるように振動したり、上下動したりせず、代わりに走行面、即ち地面に対して平行な平面内において移動するように支持される（例えば、カムフォロアは走行面、即ち地面に対して平行な平面内において移動する）。結果として、三角形、又は他の奇抜な形状の車輪を備えた自転車、又は他の車両等を見る観客の大部分は、比較的円滑な走行より、持続不能であったり、揺動したりする走行を予想するため、不規則な形状を有する車輪を備えるにもかかわらず、円滑に走行するフレーム又は本体を備えた車両の視覚的効果は大きい。車輪の形状には、ほぼ制約がない。車輪組立体の別の利点は、既存の車輪の代わりに（例えば、フロントフォークに取り付けられた既存の自転車の車輪等の代わりに）、前記車輪組立体を簡単に設置することによって、既存の車両フレームで直接に（あるいは、少しの修正を加えることで）使用可能なモジュール式であることにある。対照的に、他の設計法は、車両フレームの大きな修正を必要とし、一定の直径を有する車輪（又は、一意的な形状を有する走行面）と共に用いることを必要とする。

他の場合には、半径補償機構は電気的に補償しても良い。このようなシステムは、（例えば、カム及びカムフォロアの代わりに）一つ以上の直線スライドを駆動するリニアアクチュエータを備えても良い。センサ機構が、乗車高さを感知し、かつそれに応じて、リニアアクチュエータを適切に駆動するように作用するために備えられる。

より詳細には、車輪組立体は、走行面上（即ち、地面上）を移動する一つ以上の車輪を備えたほぼ任意の車両に用いるために提供される。車輪または車輪組立体は、非円形であり、ひいては少なくとも第一半径および第二半径（しかし、より典型的には多くの異なる半径）を有する車輪本体を備える。第一半径および第二半径は、車輪本体のために画定および選択された回転中心から車輪本体の外側接触面（例えば、タイヤ、又は他のトラクション面）上の第一位置および第二位置まで、それぞれ外向きに、測定される。

車輪組立体は、車輪が地面に沿って回転する際に、車輪の回転中心から地面までの距離の変化を補償するように作用する補償機構を備える。該補償機構は、車両フレーム（例えば、自転車等のフロントフォーク）に車輪本体への取り付け点を提供するために用いられる第一連結具を備えた直線支持部材（例えば、直線スライドレール）を有する。直線支持部材は、補償機構を車輪本体に調節可能に連結するために、第二連結具を備える。第二連結具は、車輪本体の回転中心に近接し、かつ第一連結具（又は、車両が車輪組立体内において支持される点）から特定の距離だけ離間して配置される。補償機構は、第一半径および第二半径の間において回転する車輪本体に応じて、第一連結具に対する第二連結具の位置を調節することによって、車輪本体の半径が変化する一方で、第一連結具（又は、フレーム取り付け点）と外側接触面との間の距離をほぼ一定に維持して、単一の乗車高さを提供可能とするように作用する直線位置決め組立体を備える。

直線支持部材は、直線スライドレール、又は類似の長尺状の要素を備え、第二連結具は、直線スライドレールに摺動可能に係合する（例えば、レールの側部に当接する）直線スライドを備える。直線スライドは、車輪本体の回転中心から外向きに延びた車軸部材（例えば、スライドブロック、又は軸受等の他の構成部品を備えるか、備えていないピン、ボルト等）を介して、車輪組立体内に支持される（例えば、車輪本体が回転中心の周りのみに回転すると同時に、直線スライドはレールを支持するように垂直に維持される）。直線位置決め組立体は、カムトラックを画定するカムと、カムフォロアとを備えたカム組立体を有する。カムフォロアは、回転中心から離間した位置において、直線支持部材またはスライドレールに剛性的に取り付けられる。車輪本体が回転する間、カムフォロアが追従するカムトラックは、車輪本体の回転の際に、第一連結具に対する第二連結具の位置を調節するように（例えば、直線支持部材上の二つの連結具の間の距離は、変化する車輪本体の半径を補償するように変動して、一定の乗車高さを提供するように）、車輪の形状（例えば、回転中心から地面までの車輪の変化する距離のマッピング）に基づいて画定される。

非円形車輪（例えば、車両に非円形の回転または接触面を提供するような車輪フレーム、本体、リム等）を有する本発明の一実施形態による車輪組立体を備えた車両（この例においては自転車）の斜視図。 一定の乗車高さ（フレーム取り付け位置から平面的または平坦な走行面まで（例えば、車輪の接触面上の現状または最新の最下点）の一定の距離）を維持するための半径補償組立体または機構の一部としてカム機構を用いる一つの例示的実施形態の車輪組立体を備えた車両（例えば、自転車）の部分斜視図。 図２に示された車輪組立体をより詳細に示す図。 図２及び３に示された車輪組立体の（車両フレーム又は本体を省略した）分解斜視図。 図４に示された車輪組立体の側面図。 補償機構（例えば、カムの形状、リニアアクチュエータの移動量または位置調整量等）を設計する際に用いられる半径の補償値の量または大きさを決定するために用いられる車輪の回転中心の変化する高さの特性表示またはマッピング用の一技術を示す図。 平坦な走行面に沿って回転、即ち移動する際の三つの位置におけるカム式の半径補償機構を備えた車輪組立体を示す図であり、走行面に対する回転中心の位置は変動しているが、（カムフォロアの位置に対応する）乗車高さ（即ち、取り付け位置の高さ）は一定、即ち一貫して維持されていることを示す図。 大きく変動する車輪本体の半径（例えば、任意の形状を有する車輪の一定でない車輪直径）を備えた場合にも円滑な走行を提供するカム式の半径補償機構を使用する別の車輪組立体を簡略して示す図。

以下の記載は、一般に、ほぼ全ての車輪式の乗物用の新たな車輪または車輪組立体に関し、車輪の形状および（一つの車輪の周囲のいくつかの点において測定される）半径が変動する車輪を可能とする。車両は、従来、移動機構として円形の車輪を用いており、円形の車輪は一定の直径および半径を有し、（舗装道路等の）平坦な走行面上での支持された車体の円滑な移動のために、固定された回転中心を有する。一方、非円形車輪は、変動する半径を有し、即ち車輪の接触面上の異なる位置において異なる半径（即ち、車輪の周囲において、中心、又は非円形車輪用に選択された回転の中心まで測定される半径）を有する。

従って、これらの非円形車輪を（車両に対して）固定された回転中心の周りに回転させると同時に、車両の乗車高さを一定に維持することは困難である。本明細書に記載の車輪組立体の一態様は、車両組立体の各々が半径補償機構（例えば、カム式システムや、半径を感知して、それに応じて調節するようにプログラム可能なリニアまたは他のアクチュエータ等）を備え、該半径補償機構によって、非円形（即ち、半径が一定でない）車輪が、（車輪構造に対して）固定された回転中心の周りに回転すると同時に、車両の一定の乗車高さ（即ち、車輪組立体への車両フレームの取り付け位置から、車輪と、走行面または地面との間の接合点までの距離または高さ）を維持することが可能となる。

より詳細には、図１は、本明細書の記載のように構成された車輪組立体１３０を前輪として用い、かつ標準的な円形の後輪１３３を用いた車両１００を示している（他の実施形態においては、二つ以上の車輪用に一つより多い組立体１３０が用いられても良い）。図示されているように、車両１００はフレーム１２０を備えた自転車の形態を有し、フレーム１２０は、乗り手、即ち使用者１１４を支持するように構成され、使用者１１４は、後輪１３３を駆動し、かつ矢印１２１で示されるように車両１００を移動させるようにペダルを踏むことによって原動力を供給する。車両１００は、比較的平坦、即ち平面的な走行面１１８（例えば、舗装道路等）上に支持され、かつ／あるいは走行する。車両１００は、（ペダルを用いた乗り手による入力の他に、電気モータ、又は燃料式エンジン等の）代替的な原動力によって駆動されることもできる。さらに、車両１００は、任意の方向に移動して良く、図示された「前方」への移動に限定されない。

車両１００において、フレーム１２０は、後輪１３３、及び前輪、即ち車輪組立体１３０によって支持されている（あるいは、剛性的に取り付けられている）。具体的には、フレーム１２０（即ち、フレーム１２０のフロントフォーク）は、半径補償機構１３８の一部または構成部品（例えば、カムフォロア、摺動可能なアクチュエータピン等）に取り付けられている。半径補償機構１３８は、車輪本体、即ち車輪フレーム１３２に取り付けられるか、内部に備えられている（この図では、被覆を備えた本体は機構１３８の構成部品への接触を防ぐために、かつ／あるいは、機構１３８の作用を隠して車両１００の視覚的効果を増大させるために、機構１３８を包囲するように構成されて示されている）。機構１３８は、車両１００の移動１２１の間、道路１１８（即ち、車輪１３２が道路１１８に接触する点）と、フレーム１２０用の取り付け点１２２との間の距離ｄ_{ＦＲＡＭＥ}をほぼ一定に維持するように作用する（例えば、機構１３８の取り付け点または構成部品は、道路１１８（車輪の接触または接合面）に対して平行、かつ道路１１８から一定の距離だけ離間した面内で走行するように強いられる）。

車輪本体またはフレーム１３２の外形は、車両に実装されるような形状を有し、該外形は、一般に、任意の形状を備えた車輪であって良く、特に、（側方から見た時に（形状が）非円形状であるか、中心点または回転中心１３２（これらの二つの点または位置は異なり得る）を通って延びた軸線に沿って非円形状である）非円形状の車輪を含む。より詳細には、車輪本体１３２の非円形の形状は、一定の直径を有しても良いが（例えば、ルーローの物体の形式を有する）、多くの適用例では、該形状はより不規則であって、異なる点において、異なる半径値（回転中心１３４から車輪本体１３２の外周上の走行面への接触点までの距離）を有しても良い。即ち、車輪本体１３２は二つ以上の半径を有する。例えば、車輪本体１３２は、一定の直径を有していない三角形または多角形の車輪であって良い。他の場合には、キャラクタの顔や身体の形状が車輪として用いられても良い。理解されるように、半径補償機構１３８を使用することによって、車輪本体またはフレーム１３２は多様な外形を有することが可能となる。

半径補償機構１３８は、フレーム連結点１２２において、車両フレームを支持するように構成され、フレーム連結点１２２は、（典型的には）車輪本体１３２の回転中心１３４から垂直方向に沿って特定距離だけオフセットして配置されている。半径補償機構１３８は、さらに、車輪本体１３２の回転中心１３４の周りの回転１３５の間、回転中心１３４と、走行面または道路１１８との間の距離の変動を補償するように構成されている。機構１３８は、取り付け点、即ちフレーム連結点１２２と、走行面１１８（即ち、道路または地面１１８に当接または接触する車輪本体１３２の部分）との間の距離ｄ_{ＦＲＡＭＥ}をほぼ一定に維持する。

変動する、即ち一定でない車輪半径の問題に対処するために、非円形の車輪組立体の各々にカム式補償機構を設けた一つの技術が、本発明者によって提供される。即ち、変動する半径の補償はカムで実現され、カムは回転する車輪の回転運動を、変動する半径を備えた形状の効果を打ち消すような直線運動に転換または変換する（例えば、車輪への車両フレームの取り付け位置と走行面との間の距離を一定に維持する）。補償機構は、車輪の回転中心が地面、即ち走行面に対して移動可能となるように設計される。同時に、一つ以上のカムフォロアは、カムトラック内を（またはカム表面上を）移動し、地面または走行面の上方においてカムフォロアに取り付けられたフレームの取り付け点または連結具の高さを一定に維持するように作用する。補償機構は、カム及びカムフォロア、並びにリニア軸受を備え、リニア軸受は、回転運動を垂直軸線に沿った垂直方向の運動に変換するように、車輪の回転中心を拘束する。

図２は、車両２００をより詳細に示しており、車両２００は乗り手または使用者２１４により乗車され、かつ（例えば、自転車に共通するようにペダルを踏むことにより）従来の後輪２３１、又は非標準的な、即ち非円形の後輪２３１（図示せず）を回転させることによって駆動される。車両２００は、連結点、即ち取り付け点２２２において本発明の一実施形態の車輪組立体２３０に取り付けられたフレーム２２０を備える。車輪組立体２３０は、非円形形状（例えば、曲線的な側辺を備えた三角形）を画定する外側リム２３３を備えた車輪本体、即ちフレーム２３２を有する。回転中心２３８が車輪本体２３２のために選択され、回転中心２３８は、この場合には、リム２３３の三角形状の中心である（しかしながら、この事実は車輪組立体２３０を用いるために必須ではない）。タイヤ、即ち接触要素２３４（例えば、固形ゴムタイヤ、空気充填チューブを備えたタイヤ、あるいは車輪を備えた乗物に共通の類似物）が、車輪組立体２３０の使用を容易にするために設けられ、走行面２１８上での摩擦力と改善された乗り心地とを提供する。リム２３３は金属または他の構造材料であって良く、スポークまたはリブ２３６は、リム２３３を、車輪組立体２３０内に一体に取り付けられた補償機構２５０に連結するために用いられる。

この場合の補償機構２５０は、外側および内側カムによって画定されるトラックを備えたカム組立体を有する（機構２５０は以下の図面を参照して、より詳細に記載される）。回転中心２３８は、カムから内向きに延びる内側リブ又は支持部によって提供される。一対の直線スライドレールは、（例えば、軸受ブロックに摺動可能に係合するように連結された直線スライド部材によって）回転中心に一致する第一の点において、車輪本体２３２に摺動可能に取り付けられるか、車輪本体２３２によって支持される。直線スライドレールは、一対のカムフォロア（図２には図示せず）の位置に一致する第二の点において車輪本体２３２に取り付けられるか、車輪本体２３２によって支持され、一対のカムフォロアは、補償機構２５０の内側カムと外側カムとによって画定されたカムトラック内を移動する。フレーム２２０は、連結または取り付け点２２２において、（例えば、フレーム２２０のフロントフォークによって）機構２５０に取り付けられる。

フレーム２２０に対する垂直方向に沿った補償を提供するために、フレーム２２０はカムフォロアに直接連結されるか、直線スライドレール（例えば、カムフォロアがスライドレールに取り付けられる位置またはその近傍における、あるいはカムフォロアから特定距離だけオフセットした位置におけるスライドレール）への連結を介して間接的にカムフォロアに連結される。両方の場合において、直線スライドレールは、カムトラック内でのカムフォロアの移動に応じて垂直方向に沿って移動して、走行面２１８に対する回転中心２３８の高さの変化を補償する。

図３は、図２の車両２００の一部を示し、車輪組立体２３０をより詳細に示している。車輪組立体２３０は、連結または取り付け点２２２において車輪組立体２３０に（例えば、直線スライドレール３７２に剛性的に）連結したフロントフォーク３２１によって、車両フレーム２２０を支持する。車輪本体２３２の回転３３２の間、連結点２２２と、走行面２１８との間の距離は、半径補償機構２５０の作用によって一定、又はほぼ一定に維持される。

補償機構２５０はカム組立体３６０を備え、カム組立体３６０は、リム又はフレーム２３３から内向きに延びたリブ、即ち構造部材２３６によって剛性的に支持される。カム組立体３６０は、カム組立体３６０の中心が車輪本体２３２の回転中心２３８に一致するように配置され、カム組立体３６０はこの回転中心２３８の周囲に補償用カムトラック３６６を画定する。カム組立体３６０は、カムフォロア３７８（又は、一方が図の車輪組立体２３０の裏面上に典型的に設けられる一対のカムフォロア）を備え、カムフォロアは車輪の回転３３２の間に回転中心２３８の周りにトラック３６６内を移動して、地面または走行面２１８に対する回転中心２３８の位置の変化を補償する。

補償機構２５０は、直線スライドレール３７２を備えた直線スライド組立体３７０を有する。カムフォロア３７８は第一端または位置においてスライドレール３７２に剛性的に取り付けられ、本実施形態においては、フォーク又はフレーム３２１は、カムフォロア３７８からオフセットした位置２２２（しかし、これらは一致しても良い）に連結される。スライドレール３７２は直線スライド３７４によって第二端（例えば、カムフォロア３７８から離間した位置）において支持され、直線スライドは車輪本体２３２の回転中心２３８において支持される。直線スライド３７４は、スライドレール３７２を垂直方向に沿って維持した状態で拘束するように作用し、車輪本体２３２の回転３３２の間、直線スライド３７４は、垂直方向に沿った矢印３７５で示されるように、スライドレール３７２に対して摺動可能である。このようにして、回転中心２３８は、回転３３２の間、変動可能であり、直線スライドレール３７２の位置と連結点２２２（即ち、フレーム３２１）とは一定の高さ（一貫した乗車高さ）に維持可能である。

回転中心２３８の位置または高さの変化は、カムトラック３６６を設けることによって（例えば、カムフォロア３７８と回転中心２３８との間の距離を変化させることによって）、補償される。カムトラック３６６は、外側カム３６２と、オフセットされた内側カム３６４とによって画定される。カムフォロア３７８は、カム３６２、３６４に当接するようにカムトラック３６６内に配置され、直線スライドレール３７２によってトラック３６６内に保持される。

図４及び５は、カム式の半径補償機構２５０をより詳細に示す車輪組立体２３０の分解図を示している。図示されているように、車輪組立体２３０は、車輪本体２３２を備え、車輪本体２３２は、（側方から見た場合、あるいは通過する軸線に沿って見た場合に）三角形状を有する外側接触面２３４を画定するリム又はフレーム２３３を備えた三角形状である。リム２３３は、比較的平面状であり、かつリブ、即ち構造部材２３６と相互連結し、内側支持プレート４６６が本体２３２内に配置されて、車輪組立体の構成部材に支持機構、又は取り付け機構を提供する。内側支持プレート４６６も回転中心２３８を備え、プレート４６６は、第一カム組立体３６０のカム３６２、３６４がプレート４６６に取り付けられる場合に、第一カムフォロア３７８用のカムトラック３６６の内面を画定する。第二カム組立体５６０は、プレート４６６の反対側に取り付けられて、第二カムフォロア５７８用の第二カムトラックを画定する。

車輪組立体２３０を組み立てるために、ショルダボルト４８０は、回転中心２３８（車輪本体２３２内に、（この場合には）中心に、配置された孔）を通って延びている。ショルダボルト４８０は、スライド軸受ブロック４８２、軸受４８４、及びワッシャ２３８を通って延びている。このような構成において、軸受ブロック４８２は、回転中心の近傍において剛性的に支持されるが、車輪本体２３２と共に回転しない。反対端において、ボルト４８０は第二軸受ブロック５８２に螺入され、かつ軸受５８４と一つ以上のワッシャ５３８とに結合される。車輪組立体２３０が車両の駆動輪である場合、あるいは車輪組立体２３０を車両の駆動用部品と連結させる場合に、オプションとしてのスプロケット取り付け具４９０が、内側支持プレートに取り付けられる（他の場合には、車輪組立体２３０は、例えば、典型的な自転車の前輪、カートの車輪等の遊動輪であり得る）。

カムフォロア３７８、５７８は、カムフォロア取り付け具またはピン４７９、５７９を備えた直線スライドレール３７２、５７２に剛性的に取り付けられ、カムフォロア３７８、５７８はカム組立体３６０、５６０内に画定されたカムトラック内に配置される。一対の直線スライド３７４、５７４は、回転中心２３８において、軸受ブロック４８２、５８２によって、直線スライドレール３７２、５７２を車輪本体２３２に連結する。軸受ブロック４８２、５８２は、直線スライド３７４、５７４に剛性的に取り付けられ、一方、スライドレール３７２、５７２は直線スライド３７４、５７４の内面上において摺動可能である。

車輪本体２３２が回転する間、カムフォロア３７８、５７８はカム３６０、５６０のカムトラック又は経路において移動して、車輪本体２３２の半径の変化を補償するように作用し、より詳細には、回転中心２３８と走行面（即ち、車輪接触面２３４と走行面との間の接合点（即ち、平坦面上における回転中心の垂直方向に沿って下方に位置する点））との間の現在の距離を補償するように作用する。直線スライド３７４、５７４は、走行面に対して、垂直方向に沿って上方および下方へ移動し、カムフォロア３７８、５７８と（ショルダボルト４８０が通って延びる）回転中心２３８との間の距離は、それぞれ減少および増大する。このようにして、車両フレームの取り付け位置と走行面との間の距離はほぼ一定に保持される（例えば、直線スライドレール３７２、５７２は、車輪本体２３２が回転する間に走行面に対して垂直方向に沿って上下動しない）。

車輪組立体（例えば、組立体２３０）の設計において、非円形車輪本体に適正な半径補償を提供するための多くの設計上の制約が存在する。車輪には、平面（車輪平面、即ちＰ_Ｗ）上において二つの自由度が付与され、前記二つの自由度は、Ｐ_Ｗに直交する水平軸線（つまりｘ軸、即ち走行面つまり地面に対して平行な軸線）の周りの回転と、垂直軸線（つまりｙ軸、即ち走行面つまり地面に対して垂直な軸線）に沿った平行移動とを備える。車両の取り付け点の高さを一定に維持する（例えば、一定の乗車高さを提供する）ように、カムフォロアの垂直軸線、即ちｙ軸に沿って一定の位置を提供する（例えば、走行面、即ち地面、又は車輪本体の接触面上の接合点に対してカムフォロアを一定の高さに維持する）ことは有用である。さらに、車輪に対してカムを完全に拘束することが、一般に必要である。車輪が操舵可能である場合には、キャスタ角は０度である必要があり、例えば、回転の軸は垂直軸線、即ちｙ軸に整合する。

図２乃至５に示された車輪組立体２３０は、車両にほとんど、又は全く修正を加えることなく、既存の、即ち従来の車輪と置換して容易に用いられることが可能なモジュール式である。図２乃至５に示されているように、二つの直線スライドレール３７２、５７２は、車両フレーム又は本体２２０に取り付けられ、直線スライドレール３７２、５７２が相互に平行であると共に、垂直軸線に整合するように拘束される。二つの軸受ブロック４８２、５８２は直線スライド３７４、５７４に取り付けられ、車輪本体２３２は、ｘ軸の周り（例えば、回転中心２３８を通過する軸線の周り）を回転し、かつｙ軸に沿って平行移動する（例えば、直線スライド３７４、５７４は、スライドレール３７２、５７２を垂直方向に沿って上下に摺動させる）。二つの同一のカム、又はカム組立体３６０、５６０は、車輪本体２３２に剛性的に取り付けられ、車輪本体２３２と適切に整合する（即ち、画定されたカムトラックの中心は、回転中心と一致し、かつ車輪本体２３２の変化する半径に所定の垂直方向距離補償を提供するように整合する）。カムフォロア３７８、５７８は車両に（直接に、又はスライドレール３７２、５７２を介して）剛性的に取り付けられ、カム組立体３６０、５６０上に適切に整合する。

補償するように車輪組立体を設計する際の重要な点は、車輪の回転の任意の位置において、補償機構によって提供される垂直方向に沿った補償の量を決定することにある。カム式システムにおいて、内側および外側カム（及び画定されたカムトラック）は、車輪本体の形状（即ち、車輪本体の外周または周囲、又は車輪本体の外側の接触面の形状）に基づいて画定される。車輪本体の形状は、比較的小さな半径の変化を有する形状は、より円滑に作動するカム（例えば、カムトラックに極端な変化が少ないカム）を支持するが、対称的または凸状である必要はない。

図６は、車輪本体（例えば、先の図面に示された三角形状の車輪本体等）の変化する半径の特性を示し、かつカム形状を設計または算出するために用いられるグラフ６００を示している。特定の車輪形状のために、点、即ち回転中心Ｐ_ｃが選択され、車輪本体の外形（即ち、接触面の形状）が符号６２０で示されるように、描かれる。グラフ６００において、車輪本体は軸線６１０、６１２によって定義される３６０度の極座標系上に描かれる（回転中心Ｐ_ｃは座標系の中心と一致する）。特定の場合において、走行面、即ち地面に接触する車輪本体の形状の一部のみがカムの算出（半径補償量の決定）において考慮され、任意の凹部は無視され得る。車輪本体の形状の周囲上の全ての点ｐ_ｉに対して、（ｐ_ｉにおける）接線Ｔが計算される。次に、回転中心Ｐ_ｃから接線Ｔに直交するように直線Ａ_┴が引かれる。従って、直線Ａ_┴は回転中心Ｐ_ｃから（車両上の車輪本体の回転または使用の間の走行面、即ち地面を示すと考えられる）接線Ｔまでの距離であるため、特定の間隔にわたるカムの半径の変化量は、同一の間隔にわたるこの直線の変化量に等しい（例えば、Δｒ_ｃ＝ΔＡ_┴）。カム（及び内側カムと外側カムとの間のカムトラック）の曲線は、Ａ_┴（ｉ）を描くことによって特徴付けられる。

図７は、非円形車輪の変化する半径を補償するための補償機構の使用をさらに説明するために参照される。略図７００に示されるように、車輪組立体７１０は第一位置７５０から第二位置７５２まで移動し、次に第三位置７５６へ移動する。車輪組立体７１０は、（側方から見た場合、あるいは回転中心を通過する軸線に沿って、平行に見た場合に）三角形状を有する周縁、即ち接触面７１４を備えた非円形の本体７１２を有する。第一位置７５０における車輪本体７１２では、接触面７１４は点７１５Ａにおいて走行面、即ち地面に接触、即ち当接する。回転中心７１３、即ちｃは、車輪本体７１２のために選択され、位置７５０において、車輪７１０の半径は、地面と、地面に対して平行であって、かつ回転中心７１３を通過する平面７４０Ａとの間において測定される第一の距離ｄ_ｃ１として示される（この例において、第一の距離ｄ_ｃ１は車輪本体７１２の小さい半径の一つである）。

車輪組立体７１０もカム組立体７２０を備え、カム組立体７２０はカムフォロア７２２が走行または移動するトラックを画定する（上述のように、カムフォロアは、直線スライドレールに取り付けられる）。カムフォロア平面が符号７３０で示され、カムフォロア平面は地面に対して平行であって、かつカムフォロア７２２を通過する平面であり、この平面７３０が車輪の回転によって変化しない場合に、このカムフォロア７２２に剛性的に連結された車両フレームも、一定の乗車高さに維持される（図７の場合には、乗車高さは距離ｈ_ｒｉｄｅで示されるようなカムフォロア平面の高さに一致しても、一致しなくても良い）。

図７に示されるように、車輪本体７１２は、地面上において第二位置７５２まで回転するる。この位置７５２において、接触面７１４は接触点７１５Ｂにおいて地面に接触し、車輪本体の半径はｄ_ｃ２で示されるように変化する。具体的には、平面７４０Ｂにおいて示されるように、半径ｄ_ｃ２は、第一位置、即ち先の位置における車輪半径ｄ_ｃ１より大きい。しかし、カムフォロア７２２がカム組立体７２０のカム経路において、新たな位置に移動して、カムフォロア平面７３０は地面から一定の距離ｈ_ｒｉｄｅを維持する（例えば、車輪本体の半径の大きさが増大しているにも係わらず、カムフォロア７２２は、位置７５０及び７５２において地面から同一の距離にある）。同様に、車輪本体７１２が第三位置７５６まで回転する時に、回転中心７１３は、平面７４０Ｃで示されるように、地面からさらに遠い第三距離（即ち車輪半径）ｄ_ｃ３だけ離間した位置にある。

しかし、カムフォロア７２２は、カムフォロア平面７３０が依然として地面の上方において同一の高さ（即ち、乗車高さ）ｈ_ｒｉｄｅに位置するように、カム組立体７２０によって画定されたカムトラック内を移動する。略図７００に示されるように、回転中心７１３は、変化する半径ｄ_ｃ１、ｄ_ｃ２、及びｄ_ｃ３に対応する様々な平面７４０Ａ、７４０Ｂ、及び７４０Ｃの間の高さの範囲を有するが、カムフォロア７２２は、カム７２０が車輪本体７１２の変動する半径の変化を補償するように構成されているため、一定の高さｈ_ｒｉｄｅに維持される。即ち、回転軸線７１３は垂直方向に沿って往復動するが、カムフォロアは車輪本体の接触面７１４の特定の形状のために画定されたカムトラックの形状によって往復動しない。

カム式または他の半径補償機構によって補償される形状には、ほぼ制限がない。図８は、用いられ得る車輪組立体８３０の別の実施形態を示し、組立体８３０は非円形であり、かつ二つ以上の半径を備えた車輪本体８３２を有する。示されるように、車輪本体８３２は、非円形または不規則でさえあるような（例えば、キャラクタ、又は動物の頭の形状を提供するような）接触面８３４を画定する構造的リム、即ちフレーム８３３を備える。表面８３４は、第一の比較的小さな半径Ｒ_１と（半径Ｒ_１は「凹」部に相当し、ひいては地面に接触しないため、カムを製造する際には無視される）、第二の相当大きな半径Ｒ_２とを含んだ多くの半径を画定する。本体８３２の半径Ｒ_１及びＲ_２は、形状の「中心」と一致していない（即ち、特定の場合には一致しない）選択された回転中心８３８から、構造的フレーム又はリム８３３の接触面、即ち周囲８３４まで測定される。

変化する半径を補償するために、車輪組立体８３０は、外側カム８６２と内側カム８６４との間に画定されるカムトラック又は経路８６６を備えた半径補償機構８６０を有する。カムフォロア８７８は、カム８６２と８６４との間のトラック８６６内に配置され、車輪本体８３２が回転する間、カムフォロア８７８がトラック８６６内を移動することによって、カムフォロアが、地面または走行面（又は、走行面に当接する接触面８３４上の接触点）に対して一定のカムフォロアの高さに維持される。

車輪組立体８３０から理解されるように、車輪本体８３２の外側面８３４は、本明細書に記載された概念を実施するようなほぼ任意の形状を有して良い。カム形状は、カム半径によって決まり、より小さな半径は角度をより急激にし、あるいはより極端にする。しかしながら、より重要な事項はカム半径の変化である（例えば、カムの全体の寸法は、より急激な角度を生じるようなより小さなカムによって、小さくも大きくもなり得る）。従って、車輪本体が回転する間にカムフォロアが移動するカムトラック又は経路においてより平滑な角度を生じるように、カムの半径の変化をより小さくする車輪本体の形状を選択することが望ましい。さらに、より大きなカムの寸法を選択することは、特定の場合において、対応する車輪本体の半径の著しい変化を有する時に、より平滑な曲線を作り出すために望ましい。

出願時に本発明者に知られる本発明の好適な実施形態および最良の態様を含む上述の発明が、説明用にすぎない例によって示された。本発明の精神および権利範囲から逸脱することなく、本明細書において開示された特定の実施形態から多くの修正がなされ得る。

Claims (20)

1. 車両用の車輪組立体であって、該車輪組立体は、
   少なくとも第一半径、及び前記第一半径とは異なる第二半径を有する車輪本体であって、前記第一半径および前記第二半径は前記車輪本体の回転中心から前記車輪本体の外側接触面上の第一位置および第二位置まで測定される前記車輪本体と、
   直線支持部材を備える補償機構であって、前記直線支持部材は、前記補償機構を前記車両のフレームに取り付ける第一連結具、及び前記補償機構を前記車輪本体に調節可能に連結する第二連結具を備え、前記第二連結具は前記回転中心に近接して配置され、かつ前記第一連結具から離間する前記補償機構とを備え、
   前記補償機構は、前記第一半径および前記第二半径の間において回転する前記車輪本体に応じて、前記第一連結具に対する前記第二連結具の位置を調節する直線位置決め組立体を備える車輪組立体。
2. 前記第一連結具と前記車輪本体の外側接触面との間の距離は、前記車輪本体が前記第一半径および前記第二半径の間において、前記回転中心を通過する軸線の周りに回転する時に、前記直線位置決め組立体によってほぼ一定値に維持される請求項１に記載の車輪組立体。
3. 前記直線支持部材は直線スライドレールを備え、前記第二連結具は前記直線スライドレールに摺動可能に係合する直線スライドを備え、前記直線スライドは、前記車輪本体の回転中心から延びる車軸部材によって支持される請求項１に記載の車輪組立体。
4. 前記直線位置決め組立体は、カムトラックを画定するカムとカムフォロアとを備えるカム組立体を有し、前記カムフォロアは前記回転中心から離間した位置において前記直線支持部材に剛性的に連結され、前記カムトラックは、前記車輪本体が回転する間に、前記第一連結具に対する前記第二連結具の位置を調節するように、前記第一半径および前記第二半径を有する形状に基づいて、画定される請求項３に記載の車輪組立体。
5. 前記車輪本体が前記回転中心の周りに回転する時に、前記直線位置決め組立体が、前記車輪本体の回転中心を通って測定される前記カムフォロアと前記外側接触面との間の所定の距離を維持するように、前記カムトラックは画定される請求項４に記載の車輪組立体。
6. 前記カムは前記車輪本体上に取り付けられた内側カムと外側カムとを備え、前記内側カムと前記外側カムとは、前記車輪本体が前記回転中心の周りを回転する間、前記カムフォロアが移動する前記カムトラックを画定するように離間して配置される請求項４に記載の車輪組立体。
7. 前記直線スライドレール及び前記直線スライドは、カムフォロアと、前記車輪本体の回転中心を通って延びる軸線とを通って延びる軸線に対してほぼ平行な軸線に沿って相互に対して移動するように拘束される請求項３に記載の車輪組立体。
8. 車両フレームと、
   車輪組立体とを備える車両であって、前記車輪組立体は、
   接触面を備えた車輪本体であって、回転中心と、前記接触面上の複数の点および前記回転中心の間において測定される複数の異なる半径とを有する前記車輪本体と、
   前記車両フレームを前記車輪本体に連結するための連結具と、
   前記回転中心を通過する軸線を通って測定される前記連結具および前記接触面の間のほぼ一定の距離を維持する補償機構とを備える車両。
9. 前記連結具は直線スライドレールを備え、前記車両フレームは前記直線スライドレール上の第一位置に取り付けられ、前記直線スライドレールは、前記第一位置から離間し、かつ前記回転中心に近接した第二位置において、前記車輪本体に摺動可能に係合される請求項８に記載の車両。
10. 前記直線スライドレールは、直線スライドによって前記第二位置において前記車輪本体に摺動可能に係合し、前記直線スライドは、前記回転中心において前記車輪本体を通って延びる連結部品を介して、枢動可能に取り付けられる請求項９に記載の車両。
11. 半径補償機構は、前記車輪本体の両側における前記回転中心の周りの一対のカムトラックと、各々が前記カムトラックの一方内に配置され、かつ前記連結具に取り付けられる一対のカムフォロアとを備えたカム組立体を有する請求項９に記載の車両。
12. 前記カムトラックは、前記カムフォロア用の非円形の補償経路を画定し、該補償経路は、前記連結具へのフレームの取り付け点を前記回転中心に対して移動させることによって、前記車輪本体の形状の異なる半径を補償して、ほぼ一定の距離を提供するように構成される請求項１１に記載の車両。
13. 前記連結具は、前記車輪本体の両側に設けられた一対の直線スライドレールを備え、前記補償機構は、前記車輪本体の両側に、前記回転中心を通り、前記車輪本体を通って延びた車軸部材によって支持される一対の直線スライドをさらに備え、前記直線スライドの各々は、前記直線スライドレールの側方から側方への移動を拘束する一方、前記カムフォロアが前記カムトラックに沿って移動する際に、前記直線スライドレールの直線状の相対的な移動を可能にするように、前記直線スライドレールの一方に摺動可能に係合する請求項１２に記載の車両。
14. 前記補償機構は、前記車輪本体の半径の一つを感知するセンサを備えたリニアアクチュエータ組立体を有し、該リニアアクチュエータ組立体は、前記回転中心と前記連結具との間の直線距離を調節して、前記連結具への前記車両フレームの接合位置と前記接触面との間に一定の距離を提供するように作用する請求項９に記載の車両。
15. 車両のフレームを支持するための車輪組立体であって、該車輪組立体は、
    回転中心および外側接触面を備えた非円形車輪と、
    前記回転中心に近接して配置され、かつカムトラックを画定するカムと、
    前記カムトラック上を移動するカムフォロアと、
    第一位置において前記カムフォロアに剛性的に取り付けられ、かつ前記回転中心に近接した第二位置において前記非円形車輪によって摺動可能に支持されるレールとを備え、前記カムトラックは、前記第一位置および前記第二位置の間の間隔を調節して、前記第一位置および前記外側接触面の間の距離が、前記非円形車輪の回転の際に一定となるように、前記外側接触面の形状に基づいて画定される車輪組立体。
16. 前記レールは、前記車両のフレームを前記非円形車輪に連結する連結具を備える請求項１５に記載の車輪組立体。
17. 前記レールは、前記車両のフレームに連結される時に、走行面平面に対してほぼ垂直である請求項１６に記載の車輪組立体。
18. 前記カムは前記回転中心の周りに延びる一対の内側カムおよび外側カムを備え、前記カムトラックは前記内側カムと前記外側カムとの近接した面の間に画定される請求項１５に記載の車輪組立体。
19. 半径は、少なくとも第一半径、及び前記第一半径とは異なる第二半径である請求項１５に記載の車輪組立体。
20. 前記第一位置および前記第二位置の間の間隔は、前記車輪が前記第一半径および前記第二半径の間において回転する時に、前記第一半径および前記第二半径の間の違いに基づいて、前記カムトラックの形状によって調節される請求項１９に記載の車輪組立体。

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