KR101223839B1 - 하이브리드 트랙터의 3점 링크 유압 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 3점 링크 유압 시스템은 배터리를 통해 전기 에너지를 공급받아 구동되고 기계적 에너지를 발생시키는 모터와, 상기 모터와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시키는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 공급되는 유압을 받아 3점 링크 장치를 통해 작업기를 상승 또는 하강시키는 3점 링크 유압 실린더와, 고압의 유압유를 저장하고 상기 3점 링크 유압 실린더로 유압유를 공급하여 유압에너지를 공급하는 축압기, 및 상기 모터 및 유압 펌프를 구동시킬 수 있도록 제어신호를 보내주고 전기 에너지를 상기 배터리에 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어하는 제어기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 트랙터의 3점 링크 유압 시스템{Three-point Link Oil Pressure System of Hybrid Tractor}
본 발명은 하이브리드 트랙터의 3점 링크 유압 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 축압기를 구비하는 모터 동력 전달 방식의 하이브리드 3점 링크 장치를 사용하여 유압 장치의 손실 수두를 최소화하고 제어를 용이하게 할 수 있는 하이브리드 트랙터의 3점 링크 유압 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 토양의 경작을 위해 사용되는 트랙터의 작업기는 대부분 3점 링크 장치를 이용하여 작업 부하를 조절한다. 토양의 경작을 원활하게 진행하기 위해서는 작업기 칼날의 깊이가 작업 토양에 일정하게 유지되어야 하고, 작업 토양이 작업 차량의 진행 방향 기준에서 좌우 경사지에서도 작업기가 좌우 경사지에 일정하게 수평을 유지하여 작업기 칼날이 좌우측 토양에 모두 일정한 깊이에서 작업이 진행되어야 한다.
이를 위해, 작업기가 부담하는 부하에 대하여 3점 링크 유압 실린더를 통해 작업기를 올려줌으로써 엔진이 부담하는 부하를 덜어주는 방식으로 운전되어 왔다. 이 때, 3점 링크 장치의 승하강은 유압 실린더에 의해 작동되며, 이 유압 동력은 엔진으로부터 직결로 연결된 유압 펌프를 통해 유압 동력이 유압 회로를 통해 유압 실린더로 작동된다. 엔진에 직결로 연결된 유압 펌프는 상시적으로 유량을 전달하고 유압력이 필요할 때만 유압 밸브를 통해 유압력을 형성시켜 유압 실린더를 작동하였다. 하지만 유압력이 필요하지 않을 때는 유량이 드레인되어 손실 수두가 발생하는 원인이 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진으로부터 유압 펌프를 분리시킴으로써 3점 링크 유압 장치의 손실 수두를 최소화하고, 축압기를 구비하여 유압 에너지를 저장 및 공급함으로써, 배터리의 충방전 상태(SOC) 관리 범위를 줄여 배터리 관리를 용이하게 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 3점 링크 유압 시스템은 배터리를 통해 전기 에너지를 공급받아 구동되고 기계적 에너지를 발생시키는 모터와, 상기 모터와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시키는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 공급되는 유압을 받아 3점 링크 장치를 통해 작업기를 상승 또는 하강시키는 3점 링크 유압 실린더와, 고압의 유압유를 저장하고 상기 3점 링크 유압 실린더로 유압유를 공급하여 유압에너지를 공급하는 축압기, 및 상기 모터 및 유압 펌프를 구동시킬 수 있도록 제어신호를 보내주고 전기 에너지를 상기 배터리에 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어하는 제어기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 3점 링크 유압 시스템은 엔진의 기계적 에너지를 상기 배터리로 전기적 에너지로 전환하여 공급하는 발전기, 및 상기 배터리의 전기적 에너지를 상기 모터에서 사용할 수 있도록 직류에서 교류로 변환시켜주고, 주파수를 변환시켜주는 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 3점 링크 유압 시스템은 상기 축압기에 구비되고 축압기에 저장된 유압유의 압력을 감지하는 압력센서, 및 상기 3점 링크 유압 실린더 내부에 구비되는 부하 압축 스프링의 변위를 감지하는 변위센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 압력센서 및 변위센서로부터 감지된 신호를 받아 상기 모터 및 유압 펌프에 제어신호를 보내는 것을 특징으로 한다.
상기 발전기는 작업 부하가 덜 걸리는 저 토크, 고 RPM 영역에서 전기 에너지를 발생시켜 배터리에 저장함으로써 엔진의 부하 토크를 올려주고 RPM을 낮추는 것을 특징으로 한다.
상기 3점 링크 장치는 상기 3점 링크 유압 실린더에 의해 상승 또는 하강되는 로터리를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 변위센서는 상기 부하 압축 스프링에 구비되고, 상기 3점 링크 장치가 상승함에 따라 변위센서 신호를 상기 제어기로 송신하고 엔진과 연결되어 있는 발전기에 전기에너지를 저장함으로써 엔진에 일정한 부하를 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 유압 펌프는 상기 3점 링크 장치에 견인 부하가 걸릴 때 상기 부하 압축 스프링의 변위가 변함에 따라 이에 장착된 상기 변위센서의 신호를 수신하여 상기 유압 펌프에 연결된 모터가 작동하게 되어 상기 3점 링크 유압 실린더에 유압 에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 유압 펌프는 엔진으로부터 분리되고 필요에 따라 상기 모터를 이용하여 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 축압기는 용기 내에 고압의 유압유를 저장 및 공급하여 상기 배터리의 충방전 상태의 관리 범위를 줄이는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따르면, 3점 링크 유압 시스템에 유압을 공급하는 유압 펌프를 엔진으로부터 분리시켜 모터를 통해 회전력을 전달받으므로 유압 펌프에서부터 유압 액츄에이터까지의 유압라인을 짧게 최소화시킴으로써 유압 시스템의 손실 수두를 최소화할 수 있다.
그리고, 축압기를 사용함으로써 모터와 펌프의 크기를 줄일 수 있고, 유압의 순간 응답성이 좋아지며 제어를 용이하게 할 수 있다.
또한, 축압기는 유압 실린더에 유압 에너지가 사용될 때 배터리의 전기 에너지를 모터에 공급하여 유압 펌프를 통해 유량을 공급하는 과정에서 버퍼 역할을 하며 배터리의 충방전 상태(SOC) 관리 범위를 줄여 배터리 관리를 용이하게 함으로써 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 종래의 엔진 동력 전달 방식의 3점 링크 유압 시스템의 개략적인 작동도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모터 동력 전달 방식의 하이브리드 3점 링크 유압 시스템의 개략적인 작동도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터의 로터리 작업을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4a는 종래의 축압기가 구비되지 않은 유압 시스템에 의한 배터리 충방전 상태(SOC) 관리 범위를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4b는 본 발명에 따른 축압기가 구비되는 유압 시스템에 의해 개선되는 배터리 충방전 상태(SOC) 관리 범위를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 3점 링크 유압 시스템의 구조에 관하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 모터 동력 전달 방식의 하이브리드 3점 링크 유압 시스템의 개략적인 작동도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 3점 링크 유압 시스템은 모터(20), 유압 펌프(30), 3점 링크 유압 실린더(40), 축압기(50), 및 제어기(60)를 포함한다. 상기 모터(20)는 배터리(14)를 통해 전기 에너지를 공급받아 구동되고 기계적 에너지를 발생시킨다. 엔진(10)은 기계적 에너지를 발생시켜 차량의 구동축에 회전력을 전달시킨다. 구동축의 회전력에 의해 발생된 기계적 에너지는 발전기(12)에 의해 전기적 에너지로 변환된다. 상기 전기적 에너지는 배터리(14)에 저장되고 배터리(14)에 저장된 에너지는 인버터(16)에 전달된다. 상기 인버터(16)는 상기 배터리(14)의 전기적 에너지를 상기 모터(20)에서 사용할 수 있도록 직류에서 교류로 변환시켜주고, 주파수를 변환시켜준다. 상기 유압 펌프(30)는 상기 모터(20)와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시킨다. 상기 유압 펌프(30)는 종래에 엔진과 직접 연결되어 엔진의 기계적 에너지를 얻는 대신, 본 발명에서는 엔진(10)과 분리되어 있고 모터(20)로부터 기계적 에너지를 얻게 된다. 상기 3점 링크 유압 실린더(40)는 상기 유압 펌프(30)에 공급되는 유압을 받아 3점 링크 장치를 통해 작업기를 상승 또는 하강시킨다. 상기 축압기(50)는 고압의 유압유를 저장하고 상기 3점 링크 유압 실린더(40)로 유압유를 공급하여 유압에너지를 공급한다.
상기 축압기(50)에는 압력센서(52)가 축압기(50)의 유압을 감지하고 감지 신호를 제어기(60)로 전달한다. 상기 3점 링크 유압 실린더(40)에는 내부에 구비되는 부하 압축 스프링의 변위를 감지하는 변위센서(42)를 포함한다. 상기 변위센서(42) 및 압력센서(52)에 의해 감지된 부하 압축 스프링의 변위 및 축압기(50)의 유압 신호는 제어기(60)에 전달되고, 상기 제어기(60)는 상기 모터(20) 및 유압 펌프(30)를 구동시킬 수 있도록 제어신호를 보내준다. 또한, 상기 제어기(60)의 제어신호에 의해 배터리(14), 인버터(16) 및 제어밸브(55)가 작동될 수 있다. 즉, 상기 제어기(60)는 상기 압력센서(52) 및 변위센서(42)로부터 신호를 받고, 상기 모터(20) 및 유압 펌프(30)를 구동시킬 수 있도록 제어신호를 보내주고 전기 에너지를 상기 배터리(14)에 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어한다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터의 로터리 작업을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 모터(20)와, 유압 펌프(30)와, 축압기(50)와, 3점 링크 유압 실린더(40)를 구비한다. 상기 축압기(50)에는 축압기(50)에 저장되는 유압유의 압력을 감지하는 압력센서(52)가 구비되고, 상기 축압기(50) 및 3점 링크 유압 실린더(40) 사이에는 유압유 공급을 조절하는 제어밸브(55)가 구비된다. 또한, 상기 3점 링크 유압 실린더(40)에는 변위센서(42)가 구비된다.
상기 모터(20)는 상기 트랙터 작업기에 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시킨다. 상기 유압 펌프(30)는 상기 모터(20)와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시킨다. 상기 3점 링크 유압 실린더(40)는 상기 유압 펌프(30)에 의해 공급되는 유압을 받아 내부에 구비된 부하 압축 스프링(미도시)이 눌러지도록 하여 3점 링크 장치를 통해 작업기(59)를 상승 또는 하강시킨다. 상기 변위센서(42)는 상기 부하 압축 스프링의 변위를 감지하고, 상기 압력센서(52)는 축압기에 저장되는 유압유의 압력을 감지한다.
한편, 상기 3점 링크 장치는 상기 3점 링크 유압 실린더(40)에 연결되는 리프트암(56), 리프트 로드(57)가 구비되고, 상기 리프트 로드(57)는 하부링크(58)에 연결된다. 상기 하부링크(58)에 작업기(59)가 구비되고, 작업 중 토양의 굴곡에 따라 상기 작업기(59)가 승하강하면, 제어 신호에 의해 3점 링크 유압 실린더(40)가 유압을 조절하여 하부링크(58)와 이에 연결된 리프트암(56), 리프트 로드(57)가 작동하게 된다. 상기 작업기(59)는 로터리일 수 있다.
종래의 트랙터 주행은 유압 펌프가 엔진에 직결되어 있으나 본 발명에 따른 장치는 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 센서 신호를 받는 제어기(60)의 제어 신호에 의해 배터리(14), 인버터(16), 제어밸브(55) 등이 작동할 수 있도록 유압 펌프(30)와 엔진(10)이 분리된 구조를 갖는다. 즉, 로터리 작업시 로터리 회전 칼날이 토양의 강도와 울퉁불퉁한 토양면의 위치에 따라 상시적인 부하 변동이 있는 경우 상기 모터(20)가 작동하여 기계적 에너지를 유압 펌프(30)로 전달한다. 유압 펌프(30)에 의해 발생된 유압 에너지는 축압기(50)로 전달된다. 상기 축압기(50)는 용기 내에 고압의 유압유를 저장하는 장치로, 필요에 따라 고압의 유압유를 3점 링크 유압 실린더(40)에 전달한다. 견인 로드가 많이 걸릴 경우 축압기(50)에 저장된 유압유가 제어밸브(55)에 의해 조절되어 많은 양의 유압유가 상기 3점 링크 유압 실린더(40)로 전달되고, 3점 링크 장치의 상승으로 인해 작업기(59)의 상승이 제어된다.
상기 3점 링크 유압 실린더(40)에는 내부에 부하 압축 스프링이 구비되어 있고, 유압 에너지를 받아 상기 부하 압축 스프링이 눌러지도록 동작한다. 일정 견인력보다 큰 부하가 걸리면 상기 3점 링크 장치는 상승하게 된다. 상기 부하 압축 스프링에는 변위센서(42)가 구비되어 있어, 부하 압축 스프링의 변위를 감지하여 변위센서 신호를 발생시킨다. 이 변위센서 신호는 제어기(60)로 전달되고, 상기 제어기(60)는 이 신호를 전달받아 상기 발전기(12), 모터(20), 및 3점 링크 유압 실린더(40)를 제어하는 제어 신호를 발생, 전달한다.
상기 제어기(60)는 제어 신호에 의해 트랙터의 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어한다. 상기 제어기(60)의 제어에 의해 엔진(10)에 일정한 부하를 유지하도록 하여 트랙터 구동축의 속도 변화를 줄일 수도 있다.
도 4a는 종래의 축압기가 구비되지 않은 유압 시스템에 의한 배터리 충방전 상태(SOC) 관리 범위를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4b는 본 발명에 따른 축압기가 구비되는 유압 시스템에 의해 개선되는 배터리 충방전 상태(SOC) 관리 범위를 개략적으로 나타내는 도면이다. 엔진(10)의 구동에 의해 기계적 에너지가 발전기(12)로 전달되고 발전기(12)는 이를 전기적 에너지로 변환하여 배터리(14)로 전달한다. 배터리(14)는 발전된 전기 에너지를 저장하거나 저장된 전기 에너지를 모터(20)에 공급하게 된다. 그런데, 모터(20)가 작동하는 경우 배터리(14)는 전기를 방전하게 되고, 모터(20)가 작동하지 않는 경우, 발전기(12)에 의해 전환된 전기 에너지가 배터리(14)에 충전되게 된다. 종래의 모터 작동시 배터리 충방전 상태는 도 4a에 도시된 바와 같이, 충방전 관리 범위(A)가 크지만, 본 발명에 따른 3점 링크 유압 시스템은 도 4b에 도시된 바와 같이, 축압기(50)를 구비함으로써 배터리의 충방전 관리 범위(A)가 더 작아지게 된다. 즉, 축압기(50)는 3점 링크 유압 실린더(40)에 유압 에너지가 사용될 때 배터리(14)의 전기 에너지를 모터(20)에 공급하여 유압 펌프(30)를 통해 유량을 공급하는 과정에서 버퍼(buffer) 역할을 하며 도시된 바와 같이, 배터리(14)의 충방전 상태(SOC) 관리 범위를 줄여 배터리(14) 관리를 용이하게 함으로써 배터리(14)의 수명을 연장시킬 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 엔진 12: 발전기
14: 배터리 16: 인버터
20: 모터 30: 유압 펌프
40: 3점 링크 유압 실린더 42: 변위센서
50: 축압기 52: 압력센서
55: 제어밸브 56: 리프트암
57: 리프트 로드 58: 하부링크
59: 작업기 60: 제어기

Claims (10)

  1. 배터리를 통해 전기 에너지를 공급받아 구동되고 기계적 에너지를 발생시키는 모터;
    상기 모터와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시키는 유압 펌프;
    상기 유압 펌프에 의해 공급되는 유압을 받아 3점 링크 장치를 통해 작업기를 상승 또는 하강시키는 3점 링크 유압 실린더;
    고압의 유압유를 저장하고 상기 3점 링크 유압 실린더로 유압유를 공급하여 유압에너지를 공급하는 축압기; 및
    상기 모터 및 유압 펌프를 구동시킬 수 있도록 제어신호를 보내주고 전기 에너지를 상기 배터리에 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어하는 제어기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    엔진의 기계적 에너지를 상기 배터리로 전기적 에너지로 전환하여 공급하는 발전기; 및
    상기 배터리의 전기적 에너지를 상기 모터에서 사용할 수 있도록 직류에서 교류로 변환시켜주고, 주파수를 변환시켜주는 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 축압기에 구비되고 축압기에 저장된 유압유의 압력을 감지하는 압력센서; 및
    상기 3점 링크 유압 실린더 내부에 구비되는 부하 압축 스프링의 변위를 감지하는 변위센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 압력센서 및 변위센서로부터 감지된 신호를 받아 상기 모터 및 유압 펌프에 제어신호를 보내는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 발전기는 작업 부하가 덜 걸리는 저 토크, 고 RPM 영역에서 전기 에너지를 발생시켜 배터리에 저장함으로써 엔진의 부하 토크를 올려주고 RPM을 낮추는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3점 링크 장치는 상기 3점 링크 유압 실린더에 의해 상승 또는 하강되는 로터리를 구비하는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 변위센서는 상기 부하 압축 스프링에 구비되고, 상기 3점 링크 장치가 상승함에 따라 변위센서 신호를 상기 제어기로 송신하고 엔진과 연결되어 있는 발전기에 전기에너지를 저장함으로써 엔진에 일정한 부하를 유지하는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 유압 펌프는 상기 3점 링크 장치에 견인 부하가 걸릴 때 상기 부하 압축 스프링의 변위가 변함에 따라 이에 장착된 상기 변위센서의 신호를 수신하여 상기 유압 펌프에 연결된 모터가 작동하게 되어 상기 3점 링크 유압 실린더에 유압 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유압 펌프는 엔진으로부터 분리되어 있으며 상기 모터에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 축압기는 용기 내에 고압의 유압유를 저장 및 공급하여 상기 배터리의 충방전 상태의 관리 범위를 줄이는 것을 특징으로 하는 3점 링크 유압 시스템.
KR1020100137914A 2010-12-29 2010-12-29 하이브리드 트랙터의 3점 링크 유압 시스템 KR101223839B1 (ko)

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