KR20150028268A - 연장 가능한 휠 조립체의 다축 캐스터 각도 제어 시스템 - Google Patents

연장 가능한 휠 조립체의 다축 캐스터 각도 제어 시스템 Download PDF

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존 빅터 가노
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존 빅터 가노
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Abstract

휠(10), 적어도 하나의 하부 현수 링크(20)와 하나의 상부 부분(30), 캐스터 각도(α)를 조정하도록 배치되는 캐스터 조정 수단(35)을 포함하며, 상기 휠(10)은 피봇 라인(90) 둘레로 차량을 조종하기 위해 360°회전하도록 배치되며, 지면(100)과 휠(10) 간의 접촉 지점을 통과하는 수직축을 포함하는 수직 투영면 상으로 피봇 라인(90)의 투영이 수직축에 대한 캐스터 각도를 형성하는 차량용 휠 조립체에 있어서, 상부 부분(30)의 위치는 제1 자유도 및 제2 자유도를 따라 차량에 대해 상대적으로 이동 가능하다.

Description

연장 가능한 휠 조립체의 다축 캐스터 각도 제어 시스템{MULTI-AXIS CASTER ANGLE CONTROL SYSTEM OF AN EXTENDABLE WHEEL ASSEMBLY}
본 발명은 조정 가능한 캐스터(caster) 각도를 갖는 휠 조립체, 및 적어도 2개의 이런 휠 조립체를 포함하는 차량에 관한 것이다.
문헌 WO 2010/150286호는 5개의 전방향(omni-directional) 휠 조립체를 갖는 차량을 개시하고 있다. 이런 차량은 휠 지지체를 이동시킴으로써 그 높이를 조정할 수 있지만, 그러나 이러한 높이 조정은 차축(axle) 레벨에서 실시되므로, 시스템이 복잡해지고 커브에서의 안정성이 개선되지 않게 전방 또는 후방 단부가 이동할 것이다. 또한, 높이의 증가는 상승한 무게중심으로 인해 안정성의 저하로 이어질 것이며 탑승자의 안전도 위태롭게 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
문헌 WO 2011/147648호는 조정 가능한 캐스터 각도를 갖는 휠 조립체를 구비한 차량을 개시하고 있다. 그러나 이 문헌에 개시된 시스템은 캐스터 각도를 한정된 범위의 값 내에서 조정하도록 제한된다.
본 발명은 전술한 결점을 해결하는 것을 목적으로 하며, 캐스터 각도의 개선된 조정을 제공할 수 있는 전방향 휠 조립체를 최초로 제안하는 것이므로, 경사진 표면상에서 코너링(cornering) 시 및 차량의 높이가 증가된 경우에 안정성이 개선될 것이다.
이러한 목적을 고려하여, 본 발명의 제1 양태는
- 휠;
- 모두 차량에 부착되도록 배치되는 적어도 하나의 하부 현수(suspension) 링크 및 하나의 상부 부분;
- 투영면(projection plane)의 어떤 배향이라도 캐스터 각도를 미리 결정된 범위 내로 조정하도록 배치되는 캐스터 조정 수단을 포함하며,
상기 휠은 일단 차량에 부착된 상기 적어도 하나의 하부 현수 링크 및 상기 상부 부분에 의해 위치된 피봇 라인 둘레로 차량을 조종하기 위해 360°회전하도록 배치되며, 지면과 휠 사이의 접촉 지점을 통과하는 수직축을 포함하는 수직 투영면 상으로 피봇 라인의 투영이 상기 수직축에 대한 캐스터 각도를 형성하는, 차량용 휠 조립체로서,
상부 부분의 위치는 제1 자유도 및 제2 자유도를 따라 차량에 대해 상대적으로 이동 가능하며, 상기 캐스터 조정 수단은 제1 자유도 및 제2 자유도를 따라 상기 상부 부분의 위치를 제어하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 휠 조립체이다.
본 발명에 따른 휠 조립체는 상부 부분이 2개의 자유도를 갖기 때문에 종래 기술의 시스템에 대한 개선을 제공한다. 캐스터 각도의 조정은 2개의 자유도를 따라 상부 부분을 독립적으로 이동시킴으로써 실행될 수 있으므로, 시스템은 캐스터 각도를 조정하는 더 많은 가능성을 제공한다. 달리 말하면, 피봇 라인은 안전한 주행 상태를 유지하는데 필요하다면 캐스터 각도를 조정할 뿐만 아니라 트랙의 폭을 증가시키기 위해 2개의 자유도로 위치될 수 있다.
유리하게도, 제1 자유도 및 제2 자유도는 피봇 라인과 직교하는 평면에 포함된 2개의 축을 따른 2개의 병진(translation)이다. 이 실시예는 정사각형, 직사각형, 또는 2개의 축에 의해 형성되는 임의의 다른 종류의 영역 내에 위치되는 임의의 지점에 상부 부분을 X-Y 시스템으로 위치시키는 가능성을 제공한다. 이런 X-Y 조정 시스템은 하나의 축이나 다른 축, 또는 2개의 축을 따라 동시에 상부 부분을 이동시킴으로써 상부 부분을 위치시키는데 융통성이 있다. 이상적으로, 2개의 축은 직교한다.
유리하게도, 캐스터 조정 수단은 2개의 축을 형성하는 제1 및 제2 나사(screw)를 포함하며, 제1 나사는 차량에 부착되도록 배치되고 그 축을 따라 제1 가동 너트의 위치를 조정하며, 제2 나사는 제1 가동 너트에 부착되고 그 축을 따라 제2 가동 너트의 위치를 조정하며, 상기 상부 부분은 제2 가동 너트에 부착된다. 나사-너트 조립체를 갖는 이 실시예는 축을 따라 상부 부분의 원하는 위치를 설정하는데 효과적이며 또한 견고하다.
이상적으로, 캐스터 조정 수단은 2개의 전기 모터를 포함하며, 제1 및 제2 나사는 제1 및 제2 가동 너트의 위치를 제어하도록 배치된 상기 전기 모터들 중 하나에 각각 연결된다. 이 실시예의 전기 모터는 요구되는 위치에 상부 부분의 정밀하고 신속하며 동적인 위치 결정을 허용한다.
대안으로서, 캐스터 조정 수단은 2개의 공압 모터를 포함하며, 또한 제1 및 제2 나사는 제1 및 제2 가동 너트의 위치를 제어하도록 배치된 상기 공압 모터들 중 하나에 각각 연결된다. 차량이 압축 공기 분배 장치를 구비하고 있다면, 공압 모터가 전기 모터에 비해 비용 면에서 효과적인 해결책일 수 있다.
제1 실시예에 대한 대안으로서, 제1 자유도는 피봇 라인과 평행한 축 둘레로의 회전이며, 제2 자유도는 피봇 라인과 평행한 병진이다. 이 실시예는 하부 현수 링크에 위치된 볼 조인트를 갖는 구성 배치의 장점을 취하며, 피봇 라인과 평행한 병진이 아암 레버를 변화시켜서 캐스터 각도가 수정된다.
유리하게도, 캐스터 조정 수단은 편심 케이스를 포함하며,
상기 편심 케이스는
- 차량에 연결되고,
- 피봇 라인과 평행한 상기 축 둘레로 회전하도록 배치되고,
- 피봇 라인과 평행한 상기 축으로부터의 편심 거리에 상부 부분과의 부착부를 가지며,
- 피봇 라인과 평행한 병진 방향으로 상부 부분과의 부착부에 대해 상대적으로 미끄러지도록 배치된다.
유리하게도, 캐스터 조정 수단은 편심 케이스와 상부 부분 사이에 부착부를 형성하도록 배치된 레버를 포함하며, 상기 레버는 차량에 부착되도록 배치된 받침점(fulcrum)을 가지며, 상기 받침점은 편심 케이스와 상부 부분 사이에 배치된다. 받침점이 편심 케이스와 상부 부분 사이에 배치되기 때문에, 본 발명의 이 실시예에 따른 추가적인 레버는 상부 부분의 변위를 증폭시킨다. 이 실시예는 상부 부분의 상당한 변위를 얻기 위해 피봇 라인과 평행한 편심 케이스의 필요한 병진을 감소시켜서, 캐스터 각도의 상당한 조정을 유발한다.
유리하게도, 휠 조립체는 주행 상태와 관련하여 캐스터 각도를 조정하도록 배치된다. 캐스터 각도는 전환각(turn angle), 속도, 로드 그립(road grip), 등에 따른 주행 상태와 관련하여 안정성을 향상시키도록 조정된다. 달리 말하면, 캐스터 각도는 차량이 방향 전환할 경우에 특정 값으로 조정되고, 차량이 비상 감속 등을 수행해야 할 경우에 다른 특정 값으로 조정된다.
유리하게도, 휠 조립체는 조정된 캐스터 각도와 관련하여 휠과 지면 간의 접촉 지점과 상부 부착 지점 사이의 거리를 조정하도록 배치된 길이 조정 수단을 포함한다. 본 실시예에 따른 길이 조정 수단은 주행 상태와 관련하여 차량 본체의 높이 수정을 허용한다. 달리 말하면, 차량이 아스팔트 상에서 주행 중이라면, 높이는 최소값으로 설정될 수 있지만, 도로 상에 물(홍수)이 있거나 통과해야 할 물체가 있다면, 차량의 높이는 증가(예를 들어, 1 미터 또는 그 이상까지)될 수 있다. 커브 및 코너링에서 외측 및 내측 구동 조립체에 대한 연장 조정은 "뱅킹 효과(banking effect)"로 승객에 대한 원심력을 보상할 수 있다. 높이를 휠 조립체 레벨에서 독립적으로 조정하는 이 방식은 상기 뱅킹 효과를 달성하기 위해 객실(cabin)을 나눌 필요성을 회피하게 하며, 차량 구조가 더욱 간단해지고, 또한 섀시를 경사지게 하기 위해 비용 면에서 더욱 효과적이다.
유리하게도, 길이 조정 수단은 피봇 라인 둘레로 휠의 회전과 관련하여 거리를 조정하도록 배치된다. 차량이 방향을 전환할 경우에 차량의 안전성은 증가한다. 제어 명령은 각각의 휠 조립체의 캐스터 각도 및 길이를 조정하는 명령을 전송하기 전에, 주행 상태(속도, 전환각, 비상 제동, 및 도로의 경사도)에 대한 모든 관련 데이터를 계산하기 위해, 휠 조립체를 차량 레벨에서 통제하는 통합 능동 제어 시스템에 의해 작동된다.
본 발명의 다른 양태는 휠 조립체가
- 휠 축선과 피봇 라인 사이의 관절식 연결부(articulation), 및
- 임의의 그 자유도를 따라 상부 부분의 위치 조정의 영향을 보상하기 위해, 휠 축과 수평축 사이의 캠버각(camber angle) 조정을 허용하도록 배치되는 캠버각 조정 수단을 포함하는 것이다. 이 실시예는 캠버각에 영향을 끼치는 피봇 라인의 경사(inclination)의 보상을 제공한다. 피봇 라인이 경사진 경우, 심지어 피봇 라인이 차량의 섀시 주변으로부터 밖으로 휠을 이동시키도록 경사진 경우에, 캠버각이 교정되기 때문에 타이어에 대한 응력은 증가하지 않는다. 달리 말하면, 차량의 높이가 증가되어 안정성이 위태롭게 되는 경우에 피봇 라인이 트랙을 증가시키도록 경사져서, 서로 멀어지는 휠의 이동을 일으킨다. 극한의 상황에서, 휠은 50 센티미터 또는 그 이상 서로 멀어지게 이동할 수 있으며, 캠버각은 확실하게 수정될 것이다. 캠버 조정 수단 및 휠 축과 피봇 라인 사이의 관절식 연결부에 의해, 피봇 라인의 경사 및 캐스터 각도가 어떻든지 간에, 캠버각은 미리 결정된 범위 내에서 유지되도록 조정된다.
또한, 본 발명은 본 발명의 제1 양태에 따른 적어도 하나의 휠 조립체를 포함하는 차량에 관한 것이며, 캐스터 각도는 주행 상태와 관련하여 조정된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 비-제한적인 실시예에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 명확하게 나타날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 휠 조립체의 측면도를 나타내고 있다.
도 2는 도 1의 휠 조립체의 정면도를 나타내고 있다.
도 3은 제1 길이로 설정된 도 1의 휠 조립체를 나타내고 있다.
도 4는 제2 길이로 설정된 도 1의 휠 조립체를 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 정면도를 나타내고 있다.
도 1에 도시된 휠 조립체는 기어(96)와 맞물린 전기 구동부(도시되지 않음)로부터의 명령에 응답하여 피봇 라인(90) 둘레로 회전하도록 배치된 휠(10)을 포함한다. 휠 조립체는 상부 부분(30)과 하부 현수 아암(20) 사이에서 차량에 부착되도록 배치된다. 상부 부분(30)은 차량에 대해 상대적으로 이동 가능하도록 배치되며, 2개의 자유도를 갖는다. 이들 2개의 자유도는 2개의 직교하는 축(31, 32)을 따른 병진이다. 휠 조립체는 2개의 직교하는 축(31, 32)을 따라 상부 부분(30)의 위치를 제어하도록 배치된 캐스터 각도 조정 수단(35), 및 2개의 직교 방향으로 상부 부착 부분(30)의 위치를 이동시킴으로써 휠 조립체의 캐스터 각도를 정밀하게 조정하기 위해 나사-너트 조립체를 구비한다. 2개의 플레이트(100)는 2개의 나사-너트 조립체에 의해 실행되는 이동에 대한 기준을 제공하기 위한, 차량 섀시의 부분이다. 나사(32)는 플레이트(100)에 부착되며, 따라서 상부 부분(30) 상에 이중 화살표로 도시된 바와 같이 상부 부분(30)을 그 방향으로 이동시키도록 배치된다. 휠 조립체는 현수 수단(50)을 포함하며, 또한 도 3 및 도 4에 대한 하기의 문단에 상세히 설명되는 바와 같이 길이 조정 수단(40)도 포함한다. 휠(10)은 휠 조립체의 상부에 장착된, 도시되지 않은 전기 모터에 의해 기동될 수 있다.
도 2는 도 1의 휠 조립체의 정면도를 도시하고 있다. 도 1로부터 90°에서 보았을 때, 상부 부분(30) 상에 이중 화살표로 도시된 바와 같이 나사(31)가 나사(32)에 의해 기동하는 너트에 부착되어 있으므로, 나사(31)가 그 축을 따라 상부 부분(30)을 이동시키도록 배치된 것을 인식해야 한다. 2개의 나사(31, 32)는 전기 모터에 의해 또는 공압 모터에 의해 기동될 수 있다.
도 3은 도 1의 휠 조립체의 정면도를 도시하고 있다. 길이 조정 수단(40)이 낮은 높이(H1)로 설정되어 있으므로, 지면과 상부 부분(30) 사이의 거리가 낮다. 이 배치는 예를 들어 차량이 아스팔트 또는 일반 도로상에서 주행하고 있을 때의 표준 주행 상태에 해당할 수 있다.
도 4는 도 1의 휠 조립체의 정면도를 도시하고 있다. 길이 조정 수단(40)이 높은 높이(H2)로 설정되어 있으므로, 지면과 상부 부분(30) 사이의 거리가 중요하다. 이 배치는 예를 들어 차량이 오프로드에서 주행하고 있을 때 또는 물이 있을 때의 특별한 주행 상태에 해달할 수 있고, 따라서 차량 섀시는 물에 닿지 않도록 충분히 상승되어 있다. 그 후에 탑승자들은 자신들의 여행을 계속할 수 있다. 차량을 지면으로부터 1 미터까지 상승시킬 필요가 있으며, 안정성이 위태로워질 수 있지만, 캐스터 각도 조정 수단은 그 후 차량의 안정성을 증가시키고 임의의 전복 사고를 방지하기 위해 휠들(달리 말하면, 트랙) 사이의 폭이 증가되도록 상부 부분(30)을 위치시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 휠 조립체를 도시하고 있다. 이 특별한 실시예에 있어서, 관절식 연결부(60)가 휠 축(11)과 피봇 라인(90) 사이에 통합되므로, 이들 두 축들 사이의 각도(γ)가 조정 가능하다. 이것은 휠 축(11)과 수평선(12) 사이의 캠버각(β)이 캐스터 각도 조정의 영향을 보상하도록 조정 가능한 것을 나타난다. 실제로, 상부 부분(30)이 2개의 독립적인 자유도를 따라 이동 가능하기 때문에, 차량의 안정성을 향상시키기 위해 휠(10)이 차량 섀시의 주변으로부터 밖으로 이동되고 캠버각의 과도한 값을 회피하기 위해 관절식 연결부(60)가 캠버각의 조정을 허용하도록 피봇 라인(90)이 배향될 수 있다.
당업자라면 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 범위 하에서 명백한 개선 및/또는 수정이 실시될 수 있음을 인식해야 한다. 특히, 본 발명은 타이어에 대한 과도한 응력을 방지하기 위해 캠버각을 조정하는 가능성을 교시하였지만, 모터바이크(motorbike) 타이어, 즉 지면과 타이어 사이에 일정한 접촉 지점을 갖는 원형 단면 타이어를 사용하는 것도 상정할 수 있고, 극도의 각도 경사에서도 연속적인 로드 그립을 보장한다. 자유도를 따른 이동은 그 축을 따라 너트를 위치시키는 나사들에 의해 얻어질 수 있지만, 너트의 회전에 의해 그 축을 따라 나사를 이동시킬 수 있다는 것도 인식해야 한다. 달리 말하면, 나사 또는 너트가 나사 축을 따라 이동할 수 있다.

Claims (13)

  1. - 휠(10);
    - 차량에 부착되도록 배치되는 적어도 하나의 하부 현수 링크(20)와 하나의 상부 부분(30);
    - 투영면이 어떻게 배향되더라도 캐스터 각도(α)를 미리 결정된 범위 내로 조정하도록 배치되는 캐스터 조정 수단(35)을 포함하며,
    상기 휠(10)은 차량에 일단 부착된 상기 적어도 하나의 하부 현수 링크(20)와 상기 상부 부분(30)에 의해 위치된 피봇 라인(90) 둘레로 차량을 조종하기 위해 360°회전하도록 배치되며, 지면(100)과 휠(10) 간의 접촉 지점을 통과하는 수직축을 포함하는 수직 투영면 상으로 피봇 라인(90)의 투영이 수직축에 대한 캐스터 각도를 형성하는 차량용 휠 조립체로서,
    상부 부분(30)의 위치는 제1 자유도 및 제2 자유도를 따라 차량에 대해 상대적으로 이동 가능하며, 상기 캐스터 조정 수단(35)은 제1 자유도 및 제2 자유도를 따라 상기 상부 부분(30)의 위치를 제어하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 휠 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 자유도 및 제2 자유도는 피봇 라인과 직교하는 평면에 포함되는 2개의 축(31, 32)을 따른 병진인 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    캐스터 조정 수단(35)은 2개의 축(31, 32)을 형성하는 제1 및 제2 나사를 포함하며, 상기 제1 나사는 차량에 부착되도록 배치되고 그 축을 따라 제1 가동 너트의 위치를 제어하며, 상기 제2 나사는 제1 가동 너트에 부착되고 그 축을 따라 제2 가동 너트의 위치를 제어하며, 상기 상부 부분(30)은 제2 가동 너트에 부착되는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  4. 청구항 3에 있어서,
    캐스터 조정 수단(35)은 2개의 전기 모터를 포함하며, 제1 및 제2 나사는 제1 및 제2 가동 너트의 위치를 제어하도록 배치되는 상기 전기 모터들 중 하나에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  5. 청구항 3에 있어서,
    캐스터 조정 수단(35)은 2개의 공압 모터를 포함하며, 제1 및 제2 나사는 제1 및 제2 가동 너트의 위치를 제어하도록 배치되는 상기 공압 모터들 중 하나에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 자유도는 피봇 라인과 평행한 축 둘레로의 회전이며, 제2 자유도는 피봇 라인(90)과 평행한 병진인 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    캐스터 조정 수단(35)은 편심 케이스를 포함하며,
    상기 편심 케이스는
    - 차량에 연결되고,
    - 피봇 라인(90)과 평행한 상기 축 둘레로 회전하도록 배치되고,
    - 피봇 라인(90)과 평행한 상기 축으로부터의 편심 거리에 상부 부분(30)과의 부착부를 가지며,
    - 피봇 라인(90)과 평행한 병진 방향으로 상부 부분(30)과의 부착부에 대해 상대적으로 미끄러지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    캐스터 조정 수단(35)은 편심 케이스와 상부 부분(30) 사이에 부착부를 형성하도록 배치되는 레버를 포함하며, 상기 레버는 차량에 부착되도록 배치되는 받침점을 가지며, 상기 받침점은 편심 케이스와 상부 부분(30) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    휠 조립체는 주행 상태와 관련하여 캐스터 각도(α)를 조정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    휠 조립체는 조정된 캐스터 각도(α)와 관련하여, 휠(10)과 지면(100) 간의 접촉 지점과 상부 부착 지점(30) 사이의 거리를 조정하도록 배치되는 길이 조정 수단(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  11. 청구항 10에 있어서,
    길이 조정 수단(40)은 피봇 라인(90)의 둘레로 휠(10)의 회전과 관련하여 거리를 조정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    휠 조립체는
    - 휠 축선(11)과 피봇 라인(90) 사이의 관절식 연결부(60), 및
    - 임의의 그 자유도를 따라 상부 부분(30)의 위치 조정의 영향을 보상하기 위해, 휠 축(11)과 수평축(12) 사이에서 캠버각(β)의 조정을 허용하도록 배치되는 캠버각 조정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 휠 조립체.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 휠 조립체를 포함하는 차량에 있어서,
    캐스터 각도(α)는 주행 상태와 관련하여 조정되는 것을 특징으로 하는 차량.
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