KR102635398B1 - 센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는동력차 - Google Patents

센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는동력차 Download PDF

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Abstract

건설장비, 산업현장의 발전기, 차량, 선박, 항공기를 포함하는 동력장치의 경우, 연료나 전지 또는 대체에너지원을 포함한 다양한 종류의 에너지를 운동에너지로 변환하여 사용한다. 그러나 이렇게 에너지를 사용하다가 필요 시에는 감속 및 정지, 즉 제동을 해야하는데, 이런 경우 불가피하게 대부분의 에너지가 열로 바뀌어 유용하지 못한 상태로 소모된다. 본 발명은 낭비되는 에너지를 발전기를 이용하여 효율적으로 회수하고, 동력발생장치에 의해 유래된 관성력을 이용하여 에너지효율을 높이는 센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는 동력차를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는 동력차는 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체, 동력발생장치와 연결되는 제1구동축 및 회전체와 연결되는 제2구동축을 단속하는 클러치, 제2구동축의 회전속도를 제어하는 제동장치, 제1구동축의 회전 속도를 제2구동축의 회전 속도로 제어하는 속도제어장치를 포함하고, 속도제어장치는 제1구동축의 회전속도를 검출하는 제1구동축회전속도센서, 제2구동축의 회전속도를 검출하는 제2구동축회전속도센서, 제1구동축회전속도센서 및 제2구동축회전속도센서의 각각의 회전속도 값에 기초하여 제1구동축과 연결되는 개수가 결정되는 복수의 발전기, 를 포함한다.

Description

센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는 동력차 {A power vehicle including an energy-saving braking system using sensing technology}
본 발명은 센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는 동력차에 관한 것이다.
건설장비, 산업현장의 발전기, 차량, 선박, 항공기를 포함하는 동력장치의 경우, 연료나 전지 또는 대체에너지원을 포함한 다양한 종류의 에너지를 운동에너지로 변환하여 사용한다. 그러나 이렇게 에너지를 사용하다가 필요 시에는 감속 및 정지, 즉 제동을 해야하는데, 이런 경우 불가피하게 대부분의 에너지가 열로 바뀌어 유용하지 못한 상태로 소모된다. 현재 가장 일반적인 제동 방식은 유압을 이용하여 마찰력을 발생시켜, 차륜 등에서 열에너지로 소모시키는 방식이다. 이런 문제를 해소하기 위해 회생제동시스템으로 에너지를 저장하는 방법이 널리 알려져 있으나, 이는 저장 가능한 에너지를 열에너지로 소모시키는 방법과 병행되는 것이 일반적이며, 이로 인해 비효율적이다.
철도차량의 경우, 공급전력과 주전동기 사이에 저항을 넣어 그 저항치를 바꾸어 주전동기의 회전을 제어하는 방식, 또는 레일과 차량간 반대극성의 자력을 이용하는 제동방식 등이 부가적으로 사용된다. 이러한 방식은 모두 생성된 운동에너지를 사용하지 못하는 에너지로 변환시키면서 소모하게 되는 문제가 있다. 또한, 회생제동방식의 경우, 발전제동 시 발생된 전력을 변전소로 송전하여 다른 동력차에 사용하도록 하는 방법이 주류이나, 전동기에서 발전된 전기를 전차선의 전압과 유사하게 만들기 위해 기구가 복잡해지고, 전차선, 전압변환장치, 주파수변환장치 등이 따로 설치되어야 하는 어려움이 있다. 따라서 회생제동을 채택했을 경우의 에너지 절약량과 차량 및 지상측 시설비와 보수비를 합한 비용의 경제성 비교를 하여 발전제동으로 할 것이냐 회생제동으로 할 것이냐를 정하여야 한다는 한계점들이 있다.
본 발명은 낭비되는 에너지를 효율적으로 회수하며 에너지효율을 높이는 센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는 동력차에 대한 정보를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는 동력차는 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체, 동력발생장치와 연결되는 제1구동축 및 회전체와 연결되는 제2구동축을 단속하는 클러치, 제2구동축의 회전속도를 제어하는 제동장치, 제1구동축의 회전 속도를 제2구동축의 회전 속도로 제어하는 속도제어장치를 포함하고, 속도제어장치는 제1구동축의 회전속도를 검출하는 제1구동축회전속도센서, 제2구동축의 회전속도를 검출하는 제2구동축회전속도센서, 제1구동축회전속도센서 및 제2구동축회전속도센서의 각각의 회전속도 값에 기초하여 제1구동축과 연결되는 개수가 결정되는 복수의 발전기, 를 포함한다.
본 발명에 의하면 제동시 에너지를 효율적으로 회수할 수 있게 된다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개략적 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 개략적 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 개략적 구성을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개략적 입체구성을 표현한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개략적 구성의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개략적 구성의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 개략적 구성의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 개략적 구성을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 개략적 구성을 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 구성 및 작용을 도면의 부호와 함께 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는 동력차는 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체, 동력발생장치와 연결되는 제1구동축 및 회전체와 연결되는 제2구동축을 단속하는 클러치, 제2구동축의 회전속도를 제어하는 제동장치, 제1구동축의 회전 속도를 제2구동축의 회전 속도로 제어하는 속도제어장치를 포함하고, 속도제어장치는 제1구동축의 회전속도를 검출하는 제1구동축회전속도센서, 제2구동축의 회전속도를 검출하는 제2구동축회전속도센서, 제1구동축회전속도센서 및 제2구동축회전속도센서의 각각의 회전속도 값에 기초하여 제1구동축과 연결되는 개수가 결정되는 복수의 발전기, 를 포함한다.
또한, 상기 동력발생장치는 연료의 화학에너지를 산소와 연소시켜 역학에너지로 변환시키는 엔진 또는 전기에너지를 역학에너지로 변환시키는 모터를 포함한다. 또한, 상기 역학에너지는 열에너지, 기계적에너지, 회전에너지, 직선에너지, 운동에너지, 또는 상기 에너지를 하나 이상 포함하는 에너지로서 회전력을 발생하는 것이 바람직하다.
상기 회전체는 차량의 차륜, 헬리콥터 및 항공기 및 선박의 스크루 등을 포함한다. 또한, 클러치에서부터 상기의 차륜 또는 스크루에 이르는 과정에서 작용하는 회전운동을 하는 물체를 포함한다. 또한, 상기 회전체는 일단은 상기 동력발생장치와 연결되고 타단은 상기 회전체에 연결되는 구동축을 포함한다.
상기 스크루는 구동축에 2개 이상의 블레이드 날개깃을 붙여 동체를 밀어내거나 당기는 힘이 생기도록 작용,반작용의 자연법칙을 이용하는 장치를 포함한다. 상기 블레이드 날개깃은 나선면이 바람직하다.
상기 차륜은 차바퀴를 포함한다. 상기 차량은 도로나 선로를 이동하는 차량을 포함한다. 상기 차바퀴는 전동차바퀴, 전철바퀴, 자동차바퀴, 선박차바퀴 등을 포함한다.
상기 제동장치는 제동레버, 제동페달, 브레이크레버, 브레이크페달을 포함하며, 각 산업에서 사용되는 용어가 다르고 장치가 제동되도록 인위적 힘을 부여 받는 모듈을 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 발전기는 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체의 일측과 이격되어 설치되고 에너지저장장치와 연결되되, 제동장치의 작동으로 상기 회전체의 속도가 감속되는 경우 상기 회전체의 회전력을 전달받기 위해 상기 회전체와 연결되는 것을 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 에너지회수방법은 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체의 속도를 제어하는 단계, 상기 회전체의 요구 제동력에 기초하여 상기 회전체와 연결되는 발전기의 개수를 결정하는 단계, 상기 결정된 개수의 발전기를 상기 회전체와 연결하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 발전기의 개수를 결정하는 단계는 상기 회전체 속도를 제어하는 압력을 측정하는 단계, 및 상기 측정되는 압력을 미리 입력된 수치와 비교하는 단계, 를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 발전기는 무게가 다른 제2발전기를 더 포함하여, 상기 발전기, 상기 제2발전기 중 적어도 하나가 상기 회전체와 연결 또는 이격되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 개략적 구성을 도시한 개략도인 도 1에서 보는바와 같이, 제동을 위해 제동페달(86)의 압력을 측정하기 위한 센서(72)가 설치된다. 상기 센서(72)는 전자제어장치(70)와 연결되어 신호를 입력받는다. 상기 전자제어장치(70)는 구동축(05)의 에너지가 서브발전기1(241)로 인가될 수 있도록 서브발전기1(241) 또는 연결회전체(후술) 등의 동작을 제어하게 된다. 상기 센서(72)는 압력센서가 바람직하나, 변위 감지 센서 (또는 위치센서 또는 페달스트로크센서)를 제동페달(86) 부근에 장착하여 대체할 수 있다. 또한 마스터실린더유압센서 또는 브레이크 작동 검출기 (작동 여부만을 검출하는 on-off센서)를 포함하는 각종 센서로도 대체가 가능하다. 서브발전기1(241) 또는 연결회전체(후술) 등의 동작은 전자제어장치(70)와 연결되는 솔레노이드밸브1(761)의 개폐로 결정되는 것이 바람직하다. 회전체 중 구동축(05)에 발전기가 탈착(단속)되는 것을 통하여 실시 예를 설명한다. 실시 예의 상기 구동축(05)이 차량에서 그 직경이 적다고 판단되는 경우에는 플라이휠 등을 포함하여 직경을 넓히도록 보조구성을 추가 설치할 수 있다.
더욱 상세하게는 본 발명의 일 실시 예에 따른 개략적 구성을 도시한 개략도인 도 2에서 보는 바와 같이, 전자제어장치(70)로부터 연결되어 솔레노이드밸브1(761)에 의해 동작이 제어되는 하나 이상의 구동실린더(78)를 포함하는 액추에이터가 설치된다. 구동실린더(78) 및 솔레노이드밸브1(761)은 구동축(05)과 동일한 움직임을 나타내는 플라이휠 또는 배전기 주변 중 어느 곳이든 구동축(05) 부근에 설치된다. 또한, 구동축(05)과 동일한 움직임을 나타내는 회전체의 다른 예로 브래이크디스크 주변 중 어느 곳이든 설치가 가능하다. 마스터실린더(84)와 제어밸브라인(892), 구동실린더라인(894), 구동실린더하우징(782), 감압라인(896)의 내부는 유체로 압력이 유지된다. 유체로는 액체 또는 기체가 사용될 수 있으나, 액체가 더욱 바람직하다. 솔레노이드밸브1(761)는 전류에 의해 전자석으로 변환이 가능하며 제어밸브라인(892)과 구동실린더라인(894) 사이의 개폐를 결정한다. 솔레노이드밸브1(761)가 닫힌 상태에서는 구동실린더(78)의 내부에 설치된 구동리턴스프링(784)의 장력에 의해 컵씰(786)이 고정된 상태이며, 이로 인해 일체화되어 설치되는 실린더피스톤(788)과 피스톤동작연결부(789)가 움직이지 않는 상태로 유지된다. 감압라인(896)에는 체크밸브(769)가 설치되어, 마스터실린더(84)측의 압력에 의한 유체 이동이 감압라인(896)을 따라서 구동실린더(78)로 역류하는 것을 방지한다. 또한, 서브발전기1(241)은 피스톤동작연결부(789)와 연결되어 일체화된 동작을 유도하고, 구동축(05)과는 이격을 두어 평시에는 상호간의 에너지가 인가되지 않도록 설치한다.
제동페달(86)에 의해 마스터실린더(84) 압력이 증가되고, 증압력은 제어밸브라인(892)과 감압라인(896)에 전달된다. 감압라인(896)에는 체크밸브(769)가 설치되어 있어서 체크밸브(769)를 기준으로 더이상의 압력은 전달되지 않게 되고 제어밸브라인(892)으로만 압력이 전달된다. 이 때, 전자제어장치(70)에서 전류를 솔레노이드밸브1(761)로 흘려주면, 전달된 유체압력이 제어밸브라인(892)에서 구동실린더라인(894) 및 구동실린더(78) 내부로 차례로 인가되어 설치된 구동리턴스프링(784)의 장력보다 인가된 증압력이 크게 되어, 실린더피스톤(788), 피스톤동작연결부(789)가 동작하여 함께 연결되어 있는 서브발전기1(241)을 구동축(05) 방향으로 밀어낸다. 구동축(05)의 회전력은 마찰력을 매개로 하여 서브발전기1(241)로 인가되며, 인가된 서브발전기1(241)의 에너지는 에너지저장장치(20)로 저장된다. 또한, 구동축(05)의 회전력은 서브발전기1(241)에 인가된 에너지와 마찰에 의해 발생된 열에너지 소모분 만큼 감소하게 되어 회전속도가 줄어들게 된다. 상기 솔레노이드밸브1(761)의 작동을 위해 전력를 소모하게 되나,이런 동작을 통해 저장할 수 있는 전력량과 비교하면 매우 미비하다.
제동페달(86)에서 압력이 제거되면, 솔레노이드밸브1(761)이 닫히도록 하여, 제동페달(86)을 동작시키지 않는 상태에서는 구동축(05)과 서브발전기1(241)에 이격을 두어 상호간에 에너지가 인가되지 않도록 전자제어장치(70)를 설정하는 것이 바람직하다. 제동페달(86)의 압력이 제거되면서 솔레노이드밸브1(761)이 닫히게 되면, 복원력이 작용하여 마스터실린더(84)와 제어밸브라인(892)의 압력이 낮아진다. 구동실린더라인(894), 구동실린더하우징(782)의 압력은 높은 상태이지만 마스터실린더(84)와 제어밸브라인(892)의 압력은 상대적으로 낮게 되어, 감압라인(896)을 통해 유체가 흘러 압력의 균형을 맞추게 된다. 동시에 구동리턴스프링(784)의 장력에 의해 실린더피스톤(788), 피스톤동작연결부(789), 서브발전기1(241)이 원래의 위치로 복원되면서 일시적으로 증압이 되는데, 이 증압된 유체도 감압라인(896)으로 흘러가면서 구동실린더(78) 내부의 압력이 원래대로 복원된다. 즉, 복원시에는 스프링장력과 파스칼의 원리가 동시에 작용하게 된다. 이 때, 서브발전기1(241)은 구동축(05)과 이격이 생기더라도, 관성력에 의해 지속적으로 에너지저장장치(20)에 에너지를 저장하게 된다.
또한, 상기 제동장치의 작동 압력을 측정하는 센서, 상기 센서로부터 신호를 전달받는 전자제어장치를 더 포함하고, 상기 전자제어장치는 미리 입력된 수치와 비교하여 상기 회전체와 연결되는 상기 발전기의 개수를 선택하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 회전체 속도를 제어하는 압력을 측정하는 센서와 연결되는 전자제어장치로 상기 측정된 압력을 미리 입력된 수치와 비교하여 상기 회전체와 단속되는 상기 발전기의 개수 및 종류를 선택하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 전자제어장치가 하나 이상의 솔레노이드밸브에 전류를 공급하여 상기 솔레노이드밸브의 개폐를 결정하며, 상기 솔레노이드밸브의 개폐에 의하여 상기 솔레노이드밸브에 연결된 하나 이상의 발전기의 위치를 제어하여, 상기 회전체에 상기 발전기의 단속 여부가 결정되도록 하는 것을 포함한다.
한편, 전자제어장치는 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체의 속도가 제동장치의 작동으로 감속되는 경우, 상기 제동장치의 제동압력을 측정하는 센서에서 신호를 받고, 미리 입력된 수치와 비교하여, 발전기가 상기 회전체의 회전력을 전달받도록 상기 발전기를 상기 회전체에 연결하되, 상기 회전체와 연결되는 상기 발전기의 개수 및 종류를 선택하여 상기 회전체와 연결되도록 제어하는 것을 포함한다.
동축(05)에서 인가되어 감소되는 에너지양은 연결되는 발전기의 개수에 의해 결정된다. 더욱 강한 제동을 요구할 경우, 요구 제동력을 센서(72)에서 전자제어장치(70)로 전달한다. 이 경우 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 상황이 되며, 이를 위하여 서브발전기 및 액추에이터 수를 다수로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 개략적 입체구성을 표현한 사시도인 도 4 및 정면도인 도 5에서와 같이, 구동축(05)의 외곽에 이격을 두어 서브발전기를 다수 설치하여, 요구 제동력이 크지 않을 경우에는 서브발전기 하나만 구동축(05)에 접촉시켜 에너지를 인가시키고, 요구 제동력이 클 경우에는 다수의 서브발전기를 접촉시켜 에너지 인가량을 크게하여 구동축(05)의 감속량을 크게 하면 더 강한 제동력을 얻게 되는 동시에 많은 양의 에너지를 저장하게 된다.
속도제어장치는 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체의 속도를 제어하되, 발전기를 포함하고, 상기 발전기는 에너지저장장치와 연결되고 상기 회전체의 일측과 이격되어 상기 회전체와 단속되어 상기 회전체의 속도를 상기 발전기와 상기 회전체의 단속으로 제어하는 것을 포함한다.
전자제어장치(70)에서는 센서(72)의 상태를 감지하여 미리 설정된 조건에 의해 순차적으로 솔레노이드밸브1(761) 내지 솔레노이드밸브8(768)를 열게 된다. 상세한 예를 개념도인 도 6과 함께 설명하면, 2,600rpm에서 2,000rpm으로 감속하게 될 때, 솔레노이드밸브1(761)과 솔레노이드밸브5(765) 및 솔레노이드밸브3(763)을 열고 이에 따라서 서브발전기1(241), 서브발전기5(245), 서브발전기3(243)이 구동축(05)에 접촉하며 에너지가 인가된다. 인가된 에너지는 에너지저장장치(20)에 저장되게 되고, 회전속도는 2,000rpm까지 감속하게 된다. 만약, 이 단계에서 보정이 필요한 상황으로 전자제어장치(70)에서 감지했다면, 추가적으로 솔레노이드밸브7(767)을 열어 접촉하지 않고 있던 서브발전기7(247)을 구동축(05)에 접촉시켜 회전속도를 줄이면서 에너지를 저장하게 된다. 만약, 접촉하지 않던 것을 접촉시키는 것으로 인하여 구동축(05)이 필요 이상으로 과도하게 감속될 것으로 전자제어장치(70)에서 미리 설정된 값에 의해 인지한다면 서브발전기7(247)을 접촉시킴과 동시에, 접촉하고 있던 솔레노이드밸브1(761)를 닫아 서브발전기1(241)을 구동축(05)에서 이격시킨다. 접촉하지 않고 있던 서브발전기를 회전시키는 에너지가, 접촉하여 회전하고 있는 서브발전기를 회전시키는 에너지보다 항상 크다는 관성력(정지된 서브발전기는 지속적으로 움직이지 않고자 하는 힘이 작용함)과 마찰력의 자연법칙을 이용하여 상기와 같이 좀 더 미세한 속도제어가 가능하게 된다. 구동축(05)의 속도가 더욱 감속되면, 상기의 절차를 반복하며 솔레노이드밸브1 내지 솔레노이드밸브8을 선택적으로 개폐하여 구동축(05)의 속도를 제어하며 에너지를 저장하게 된다.
또한, 상기 발전기는 상기 회전체와 연결되는 무게가 다른 제2발전기를 더 포함하여, 상기 신호에 따라서 상기 발전기, 상기 제2발전기 중 적어도 하나가 상기 회전체와 연결 또는 이격되는 것이 더욱 바람직하다.
발명의 다른 일 실시 예에 따른 정면도인 도 7에서와 같이, 발전기의 크기를 다르게 설계하게 되면 더욱 정밀한 속도제어가 가능하게 된다. 큰 감속일 경우에, 긴 직경의 서브발전기3(243)을 접촉시켜 더욱 큰 에너지를 한꺼번에 인가시킬 수 있다. 크기가 다른 서브발전기를 다수 설치하여 작은 반경의 서브발전기를 함께 구동시키면 더욱 미세한 속도제어가 가능하다. 서브발전기의 반경이 클 수록 관성력이 크고 서브발전기를 회전시켜야 하는 구동축(05)의 인가에너지가 많이 요구되지만, 이는 반대로 구동축(05)로부터 이격이 생기더라도 큰 관성력으로 더 오랜시간 회전할 수 있기 때문에 더 많은 에너지를 저장할 수 있음을 의미한다. 에너지가 구동축(05)에서 서브발전기로 인가될 때, 정지되어 있던 서브발전기를 회전시키기 위하여 서브발전기에 작용하는 관성력보다 강한 힘이 필요하나, 이렇게 관성력에 대응하는 에너지는 서브발전기가 구동축(05)에서 이격된 이후에 회전관성을 갖게 하기 때문에, 관성력만큼의 에너지가 소모되는 것은 아니다. 즉, 큰 직경의 서브발전기를 회전시킬 때 더 많은 에너지가 요구되나, 이격 이후에 큰 직경의 서브발전기가 더 오랜시간 회전한다는 관성의 원리를 설명한 것이다. 따라서, 본 발명에 의한 에너지 인가는 구동축(05)과 서브발전기 사이에서 발생되는 마찰로 인한 소량의 열에너지를 제외하고는 효율적으로 많은 양을 저장할 수 있게 된다. 상기에서처럼 연결되는 서브발전기의 개수와 크기와 무게를 통하여 전달되는 회전력의 크기가 다르게 설정할 수 있다.
또한, 상기 구동축(05)과 동일한 회전을 하는 플라이휠 회전면을 포함하는 서브발전기와의 접촉면 및 상기 접촉면과 마찰에 의해 에너지를 인가받는 서브발전기의 회전면은 마찰차 또는 기어 중 하나 이상의 탈착 구조인 마찰면을 포함한다.
상세하게는 구동축(05)의 회전면과 플라이휠의 회전면은 동일한 속도를 나타내며, 서브발전기는 구동축(05)과 동일한 속도의 에너지를 인가받을 수 있는 위치 어느 곳이든 설치가 가능하다. 이런 구동축(05) 회전면은 서브발전기의 회전면과 접촉 후 마찰에 의해 에너지가 인가되는데, 이렇게 접촉되는 구동축(05)의 접촉면과 서브발전기의 회전면 쌍은 마찰차 또는 기어 중 하나 이상의 탈착구조인 마찰면으로 설계할 수 있다. 단면원형차일 경우에 미끄럼이 생겨 확실한 동력전달에 한계가 있다. 따라서 차의 재료로서 금속보다 마찰력이 큰 재료인 나무, 가죽, 고무와 같은 재질을 이용할 수 있다. 마찰차 형태로서 원주형마찰차(평마찰차) 또는 원추차가 가능하나, 마찰차의 표면에 원주에 맞추어 V자형의 홈을 판 홈붙이마찰차(Grooved Friction wheel)을 통해 회전력을 증대시키는 것이 바람직하다. 또는 마찰차의 구조에 마멸이나 발열을 방지하기 위하여 그 모양을 마찰차의 접촉표면을 기준으로 원통차의 둘레에 등간격으로 돌기부분을 만든 기어형태가 실시 가능한 바람직한 예이다. 스퍼기어, 헬리컬기어, 더블헬리컬기어, 스크루기어 뿐만 아니라 서브발전기의 위치를 조정하면 곡선 베벨기어, 제롤베벨기어, 하이포이드 기어, 페이스기어 등 어떤 형태든지 응용이 가능하다.
또한, 상기 발전기 및 상기 회전체의 단속을 위해 연결회전체를 더 포함하고, 상기 연결회전체는 상기 제동장치가 작동되는 경우, 상기 복수의 발전기 중 적어도 하나의 발전기 및 상기 회전체 사이에 인입되어 상기 회전체의 회전력을 전달받고 상기 발전기에 회전력을 전달하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 발전기와 상기 회전체와의 단속을 위해 하나 이상의 연결회전체, 하나 이상의 솔레노이드밸브 및 하나 이상의 발전기를 더 포함하고, 상기 발전기와 상기 제1구동축 사이에 상기 연결회전체가 인입되도록 하되, 상기 전자제어장치는 상기 센서에서 전달된 신호를 수신하고 상기 제동장치의 작동 압력을 인지하고 미리 입력된 수치와 비교하여, 상기 솔레노이드밸브에 전류를 공급하여 상기 솔레노이드밸브의 개폐를 결정하며, 상기 솔레노이드밸브의 개폐에 의하여 상기 솔레노이드밸브에 연결된 상기 연결회전체의 위치를 제어하여 상기 발전기와 상기 회전체 사이에 인입여부를 결정하는 것을 포함한다.
또한, 상기 전자제어장치는 상기 신호 및 상기 미리 입력된 수치를 비교하여 솔레노이드밸브로 전류 공급 여부를 선택하여 상기 솔레노이드밸브의 개폐를 결정하며, 상기 솔레노이드밸브에 연결된 상기 연결회전체의 위치를 제어하여 상기 발전기와 상기 회전체 사이에 인입여부를 결정하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 바람직한 다른 실시 예인 도 8에서 보는 바와 같이, 서브발전기1(241)과 구동축(05)은 이격되어 설치되고, 구동축(05)과 동일한 움직임을 나타내는 플라이휠(18)과 서브발전기1(241)이 탈착되도록 설치한다. 상기 서브발전기1(241)과 플라이휠(18) 사이에 연결회전체(26)가 설치된다. 연결회전체(26)는 구동실린더(78)와 연결되어, 실린더피스톤과 피스톤동작연결부와 일체화된 작동을 하게 된다. 구동실린더(78)는 솔레노이드밸브1(761)에 의해 동작이 제어되며, 상기 도 2의 실시예에서의 서브발전기1(241)를 플라이휠(18)에 접촉/이격 조건과 유사한 방식으로 연결회전체(26)를 플라이휠(18)과 서브발전기1(241) 사이에 접촉/이격이 가능하도록 설치한다. 에너지인가가 요구되는 상황에서는 연결회전체(26)가 플라이휠(18)과 서브발전기1(241) 사이에 접촉되어 에너지를 인가시키는 역할을 하며, 에너지인가가 요구되지 않는 상황에서는 연결회전체(26)가 플라이휠(18) 및 서브발전기1(241)과 이격된다. 이러한 서브발전기 및 연결회전체를 다수 설치하여 효율적인 에너지인가를 실시하게 된다.
연결회전체(26)는 키, 핀, 스플라인, 코터를 포함하는 어떤 형태로도 설계가 가능하나, 연결회전체(26)와 플라이휠(18)간의 속도차이가 있을 경우, 과도한 마모나 스파크가 우려되므로, 원뿔기둥형태로의 마찰차(두 축 사이에서 서로 접촉하여 동력을 전달하는) 설계를 하는 것이 바람직하다. 상기의 마찰차, 즉 구동축(05)과 평행하나 동일선상은 아닌 상태에서 연결회전체(26)를 인입 및 분리하는 설계 뿐 아니라, 구동축(05)과 동일선상에 연결회전체(26) 및 이 에너지를 인가받는 물체가 구동되도록 할 수도 있다. 이 경우에는, 싱크로매시 등을 이용하여 마모나 진동을 최소화할 필요가 있다.
또한, 복수의 발전기는 회전체의 원주방향으로 배열되어 회전체의 회전축 방향으로 접촉하는 힘의 합력이 0이 되도록 적어도 두 개가 동시에 접촉하는 것이 더욱 바람직하다.
더욱 상세하게는 급제동 여부를 판단하는 바람직한 예로, 제동페달(86)에 장착된 변위 감지 센서(또는 위치센서) 및 시간 감지 센서로부터 제동 변위 및 제동페달 이동 시간 값을 입력 받아 제동페달의 이동 속도를 계산하고 이것을 사전 설정된 급제동 여부를 결정하는 속도와 비교하여 판단하게 된다. 이러한 급제동 결정 여부는 여러 차례 시행착오에 의하여 결정될 수 있다. 고정된 값으로 적용할 수도 있고, 운전자의 조작을 수집 및 분석하여 사전에 입력된 계산식에 의해 변경시켜 재저장할 수도 있다. 계산된 제동페달(86) 이동속도와 사전 설정된 급제동 여부 결정 속도를 비교하여 그 속도가 더 크면, 급제동으로 결정한다. 상기 과정을 거쳐 급제동이라 판단되는 경우, 구동축(05)을 빠르게 제어하기 위하여 서브발전기 다수를 구동축(05)에 연결한다. 이 때 구동축(05)의 균형과 더 빠른 제동을 위하여 구동축 중심으로 작용하는 서브발전기의 힘은 제로에 맞추도록 한다. 도 5를 예로 설명할 때, 2방향 내지 8방향 중 2방향의 예라면 서브발전기1(241) 및 서브발전기5(245)가 동시에 연결되도록 한다. 구동축(05)을 중심으로 타측에 위치한 서브발전기를 동시에 연결하도록 한다. 4방향의 예로는 서브발전기1(241), 서브발전기3(243), 서브발전기5(245), 서브발전기7(247)을 동시에 접촉시킨다. 3방향 및 5방향의 경우도 (도면에 기재하지 않음) 중심 방향으로 균형을 이루도록 서브발전기를 동시에 연결시킨다. 또한, 후술할 도 9에서와 같은 경우에는 서브발전기1(241), 서브발전기2(242), 서브발전기3(243)이 브레이크디스크(96)에 접촉되도록 설정하는 경우에 상기의 서브발전기들이 상기 브레이크디스크(96) 반대편에도 설치되어 동시에 연결(접촉)되도록 하는 것이 바람직하다. 이 원리와 서브발전기의 수 및 위치가 도면에 국한되는 것은 아니다. 또한, 운전자가 제동페달(86)을 밟으면서부터 발전기단속(탈착)의 제어가 시작된다. 차속, 브레이크 신호 변화율, 휠의 슬립율 등을 참고하여 유압제동 제어 여부를 판단한다. 만약 패닉 제동이나 급박한 상황으로 판단되면, 유압제동 제어를 우선적으로 시행하며, CBS 또는 ABS 제어를 수행하도록 하는 것이 바람직하다.
또 다른 일 실시 예를 도시한 도 9에서와 같이, 브레이크디스크(96)와 발전기를 연결하도록 설치할 수 있다. 상기한 회전체는 구동축과 브레이크디스크(96)를 포함한다. 브레이크디스크(96)의 회전력을 전달받기 위하여 서브발전기1(241) 내지 서브발전기3(243)이 마찰면과 단속되도록 설치된다. 전자제어장치에서 구동실린더(78)를 제어하여 서브발전기 (241 내지 243)의 위치를 결정하고 회전력 전달 여부를 결정하게 된다. 브레이크디스크(96)와 단속되는 서브발전기의 개수와 종류는 상기한 바와 같은 조건에 의해 상황에 맞추어 탈착되도록 한다.
또한, 상기 회전체는 상기 동력발생장치와 연결된 제1구동축 및 상기 제1구동축으로부터 동력을 전달받는 제2구동축을 포함하고, 상기 제1구동축과 상기 제2구동축 사이에서 동력을 단속하는 클러치를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 의미하는 제1구동축 및 제2구동축은 차량의 전륜 및 후륜과는 명확히 구분되어 이해할 필요가 있다.
또한, 당업자의 관점에 따라 상기 제1구동축(15)은 원동축, 상기 제2구동축(55)은 종동축, 상기 구동축은 주축으로 이해할 수도 있으나, 이하 제1구동축 및 제2구동축, 구동축으로 기술한다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 개략적 구성을 도시한 개략도인 도 3에서 보는 바와 같이, 엔진(12) 내 연소실에서 산소와 결합하며 열에너지를 포함하는 역학적에너지가 발생하고, 상기 연소실과 연결된 크랭크축 또는 터빈을 통하여 회전에너지로 전환된다. 이렇게 전환된 회전에너지는 제1구동축(15), 클러치(40), 제2구동축(55), 에너지출력부로 인가된다. 상기 에너지출력부는 차량의 경우에 차륜을 포함한다. 회전체는 상기 제1구동축(15), 상기 클러치(40), 상기 제2구동축(55), 에너지출력부를 포함한다. 더욱 상세하게는 엔진(12)에서 발생한 역학에너지를 전달하는 제1구동축(15) 및 엔진(12)에서부터 차륜 사이에 하나 이상의 위치에 설치되어 제1구동축(15)으로부터 인가된 역학에너지를 전달하거나 제동시에는 분리되어 동력 전달을 차단하는 클러치(40) 및 클러치(40)와 브레이크디스크(96)를 연결하는 제2구동축(55) 및 제2구동축(55)의 회전속도를 감속하는 제동페달(86), 배력장치(82), 마스터실린더(84)를 포함하는 제동장치(80) 및 상기 제1구동축(15)과 연결되는 에너지저장장치를 포함한다.
상기 클러치(40)는 유체응집력(cohesive force)을 포함하는 전달력, 마찰력, 장력, 탄성력, 자기력, 전자력(電磁力), 원심력(centrifugal force) 중 하나 이상의 힘을 이용하는 클러치를 포함한다.
또한, 제동상태를 위하여 제동페달(86), 배력장치(82), 마스터실린더(84), 브레이크라인(88), 브레이크실린더(92), 브레이크캘리퍼(94), 브레이크디스크(96)가 연결 설치된다. 또한, 상기 마스터실린더(84)에는 클러치라인(87), 릴리스피스톤(59), 릴리스포크(58), 릴리스레버(46)를 연결 설치한다.
엔진(12) 또는 모터에 의해 발생한 역학에너지, 상세하게는 회전에너지는 제1구동축(15)으로 전달되어 플라이휠(18)에 인가되고 클러치(40)를 회전시킨다. 평시, 즉 주행시에는 클러치(40)가 연결되어져 있어서, 제2구동축(55), 브레이크디스크(96), 에너지출력부인 차륜에까지 전달되어, 이들 모두 동일한 속도로 회전하게 되는 것이 일반적이다. 제동시에는 제동페달(86)을 밟으면 힘을 증폭시키기 위한 배력장치(82)를 통해 마스터실린더(84)에 압력이 전달된다. 마스터실린더(84)에는 유액이 채워져 있고, 파스칼의 원리를 이용하여 마스터실린더(84)에 붙어 있는 작은 실린더 안의 브레이크 액을 압축하게 되며, 이 힘은 브레이크라인(88)을 타고 브레이크실린더(92)에 순차적으로 압력이 전달되어 브레이크캘리퍼(94)에 작용하여 압착력으로 변환된다. 회전하고 있던 제2구동축(55)에 연결된 브레이크디스크(96)와 마찰을 일으키며 열에너지로 변환되어 소모되면서 속도를 제어하게 된다. 유액을 이용하여 힘을 전달할 경우, 힘의 증폭이 용이하다. 유압 브레이크는 고압으로 작동되므로 제동장치 구성부품의 크기, 예를 들면 휠 실린더의 직경이 작아도 큰 힘을 얻을 수 있다. 또 브레이크액은 비압축성이므로 공극(air gap)이 작다면, 적은 유량으로도 여러 개의 휠 실린더를 동시에 작동시킬 수 있다. 즉, 제동페달을 밟으면 라인압력은 급속히 상승하고, 이 압력에 의해 각 휠 실린더의 피스톤도 즉시 작동하여 각 차륜에 제동력을 발생시키게 된다.
동력 전달시에는 코일스프링(56)이 클러치디스크(42)에 대항하여 클러치압력판(44)을 누르고 있게 되어, 클러치디스크(42)는 플라이휠(18)의 마찰면과 클러치압력판(44) 사이에서 압착된다. 엔진(12) 또는 모터에서 변환된 에너지는 제1구동축(15)에 의해 플라이휠(18)에 전달되고, 상기 압착력에 의해 생성된 마찰력은 클러치디스크(42)의 유효반경에 작용하는 토크로 변환되어 제2구동축(55)에 전달된다. 제동을 위하여 제동페달(86)에 압력을 가하면 상기와 같이, 마스터실린더(84)에 채워진 유액이 배력장치(82)에 의해 압력을 받아 파스칼의 원리에 따라 브레이크라인(88)과 클러치라인(87)에 각각 전달된다. 제동을 위한 유액은 브레이크라인(88)으로 흘러들어 차륜을 제어하게 된다. 또한, 릴리스포크(58)는 릴리스중심축(505)을 기준으로 지렛대원리를 이용할 수 있도록 설계한 것으로서, 릴리스중심축(505)을 기준으로 하부에는 릴리스피스톤(59)이 밀착되도록 설치된다. 릴리스피스톤(59)은 실린더하우징(506) 내에 유액 또는 공기로 가득 채워져 외부로부터의 압력이 있을 경우, 접촉피스톤(508)이 릴리스포크(58) 하부 방향으로 밀려나가도록 설계한다. 클러치라인(87)을 통한 압력이 푸쉬로드(504)에 전달되어 실린더하우징(506) 내부의 압력을 상승시키면 접촉피스톤(508)이 릴리스포크(58) 하부를 밀면서 릴리스링(54)-릴리스레버(46)-클러치압력판(44)으로 순차적으로 힘이 인가되면서 클러치(40)내부에 이격이 생겨 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 회전력이 분리된다. 다시 말해서, 코일스프링(56)의 압착력으로 작용하는 복원력보다 릴리스링(54)을 누르는 힘이 더 커지면, 지렛대 원리로 설치된 릴리스링(54), 릴리스레버(46), 클러치압력판(44)에 의해 클러치압력판(44)이 클러치디스크(42)로부터 분리된다. 클러치압력판(44)이 클러치디스크(42)로부터 분리되면, 플라이휠(18)과 클러치디스크(42), 클러치압력판(44) 사이에는 간극이 조성되고, 제1구동축(15)과 제2구동축(55) 간의 토크는 전달될 수 없게 된다. 또한, 제동페달(86)에서 힘을 제거하여 압력이 제거되면, 리턴스프링(502)에 의하여 접촉피스톤(508)이 복귀되고, 클러치디스크(42)는 코일스프링(56)의 복원력에 의해 다시 플라이휠(18)과 클러치압력판(44) 사이에서 압착된다. 따라서 제1구동축(15)에서 전달된 에너지는 플라이휠(18)의 동력을 통해 제2구동축(55)에 전달된다.
또한, 변속을 위하여 클러치페달(806)을 통한 압력이 클러치로드(804)에 지렛대원리로 전달되면, 연결된 클러치케이블(805)의 장력으로 릴리스포크(58)의 상부를 당기게 된다. 릴리스중심축(505)을 기준으로 상부가 당겨지는 반대방향으로 하부는 밀리면서, 릴리스링(54)-릴리스레버(46)-클러치압력판(44)으로 순차적으로 힘이 인가되고 클러치(40) 내부에 이격이 생겨 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 회전력이 분리된다. 이렇게 클러치를 통한 변속시 일시적으로 발생하는 동력분리를 이용하여 에너지를 저장할지 여부는 당업자가 판단한다.
압착력으로 플라이휠(18)과 클러치압력판(44)이 압착되어 있어 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 에너지가 상호 전달되고 변속 또는 제동시에는 분리되도록 함에 있어서, 종래의 변속장치(808)에 인접 설치되어 있는 클러치를 클러치(40)로 결합하는 실시예를 제시하였다. 클러치(40)를 종래의 클러치 위치와 분리하여 플라이휠(18)부터 차륜 사이, 하나 이상의 위치 어디든 설치하여 실시할 수 있다.
다른 바람직한 실시예로서, 클러치의 몸체인 요크와 회전로타허브의 간격을 약 0.8mm두고, 마찰디스크와 고정후레치로 조립하여 축과 축을 연결하여 리드선에 전류를 흘리면 자력이 발생하여 회전로타허브의 마찰면과 마찰디스크가 접촉되어 동력을 전달하도록 설계할 수 있다. 이 경우, 전류를 차단하면 자력이 소멸되고 클러치는 분리되게 된다. 상세하게는 주행 중 전류를 공급하여 클러치(40)가 결합된 상태로 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 회전을 일체화시키고, 제동시에는 제동장치에서부터 전자제어장치로 신호가 입력되어 전자제어장치에서부터 전류를 차단하여 클러치(40)의 결합을 분리시킨다. 이러한 전자식 클러치의 경우에는, 전류가 흐를 때 동력이 전달되고 전류가 차단될 때 클러치도 분리되도록 할 수 있으며, 반대로 전류가 전달될 때 동력을 분리되도록 하는 것이 가능하다.
또한, 구동축(05), 제1구동축(15), 제2구동축(55)과 직접 또는 간접적으로 연결되는 에너지저장장치(20)를 추가하여 소모될 에너지를 저장하며 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다. 또한, 상기 회전체는 제2구동축과 일체화되어 동일한 회전 운동을 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 회전체의 속도를 제어하는 것은 제2구동축의 속도를 제어하는 것으로 상호 대체가 가능하다.
건설장비, 산업현장의 발전기, 선박, 철도, 항공기를 포함하는 동력장치 중 바람직한 실시 예인 도로나 선로를 이동하는 차량의 경우, 시동이 걸린 상태를 구분하면 아이들링을 포함하는 중립상태, 가속기에 압력이 가해지는 가속상태, 가속기에 압력이 제거되었으나 관성력에 의해 이동하며 마찰에 의해 속도가 감소하는 감속주행상태, 제동페달에 압력이 가해져 차량이 제동되는 제동상태로 나눌 수 있다. 제동상태에 대하여는 상기한 바와 같이 설치하여 발전기를 단속할 수 있게 된다.
가속상태에서는 클러치(40)가 결합되어져서 제1구동축(15)의 에너지가 제2구동축(55)으로 인가될 수 있도록 하여 운전자의 의도대로 조작이 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 중립상태, 제동상태, 감속주행상태에서는 클러치(40)를 분리시키고, 필요시 제1구동축(15)의 에너지를 에너지저장장치(20)와 연결하여 저장하게 된다. 감속주행상태에서는 관성력을 이용하여 제1구동축(15)은 분리되고, 제2구동축(55)을 포함하는 차륜이 회전하여 종래에는 소모되던 관성력을 이용하여 주행할 수 있게 된다.
가속페달 작동의 제거 또는 제동페달(86)이 작동하는 경우, 제2구동축(55)과 제1구동축(15)이 분리되어 독립적인 에너지로 운동하고, 제1구동축(15) 또는 제2구동축(55)의 에너지가 발전기로 인가된다.
감속주행상태 시, 도 2 및 도 8에 도시한 것과 같이, 엔진이나 모터를 포함하는 동력원에서부터 전환된 에너지가 제1구동축(15), 클러치, 제2구동축(55)을 거쳐서 차륜으로 전달되어 마찰력으로 도로나 선로를 차량이 이동한다. 클러치(40)은 서브발전기1(241)부터 차륜 사이에 설치된다. 일정한 속도까지는 동력원의 회전속도가 이에 상응하는 차량의 속도보다 빠르므로 에너지가 동력발생장치에서부터 차륜으로 인가되어 차량이 가속도를 얻게 된다. 반면, 차량의 속도가 빠른 상태에서는 동력발생장치와 차륜의 일체화가 오히려 이동을 방해하게 되므로 클러치(40)에 의해 제1구동축(15)과 제2구동축(55)을 분리시킨다.
더욱 상세하게는, 동력발생장치의 동작 중 가속페달(89) 또는 가속레버(또는 마스콘)를 포함하는 가속발생장치의 작동이 제거되면 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 동력이 분리되도록 한다. 가속페달(89)에서 압력이 제거되면, 연결된 전자제어장치(70)에서 인지하여 클러치(40)에 전류 공급하던 것을 차단한다. 운전이 시작되면서 동시에 적용할 수 있으나, 일정 속도 이상에서부터 작동되도록 전자제어장치(70)에서 설정하여 탈착되도록 하는 것이 바람직하다. 최소 30km/h의 차속 이상, 더욱 바람직하게는 60km/h 속도 이상에서 가속페달에 압력이 없는 경우에 클러치(40)가 분리되며, 필요시 제1구동축(15)의 회전에너지를 에너지저장장치(20)에 저장한다. 클러치(40) 분리 시, 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 회전속도를 동일하게 유지하기 위하여 상기에서의 다수의 구동실린더(78)를 포함하는 액추에이터가 제1구동축(15)의 회전에 관여한다.
또한, 가속페달(89)에 의한 작동 여부에 의한 판단이 아닌, 속도센서를 함께 사용하여 작동시킬 수 있다. 차량의 등속운동의 차속에 해당되는 제1구동축(15)의 회전속도를 설정하고 이 수치를 비교하여 가속페달(89)을 밟지 않는 중에 동력을 분리한다. 감속주행상태 중, 가속페달(89) 작동 제거에 의해 클러치(40)가 작동하도록 설계할지, 속도센서에 의한 신호로 작동하도록 할지, 혹은 병행할지의 여부를 적절히 선택할 수 있다.
또한, 감속주행상태에서 제1구동축(15) 또는 제2구동축(55)과 연결되어 회전속도 변화를 감지하는 속도센서 및 상기 속도센서와 연결되는 전자제어장치(70)로 제1구동축(15)과 제2구동축(55) 사이의 클러치(40) 탈착여부를 결정하는 것이 바람직하다.
보다 상세하게는, 차량의 속도를 검출하는 차속센서(726) 및 동력발생장치의 회전속도를 검출하는 제1구동축회전속도센서(724)는 전자제어장치(70)와 연결되고, 차량의 이동속도가 이에 상응하는 제1구동축(15)의 회전속도보다 빠른 경우, 클러치(40)에 의해 제1구동축(15)과 제2구동축(55)이 분리되게 한다.
발전기를 제1구동축(15)에 탈착되도록 설치할 수 있다. 발전기를 제1구동축(15)에 탈착되도록 설치하는 경우, 제2구동축(55)의 움직임과 동일한 속도를 유지하면서도 에너지를 저장하는 것이 바람직하다.
바람직한 예로, 100km/h의 등속운동을 위해 동력원이 3,000rpm의 회전을 요구하는 차량의 경우, 동일한 회전수이면서 100km/h이하의 이동속도에서는 클러치(40)가 결합상태를 유지한다. 동일한 회전속도, 110km/h의 이동속도이며, 가속페달(89)에 압력을 주고 있는 상태인 경우에도 클러치(40)는 결합상태를 유지하여 운전자가 원하는데로 가속페달(89)을 통하여 차량의 가속도를 높이게 된다. 만약 이 차량이 110km/h이상의 속도로 이동하는데, 3,000rpm 회전속도이면서 가속페달(89)에 압력이 없는 상태라면, 이동속도(110km/h)보다 제1구동축회전속도(3,000rpm의 회전속도에 해당되는 등속운동속도는 100km/h)가 느린 경우로 전자제어장치(70)에서 인지하여 클러치(40)가 분리된다. 이미 이동하고 있는 가속도와 관성으로 제2구동축(55)과 차륜은 회전하며 차량이 이동하게 되고, 상대적으로 느린 제1구동축(15)의 회전이 방해되지 않게 된다. 이 차량의 60km/h의 등속운동을 위한 동력원 회전속도가 1,800rpm이라면 상기와 같은 동일한 설정을 한다. 즉, 저속의 등속운동에 해당되는 제1구동축회전속도로부터 고속에 해당되는 제1구동축회전속도를 세팅하고, 가속페달(89)을 밟지 않은 상태에서 해당되는 등속운동속도보다 제1구동축(15)이 느리게 회전되는 경우에 클러치(40)를 분리시키는 방법이다. 이런 방법으로 저속으로부터 고속주행까지 모두 세밀한 세팅이 가능하나, 효율면에서는 중속, 고속에서의 설정에 집중하는 것이 에너지 효율면에서 바람직하다. 제2구동축회전속도센서(722)는 상응하는 차속센서(726)로도 대체가 가능하다. 변속기나 유체클러치가 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 일체화를 일시적으로 이탈시키게 되고, 이것을 전자제어장치(70)가 감지한다. 상기 예에서는 이해를 위하여 속도범위를 넓게 설명하였으나, 실제 적용시에는 미세한 차이에 의한 탈착이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
감속주행상태에서 동력이 분리되면, 오르막 경사에서는 일정시간 이후 바로 차량의 이동속도가 늦어질 것인데, 이런 경우에는 동력의 분리 시간이 짧게 된다. 반면, 내리막 경사에서는 위치에너지가 함께 작용하여 동력원의 에너지 공급 없이도 일정 구간을 주행할 수 있다는 이점이 있다.
차량의 이동속도가 이에 상응하는 동력발생장치의 회전속도보다 빠른 경우, 즉, 동력이 분리되면 제1구동축(15)의 회전속도보다 제2구동축(55)의 회전속도가 더 빠른 경우, 상기와 같이 클러치(40)에 의해 제1구동축(15)과 제2구동축(55)이 분리된다. 제동상태와 마찬가지로, 제2구동축회전속도센서(722) 및 제1구동축회전속도센서(724)에 의해 검출되는 회전속도는 전자제어장치(70)로 연결되어 회전속도 차이를 인지하고, 전자제어장치(70)와 연결되어 있는 스로틀밸브 및 흡입공기 제어 기능 등을 통하여 점화사이클을 빠르게 진행시키면 (또는 모터 속도를 빠르게 진행) 제2구동축(55) 회전속도에 제1구동축(15)의 회전속도를 맞출 수 있다.
위치에너지가 존재하는 내리막길이 아닌 한, 제2구동축(55)의 회전은 연결되어 있는 차륜과 바닥면과의 마찰로 인하여 공기의 저항만으로 속도가 줄어드는 제1구동축(15)의 회전속도보다 빠르게 감소한다. 즉, 동력이 분리된 상태 및 가속페달(89)을 밟지 않은 상태에서, 제1구동축(15)의 속도가 제2구동축(55)의 속도보다 빠른 경우가 발생된다. 동력 분리 상태에서 제2구동축(55)의 속도가 더 빠른 경우에는 상기와 같이 점화사이클을 빠르게 진행시키나, 제1구동축(15)의 속도가 더 빠른 경우에는 그 회전에너지를 저장할 수 있는 상황이 된다. 차량의 이동에 관여되는 관성력에 의해 추가적인 에너지 공급이 없이도 차량 속도는 유지하며, 클러치(40)에 의해 분리된 제1구동축(15)의 회전에너지를 제2구동축(55)의 회전속도와 동일한 속도로 유지하면서 저장할 수 있게 된다.
상기의 경우에서 액추에이터의 바람직한 예로, 도 2에서와 같이, 전자제어장치(70)로부터 연결되어 솔레노이드밸브1(761)에 의해 동작이 제어되는 하나 이상의 구동실린더(78)가 설치된다. 제동시에는 마스터실린더(84)가 관여하고, 주행 중에는 압력조정장치(85)가 관여한다.
상기 액추에이터는 유압, 공기압을 포함하는 압력과 전기력, 복원력, 압전력 중 하나 이상의 힘을 운동력으로 변환하는 운동동력발생장치를 포함한다.
차량의 이동속도가 이에 상응하는 제1구동축(15)의 회전속도보다 빠른 경우, 전자제어장치(70)에서 압력조정장치(85)로 전류를 보내 압력을 증가시키고, 증압력은 제어밸브라인(892)과 감압라인(896)에 전달된다. 그 이후 작동은 제동상태에서 속도를 제어하며 에너지를 저장하는 것과 유사하여 생략한다. 또한, 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 속도 차이가 없어지면, 압력조정장치(85)에서 압력이 복귀되고, 솔레노이드밸브1(761)이 닫히도록 하여, 플라이휠(18)과 서브발전기에 이격을 두어 상호간에 에너지가 인가되지 않도록 전자제어장치(70)를 설정하는 것이 바람직하다. 이후의 복원과정은 제동상태에서와 유사하다. 오르막 경사가 심한 경우에는 제2구동축(55)의 회전속도가 더욱 빠른 속도로 감속되는데, 이런 경우 제1구동축(15)의 회전속도와 차이가 더욱 심해지게 된다. 만약, 가속페달(89)을 밟는 경우라면 모든 시스템의 동작이 중지되며, 클러치(40)가 결합하여 차량이 가속되나, 가속페달(89)을 밟지 않아도 되는 경우라면, 동력 분리 상태에서 제1구동축(15)의 에너지를 제2구동축(55) 회전속도 감소분만큼 저장한다. 이 경우, 서브발전기 및 액추에이터 수를 다수로 하는 것이 바람직하며, 상세한 작동은 제동상태의 경우와 유사하다.
발전기는 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있으나, 병렬구조가 더욱 바람직하다.
또한, 가속페달 작동 검출기를 더 포함한다.
가속페달(89)에 압력이 생기는 경우에는, 가속페달(89)과 연결되는 가속페달(89)의 동작을 검출하는 온오프(on/off) 센서가 이를 감지하고, 이동속도와 회전속도의 강약에 관계 없이 클러치(40)는 결합되어 제1구동축(15)과 제2구동축(55)을 일체화시켜 운전자가 통제 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 가속페달(89)에서 압력이 전달되면, 이와 연결된 전자제어장치 (70)에서 감지하고, 클러치(40)를 결합시키는 방법이 바람직하다.
또한, 동력이 분리된 상태에서 가속페달(89)이 아닌, 제동페달을 밟게 되는 경우가 발생될 수 있는데, 이 때에는 클러치(40)가 결합되지 않고 분리상태를 유지하면서, 제동력은 제2구동축(55)에 전달되어 차량을 제어하고, 제1구동축(15)의 회전관성은 에너지저장장치로 인가시킬 수 있게 된다.
중립상태시, 종래에는 제1구동축(15)과 제2구동축(55)이 분리되더라도 에너지를 모두 낭비하던가, 저장하더라도 비효율적으로 제어하였다. 본 발명에 의해 클러치(40)로 동력이 분리되고, 분리된 제1구동축(15)의 에너지가 발전기로 인가되어 편리하게 에너지 효율을 높이게 된다.
또한, 발전기는 상기 제2구동축(55)에 탈착되도록 한다. 이런 경우 제2구동축(55)에서 발생하는 회전력의 다량을 저장하여 활용할 수 있다는 이점과 더불어 제1구동축(15)의 회전력은 제2구동축(55)과 분리되어 상기에서와 같이 제1구동축(15)의 회전관성 대부분을 저장하게 된다. 브레이크디스트(96)에서 마찰력이 발생하여 차량이 제동되는 경우 제2구동축(55)은 브레이크디스크(96)와 동일한 회전운동을 하여 브레이크디스크(96)와 일체화되어 회전하는 제2구동축(55)의 회전력은 일부 열에너지로 소모될 수 밖에 없다. 이는 안전을 고려하는 유압식 브레이크를 병행하여 사용할 것이 더욱 바람직하기 때문이다. 그럼에도 회전관성을 포함하는 에너지는 질량에 비례하므로 제1구동축(15)보다 더 많은 양의 에너지를 보유한 제2구동축(55)의 에너지를 저장하는 것이 병행되면 에너지 효율성이 더욱 높아지게 된다.
상기에서 동력찰탁장치(40)에 의하여 구동축(05)을 제1구동축(15)과 제2구동축(55)으로 분리하여 제1구동축(15)의 에너지를 인가받는 것에 대해 설명하였다. 유사한 구조로 제2구동축(55)의 에너지를 인가받을 수 있도록 설치가 가능하며, 이는 당업자라면 상술한 내용을 토대로 이해하는 것이 자명하다.
또한, 회전체의 회전에너지를 전기에너지로 변환 및 회수하며 제동력을 발휘하는 전력회생브레이크장치를 더 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는 제동페달(86)에 의한 제동이 발생하는지를 인지한 후, 제동페달(86)에 의한 요구 제동력을 계산한다. 요구하는 제동력을 유압제동력과 회생제동력으로 배분하여, 휠을 구속하는 유압제동력과 에너지를 저장하면서 발생하는 회생제동력의 합으로 실행된다. 이러한 전력회생브레이크장치의 구성은 당업자가 명백히 이해하고 있는바, 생략하도록 한다.
이러한 전력회생브레이크장치는 구동축(05)의 에너지를 인가받을 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 전력회생브레이크장치는 제동시에 효율적으로 에너지를 저장할 수 있다는 장점이 있음에도 회로의 변화로 인하여 급제동을 운전자가 느낄 수 있다는 단점이 있다. 상기한 클러치가 작동되는 경우 관성력이 일시적으로 작동하면서 차량이 주행방향으로 쏠리는 느낌을 받게 된다. 상기한 전력회생브레이크장치와 상기한 클러치 시스템이 동시에 작동되는 경우에는 상호간의 문제점들이 상쇄되면서도 두 시스템을 통하여 각각 다량의 에너지를 회수할 수 있게 된다는 장점이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 충격완화장치는 선행 차량과의 거리를 측정하는 차간거리센서, 자동차의 속도를 측정하는 차속센서, 상기 차간거리센서 및 차속센서와 연결되는 전자제어장치, 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체, 회전체의 요구 제동력에 기초하여 상기 회전체와 연결되는 개수가 결정되는 복수의 발전기를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 차간거리센서로는 차간 거리를 레이저 레이더 또는 카메라 등의 원리로 검출하는 방법이 일반적이다. 차량의 속도를 측정하는 차속센서와 함께 상기 차간거리센서를 통하여 선행하는 차량과의 상황을 판단할 수 있으며, 이를 통하여 전자제어장치(70)에서 추가적인 감속여부를 결정할 수 있게 된다. 추가적인 감속이 필요하다고 판단하는 경우, 구동축의 에너지를 인가받도록 발전기와 연결하여 차속을 감속 하며, 에너지를 저장한다.
상기의 원리는 스마트 크루즈 컨트롤 시스템에도 활용할 수 있는데, 스마트 크루즈 컨트롤(SCC, Smart Cruise Control)이란, 레이더를 사용하여 선행차량과의 차간 거리를 측정하여 차간 거리를 유지하도록 차량을 제어하는 시스템이다. 차간 거리를 유지하도록 차량을 제어하는 경우에 제어되는 에너지를 저장할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 구동축(05)의 길이 또는 제1구동축(15)과 제2구동축(55)의 길이를 조정하거나 구동축(05)을 없앤 후 인휠모터에서 적용할 수 있다.
본 발명은 상기에서의 도로나 선로를 이동하는 차량을 포함하여 터보프롭, 전동차, 건설장비, 산업현장의 발전기, 선박, 항공기, 로켓, 군사장비를 포함하는 구동축을 구성하도록 설계할 수 있는 동력장치의 경우를 포함한다. 또한, 증기, 전기, 디젤, 터빈을 포함하는 각종 동력방식을 이용하는 동력차 및 이에 견인되는 차량에 상기에서와 같이 응용할 수 있다. 또한, 전차선로(trolly lines)에서 전력을 공급받아 전기동력을 기계동력으로 전환시키는 장치만을 탑재하는 전기차량(electric rolling stock)의 경우에도, 회전운동을 포함하는 역학적 운동에너지를 갖게 되는 동력전달장치 중 어느 위치든 상기의 방법을 응용할 수 있게 된다. 바람직한 예로, 차륜 축의 회전에너지와 탈착이 가능하도록 설계할 수 있다.
05 구동축 761 솔레노이드밸브1
12 엔진 765 솔레노이드밸브5
15 제1구동축 769 체크밸브
18 플라이휠 78 구동실린더
20 에너지저장장치 782 구동실린더하우징
241 서브발전기1 784 구동리턴스프링
245 서브발전기5 786 컵씰
26 연결회전체 788 실린더피스톤
40 클러치 789 피스톤동작연결부
42 클러치디스크 80 제동장치
44 클러치압력판 804 클러치로드
46 릴리스레버 805 클러치케이블
502 리턴스프링 806 클러치페달
504 푸쉬로드 808 변속장치
505 릴리스중심축 82 배력장치
506 실린더하우징 84 마스터실린더
508 접촉피스톤 85 압력조정장치
54 릴리스링 86 제동페달
55 제2구동축 87 클러치라인
56 코일스프링 88 브레이크라인
58 릴리스포크 89 가속페달
59 릴리스피스톤 892 제어밸브라인
70 전자제어장치 894 구동실린더라인
72 센서 896 감압라인
722 제2구동축회전속도센서 92 브레이크실린더
724 제1구동축회전속도센서 94 브레이크캘리퍼
726 차속센서 96 브레이크디스크

Claims (1)

  1. 동력발생장치로부터 회전력을 전달 받는 회전체;
    상기 동력발생장치와 연결되는 제1구동축 및 상기 회전체와 연결되는 제2구동축을 단속하는 클러치;
    상기 제2구동축의 회전속도를 제어하는 제동장치;
    상기 제1구동축의 회전 속도를 상기 제2구동축의 회전 속도로 제어하는 속도제어장치를 포함하고,
    상기 속도제어장치는
    상기 제1구동축의 회전속도를 검출하는 제1구동축회전속도센서;
    상기 제2구동축의 회전속도를 검출하는 제2구동축회전속도센서;
    상기 제1구동축회전속도센서 및 상기 제2구동축회전속도센서의 각각의 회전속도 값에 기초하여 상기 제1구동축과 연결되는 개수가 결정되는 복수의 발전기; 를 포함하는 센싱기술을 이용한 에너지절감 겸용 제동장치를 포함하는 동력차
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