KR101251128B1 - 하이브리드 트랙터 - Google Patents

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최정웅
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엘에스엠트론 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 트랙터는 트랙터 작업기에 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시키는 전기 모터와, 상기 전기 모터와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시키는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 공급되는 유압을 받아 내부에 구비된 부하 압축 스프링이 눌러지도록 하여 3점 히치 장치를 통해 작업기를 상승 또는 하강시키는 3점 히치 유압 실린더와, 일정 견인력보다 큰 견인 부하가 걸리면 링크 장치를 통해 상기 3점 히치 장치를 상승시키는 견인력 제어 링크와, 상기 부하 압축 스프링의 변위 또는 상기 견인력 제어 링크의 각도 변위를 감지하는 링크 변위 센서, 및 상기 링크 변위 센서로부터 신호를 받고, 트랙터에 구비되는 발전기 또는 전기 모터를 작동시킬 수 있도록 제어 신호를 보내주고 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어하는 제어기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 트랙터{Hybrid Tractor}
본 발명은 하이브리드 트랙터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 작업 현장에서 디젤 엔진과 분리된 전기 모터가 수시로 작동하도록 함으로써 3점 히치의 유압실린더 장치를 이용하여 견인 저항 변동에 따라 작업기의 승강을 제어하기 위한 유압 하이브리드 트랙터에 관한 것이다.
일반적으로, 트랙터는 하부 링크에 여러 가지의 작업기를 부착하여 용도에 따라 사용되는 농업용 기계이다. 트랙터는 작업기를 상하로 움직이기 위한 리프트 암을 구비하여 이루어진다. 여기서, 작업기는 로터기, 쟁기 등으로 이루어지며, 리프트 암의 포지션 각도 편차에 대응하여 상하로 움직인다. 이에, 트랙터는 리프트 암의 포지션 각도를 제어하기 위한 리프트 암 포지션 각도 제어용 트랙터 유압 시스템을 구비하여 이루어진다.
트랙터 작업기 중 쟁기의 견인 작업은 트랙터의 3점 히치에 쟁기 작업기를 장착하고 쟁기의 날을 일정 각도로 유지하여 주행함으로써 토양에 박혀 있는 쟁기 날이 일정 깊이의 땅을 뒤엎으면서 견인 주행을 하는 작업을 주목적으로 한다. 이 때, 울퉁불퉁한 토양 또는 흙의 강도가 큰 지점에서는 경심(metacenter)이 증가하여 쟁기의 날이 토양에 계속 파고 들어가게 되고 견인 부하가 증가하게 된다. 이러한 지속적인 견인부하의 증가를 방지하기 위해 3점 히치 링크 조정 레버를 작업자가 직접 조작하거나 견인력 제어 레버를 일정 위치에 설정하여 일정 견인력보다 큰 부하가 걸리면 견인 제어 링크가 작동하여 부하 스프링을 누르게 되고 이는 방향 제어 밸브 스풀을 움직이게 되어 3점 히치 유압 실린더에 유압이 공급되고 3점 히치 링크가 상승함과 동시에 토양에 박혀 있던 쟁기 날 또한 상승하여 견인 부하는 순간적으로 풀리게 된다.
유압 펌프에 공급되는 유압 동력은 엔진에 펌프가 직결로 연결되어 있어 유압을 사용하지 않을 때에도 상시적으로 유압 회로에 유량을 공급하고 드레인되므로 드레인 유압 에너지의 손실이 있다.
그리고 쟁기의 날이 3점 히치와 함께 상승하게 되면, 이 때 땅속에 박혀 있는 쟁기가 올라오게 되고 순간 구동 차축의 트랙터의 견인 부하는 감소하게 되는데 이 때 차축에 걸려있던 부하 토크가 순간 속도로 전환되므로 차량의 충격으로 이어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진과 직결로 연결되어 있는 유압 펌프를 엔진으로부터 분리시킴으로써 유압 에너지가 필요할 때만 전기 모터를 이용하여 유압 펌프를 구동시키고 이로 인해 드레인 유압 에너지 손실을 줄일 수 있다. 또한, 부하 스프링에 변위 센서를 장착하고 이를 3점 히치가 상승할 시점 즉, 부하가 풀리는 시점에서 변위 센서 신호를 제어기를 통해 엔진과 연결되어 있는 발전기를 작동시킴으로써 엔진에 일정한 부하를 유지하여 구동축의 속도 변화를 줄일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터는 트랙터 작업기에 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시키는 전기 모터와. 상기 전기 모터와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시키는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프에 의해 공급되는 유압을 받아 내부에 구비된 부하 압축 스프링이 눌러지도록 하여 3점 히치 장치를 통해 작업기를 상승 또는 하강시키는 3점 히치 유압 실린더와, 일정 견인력보다 큰 견인 부하가 걸리면 링크 장치를 통해 상기 3점 히치 장치를 상승시키는 견인력 제어 링크와, 상기 부하 압축 스프링의 변위 또는 상기 견인력 제어 링크의 각도 변위를 감지하는 링크 변위 센서, 및 상기 링크 변위 센서로부터 신호를 받고, 트랙터에 구비되는 발전기 또는 전기 모터를 작동시킬 수 있도록 제어 신호를 보내주고 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어하는 제어기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 3점 히치 장치는 상기 3점 히치 유압 실린더의 동작에 의해 상승 또는 하강되는 쟁기를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 링크 변위 센서는 상기 부하 압축 스프링에 구비되고, 상기 3점 히치 장치가 상승함에 따라 상기 링크 변위 센서 신호를 상기 제어기로 송신하고 엔진과 연결되어 있는 발전기를 작동시킴으로써 상기 엔진에 일정한 부하를 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 유압 펌프는 상기 3점 히치 장치에 견인 부하가 걸릴 때 상기 부하 압축 스프링의 변위가 변함에 따라 이에 장착된 상기 링크 변위 센서의 신호를 수신하여 상기 유압 펌프에 연결된 전기 모터가 작동하게 되어 상기 3점 히치 유압 실린더에 유압 에너지를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 유압 펌프는 엔진으로부터 분리되고 상기 전기 모터를 이용하여 구동되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 3점 히치 장치의 작동으로 인한 엔진의 부하 변동을 발전기를 작동시켜 흡수하여 트랙터에 가해지는 충격을 완화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면, 엔진과 직결로 연결되어 있는 유압 펌프를 엔진으로부터 분리시킴으로써 유압 에너지를 필요할 때만 모터를 이용하여 유압 펌프를 구동시킬 수 있다. 이로 인해 대기 상태에서 상시 오일이 공급되어 드레인 유압 에너지의 손실을 줄일 수 있다.
차축의 견인 동력과 3점 히치 장치의 유압 동력이 동시에 사용되어질 때 엔진으로부터 전달되는 유압 동력만큼 견인력 저하가 있었으나 3점 히치 장치의 유압 동력을 엔진으로부터 독립된 전기 모터에서 공급함으로써 엔진으로부터 발생시킬 수 있는 최대 견인력을 유지할 수 있다.
견인 작업시 쟁기가 장착된 3점 히치 장치를 작동함으로써 견인 저항 변동에 따라 엔진의 부하의 변동성이 심해 차량의 구동 차축의 급격한 속도 변화가 충격으로 전해져 승차감이 안 좋았으나 견인력이 감소할 때 엔진의 부하 변동성을 발전기를 작동시켜 흡수함으로써 급격한 구동 차륜의 속도 변화를 감소시켜 승차감을 향상시킬 수 있다.
엔진을 일정한 부하 상태에서 유지하여 효율적인 운전을 할 수 있으므로 연료 절감 효과를 거둘 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터 시스템의 개략적인 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터의 쟁기 작업을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 기계식 견인 부하 제어 장치를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 3점 히치 유압 실린더의 시간에 따른 압력 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터 구동축의 시간에 따른 부하 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 6는 본 발명에 따른 부하 압축 스프링의 시간에 따른 길이 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터의 구조에 관하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터 시스템의 개략적인 전체 구성도이다. 도 1을 참조하면, 전기 모터(10)와, 유압 펌프(20)와, 3점 히치 유압 실린더(30)와, 견인력 제어 링크(40)와, 링크 변위 센서(50), 및 제어기(60)를 포함한다. 상기 전기 모터(10)는 트랙터 작업기(36)에 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시킨다. 상기 유압 펌프(20)는 상기 전기 모터(10)와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시킨다. 상기 3점 히치 유압 실린더(30)는 상기 유압 펌프(20)에 의해 공급되는 유압을 받아 내부에 구비된 부하 압축 스프링(42)이 눌러지도록 하여 3점 히치 장치(34)를 통해 작업기(36)를 상승 또는 하강시킨다. 상기 견인력 제어 링크(40)는 일정 견인력보다 큰 견인 부하가 걸리면 링크 장치를 통해 상기 3점 히치 장치(34)를 상승시킨다. 상기 링크 장치는 기계적 링크 장치일 수 있다. 상기 링크 변위 센서(50)는 상기 부하 압축 스프링(42)의 변위 또는 상기 견인력 제어 링크의 각도 변위를 감지한다. 상기 제어기(60)는 상기 링크 변위 센서(50)로부터 신호를 받고, 트랙터에 구비되는 발전기(4) 또는 전기 모터(10)를 작동시킬 수 있도록 제어 신호를 보내주고 전기 에너지를 일정 수준으로 유지할 수 있도록 제어한다.
종래의 트랙터 주행은 유압 펌프가 엔진에 직결되어 있으나 본 발명에 따른 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 링크 변위 센서 신호를 받는 제어기(60)의 제어 신호에 의해 발전기(4), 전기 모터(10) 등이 동작할 수 있도록 유압 펌프(20)와 엔진(2)이 분리된 구조를 갖는다. 즉, 평소에 견인 부하가 없는 경우, 트랙터의 엔진(2)이 작동하면 엔진(2)의 기계적 에너지에 의해 발전기(4)가 전기를 발생시키고, 전기 에너지 변환 장치(6)와 에너지 저장 장치(8)를 통해 평소의 전기 에너지가 저장된다. 상기 발전기(4)에 의해 생산된 전기 에너지는 배터리 또는 울트라 캐패시터(ultra capacitor) 등의 에너지 저장 장치(8)에 저장된다.
쟁기 작업 등을 하면서 견인 부하가 발생하는 경우, 상기 엔진(2)과 분리되어 있는 전기 모터(10)가 작동하여 기계적 에너지를 유압 펌프(20)로 전달한다. 유압 펌프(20)에 의해 발생된 유압 에너지는 유압 회로(22)를 거쳐 3점 히치 유압 실린더(30)로 전달된다. 상기 3점 히치 유압 실린더(30)에는 내부에 부하 압축 스프링(42)이 구비되어 있고, 유압 에너지를 받아 상기 부하 압축 스프링(42)이 눌러지도록 동작한다. 일정 견인력보다 큰 부하가 걸리면 견인력 제어 링크(40)는 링크 장치를 통해 상기 3점 히치 장치(34)를 상승시키게 된다. 상기 부하 압축 스프링(42)에는 링크 변위 센서(50)가 구비되어 있어, 부하 압축 스프링(42)의 변위, 상기 견인력 제어 링크(40)의 각도를 감지하여 변위 센서 신호를 발생시킨다. 이 변위 센서 신호는 제어기(60)로 전달되고, 상기 제어기(60)는 이 신호를 전달받아 상기 발전기(4), 전기 모터(10), 에너지 저장장치(8)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(2)에 일정한 부하를 유지하도록 하여 트랙터 구동축의 속도 변화를 줄일 수 있다. 즉, 전기 모터(10), 유압 펌프(20), 3점 히치 유압 실린더(30)의 작동에 의해 쟁기(36)의 날이 상기 3점 히치 장치(34)와 함께 상승하게 되면, 이 때 땅속에 박혀있는 쟁기가 올라오게 되고 순간 구동 차축의 트랙터(32)의 견인 부하는 감소하게 되며, 차축에 걸려 있는 부하 토크는 순간 속도로 전환되어 차량의 충격으로 이어지게 된다. 이를 방지하기 위해, 상기 부하 압축 스프링(42)에 링크 변위 센서(50)가 장착되고, 이를 3점 히치 장치(34)가 상승할 시점 즉, 부하가 풀리는 시점에서 링크 변위 센서 신호를 받은 제어기(60)가 송출하는 제어 신호를 통해 엔진(2)에 연결되어 있는 발전기(4)를 작동시킴으로써 엔진(2)에 일정한 부하를 유지하여 구동축의 속도 변화를 줄이는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터의 쟁기 작업을 나타내는 개략적인 도면이다. 도 2를 참조하면, 3점 히치 장치(34)에 쟁기(36)를 구비하는 트랙터(32)가 우측 방향으로 주행하면, 쟁기(36)의 날은 일정 각도로 유지하고 있으므로 토양에 쟁기(36)가 박히고 일정 깊이의 토양을 뒤엎게 된다. 흙의 강도가 큰 지점에서는 쟁기(36)의 날이 토양에 계속 파고 들어가게 되고 견인 부하가 증가하게 된다. 견인 부하가 증가하게 되면, 제어기(60)로부터 제어 신호를 받아 전기 모터(10)에 의해 유압 펌프(20)가 작동한다. 상기 유압 펌프(20)는 유압을 제공하여 3점 히치 유압 실린더(30)에 구비된 부하 압축 스프링(42)을 압축시키고, 이 압축력으로 상기 쟁기(36)가 상승하게 된다. 상기 쟁기(36)가 상승함으로써 걸려 있던 견인 부하가 순간 해제된다. 쟁기(36)가 상승할 시점에, 변위 센서 신호에 의해 제어기(60)를 통해 발전기(4)를 작동시킴으로써 엔진(2)에 일정한 부하를 유지하여 트랙터 구동축의 속도 변화를 줄여 차량의 충격을 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기계식 견인 부하 제어 장치를 나타내는 개략적인 도면이다. 도 3을 참조하면, 예를 들어, 3점 히치 장치(34)의 쟁기(36)가 토양 속에 파묻히면, 제어기(60)가 발생시키는 제어 신호에 따라 유압 펌프(20), 3점 히치 유압 실린더(30)를 통해 견인력 제어 링크(40)가 한 쪽으로 이동한다. 상기 견인력 제어 링크(40)가 우측 방향으로 이동되면, 부하 압축 스프링(42)이 압축되고, 3점 히치 장치(34)를 우측으로 끌어당기고 쟁기(36)를 상부로 들어 올리게 된다. 상기 부하 압축 스프링(42)에는 링크 변위 센서(50)가 구비되어 있어서 상기 부하 압축 스프링(42)의 변위 또는 링크의 각도 변위를 감지한다. 상기 설명한 바와 같이 제어기(60)는 상기 링크 변위 센서(50)로부터 센서 신호를 받고, 발전기(4) 또는 전기 모터(10)를 작동시킬 수 있도록 제어 신호를 보내주고 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어한다.
도 4는 본 발명에 따른 3점 히치 유압 실린더의 시간에 따른 압력 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 트랙터 구동축의 시간에 따른 부하 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이며, 도 6는 본 발명에 따른 부하 압축 스프링의 시간에 따른 길이 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 트랙터 주행시 견인 부하가 걸리면 3점 히치 유압 실린더(30)의 압력이 상승한다. 견인 부하가 걸리면 전기 모터(10)가 작동하여 유압 펌프(20)에 의해 유압이 발생한다. 상기 유압 펌프(20)에 의해 발생하는 유압에 의해 상기 3점 히치 유압 실린더(30)의 압력이 순간 상승한다. 상기 3점 히치 유압 실린더(30)의 압력이 상승하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 부하 압축 스프링(42)을 압축시켜 스프링의 변위가 감소하게 된다. 상기 부하 압축 스프링(42)이 압축되면서, 이에 따라 쟁기(36)를 상승시킨다. 상기 쟁기(36)가 상승되면 상기 3점 히치 유압 실린더(30)의 압력은 순간 하강한다. 견인 부하가 걸리지 않게 되면, 상기 쟁기(36)는 하강하고 상기 3점 히치 유압 실린더(30)의 압력은 평소 수준을 유지하고, 상기 부하 압축 스프링(42)도 압축이 해제되어 평소 수준을 유지하게 된다. 이와 같은 과정을 반복하면서, 트랙터의 쟁기 작업이 수행된다.
도 5를 참조하면, 견인 부하가 걸리면 도 4의 3점 히치 유압 실린더(30)의 압력이 상승하는 타이밍에 맞추어 트랙터의 구동축에도 부하가 상승한다. 3점 히치 유압 실린더(30)의 압력이 상승하면 3점 히치 장치(34)가 상승하여 땅 속에 박혀 있는 쟁기(36)가 올라오게 되고 곧 3점 히치 유압 실린더(30)의 압력이 하강한다. 이 때 구동축에 걸리는 부하도 하강하게 된다. 3점 히치 장치(34)가 상승하는 시점 즉, 부하가 풀리는 시점에서, 제어기(60)를 통해 발전기(4)가 작동됨으로써 엔진(2)에 일정한 부하가 유지될 수 있다. 따라서, 트랙터의 구동축의 부하가 완만하게 하강한다. 즉, 부하가 걸리지 않는 동안에는 엔진(2)과 연결되어 있는 발전기(4)를 통해 엔진(2)이 일정한 부하를 유지하게 하여 구동축의 속도 변화를 줄일 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.
2: 엔진 4: 발전기
6: 전기 에너지 변환 장치 8: 에너지 저장 장치
10: 전기 모터 20: 유압 펌프
22: 유압 회로 30: 3점 히치 유압 실린더
32: 트랙터 34: 3점 히치 장치
36: 쟁기 40: 견인력 제어 링크
42: 부하 압축 스프링 50: 링크 변위 센서
60: 제어기

Claims (6)

  1. 트랙터 작업기에 견인 부하가 걸릴 때 작동하여 기계적 에너지를 발생시키는 전기 모터;
    상기 전기 모터와 연결되고 견인 부하가 걸릴 때 유압을 발생시키는 유압 펌프;
    상기 유압 펌프에 의해 공급되는 유압을 받아 내부에 구비된 부하 압축 스프링이 눌러지도록 하여 3점 히치 장치를 통해 작업기를 상승 또는 하강시키는 3점 히치 유압 실린더;
    일정 견인력보다 큰 견인 부하가 걸리면 링크 장치를 통해 상기 3점 히치 장치를 상승시키는 견인력 제어 링크;
    상기 부하 압축 스프링의 변위 또는 상기 견인력 제어 링크의 각도 변위를 감지하는 링크 변위 센서; 및
    상기 링크 변위 센서로부터 신호를 받고, 트랙터에 구비되는 발전기 또는 전기 모터를 작동시킬 수 있도록 제어 신호를 보내주고 전기 에너지를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 제어하는 제어기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3점 히치 장치는 상기 3점 히치 유압 실린더의 동작에 의해 상승 또는 하강되는 쟁기를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 링크 변위 센서는 상기 부하 압축 스프링에 구비되고, 상기 3점 히치 장치가 상승함에 따라 상기 링크 변위 센서 신호를 상기 제어기로 송신하고 엔진과 연결되어 있는 발전기를 작동시킴으로써 상기 엔진에 일정한 부하를 유지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유압 펌프는 상기 3점 히치 장치에 견인 부하가 걸릴 때 상기 부하 압축 스프링의 변위가 변함에 따라 이에 장착된 상기 링크 변위 센서의 신호를 수신하여 상기 유압 펌프에 연결된 전기 모터가 작동하게 되어 상기 3점 히치 유압 실린더에 유압 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유압 펌프는 엔진으로부터 분리되고 상기 전기 모터를 이용하여 구동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3점 히치 장치의 작동으로 인한 엔진의 부하 변동을 발전기를 작동시켜 흡수하여 트랙터에 가해지는 충격을 완화시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 트랙터.
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