KR102092692B1 - 서스펜션 시스템을 갖는 휠 및 서스펜션 시스템을 갖는 중심집중 유닛 - Google Patents

Abstract

휠체어와 같은 차량에 연결될 수 있는 서스펜션 시스템을 갖는 휠은 허브(38) 및 상기 허브(38)의 차축(42) 주위로 회전할 수 있는 림(34)을 포함한다. 허브(38)와 림(34) 사이에는, 다수의 지지 부재(40)가 배치된다. 지지 부재(40)는 임계치 이하로 응력받을 때 거리를 유지하고 이 임계치 이상으로 응력받을 때 거리를 회복 가능하게 변경하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 지지 부재(40)는 지지 부재(40)가 압축 또는 신장될 경우 압축에 의해 스트로크를 감쇠시키는 스프링 요소(50)를 포함한다. 스프링 요소(50)는 예비로딩되는 것이 바람직하다.

Description

서스펜션 시스템을 갖는 휠 및 서스펜션 시스템을 갖는 중심집중 유닛{WHEEL WITH SUSPENSION SYSTEM AND CENTRALIZING UNIT WITH SUSPENSION SYSTEM}

본 발명은 서스펜션 시스템을 갖는 휠에 관한 것이다. 이러한 휠은 특히 휠체어 및 자전거와 같은 자주식(self-propelled) 차량에 사용될 수 있다. 추가로, 이들 휠은 전동식 또는 기타 동력식 차량의 휠을 구비하는 임의의 회전 가능한 매스의 서스펜션 용으로 사용될 수도 있다. 추가로, 본 발명은 서스펜션 시스템을 포함하는 중심집중(centralizing) 유닛에 관한 것이며, 이 중심집중 유닛은 본 발명에 따르면 휠의 부분일 수 있다.

회전 매스는 접촉하는 표면으로부터의 충돌과 내력 및/또는 외력으로 인해 진동과 충격을 받는 경향이 있다. 일 예는 휠이 온전히 매끄럽지 못한 표면 상에서 일정 거리를 이동할 때의 휠의 진동 운동이다. 전동차 및 기타 차량은 통상 그 섀시 또는 기타 관련 부분을 초기 고장으로부터 보호하기 위해서 뿐만 아니라 탑승자에게 불쾌한 조건을 회피하기 위해서 번거로운 서스펜션 시스템을 구비하고 있다.

대부분 스프링과 스프링 요소를 구비하는 서스펜션 시스템은 보통 일 단부에서 기계 또는 차량의 정지 부분에 연결되며, 회전 매스 또는 회전자에 안정적인 회전축을 제공하는 차축(axle) 등의 요소와 직접 접촉된다. 예를 들어, 거친 표면 위를 달리는 휠은 축방향, 수직 및 기타 힘(예를 들면, 충돌 및/또는 진동)을 차축에 전달할 것이며, 이는 차축과 섀시 사이에 설치될 수 있는 서스펜션 수단을 이용하여 부분적으로 흡수되고 감소될 것이다. 휠 내부에 서스펜션 기구를 제공하기 위한 여러가지 시도가 공지되어 있다.

근년에는 투자된 인력이 최소한의 에너지 손실로 차량의 이동으로 변환되는 보다 효과적인 자주식 차량이 증가하는 추세에 있다. 현대식 휠체어 및 자전거는 가벼운 구성 요소, 강도-무게 비율이 개선된 휠 구조물, 롤링 저항을 최소화하도록 설계된 타이어 등을 포함한다. 또한 대다수의 라이더들은 특히 사실상 매끄러운 표면 위를 달릴 때나 및/또는 오르막을 달릴 때, 및 가속, 감속 또는 조종 시에 소프트한 라이딩보다는 강직하거나 반응성있는 라이딩을 느끼기를 선호한다. 서스펜션이 실행될 때, 제조업자는 대개 사용자의 동적 선호도와 더불어 생리학적 요건과 개선된 안락 요건 사이에서 얼마간의 허용된 타협점(tradeoff)을 찾는다.

GB 2 188 596호에 의하면, 휠체어의 휠에 탄성 스포크를 제공하는 것이 공지되어 있다. 이들 스포크는 충돌로 인해 휘어질 수 있도록 비-반경방향으로 배치된다. 이 휠은 스포크의 고응력으로 인해 스포크가 파괴될 수 있다는 잠재적 결점을 갖고 있다.

휠 내부에 실행 서스펜션 기구를 갖는 다른 휠이 DE 10 2005 032 537호에 공지되어 있다. 이 차바퀴는 유압식 댐퍼를 포함하는 반경방향으로 설치된 스포크를 갖는다. 이러한 댐퍼의 사용의 잠재적 단점은 댐퍼 압축에 의한 감쇠(damping) 특징이 댐퍼 신장에 의한 감쇠 특징과 다르다는 것이다. 휠은 다수의 규칙적으로 설치된 댐퍼를 갖기 때문에, 압축되는 댐퍼와 대향하여 배치되는 댐퍼는 신장되어야 한다. 상이한 감쇠 특징으로 인해, 휠의 회전이 불균일해진다. 추가로, DE 10 2005 032 537호에 기재된 댐퍼는 예비로딩될 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 매끄럽고 균일한 감쇠 시스템을 갖는 휠, 특히 휠체어 또는 자전거와 같은 자주식 차량용 휠을 제공하는 것이다.

상기 및 기타 목적은 청구항 1에 따른 휠, 및 청구항 26에 따른 중심집중 유닛에 의해서 해결된다.

본 발명은 정상 상태에 있을 때 림과 동심 관계에 있는 허브를 갖는 휠을 구비하는 임의의 회전 가능한 매스에서 관련 또는 실행될 수 있다.

본 발명에 따른 휠은 차량, 특히 휠체어 등과 같은 자주식 차량, 또는 차, 오토바이 등과 같은 기타 차량에 연결되거나 연결될 수 있다. 휠은 차축을 포함하거나 차축에 연결될 수 있는 허브를 갖는다. 이 허브는 베어링을 포함할 수 있으며, 따라서 특히 베어링의 내부 링이 차축에 연결될 수 있다. 추가로, 휠은 차축 주위로 회전할 수 있는 림을 포함한다. 림은 특히 휠 림, 타이어, 허브, 베어링 외부 링 등을 포함할 수 있다. 허브와 림 사이에는, 적어도 하나의, 특히 다수의 지지 부재가 배치된다. 지지 부재는 통상 정지 부재와 림 사이에 고정된 거리를 제공하고 있다. 본 발명에 따르면, 지지 부재는 임계치 이하로 응력받을 때 이 거리를 유지하고 이 임계치 이상으로 응력받을 때 이 거리를 회복 가능하게 변경하도록 구성된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 지지 부재의 이 기능은 지지 부재의 부분이거나 지지 부재를 구성하는 스프링 부재에 의해 유도된다. 스프링 부재는 압축시에 기계적 에너지를 저장하고, 바람직한 예시적 실시예에서 스프링 부재는 소정의 임계치로 예비로딩되며, 따라서 임계치보다 큰 압축력으로만 압축된다. 일부 실시예에서, 스프링 부재는, 스프링 부재의 크기 변경 중에만 또는 필요에 따라 그 압축 도중에만 효과적으로 작동할 수 있는(예를 들어, 운동 에너지를 흡수하거나 소실시키는) 댐퍼를 구비하거나 또는 댐퍼에 결합되거나 기능적으로 링크된다. 일부 실시예에서, 스프링 부재는 지지 부재가 압축될 경우와 지지 부재가 신장될 경우에 스포크에 의해 양 방향으로 압축된다. 지지 부재의 압축 또는 신장과 무관하게 스프링 부재를 압축함으로써, 동일한 감쇠 특징이 선택적으로 부여된다. 따라서, 본 발명은 특히 허브와 림 사이에 배치되는 다수의 지지 부재를 갖는 휠이, 바람직하게 소정 임계치 이상 규모의 스트로크 또는 충격에서만 스무스하게 감쇠될 수 있다는 장점을 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예 내에서, 지지 부재는 상호 슬라이드 가능하게 연결되는 두 개의 종방향 요소를 포함한다. 두 개의 종방향 요소는 필요에 따라 두 개의 실린더로 구성되거나, 하나의 실린더와 하나의 로드로 구성되며, 하나의 내부에 다른 하나가 배치된다. 종방향 요소들의 서로에 대한 상대 이동이 스프링 요소 및/또는 댐퍼를 압축시키도록 스프링 요소 및/또는 댐퍼는 두 개의 종방향 요소 내에 및/또는 그 사이에 배치될 수 있다.

일부 실시예에서, 스프링 요소 및/또는 댐퍼의 양 단부 부분은 두 개의 종방향 요소 중 하나에 연결되며, 따라서 경우에 따라서 스프링 요소의 양 단부 부분은 내부 종방향 요소에 연결된다. 이 바람직한 실시예에서, 스프링 요소는 외부 종방향 요소를 둘러싼다. 다른 바람직한 실시예에서, 연결은 스프링 요소의 양 단부 부분이 외부 종방향 요소에 연결되도록 반대로 되며, 따라서 스프링 요소는 바람직하게 내부 종방향 요소 내부에 배치된다.

일부 이러한 선택적 실시예에서, 고정 요소는 스프링 요소 및 내부 또는 외부 종방향 요소의 단부 부분에 연결된다. 이들 트랙(tracked) 슬라이딩 요소는 바람직하게 양 종방향 요소에 설치되는 종방향 슬릿을 통해서 이동하는 것이 바람직하다. 댐퍼의 감쇠 또는 이동 방향으로 향하고 있는 이들 종방향 슬릿의 외부 단부는 댐퍼의 스토퍼이다. 댐퍼가 바람직하게 예비로딩되면, 양 트랙 슬라이딩 요소는 예비로딩에 의해 초래되는 댐퍼의 힘으로 인해 종방향 슬릿의 외부 단부에 대해 가압된다.

트랙 슬라이딩 요소는 내부 또는 외부 종방향 요소에 스프링 요소를 연결하며, 바람직하게 핀형 형상을 갖는다.

스프링 요소는 스프링을 구비할 수 있으며, 경우에 따라서 코일 압축 스프링 또는 공압식이거나 유압식인 피스톤 스프링을 구비할 수 있다. 피스톤 타입 스프링의 경우에, 스프링 요소는, 예를 들어 유동성 매체가 운동 에너지를 유체 마찰에 의해 열로 변환하는 식으로 스트로크 중에 통과할 수 있도록 적어도 하나의 미세 구멍이 그 피스톤 부재에 제공되면 감쇠 기능도 가질 수 있다. 댐퍼는 경우에 따라서 유압 실린더 타입[예를 들면, "대시포트(dashpot)"]인, 라이너 또는 회전식의 별개 부재, 또는 솔리드 부품 사이의 건식 마찰로 작동하는 기계식 댐퍼, 히스테리시스 타입 댐퍼(예를 들면, 금속 또는 폴리머 압축 구조물)일 수 있다.

추가로, 다수의 지지 부재는 경우에 따라서 허브에 비-반경방향 방식으로 연결된다. 따라서, 휠의 하부 설치된 지지 부재에 대한 충돌에 의해 초래되는 압축력은 휠의 차축에 직접 전달되지 않을 것이지만, 적어도 부분적으로 휠의 차축 주위로 안내되어 상부 위치에 설치된 지지 부재의 신장을 초래할 것이다. 이러한 비-반경방향 구조는 지지 부재와 내부 스프링 요소 및/또는 댐퍼의 증가된 스트로크 길이와 전체 안정성 및/또는 전체 구조물 강도의 증가를 포함하는 몇 가지 장점을 갖는다. 추가로, 허브가 림에 대한 동심도로부터 이탈하고 서스펜션이 작동될 때, 상호연결되는 지지 부재의 비-반경방향 구조는 허브가 림에 대해 그 축 주위로 회전하게 하며, 따라서 특히 피스톤 타입 스프링 요소 및/또는 댐퍼는 예를 들어 변환력(altering force)이 스트로크 시작 시에 그것에 직교할 경우 잠재적 "점착(sticking)" 현상을 회피할 것이다.

따라서, 실시예에서, 허브는 특히 반경방향으로 배치된 아암을 포함하며, 따라서 지지 부재는 이들 아암의 외부 단부 부분에 연결된다.

경우에 따라서, 지지 부재는 휠의 허브 및/또는 회전 가능한 부재에 피봇 연결된다.

일 실시예에서, 지지 부재는 이웃하는 지지 부재의 간격이 동일하도록 허브 주위에 대칭적으로 배치된다.

다른 실시예에서, 두 개의 지지 부재가 한 쌍의 지지 부재를 형성하며, 따라서 여러 쌍의 지지 부재가 제공되어 허브 주위에 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다. 이 실시예에서, 허브의 아암의 단부 부분은 두 개의 돌출부를 가지며, 각각의 돌출부에 지지 부재가 연결되는 것이 바람직하다. 상이한 아암의 단부 부분과 연결되는 두 개의 지지 부재가 한 쌍의 지지 부재를 형성한다. 이 지지 부재 쌍의 두 개의 지지 부재는 허브의 차축과 림 사이의 반경방향 라인에 대해 대칭적으로 배치된다.

본 발명의 일부 실시예에서, 차량은 예를 들어 휠체어 또는 자전거와 같은 자주식 차량이다. 일부 실시예에서, 휠은 휠체어에서의 뒷바퀴이다. 일부 다른 실시예에서, 휠은 차량으로부터 돌출하는 적어도 두 개의 차축 주위로 고정적으로 회전 가능한 캐스터(caster)를 구비한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 허브는 차축, 캐스터 하우징, 및 베어링 내부 링 중 적어도 하나를 구비한다. 일부 실시예에서, 림은 타이어, 휠 림, 허브 셸, 포크(fork), 및 베어링 외부 링 중 적어도 하나를 구비한다.

본 발명의 일부 실시예에서, 임계치는 휠에 의해 흡수되는 최소 충격 규모에 관련된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 임계치는 휠에 의해 흡수되는 최소 진동 규모에 관련된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 임계치는 휠에 의해 흡수되는 최대 진동 규모에 상호 관련된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 임계치는 휠에 의해 흡수되는 최대 진동 주파수에 상호 관련된다.

추가로, 일부 다른 실시예의 양태에서, 본 발명은 경우에 따라서 서스펜션 시스템을 포함하는 중심집중 유닛에 관한 것이다. 서스펜션 시스템은 적어도 하나의 지지 부재를 포함한다. 이 지지 부재는 휠의 바람직한 실시예를 고려하여 전술한 외부 종방향 요소 및 내부 종방향 요소를 갖는다. 특히, 외부 종방향 요소는 내강(lumen)을 구비하며, 두 개의 슬롯, 상부 외측 슬롯 및 하부 외측 슬롯을 포함한다. 또한, 외부 종방향 요소의 내강 내에서 슬라이드 가능한 내부 종방향 요소 역시 두 개의 슬롯, 상부 내측 슬롯 및 하부 내측 슬롯을 포함한다. 두 개의 상부 슬롯과 두 개의 하부 슬롯의 각각에는 슬라이딩 핀이 배치된다. 두 개의 슬라이딩 핀 사이에 스프링 요소가 배치되고 양 핀에 연결된다. 슬롯은 두 개의 종방향 요소 사이의 중심 상대 위치에서 상부 핀과 하부 핀이 스프링에 의해 최대 거리로 압입되도록 크기형성 및 배열된다. 종방향 요소 사이의 임의의 비-중심 상대 위치에서, 핀은 최대 거리보다 작은 거리로 상호 접근하도록 강요되며, 따라서 두 개의 핀 사이에 설치된 스프링을 압축한다.

스프링 요소는 공칭 길이(nominal length)가 스프링의 비응력상태(non-stressed) 길이보다 작도록 예비로딩되는 것이 바람직하다.

중심집중 유닛의 바람직한 실시예에서, 중심집중 유닛은, 그 제 1 부분에서 제 1 지지 부재에 연결되고 균등하게 변위된 그 제 2 부분에서 제 2 지지 부재에 연결되는 중심 부재를 포함한다. 바람직하게, 제 3 지지 부재가 중심 부재에 연결되며, 따라서 다수의 지지 부재가 균등하게 변위된다. 지지 부재는 바람직하게 동일하다. 두 개의 지지 부재를 갖는 중심 부재의 로딩은 하나의 지지 부재를 신장시키고 다른 지지 부재를 압축시킬 것이며, 따라서 두 개의 지지 부재의 양 스프링 요소는 그 누적 압축력이 로딩에 저항하도록 압축된다. 지지 부재가 신장되어도 스프링 요소가 압축되는 동일한 원리는 다수의 지지 부재가 특히 중심 부재 주위에 대칭적으로 배치될 경우에 발생한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른, 이동 중에 상이한 장애물이 예상되는 휠체어 및 휠의 개략 측면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른, 다수의 스포크 타입 선택적 서스펜션 부재를 포함하는 예시적 휠의 도시도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예의 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 상이한 감쇠 상황에서의 도 3에 도시된 휠 내에 사용되는 스프링 요소의 측면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 쌍방 스프링 기구의 도시도이다.

하기의 바람직한 실시예는 설명 및 이해를 쉽게 하기 위해서 휠체어 또는 기타 형태의 자주식 차량 용도의 예시적 서스펜션 기구와 관련하여 기술될 수 있다. 그러나, 본 발명은 특정하게 기술된 장치에 한정되지 않으며, 본 발명의 전체 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 용도에 적응될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 개념을 포함하는 장치는 전동차 또는 다른 동력식 차량의 휠을 구비하는 임의의 회전 가능한 매스의 서스펜션 용으로 사용될 수 있다.

통상의 서스펜션 시스템은 차량에 대해 감속 및/또는 바람직하지 않은 진동을 초래하는 방해물과 장애물을 흡수하도록 및/또는 휠이 지면을 따르고 지면과의 접촉 또는 파지의 손실을 방지하는데 도움이 되도록 구성된다. 그렇게 하는데 있어서, 서스펜션 시스템은 에너지를 유효 운동 에너지로 변환될 수 있게 하는 것을 포함하여 흡수 및/또는 소실시키도록 구성된다. 또한, 통상의 서스펜션 시스템(예를 들면, 금속 스프링, 완충재 및 엘라스토머와 같은 부분을 포함)은 화려하거나 부드러운 느낌을 초래하는 바, 이는 많은 사용자들에게 바람직하지 않은 불안정감을 초래할 수 있다.

이들 및 기타 고려사항에 응답하기 위해서, 본 발명은 흡수되는 방해 또는 요동의 형태 및/또는 정도에 따른 선택적 반응(또는 비반응) 수단을 제공하거나 구비한다.

이제 도면을 참조하면, 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른, 이동 중에 상이한 장애물이 예상되는 휠체어(10) 및 뒷바퀴(11)의 개략 측면도이다. 휠(11)과 같은 두 개의 뒷바퀴의 조합 이외에, 휠체어(10)는 시트(12)와 한 쌍의 캐스터(13)를 추가로 구비한다. 도 1a에서, 휠체어(10)는 높이(x)를 갖는 단차부 또는 연석 하강부(curb descent)(21)뿐 아니라 포장 도로면 상의 타일 갭 또는 홈과 같은 다수의 오목부(22)를 포함하는 도로(20)를 따라서 이동한다.

높이(x)는 보도 연석의 경우에 약 10 cm 이상일 수 있거나, 또는 표준 계단 단차부의 경우에 15cm 이상일 수 있다. 한편 오목부(22)는 3 cm 미만, 보통 약 1 cm의 높이를 갖는다. 일부 실시예에서, 본 발명의 서스펜션 시스템은 상이한 높이로부터의 낙하들, 예를 들어 1 cm 이하, 경우에 따라서 3 cm 이하로부터의 낙하 및 1 cm 이상, 경우에 따라서 3 cm 이상, 경우에 따라서 5 cm 이상, 또는 그보다 높거나 낮거나 그 중간인 높이로부터의 낙하를 선택적으로 식별하기 위한 수단을 구비한다. 또한, 선택적 식별은 예를 들어 3 cm 이상 10 cm 이하와 같은, 낙하 또는 요동의 범위에 적용될 수 있다.

휠체어(10)는 전방을 향한 단차부(21) 근처에서 그 전방 단부가 상방으로 기울어지고["후륜주행(wheelie)"을 수행하는 것으로 주지됨] 뒷바퀴(들)(11) 주위로 피봇되는 상태로 이동 중인 것으로 도시되어 있으며, 이는 단차부를 타고 넘어갈 때 도우미에 의해서 또는 휠체어 사용자 본인에 의해서 수행되는 관행이다. 경사각은 0 내지 40°일 수 있으며, 경우에 따라서 그보다 높을 수 있다. 이러한 경사 조종은 휠체어와 지면의 충돌 각도를 변경시키며, 효과적인 서스펜션 기구를 설계할 때 고려되어야 한다. 일부 실시예에서, 본 발명의 서스펜션 시스템은 상이한 충돌 각도에서의, 경우에 따라서 적어도 -10°내지 10°, 경우에 따라서 -30°내지 30°, 경우에 따라서 -60°내지 60°의 각도 범위에서의 낙하를 효과적으로 완충시키도록 구성된다. 또한, 일부 경우에는 낙하가 반대로 일어날 수 있는 바, 이는 전방 캐스터가 아직 상부 플랫폼 상에 있는 동안 뒷바퀴가 먼저 나가서, 대략 20°미만이지만, 경우에 따라서 그보다 높은 가벼운 "상승(nose up)" 각도가 발생함을 의미한다.

도 1b는 휠(11)(단지 설명의 용이함을 위해서 독자적으로 도시됨)이 상당한 높이의 범프(31)에 이어서 상당히 얕은 험로(32)를 포함하는 경로(30)를 따라서 이동하는 제 2 예증 시나리오를 도시한다. 일부 실시예에서, 본 발명의 서스펜션 시스템은 상이한 높이의 범프들을 선택적으로 식별하기 위한 수단을 구비하며, 예를 들면 0.5 cm 이상, 경우에 따라서 1 cm 이상, 경우에 따라서 3 cm 이상의 범프를 완충시킬 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이러한 수단 또는 기타 수단은 범프의 서스펜션을 휠 반경보다 높이가 낮게, 경우에 따라서 그 반경보다 3/4 낮게, 경우에 따라서 그 반경보다 1/2 낮게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이러한 수단 또는 기타 수단은, 경우에 따라 차량의 속도에 따라서 가속 충돌 크기 및/또는 주파수에 의해 식별되는 차량의 및/또는 휠의 진동을 초래하는 도로 형태[예를 들면 도로(32)와 같은 험로]를 식별할 수 있다. 일부 이러한 실시예에서, 서스펜션 선택성은 또한 정해진 허용 하중(예를 들면 휠체어와 사용자의 혼합 중량)에 기초하거나 정해진 허용 하중 범위에 기초하며, 따라서 이러한 조건이 충족될 경우에만 서스펜션 시스템은 이러한 소정의 낙하 높이들을 정확히 식별할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 서스펜션 시스템은 휠체어의 두 개의 뒷바퀴에 제공될 수 있으며, 휠체어와 휠체어 사용자의 혼합 중량이 예를 들어 40 Kg 내지 120 Kg, 또는 경우에 따라 50 Kg 내지 100 Kg, 또는 경우에 따라 60 Kg 내지 80 Kg, 또는 경우에 따라 약 70 Kg 또는 그 이상 또는 그 이하 또는 중간 값인 경우에 서스펜션 시스템이 40 mm 이하, 경우에 따라 20 mm 이하, 경우에 따라 10 mm 이하, 경우에 따라 5 mm 이하, 경우에 따라 2.5 mm 이하의 높이, 또는 그 이상 또는 그 이하 또는 중간 값인 높이의 낙하에 기인하는 충격으로 작동하지 않도록 제공 및 예비설정될 수 있다.

이제 본 발명의 제 1 실시예에 따라 다수의 스포크 타입 선택적 서스펜션 부재(740)(또는 760)를 포함하는 예시적 휠(700)을 도시하는 도 2a 내지 도 2c를 참조한다. 휠(700)은 타이어(720)를 착용하는 림(710), 허브(730), 및 상기 림(710)과 허브(730) 사이에 대칭적으로 균등하게 분포되어 이들 사이를 연결하는 다수의 부재(740)를 구비한다. 일부 실시예에서, 부재(740)는 허브(730)와 림(710)에서의 접촉 구역[예를 들면, 플랜지(715)] 사이에서 임계 크기 미만의 압축력 하에 고정 거리를 지지한다. 경우에 따라서, 부재(740)는 림(710)의 원주를 유지하지 않거나 이를 부분적으로만 지지하며, 따라서 이는 경우에 따라서 이전에 도시된 림에 대해 신장하여 제공된다.

일부 실시예에서, 허브(730)는, 차축을 사용하여 섀시(예를 들면, 휠체어의)에 장착될 수 있는 베어링(도시되지 않음)을 수용하고 관통 보어(738)를 갖는 중심 라운드형 부분(736)을 구비한다. 허브 중심(736)으로부터 세 개의 외측 반경방향 연장부(734)가 유래하고; 각각의 반경방향 연장부(734)는 만곡 연장되는 헤드(732)에서 종료되며; 각각의 만곡 연장되는 헤드(732)는 두 개의 외측부를 구비하고; 각각의 외측부는 부재(740)의 내측 연결부(742)에 힌지 연결된다. 부재(740)는 플랜지(715)에서 림(710)에 힌지 연결되는 외측 연결부(746)를 구비한다. 각각의 부재(740)는 원통형 하우징(745) 내에서 슬라이딩 가능한 피스톤(741)을 구비한다. 피스톤(741)과 하우징(745) 양자는 그 종축을 따라서 이 종축에 평행하게 제공되는 선형 슬롯(744, 748; 각각)을 구비하며, 각각은 대응 슬롯 내에서 슬라이딩 가능한 가동 핀(743, 747; 각각)[슬롯(748) 내의 핀(743)과 슬롯(744) 내의 핀(747)]을 구비한다. 예비로딩된 압축 스프링(preloaded compression spring: 750)이 핀(743, 747) 사이에 연결 제공된다. 스프링(750)이 (예비로딩에 따라) 소정의 임계치 하에서 완전히 이완되거나 압축될 때 이 스프링은 핀(743, 747)을 정상 고정된 거리에 유지한다. 피스톤(741)과 하우징(745)이 소정의 임계치 이상인 압축 응력 또는 신장 응력을 받을 때, 핀은 종국에 근접 이동하여 스프링(750)을 압축한다. 감쇠 부재(도시되지 않음)도 제공될 수 있으며 이 감쇠 부재는 스프링(750)의 수축 운동에 평행하게 작용하도록 구성된다. 부재(760)는 부재(740)를 대체할 수 있는 대안 설계이며, 이는 유사한 품질을 보존하는 한편으로 코일 스프링(750) 대신에 가스 스프링(770)에 기초한다. 마찬가지로, 부재(760)가 임계치를 초과하는 응력에서 신장 또는 수축될 때, 가스 스프링(770)은 압축되도록 강요될 것이다. 일부 실시예에서, 가스 스프링(770)은 당업계에 알려져 있듯이 감쇠 능력을 갖는다.

도 3 및 도 4a 내지 도 4c에는, 차량, 특히 휠체어에 연결될 수 있는 휠의 바람직한 제 2 실시예가 도시되어 있다. 휠(10)은 타이어(36)를 지지하는 림(34)을 포함한다. 림(34)은 세 개의 지지 부재(40)에 의해 허브(38)에 연결된다. 허브(38)에는 차축(42)이 제공되며, 본 실시예에서 차축은 베어링(44)에 의해 둘러싸인다. 베어링(44)의 내부 링은 차축(42)에 고정되며 베어링(44)의 외부 링은 세 개의 아암(48)을 갖는 연결 부재(46)에 고정된다. 아암(48)은 특히 차축(42)에 대해 반경방향으로 배치된다. 지지 부재(40)는 휠 내에 반경방향으로 배치되지 않도록 아암(48)의 외부 단부 부분에 연결된다.

스트로크 등을 감쇠시키기 위해서, 지지 부재(40)의 길이가 변경되어 스트로크를 감쇠시킨다.

도 4a 내지 도 4c에서, 지지 부재(40)는 상이한 감쇠 상황에 있는 것으로 도시되어 있다.

정규 정상 상황[즉, 허브(38)가 림(34)과 동심적인 상황]에서, 지지 부재(40)의 각각은 중심집중되며, 압축 또는 신장되지 않고, 그 안에 제공되는 스프링(50)은 실질적으로 예비로딩된다(예를 들면, 그 비응력상태 길이보다 실질적으로 작은 길이로 압축 유지된다).

지지 부재는 두 개의 종방향 요소(52, 54)를 포함하며, 원통형 요소(54)가 내부 원통형 요소(52)를 둘러싼다. 따라서, 두 개의 종방향 요소(52, 54)를 종방향(56)으로 서로에 대해 이동시킬 수 있다. 내부 종방향 요소(52) 내에 댐퍼(50)가 설치된다. 스프링(50)은 실린더(60) 내에 설치되는 피스톤(58)을 포함한다. 실린더(60)는 예를 들어 압축 가스 또는 오일로 충전된다. 명목 위치에서 핀(62)이 스프링이 이미 임계치로 압축되도록 이격되기 때문에 스프링(50)은 예비로딩된다. 임계치 이상에서만, 스프링은 추가로 압축될 수 있다. 스프링(50)의 단부 부분들, 즉 실린더(60) 및 로드(58)의 단부 부분들은 각각 핀형 트랙 슬라이딩 요소(62)에 연결된다. 핀형 트랙 슬라이딩 요소는 내부 종방향 요소(52)의 슬릿(64) 및 외부 종방향 요소(54)의 슬릿(66)을 통해서 이동한다. 슬릿(64, 66)으로 인해, 두 개의 종방향 요소(52, 54)의 이동이 가능하다. 슬릿 길이는 이러한 상대 이동에 한계를 제공하며, 그 이상에서 핀(62)은 이동하도록 강요된다.

도 4b에 도시하듯이, 혼합 작용력(F, -F)은 지지 부재(40)를 압축한다. 로드(58)가 실린더(60) 내로 가압되어 실린더(60) 내의 공기를 압축하는 사실로 인해 힘이 스프링(50)을 작동시키고 압축시킨다. 경우에 따라서 및 추가적으로, 스프링(50)은, 힘 작용에 의해 부여되는 운동 에너지의 일부가 소실되고 스트로크가 흡수되도록 댐퍼로서 작용한다. 또한, 좌측 트랙 슬라이딩 요소(62)는 좌측 슬릿(64, 66) 내에서 이동된다. 우측 트랙 슬라이딩 요소(62)는 적소에 유지된다.

일부 실시예에서, 본 발명에 따라 셀프-서스펜디드(self-suspended) 휠 또는 중심집중 유닛에 적어도 하나의 지지 부재가 있을 때, 적어도 제 2 지지 부재는 경우에 따라서 동일한 정도로, 경우에 따라서 상이한 정도로 신장된다. 일부 이러한 실시예에서, 양 지지 부재에 설치된 스프링 및/또는 댐퍼는 제 1 지지 부재 압축 및 제 2 지지 부재 신장 중에 압축되어야 하며, 따라서 양 스프링 및/또는 댐퍼는 전체 기계적 에너지 저장 및/또는 감쇠에 각각 기여한다. 이제 지지 부재(40)가 힘(F)에 의해 신장되는 것을 보여주는 도 4c를 참조한다. 본 발명에 따르면, 스프링(50)이 압축되는 바, 즉 로드(58)는 예를 들어, 지지 부재(40)가 신장되어도, 실린더(60)에 제공된 가스를 압축한다. 이것은, 이 경우에 좌측 트랙 슬라이딩 요소(62)가 정상 위치(도 4a)에 비해서 위치 유지되고 따라서 우측 트랙 슬라이딩 요소(62)가 도 4c에서 좌측으로 이동되는 사실로 인해 가능하다. 이 이동은 우측 트랙 슬라이딩 요소(62)가 외부 종방향 요소(54)의 슬릿(66) 내부의 좌측으로 이동될 수 있기 때문에 가능하며, 따라서 이 이동은 내부 종방향 요소(52)를 도 4c에서 좌측으로 이동시킴으로써 초래된다.

본 발명에 따른 중심집중 유닛은 세 개의 지지 부재(40)에 연결되는 중심 부재(48)를 포함할 수 있고, 따라서 중심 부재(48)는 반드시 허브에 연결될 필요가 없으며 지지 부재(40)는 반드시 림에 연결될 필요가 없다(예를 들면, 도 3 참조).

쌍방 스프링 기구의 원리 메커니즘 배경은 이하에서 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 기술된다.

사실상, 선형 탄성 규칙을 고수하는 코일 스프링과 같은 무한 스프링은 소요 힘에 대한 압축 비율(보통 'k' 또는 스프링 상수로 지칭됨)과 거의 동일한, 소요 힘에 대한 신장 비율을 나타낼 것이다.

따라서, 이러한 스프링이 인장 스프링으로서 및 압축 스프링으로서 작동할 수 있으면, 그 거동은 도 5a의 그래프에 도시되어 있다.

대부분의 서스펜션 시스템에서, 스프링은, 스프링이 임의의 시점에서 자유로워지는 것을 방지하고 그로인해 압축력 하에 있지 않은 동안 스프링의 원치않는 운동을 감소시키기 위해 압축 예비로드의 일부에 의해 설치된다(도 5b의 그래프 참조).

예비로딩된 스프링이 본질적으로 일 방향으로 응력을 받기(예를 들면, 압축되기) 때문에, 이것이 반대 방향으로 이동(예를 들면, 신장)하는 경향도 있으면 예비로딩 기능은 효과적이지 못할 것이다.

따라서, 시스템을 특정 거리(예를 들면 2 cm) 압축하는 것은 특정 크기의 힘을 필요로 할 것이지만, 시스템을 동일 거리 신장하는 것은 힘을 덜 필요로 할 것이다.

본 명세서에 제공된 내용은 쌍방 서스펜션 또는 중심집중 유닛을 가능하게 하며 두 개의 이러한 기구(또는 서브-시스템)가 도 5b에 도시된 그래프의 거울 이미지를 위해서 반대 방향으로 설치될 필요성을 경감시킨다.

대칭적인 예비로딩된 스프링 시스템이 실시될 때, 압축 및 신장은 도 5c에 도시하듯이, 그 각각의 방향으로 동일한 힘을 생성하는 한편으로, 양 방향으로 예비로딩 기능을 가능하게 한다.

순환성 또는 주기적 요동을 취급하는 다른 적용은 반대 방향으로 설치된 두 개의 시스템을 사용해야 하지만, 이러한 "거울형(mirrored)" 스프링 시스템은 단일 스프링 요소를 사용하는 쌍방향 임계치 및 대칭 서스펜션 반응과 같이, 일-방향 스프링으로는 불가능한 여러가지 이점을 가능하게 한다.

쌍방향 임계치의 원칙은, F_min과 같은 특정 크기 이상의 힘이 시스템에 가해지지 않는 한, 임의의 방향으로의 이동을 방지하는 것으로 기술될 수 있다. 이 셋업에서, F_min보다 낮은 임의의 방향으로의 일체의 힘은 스프링의 일체의 이동을 유도하지 않을 것이며, F_min보다 높은 힘만 스프링을 (일체의 특수한 압입/견인 연결체 없이) 양 방향으로 k 비율로 이동시킬 것이다.

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26. 적어도 하나의 지지 부재(40, 740)를 갖는 서스펜션 시스템을 포함하는 중심집중 유닛에 있어서,
    내강(lumen)을 둘러싸고 상부 외측 슬롯(66)과 하부 외측 슬롯(66)을 포함하는 외부 종방향 요소(54);
    상기 내강 내에서 슬라이드 가능하고 상부 내측 슬롯(64)과 하부 내측 슬롯(64)을 포함하는 내부 종방향 요소(52);
    상부 외측 슬롯(66)과 상부 내측 슬롯(64)에 제공되는 상부 슬라이딩 핀(62);
    하부 외측 슬롯(66)과 하부 내측 슬롯(64)에 제공되는 하부 슬라이딩 핀(62);
    그 상단부에서 상기 상부 슬라이딩 핀(62)에 연결되고 그 하단부에서 상기 하부 슬라이딩 핀(62)에 연결되는 스프링 요소(50)를 포함하며;
    상기 슬롯(64, 66)은, 상기 지지 부재가 압축되지도 신장되지도 않을 때 상부 슬라이딩 핀(62)과 하부 슬라이딩 핀(62)이 상기 스프링 요소(50)에 의해 최대 거리로 압입되도록 크기형성 및 배열되며;
    상기 지지 부재가 압축될 때 상기 상부 슬라이딩 핀(62)과 상기 하부 슬라이딩 핀(62)은 상기 최대 거리보다 작은 거리로 상호 접근하도록 강요되어 그 사이에서 상기 스프링 요소(50)를 압축하는 것을 특징으로 하는
    중심집중 유닛.
27. 제 26 항에 있어서,
    상기 스프링 요소(50)는 상기 최대 거리에 있을 때 공칭 길이를 가지며, 상기 공칭 길이는 그 비응력상태 길이보다 작은 것을 특징으로 하는
    중심집중 유닛.
28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    중심 부재(38)를 포함하며,
    상기 중심 부재(38)는, 상기 중심 부재(38)의 제 1 부분에서 제 1 지지 부재(40)에 연결되고, 균등하게 변위된 제 2 부분에서는 상기 제 1 지지 부재(40)와 거의 동일한 제 2 지지 부재(40)에 연결되며;
    상기 중심 부재(38)를 소정 임계치보다 큰 크기로만 로딩하면 상기 제 1 지지 부재(40)가 신장되고 상기 제 2 지지 부재(40)가 압축되게 하여, 상기 제 1 지지 부재(40)의 제 1 스프링 요소(50)와 상기 제 2 지지 부재(40)의 제 2 스프링 요소(50) 양자는 그 누적 압축력이 상기 로딩에 저항하도록 압축되는 것을 특징으로 하는
    중심집중 유닛.
29. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 스프링 요소(50) 또는 지지 부재(40)는 스프링 요소(50) 압축 시에 적어도 부분적으로 운동 에너지를 소실시키는 것을 특징으로 하는
    중심집중 유닛.
    

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