KR20110019336A - 건설기계의 조향 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휠 로더와 같은 건설기계에 관한 것으로서, 조향 액추에이터와, 사판의 구동에 의해 양방향으로 작동유의 토출이 가능한 유압 펌프와, 상기 조향 액추에이터와 상기 유압펌프를 연결하여 폐회로를 구성시키는 한 쌍의 구동 유로와, 운전자의 조향 수단 조작에 대응되는 신호를 입력받아 상기 유압펌프의 사판을 제어하는 펌프 제어 유닛을 포함하며, 상기 펌프 제어 유닛은, 일측이 상기 사판(21)과 연결되어, 작동유의 공급시 구동되어 사판의 경사각을 변환시킴으로써 상기 유압펌프의 토출량 및 토출방향을 변환시키는 사판 구동 실린더와, 상기 운전자의 조향 수단 조작에 대응되는 신호를 입력받아 절환되어 상기 사판 구동 실린더로 공급되는 작동유의 공급량 및 공급방향을 제어하는 사판 제어 밸브를 포함한다.

Description

건설기계의 조향 장치{Steering Device for Construction Machinery}

본 발명은 휠 로더와 같은 건설기계에 관한 것으로서, 특히 사용자의 편의를 고려하여 운전자가 받는 피로를 줄여주고 조향 제어성을 향상시킬 수 있는 건설기계의 조향 장치에 관한 것이다.

일반적으로 휠로더와 같은 건설기계는 펌프로부터 토출되는 작동유를 조향 액추에이터에 공급하여 주행 방향을 변경하게 된다. 보다 구체적으로, 작업자가 조향 핸들을 조작하면, 조향 핸들과 연결된 조향 유닛에 의해 조향 핸들의 조작량에 비례하는 유량으로 작동유가 토출된다. 토출된 작동유는 조향 핸들의 조작방향 및 조작량에 비례하는 방향으로 조향밸브를 절환시킨다. 절환된 조향밸브는 장비의 메인펌프로부터 공급되어 대기 중인 작동유가 조향 액추에이터로 공급되도록 한다. 이렇게 조향엑추에이터가 조향 핸들의 조작량 및 조작방향에 대응하여 구동되도록 함으로써 장비의 조향이 이루어지게 된다.

종래의 조향 장치는 메인 펌프로부터 공급된 작동유가 메인 컨트롤 밸브의 조향밸브를 포함한 다양한 밸브를 경유하여 공급되기 때문에 작동유의 압력 손실이 큰 문제가 있다. 또한 메인 펌프로부터 공급되는 작동유를 메인 컨트롤밸브/브레이크/냉각팬 등과 같은 다른 구동품들과 공유해야 하기 때문에 조향 응답성이 불량하여 운전자의 만족도가 낮은 문제가 있다.

아울러, 최근에는 전자식 조향레버를 사용하여 장비의 조향도 가능하게 하는 요구도 있으나, 종래와 같이 복잡한 기계식 장치를 사용할 경우, 상술한 부가기능을 추가시킬 경우 구조가 보다 복잡해지고 안전성도 낮아 상술한 소비자의 욕구를 만족시키기 힘든 문제점도 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 구조를 단순화하여 비용을 절감하고, 작동유의 압력 손실에 의한 연비 악화를 방지할 수 있는 건설기계의 조향 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 건설기계의 조향 장치는 조향 액추에이터(10); 사판의 구동에 의해 양방향으로 작동유의 토출이 가능한 유압 펌프(20); 상기 조향 액추에이터(10)와 상기 유압펌프(20)를 연결하여 폐회로를 구성시키는 한 쌍의 구동 유로(31,32); 운전자의 조향 수단(45) 조작에 대응되는 신호를 입력받아 상기 유압펌프(20)의 사판(21)을 제어하는 펌프 제어 유닛(60, 160);을 포함하며, 상기 펌프 제어 유닛(60,160)은, 일측이 상기 사판(21)과 연결되어, 작동유의 공급시 구동되어 사판의 경사각을 변환시킴으로써 상기 유압펌프의 토출량 및 토출방향을 변환시키는 사판 구동 실린더(61); 및 상기 운전자의 조향 수단(45) 조작에 대응되는 신호를 입력받아 절환되어 상기 사판 구동 실린더(61)로 공급되는 작동유의 공급량 및 공급방향을 제어하는 사판 제어 밸브(62);를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 한 쌍의 구동유로(31,32)와 연결된 보충라인(39)에 작동유를 토출함으로써, 상기 한 쌍의 구동유로(31,32)의 작동유를 보충해주는 차징 펌프(50);를 더 포함하며, 상기 차징 펌프(50)는 제 2 공급라인(52)을 통해 상기 사판 제어 밸브(62)와 더 연결되어, 상기 사판 제어 밸브(62)를 경유하여 상기 사판 구동 실린더(61)에도 작동유의 공급이 가능하다.

또한, 상기 조향 장치는 일측이 상기 조작수단(45)에 연결되고, 타측이 제 1 및 제 2 조향 신호라인(41,42)를 통해 상기 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a, 62b)에 작동유의 공급이 가능하게 연결되어, 상기 운전자의 조향 수단(45) 조작에 대응하여 상기 사판 제어 밸브(62)를 절환시키는 조향 유닛(40);을 더 포함할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 조향 신호라인(41,42)에는 상기 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 유량에 비례하여 상기 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a)(62b)로 인가되는 작동유의 압력을 점진적으로 가변시키는 압력 변환 유닛(63)이 설치된다.

상기 압력 변환 유닛(63)은 상기 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)과 탱크를 연결하도록 설치되어, 상기 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 작동유의 유량에 비례하여 탱크로 드레인되는 유량을 조절하여 상기 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)의 압력을 가변시키는 압력 변환 밸브(63c)를 포함한다.

상기 조향 유닛(40)은 상기 차징 펌프(50)과 상기 조향 유닛(40)을 연결하는 제 1 공급라인(51)을 더 구비하여, 상기 차징 펌프(50)으로부터 공급된 작동유를 제어하여 상기 사판 제어 밸브(62)로 공급한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 조향 수단(45)의 조작량 및 조작방향에 대응되는 조작정보를 출력하는 센서(45a); 및 상기 센서(45a)로부터 입력된 상기 조향 수단(45)의 조작정보에 대응하여 제어신호를 출력하는 컨트롤러(VCU,100);을 더 포함하며, 상기 사판 제어 밸브(162)는 상기 컨트롤러(100)로부터 출력된 제어신호에 의해 구동이 제어되는 전자제어밸브이다.

첫째, 본 발명의 따른 건설기계의 조향 장치는 제 1 및 제 2 구동유로에 의해 유압 펌프와 조향 액추에이터를 폐회로로 연결함으로써, 조향 회로의 구성을 간소화시킬 수 있다. 또한, 이러한 구조의 단순화를 통해 각 구성품들에 의한 압손을 줄일 수 있고, 이에 의해 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 상기 건설기계의 조향 장치는 펌프 제어 유닛을 사판 구동 실린더와 사판 제어 밸브 및 압력 변환 유닛으로 구성함으로써, 조향 유닛이 급조작되어 과도한 유량이 발생하더라도 유압 펌프로부터 토출되는 작동유의 유량이 급상승하는 것을 방지할 수 있고 이에 의해 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

셋째, 상기 건설기계의 조향 장치는 압력 변환 유닛이 조향 유닛의 토출 유량에 따라 조향 신호 라인의 압력을 점진적으로 가변시키는 압력 변환 밸브를 포함하여, 조향 회로를 더욱 간소화시킬 수 있게 된다. 더욱이, 압력 변환 밸브로 릴리프 밸브를 이용하고, 릴리프 밸브의 오버라이드 특성을 이용하여 조향 신호 라인의 압력을 가변시킴으로써, 조향 회로를 더욱더 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 유압 부품에 의한 압손을 최소화하여 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

넷째, 상기 건설기계의 조향 장치는 폐회로를 이용한 가변 펌프를 적용하고, 조향 수단(조향 핸들 또는 조향 레버)의 동작 정보와 엔진 회전수 및 주행 속도 정보와 액추에이터의 동작 정보를 모두 고려하여 유압 펌프의 토출을 전자적으로 제어하므로, 조향 성능 및 조향 제어성이 크게 향상되어 최적의 조향 제어를 구현할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예 1 에 따른 건설기계의 조향 장치를 개략적으로 나타낸 유압 회로도.
도 2 는 본 발명의 실시예 2 에 따른 건설기계의 조향 장치를 개략적으로 나타낸 유압 회로도.
도 3 은 모드 선택에 따라 조향 핸들의 회전각을 크게 하거나 조향 레버의 유동을 크게할 때 변화되는 비례 전류값을 개략적으로 나타낸 그래프.
도 4 는 모드 선택에 따라 조향 펌프의 용적을 증가시킬 때 변화하는 펌프 제어용 비례 전류값을 개략적으로 나타낸 그래프.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 건설기계의 조향 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1

도 1 을 참조하면, 본 발명의 실시예 1 에 따른 건설기계의 조향 장치는 조향 액추에이터(10)와, 유압 펌프(20)와, 상기 제 1 및 제 2 구동유로(31)(32)를 통해 상기 유압 펌프(20)와 상기 조향 액추에이터(10)를 연결시키는 폐회로(30)와, 상기 유압 펌프(20)로부터 상기 조향 액추에이터(10)으로 공급되는 작동유의 방향 및 유량을 제어하는 펌프 제어 유닛(60)과, 운전자의 조향 수단(45) 조작에 대응하여 토출 유량 및 방향이 가변된 작동유를 펌프 제어 유닛(60)으로 토출하는 조향 유닛(40)과, 상기 폐회로(30) 및 상기 조향 유닛(40)에 작동유를 공급하기 위한 차징 펌프(50)를 포함한다.

상기 조향 액추에이터(10)는 조향륜을 구동시켜 조향하기 위한 것으로서, 실시예 1 에서는 조향 실린더를 예시하였다. 이러한 조향 액추에이터(10)는 작동유가 공급되는 방향에 따라 신축 구동되고, 이러한 신축 구동에 의해 조향륜이 조향된다.

상기 유압 펌프(20)는 미 도시된 엔진이나 전동기와 같은 구동원에 연결되어 구동되며, 사판(21)의 경사각에 따라 작동유의 토출 유량 및 토출 방향이 가변된다. 즉, 상기 유압 펌프(20)는 사판(21)이 '+' 방향으로 경사지면 제 1 구동유로(31)로 작동유를 토출하고 제 2 구동유로(32)를 통해 작동유를 흡입하며, 사판(21)이 '-'로 경사지면 제 2 구동유로(32)로 작동유를 토출하고 제 1 구동유로(31)로부터 작동유를 흡입하는 양방향 작동유 공급이 가능하다. 이에 따라, 조향 액추에이터(10)에 작동유를 공급하는 유압회로를 폐회로로 구성이 가능하게 된다. 여기서, 토출 유량은 사판(21)의 경사각에 따라 가변된다.

상기 폐회로(30)는 상기 제 1 및 제 2 구동유로(31)(32)로 유압 펌프(20)와 조향 액추에이터(10)를 연결한다. 따라서, 상기 유압 펌프(20)로부터 토출되는 작동유는 제 1 및 제 2 구동유로(31)(32) 중 어느 하나의 유로를 통해 상기 조향 액추에이터(10)에 공급되며, 상기 조향 액추에이터(10)로부터 배출되는 작동유는 상기 제 1 및 제 2 구동유로(31)(32) 중 다른 어느 하나의 유로를 통해 상기 유압 펌프(20)로 유입된다.

상기 펌프 제어 유닛(60)은 상기 조향 수단(45)의 조작에 대응하게 상기 유압 펌프(20)의 토출 유량 및 토출 방향을 제어하기 위한 것으로서, 사판 구동 실린더(61)와, 사판 제어 밸브(62)와, 압력 변환 유닛(63)을 포함한다.

상기 사판 구동 실린더(61)는 상기 유압 펌프(20)의 사판(21)과 일측이 연결되어 사판(21)을 일 방향 또는 타 방향으로 경사 구동시킨다. 사판 구동 실린더(61)는 외부로부터 공급되어 사판 제어 밸브(62)에 의해 공급방향이 가변되는 작동유에 의해 구동된다. 이를 위해, 사판 구동 실린더(61)는 작동유가 공급되는 챔버(61a)(61b)를 구비하며, 각 챔버(61a)(61b)에 작동유의 공급 여부 및 공급 유량에 따라 상기 사판(21)의 경사 구동 방향 및 경사 구동량이 결정된다. 사판(21)의 경사 구동량은 유압 펌프(20)의 토출 유량을 결정하게 되고, 사판(21)의 경사 구동방향은 유압 펌프(20)의 토출 방향을 결정하게 된다.

상기 사판 제어 밸브(62)는 후술될 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42) 각각이 연결되는 제 1 및 제 2 수압부(62a)(62b)를 구비하며, 사판 구동 실린더(61)로 작동유를 공급하는 유압 라인 상에 설치된다. 본 실시예에서는 상기 사판 구동 실린더(61)의 구동을 위한 작동유는 후술될 차징 펌프(50)에 의해 공급된다. 도 1에서는 사판 제어 밸브(62)가 중립인 경우를 도시한 것으로서, 해당 상태에서는 차징 펌프(50)로부터 제 2 공급라인(52)를 통해 공급받은 작동유를 탱크(T)로 드레인 시킴으로써 사판 제어 실린더(61)가 중립상태를 유지할 수 있게 한다.

한편, 상기 제 1 수압부(62a)에 고압의 신호압이 인가되고, 제 2 수압부(62b)에 저압의 신호압이 인가되면, 상기 사판 제어 밸브(62)는 일측으로 변환되어 상기 차징 펌프(50)의 작동유를 상기 사판 구동 실린더(61)의 제 1 챔버(61a)에 공급하고 사판 구동 실린더(61)의 제 2 챔버(61b)의 작동유를 드레인시킨다. 이에 의해 사판 구동 실린더(61)는 유압 펌프(20)의 사판(21)을 일 방향으로 경사 구동시키게 된다.

이와 반대로, 상기 제 1 수압부(62a)에 저압의 신호압이 인가되고 제 2 수압부(62b)에 고압의 신호압이 인가되면, 상기 사판 제어 밸브(62)는 타측으로 변환되어 상기 차징 펌프(50)의 작동유를 상기 사판 구동 실린더(61)의 제 2 챔버(61b)에 공급하고 사판 구동 실린더(61)의 제 1 챔버(61a)의 작동유를 드레인시킨다. 이에 의해 사판 구동 실린더(61)는 유압 펌프(20)의 사판(21)의 타 방향으로 경사구동시킨다.

상기 조향 유닛(40)은 조향 수단(45)의 조작량 및 조작방향에 따라 사판 제어 밸브(62)를 절환시키기 위한 것이다. 즉, 조향 유닛(40)은 조향 수단(45)이 조작되면, 그 조작방향에 대응하여 작동유의 토출방향을 조절함으로써, 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42) 중 어느 한 측으로 작동유를 토출하여 사판 제어 밸브(62)의 제 1 및 제 2 수압부(61a, 61b) 중 어느 하나에 작동유를 공급한다. 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)으로 공급될 작동유는 외부의 별도 펌프에 의해 공급될 수 있다. 본 실시예에서는 후술될 차징 펌프(50)로부터 제 1 공급라인(51)을 통해 공급받는다.

압력 변환 유닛(63)은 상기 조향 유닛(40)으로부터 토출되어 상기 사판 제어 밸브(62)의 각 수압부(62a)(62b)에 공급되는 작동유의 유압을 조절하기 위한 것이다. 본 발명에서는 운전자가 조향 수단(45)이 조작되면 사판 제어 밸브(62)가 구동되기 때문에, 조향 수단(45)이 미소량이라도 급조작 될 경우 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)의 압력이 높아져서 운전자가 원하는 조향각보다 크게 조향각이 형성되는 문제가 발생될 수 있다. 즉, 사판 제어 밸브(62)가 운전자의 조작량과 관계없이 어느 한 방향으로 완전히 개방되는 것을 방지시키기 위한 것이다. 이에 따라, 본 실시예에서는 압력 변환 유닛(63)을 이용하여 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)의 압력을 제어한다. 이를 위해 압력 변환 유닛(63)은 상기 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(42)으로부터 인출되는 인출 라인(63a)과, 상기 인출 라인(63a)에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)으로 작동유가 역류되는 것을 방지하기 위한 한 쌍의 체크 밸브(63b)와, 상기 인출 라인(63a)에 연결되어 상기 인출 라인(63a)의 작동유를 선택적으로 드레인시키기 위한 압력 변환 밸브(63c)를 포함한다. 이러한 구성에 의해 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)의 압력이 급격하게 커질 경우 이를 사판 제어 밸브(62)로 전가시키지 않음으로써 운전자가 원하는 조향각 만큼 구동되도록 사판 구동 실린더(61)를 제어할 수 있게 된다.

상기 압력 변환 밸브(63c)는 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)의 압력이 시스템 대기 압력인 6bar 이하인 경우, 변환되지 않은 도 1 에 도시된 바와 같이 초기 상태를 유지하고 있게 된다. 따라서, 인출 라인(63a)의 작동유는 드레인되지 않는다. 반면, 상기 조향 수단(45)을 조작하여 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 유량이 증가하면, 인출 라인(63a)의 압력이 상승하기 시작하고 상기 압력 변환 밸브(63c)는 개방되기 시작하여, 인출 라인(63a)의 작동유가 드레인되기 시작한다. 이러한 개방은 매우 미소하게 이루어지기 때문에 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a,62b)들로 공급되는 유량보다는 매우 적은 양이 드레인 된다. 하지만, 이렇게 드레인 되는 유량에 의해 아래와 같은 효과를 기대할 수 있게 된다. 즉, 조향 유닛(40)의 토출 유량이 점진적으로 증가하면 압력 변환 밸브(63c)의 개방량은 점진적으로 증가하면서 인출 라인(63a)의 압력이 점진적으로 상승하게 된다. 이는 압력 변환 밸브(63c) 자체의 오버라이드(override) 압력의 특성으로서, 압력 변환 밸브(63c)의 초기 개방 시점의 압력(cracking pressure)과 전유량 개방의 압력(full flow pressure) 사이에는 압력차가 발생한다. 이와 같은 압력차를 소위 '오버라이드 압력'이라고 한다. 실시예 1 에서는 초기 개방 시점의 압력을 6 bar로 설정하고 전유량 개방의 압력은 18 bar로 설정된 것을 예시하였으나, 조향 시스템에 따라 그 압력은 변경될 수 있다.

도 3 은 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a)(62b)에 인가되는 압력에 따른 유압 펌프(20)의 사판각의 경사 구동량을 도시한 그래프로서, 도 3 의 가로축은 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a)(62b)에 인가되는 압력이고, 가로축은 유압 펌프(20)의 사판(21)의 경사 구동 비율(최대 사판각에 대한 비율)이다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 수압부(62a)(62b)에 인가되는 신호압이 6 bar 이하인 경우, 유압 펌프(20)의 사판(21)은 초기 위치에 있게 되며, 수압부(62a)(62b)에 인가되는 압력이 6 bar를 넘어서면 일측('+' 경사 방향) 또는 타측('-' 경사 방향)으로 경사 구동된다. 그리고, 수압부(62a)(62b)의 신호압이 18 bar가 되면, 사판(21)의 경사각은 최대가 된다. 여기서, 전술한 바와 같이, 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a)(62b)에 인가되는 압력은 압력 변환 밸브(63c)의 인출 라인(63a)의 압력과 동일하다. 따라서, 사판 제어 밸브(62)와 압력 변환 밸브(63c)를 조정하여 유압 펌프(20)의 사판(21)의 경사 구동을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

이처럼, 압력 변환 밸브(63c)의 오버라이트 특성을 이용함으로써, 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)의 압력(인출 라인(63a)의 압력과 동일함)은 조향 유닛(40)의 토출 유량에 비례하여 상승하게 되고, 이러한 압력이 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a)(62b)에 인가된다. 이와 같이, 압력 변환 밸브(63c)의 오버라이드 특성을 이용함으로써 기존에 조향 유닛의 토출 유량을 신호압으로 변환하기 위한 다수의 밸브가 이용되는 것에 비해 구조를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 다수의 밸브에 의해 발생된 압손을 최소화할 수 있어 에너지 소비 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

비록 본 실시예에서는 압력변환밸브(63c)가 유압에 의해 구동되는 구성을 설명하였으나, 압력변환밸브(63c)를 별도의 컨트롤러(미 도시)에 의해 전자적으로 제어받게 하는 경우라면 상술한 기능을 전자적으로 제어가 가능하게 된다. 도 4는 앞서 설명된 압력 변환 밸브(63c)가 전자식 제어로 변환되었을 때 그 제어방법을 도시한 도면으로, 세로축의 단위는 압력 변환 밸브(63c)가 기계식일 경우 그 개도량이 될 수 있으며, 본 도면에서는 이를 제어하는 전자신호의 크기인 mA로 표시하였다.

한편, 전술한 바와 같은 폐회로(30)에는 플러싱 밸브(flushing valve, 33)가 설치된다. 이러한 플러싱 밸브(33)는 상기 차징 펌프(50)에 의해 상기 제 1 및 제 2 구동유로(31)(32)에 새로운 작동유가 공급되면, 폐회로(30)의 가열된 작동유가 드레인시키기 위한 것이다. 보다 구체적으로, 상기 플러싱 밸브(33)는 상기 제 1 구동유로(31)와 제 2 구동유로(32) 중 큰 압력이 형성된 유로의 유압에 의해 구동된다. 일 예로, 제 1 구동유로(31)를 통해 조향 액추에이터(10)에 작동유가 공급되고 제 2 구동유로(32)를 통해 조향 액추에이터(10)의 작동유가 유압 펌프(20)로 배출된다고 가정한다. 이러한 상태에서 상기 조향 액추에이터(10)에 부하가 가해져서 상기 제 1 구동유로(31)의 압력이 제 2 구동유로(32)의 압력보다 커지게 되면, 상기 플러싱 밸브(33)는 제 2 구동유로(32)의 작동유가 드레인되도록 변환된다. 이와 반대의 상황도 제 1 구동유로(32)의 작동유가 드레인되는 것을 제외하면 동일하다.

상기 차징 펌프(50)는 앞서 설명된 바와 같이 플러싱 밸브(33)의 구동에 의해 드레인되는 폐회로(30)에 유량을 보충해 주기 위한 펌프이다. 상기 폐회로(30)의 작동유는 제 1 및 제 2 구동유로(31)(32)와 상기 유압 펌프(20) 및 조향 액추에이터(10)를 통해 순환하기 때문에 추가적인 작동유의 공급이 필요하지 않는 것으로 생각될 수 있으나, 플러싱 밸브(33) 등을 통해 작동유가 드레인되기 때문에 차징 펌프(50)에 의한 추가적인 작동유의 공급이 필요하게 된다. 이를 위해 본 실시예에서의 차징 펌프(50)는 유압펌프(20)와 마찬가지로 엔진(미도시)에 연동되어 상시 구동된다. 이렇게 생성된 작동유는 폐회로(30)의 압력이 일정 이상 낮아지면 작동유 보충라인(39)을 통해 폐회로(30)에 공급된다.

한편, 본 실시예에서의 차징 펌프(50)는 사판 구동 실린더(61)를 구동시키기 위한 작동유를 공급한다. 이를 위해 차징 펌프(50)는 제 2 공급라인(52)를 통해 사판 제어 밸브(62)의 입구측으로 작동유를 공급한다. 사판 제어 밸브(62)에 대기 중인 작동유는 상기 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)으로부터 전달되는 신호압에 따라 상기 유압 펌프(20)의 사판(21)을 구동시키기 위한 동력으로 사용된다.

한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 상기 차징 펌프(50)의 작동유는 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 공급라인(51)을 통해 상기 조향 유닛(40)에도 공급된다. 이에 따라, 조향 유닛(40) 및 사판 제어 유닛(60)의 구동을 위한 별도의 펌프를 구비하지 않아도 되므로, 시스템을 전체적으로 단순화 시킬 수 있게 된다.

이러한 차징 펌프(50)에서 토출된 작동유는, 상기 조향 수단(45)이 조작되지 않거나, 폐회로(30)에 유량 공급이 필요 없는 상태에서는 작동유 보충라인(39)에 연결된 드레인 라인을 통해 탱크(T)로 드레인된다.

실시예 1 에서는 상기 압력 변환 밸브(63c)로 릴리프 밸브를 적용하고 있으나, 유량에 비례하여 인출 라인(63a)의 압력을 상승시킬 수 있다면, 다양한 압력 변환 밸브(63c)가 이용될 수 있다. 상기 압력 변환 밸브(63c)는 상술한 바와 같은 사판 제어 밸브(62)의 스트로크 제어를 위해 도 4 에 도시된 바와 같은 오버라이드(override) 특성을 가진다. 도 4 를 참조하면, 세로축의 압력(P)은 인출 라인(63a)의 압력이고, 가로축은 분당 조향 수단(45)의 동작 속도를 나타낸다. 상기 조향 수단(45)이 조향 핸들인 경우 핸들의 회전 속도를, 상기 조향 수단(45)이 조향 레버인 경우 레버의 작동 속도를 나타낸다. 여기서 조향 수단(45)의 작동 속도가 증가하면 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 작동유의 유량이 증가하므로, 가로축의 조향 수단(45)의 작동 속도는 조향 유닛(40)의 토출 유량으로 간주할 수도 있다. 또한, 실시예 1 에서는 조향 유닛(40)의 토출 유량은 모두 압력 변환 밸브(63c)를 통해 드레인되므로, 도 4 의 가로축은 압력 변환 밸브(63c)를 통해 드레인되는 유량으로 간주될 수도 있다.

한편, 도 1 의 미 설명된 부호 70은 폐회로(30)의 압력이 허용 압력 이상으로 상승하는 것을 방지하기 위한 메인 릴리프 밸브이다.

이하, 전술한 바와 같은 구성을 가지는 조향 장치의 작동 과정에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같은 상태에서 작업자가 조향 수단(45)을 일 방향으로 작동시키면, 조향 유닛(40)은 제 1 조향 신호 라인(41)으로 작동유를 토출하도록 변환된다. 이때, 조향 유닛(40)의 토출 유량은 조향 수단(45)의 동작 속도에 의해 결정된다. 그러면, 제 1 조향 신호 라인(41)으로 토출된 유량은 인출 라인(63a)을 통해 압력 변환 밸브(63c)를 통해 드레인된다. 이때, 제 1 조향 신호 라인(41)과 인출 라인(63a)의 압력은 상기 압력 변환 밸브(63c)를 통과하는 유량 즉, 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 유량에 비례하여 상승하게 된다. 따라서, 제 1 조향 신호 라인(41)의 압력은 상기 조향 수단(45)의 조작량에 비례하여 상승하게 되고, 상승된 신호압은 사판 제어 밸브(62)의 제 1 수압부(62a)에 인가된다. 한편, 제 2 수압부(62b)는 제 2 조향 신호 라인(42)과 조향 유닛(40)을 통해 탱크(T)와 연결되어, 탱크(T)의 압력과 동일한 저압의 신호압이 형성된다. 따라서, 상기 사판 제어 밸브(62)는 일측으로 변환되어 제 2 공급라인(52)을 사판 구동 실린더(61)의 제 1 챔버(61a)와 연통시키고 사판 구동 실린더(61)의 제 2 챔버(61b)는 탱크(T)와 연통시킨다. 이에 의해 사판 구동 실린더(61)가 일 측으로 구동되어 유압 펌프(20)의 사판(21)을 일 방향으로 경사 구동시킨다.

그러면, 유압 펌프(20)는 제 2 구동유로(32)의 작동유를 흡입하여 제 1 구동유로(31)로 토출한다. 이에 의해 유압 펌프(20)로부터 토출된 작동유는 제 1 구동유로(31)를 통해 조향 액추에이터(10)에 공급되고, 조향 액추에어터(10)의 작동유는 제 2 구동유로(32)로 배출되며, 이에 의해 조향 액추에이터(10)가 일 방향으로 구동된다.

반면, 작업자가 조향 수단(45)을 타 방향으로 작동시키면, 조향 유닛(40)은 제 2 조향 신호 라인(42)으로 작동유를 토출하도록 변환된다. 그러면, 제 2 조향 신호 라인(42)으로 토출된 유량은 인출 라인(63a)과 압력 변환 밸브(63c)를 통해 드레인된다. 이때, 제 2 조향 신호 라인(42)과 인출 라인(63a)의 압력은 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 유량에 비례하여 상승하게 된다. 따라서, 제 2 조향 신호 라인(42)의 압력은 상기 조향 수단(45)의 작동 속도에 비례하여 상승하게 되고, 상승된 신호압은 사판 제어 밸브(62)의 제 2 수압부(62b)에 인가된다. 한편, 제 1 수압부(62a)는 제 1 조향 신호 라인(41)과 조향 유닛(40)을 통해 탱크(T)와 연결되어, 탱크(T)의 압력과 동일한 저압의 신호압이 형성된다. 따라서, 상기 사판 제어 밸브(62)는 타측으로 변환되어 제 2 공급라인(52)을 사판 구동 실린더(61)의 제 2 챔버(61b)와 연통시키고 사판 구동 실린더(61)의 제 1 챔버(61a)를 탱크(T)와 연통시킨다. 이에 의해 사판 구동 실린더(61)가 타 측으로 구동되어 유압 펌프(20)의 사판(21)을 타 방향으로 경사 구동시킨다.

그러면, 유압 펌프(20)는 제 1 구동유로(31)의 작동유를 흡입하여 제 2 구동유로(32)로 토출한다. 그러면, 제 2 구동유로(32)를 통해 조향 액추에이터(10)에 작동유가 공급되고, 제 1 구동유로(31)에 조향 액추에이터(10)의 작동유가 배출되어 조향 액추에이터(10)가 타 방향으로 구동된다.

전술한 바와 같은 작동 과정 중, 외력이 조향 액추에이터(10)를 통해 제 1 및 제 2 구동유로(31)(32) 중 어느 하나에 전달되어 작동유의 압력이 과도하게 상승되는 경우, 릴리프 밸브(70)가 절환되어 작동유를 드레인시키게 된다.

이처럼, 조향 액추에이터(10)와 유압 펌프(20)를 제 1 및 제 2 구동유로(31)(32)를 통해 연결함으로써, 조향 회로를 간소화할 수 있게 되고, 이에 의해 원가절감은 물론 압력 손실에 따른 에너지 소비를 줄일 수 있게 된다.

실시예 2

도 2 를 참조하여, 본 발명의 실시예 2 에 따른 건설기계의 조향 장치를 설명하되 실시예 1 과 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. 실시예 2 에서는 실시예 1 과 달리 상기 펌프 제어 유닛, 더 상세하게는 사판 제어 밸브(162)가 전자 제어되는 것이 특징이다. 실시예 1 에서 상기 조향 수단(45)의 동작 속도와 작동 방향에 의해 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 작동유의 유동이 결정됨으로써 사판 제어 밸브(162)의 절환량이 결정되었다. 하지만, 실시예 2에서는 센서(45a)에 의해 조향 수단(45)의 구동에 대응되는 전자신호가 생성되어 전자 컨트롤러인 VCU(100)으로 입력된다. 아울러, 사판 제어 밸브(162)도 전자비례제어밸브(EPPR) 형태로 변경되어 VCU(100)의 제어를 받게 된다. 이에 따라, 유압펌프(20)의 사판(21)은 센서(45a)의 입력신호에 대응하여 구동된다. 이러한 실시예에 의하면, 장비의 조향이 조향수단(45)의 조작에만 대응하는 것이 아니라 장비의 조작에 영향을 미치는 다른 정보에 의해서도 조절될 수 있다. 일례로, 본 실시예에서는 엔진컨트롤러(ECU)로부터 입력된 엔진속도, 트랜스미션 컨트롤러(TCU)로부터 입력된 차량의 실제 주행 속도 등의 정보(100a)를 감안하여 조향각이 조절될 수 있다. 아울러, 사판 구동 실린더(61)의 위치를 피드백받아 차량의 조향이 운전자가 원하는대로 정확하게 이루어지는지를 확인하여 이를 차량의 조향에 반영할 수 있도록 VCU(100)에서 제어할 수 있게 된다. 아울러, 전자조향레버(49) 등이 선택 사양으로 구비되는 경우 이러한 전자조향레버(49)에 의해 입력된 신호에 의해서도 조향을 제어할 뿐만 아니라 조향 수단(45)와 전자조향레버(49)의 조작에 대한 우선순위를 자동으로 결정하는 등 다양한 부가 기능을 실현할 수 있게 된다.

이상과 같이 전자식 시스템으로 구성될 경우 앞서 설명한 도 3 및 도 4의 오버라이드 기능도 쉽게 구현이 가능하다. 아울러, 도 3 및 도 4에 표시된 미세조작과 정상조작을 구분하여 조향속도 및 조향량을 제어할 수 있게 된다. 정상조작과 미세조작의 구분은 조향 수단(45)의 조작을 감시하여 자동으로 판단할 수도 있으나, 운전자가 필요시 선택할 수 있도록 구성도 가능하다. 어떻게 구성되던, 미세조작일 경우보다 정밀하게 조향각 및 조향 속도를 운전자가 제어할 수 있도록 사판 구동 실린더(61)가 제어되도록 VCU(100)로부터 제어신호가 변환되어 출력되면 된다.

한편, 본 실시예와 같은 전자 시스템에서는 조향 수단(45)의 회전 범위를 구속시키고, 조향 수단(45)를 비조작시 중립상태를 유지시키는 수단이 더 필요하다. 하지만, 탄성체를 이용하는 기계적 장치 또는 포스 피드백(Force feed-back) 기능이 있는 전기장비와 같은 공지기술을 이용함으로써, 앞선 실시예에서 설명된 조향 유닛(40, 도 1 참조)의 부가 기능인 조향 수단(45)의 회전 범위 구속 및 중립상태 유지 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 도면의 복잡함을 피하기 위해 도 2에는 이러한 부분을 별도로 기재하지 않았으나, 상술한 기능들은 앞서 설명한 다양한 공지기술이 장착될 수 있음을 고려할 수 있다.

본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

10 : 조향 액추에이터 20 : 유압 펌프
21 : 사판 30 : 폐회로
31, 32; 제 1 및 제 2 구동유로 40; 조향 유닛
41, 42; 제 1 및 제 2 조향 신호 라인
45 : 조향 수단 50 : 차징 펌프
60 : 펌프 제어 유닛 61 : 사판 구동 실린더
62, 162 : 사판 제어 밸브 63 : 압력 변환 밸브

Claims (6)

1. 조향 액추에이터(10);
   사판의 구동에 의해 양방향으로 작동유의 토출이 가능한 유압 펌프(20);
   상기 조향 액추에이터(10)와 상기 유압펌프(20)를 연결하여 폐회로를 구성시키는 한 쌍의 구동 유로(31,32);
   운전자의 조향 수단(45) 조작에 대응되는 신호를 입력받아 상기 유압펌프(20)의 사판(21)을 제어하는 펌프 제어 유닛(60, 160);을 포함하며,
   상기 펌프 제어 유닛(60,160)은,
   일측이 상기 사판(21)과 연결되어, 작동유의 공급시 구동되어 사판의 경사각을 변환시킴으로써 상기 유압펌프의 토출량 및 토출방향을 변환시키는 사판 구동 실린더(61); 및
   상기 운전자의 조향 수단(45) 조작에 대응되는 신호를 입력받아 절환되어 상기 사판 구동 실린더(61)로 공급되는 작동유의 공급량 및 공급방향을 제어하는 사판 제어 밸브(62);를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 조향 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 구동유로(31,32)와 연결된 보충라인(39)에 작동유를 토출함으로써, 상기 한 쌍의 구동유로(31,32)의 작동유를 보충해주는 차징 펌프(50);를 더 포함하며,
   상기 차징 펌프(50)는 제 2 공급라인(52)을 통해 상기 사판 제어 밸브(62)와 더 연결되어, 상기 사판 제어 밸브(62)를 경유하여 상기 사판 구동 실린더(61)에도 작동유의 공급이 가능한 것을 특징으로 하는 건설기계의 조향 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   일측이 상기 조작수단(45)에 연결되고, 타측이 제 1 및 제 2 조향 신호라인(41,42)를 통해 상기 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a, 62b)에 작동유의 공급이 가능하게 연결되어, 상기 운전자의 조향 수단(45) 조작에 대응하여 상기 사판 제어 밸브(62)를 절환시키는 조향 유닛(40);을 더 포함하며,
   상기 제 1 및 제 2 조향 신호라인(41,42)에는 상기 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 유량에 비례하여 상기 사판 제어 밸브(62)의 수압부(62a)(62b)로 인가되는 작동유의 압력을 점진적으로 가변시키는 압력 변환 유닛(63)이 설치된 것을 특징으로 하는 건설기계의 조향 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 압력 변환 유닛(63)은,
   상기 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)과 탱크를 연결하도록 설치되어, 상기 조향 유닛(40)으로부터 토출되는 작동유의 유량에 비례하여 탱크로 드레인되는 유량을 조절하여 상기 제 1 및 제 2 조향 신호 라인(41)(42)의 압력을 가변시키는 압력 변환 밸브(63c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 조향 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 조향 유닛(40)은 상기 차징 펌프(50)과 상기 조향 유닛(40)을 연결하는 제 1 공급라인(51)을 더 구비하여, 상기 차징 펌프(50)으로부터 공급된 작동유를 제어하여 상기 사판 제어 밸브(62)로 공급하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 조향 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 조향 수단(45)의 조작량 및 조작방향에 대응되는 조작정보를 출력하는 센서(45a); 및
   상기 센서(45a)로부터 입력된 상기 조향 수단(45)의 조작정보에 대응하여 제어신호를 출력하는 컨트롤러(VCU,100);을 더 포함하며,
   상기 사판 제어 밸브(162)는 상기 컨트롤러(100)로부터 출력된 제어신호에 의해 구동이 제어되는 전자제어밸브인 것을 특징으로 하는 건설기계의 조향 장치.

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