KR20150136367A - 건설기계를 위한 휠 구동 시스템 - Google Patents

건설기계를 위한 휠 구동 시스템 Download PDF

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KR20150136367A
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Abstract

예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기, 전방 구동축을 통하여 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키는 전방 액슬, 후방 구동축을 통하여 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키는 후방 액슬, 및 전방 구동축과 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되는 중앙 연결유닛을 포함할 수 있다. 전방 액슬 및 후방 액슬은 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 후방 전동기, 및 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 휠 및 후방 휠에 각각 전달하는 전방 변속기 및 후방 변속기를 각각 포함할 수 있다. 다수개의 변속기가 서로 다른 변속비들 및 변속시점들을 각각 가질 수 있으므로, 건설기계의 트랙션 로드를 만족하며 변속시에 토크가 연속적으로 전달될 수 있다. 또한, 작고 가벼운 전동기들을 사용할 수 있어, 건설기계의 경량화, 소형화가 가능하고 연비 개선 및 작업효율 개선이 가능하다.

Description

건설기계를 위한 휠 구동 시스템{WHEEL DRIVING SYSTEM FOR CONSTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 건설기계를 위한 휠 구동 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 하이브리드 건설기계의 휠 구동 시스템에 관한 것이다.
최근 엔진과 발전기를 동력원으로 각각 이용하는 하이브리드 구동 시스템에 대한 연구가 증가하는 추세이다. 상기 하이브리드 구동 시스템을 갖는 건설기계는 일반 주행부터 고하중 작업까지 수행을 해야 하므로, 상기 건설기계의 전방 액슬 및 후방 액슬에 각각 포함된 전동기는 낮은 토크부터 높은 토크까지 각각 발생할 수 있어야 한다.
일반적으로 높은 토크를 발생할 수 있는 전동기는 무게가 무겁고, 큰 부피 및 고가의 가격을 가진다. 상기 전동기를 갖는 건설기계 또한 무겁고 부피가 커지므로 상기 건설기계의 연비 및 작업효율이 떨어지는 문제가 발생한다.
상기 하이브리드 구동 시스템을 갖는 건설기계에 있어서, 다수개의 전동기들이 다수개의 휠들을 각각 구동하는 점을 고려하여 상기 전동기들의 부하조건을 각각 경감하고 상기 전동기들의 휠 구동 효율을 각각 증가시키는 새로운 휠 구동 시스템이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 휠 구동 효율을 향상시킬 수 있는 휠 구동 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 휠 구동 시스템은 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기, 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키며 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 상기 전방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 구동축을 통하여 상기 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 갖는 전방 액슬, 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키며 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기 및 상기 후방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 후방 구동축을 통하여 상기 후방 휠에 전달하는 후방 변속기를 갖는 후방 액슬, 및 상기 전방 구동축과 상기 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되며 상기 변환토크를 상기 전방 액슬 및 상기 후방 액슬 사이에서 서로 전달하기 위한 중앙 연결유닛을 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기는 적어도 2의 변속단수를 각각 가지고, 동일한 변속단에서 상기 전방 변속기는 제1 변속비를 갖고 상기 후방 변속기는 상기 제1 변속비와 다른 제2 변속비를 가지도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 변속비보다 상기 제1 변속비가 더 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 변속기는 상기 건설기계가 제1 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비되고, 상기 후방 변속기는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도와 다른 제2 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기는 적어도 2의 변속단수를 각각 가지고, 상기 건설기계의 상기 속도가 제1 변속 허용 속도 내지 제2 변속 허용 속도의 범위 이내에 있을 때 상기 전방 변속기와 상기 후방 변속기는 서로 다른 변속단에 있을 수 있도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 휠은 전방 좌측 휠과 전방 우측 휠을 포함하고, 상기 전방 구동축은 상기 전방 좌측 휠과 상기 전방 우측 휠에 각각 연결된 전방 좌측 구동축 및 전방 우측 구동축을 포함할 수 있다. 상기 전방 액슬은 상기 전방 좌측 구동축 및 상기 전방 우측 구동축을 연결하는 전방 구동축 연결유닛을 더 포함하고, 상기 중앙 연결유닛은 상기 전방 구동축 연결유닛과 연결 가능하도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 구동축 연결유닛은 차동기어를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 후방 휠은 후방 좌측 휠과 후방 우측 휠을 포함하고, 상기 후방 구동축은 상기 후방 좌측 휠과 상기 후방 우측 휠에 각각 연결된 후방 좌측 구동축 및 후방 우측 구동축을 포함할 수 있다. 상기 후방 액슬은 상기 후방 좌측 구동축 및 상기 후방 우측 구동축을 연결하는 후방 구동축 연결유닛을 더 포함하고, 상기 중앙 연결유닛은 상기 후방 구동축 연결유닛과 연결 가능하도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 후방 구동축 연결유닛은 차동기어를 포함할 수 있다.
하이브리드 건설기계는 고하중 작업을 수행할 때 상기 건설기계의 전방 액슬 또는 후방 액슬에 하중이 집중된다. 특히, 휠 로더의 전진 굴삭 또는 트랙터의 트랙션에 있어서, 상기 전방 액슬에 상기 하중이 집중되고 상기 후방 액슬에는 상기 하중이 작용하지 않는다. 하지만, 상기 전방 액슬 및 상기 후방 액슬은 높은 토크를 발생시킬 수 있는 전동기를 각각 포함해야 한다. 높은 토크를 발생시킬 수 있는 전동기는 일반적으로 무겁고, 부피가 크므로 상기 전동기를 갖는 상기 건설기계의 연비 및 작업효율을 낮춘다.
예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 최대 출력 토크가 크지 않지만 가볍고 작은 전방 전동기 및 후방 전동기를 전방 변속기 및 후방 변속기에 각각 연결하고, 상기 전방 전동기 및 상기 후방 전동기가 각각 발생하는 낮은 구동토크를 높은 변환토크로 바꾸어 전방 휠 및 후방 휠을 각각 구동할 수 있다. 따라서, 상기 건설기계의 무게를 줄일 수 있고 상기 건설기계의 연비 및 작업효율을 개선할 수 있다. 또한, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기가 서로 다른 변속비를 가지므로, 상기 건설기계가 필요로 하는 트랙션 로드를 만족시키면서 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기에서 변속이 일어날 때 순간적으로 발생하는 토크 전달의 중단없이 고하중 작업을 수행할 수 있다.
또한, 상기 후방 액슬에 의해 구동되는 후방 휠이 상기 변환토크를 지면에 작용할 수 없는 상황에도 중앙 연결유닛을 통하여 상기 후방 액슬에 의해 발생되는 상기 변환토크를 상기 전방 액슬로 전달할 수 있다. 따라서, 상기 전방 전동기 및 상기 후방 전동기가 부하를 나누어 부담할 수 있으므로, 상기 전방 전동기 및 상기 후방 전동기의 부하조건을 줄일 수 있고, 상기 건설기계는 최대 출력 토크가 높지 않지만 작고 가벼운 전동기들로 구성될 수 있다. 따라서 상기 건설기계는 가벼운 무게로 인해 연비가 개선되며 작업 효율이 향상될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 휠 구동 시스템을 갖는 건설기계의 속도에 따른 토크를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 휠 구동 시스템이 일반 주행할 때 각 휠들이 지면에 전달하는 변환토크들을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 휠 구동 시스템이 고하중 작업을 할 때 각 휠들이 지면에 전달하는 변환토크들을 나타내는 단면도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템을 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 휠 구동 시스템을 갖는 건설기계의 속도에 따른 토크를 나타내는 그래프이다. 도 3은 도 1의 휠 구동 시스템이 일반 주행할 때 각 휠들이 지면에 전달하는 변환토크들을 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 1의 휠 구동 시스템이 고하중 작업을 할 때 각 휠들이 지면에 전달하는 변환토크들을 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 휠 구동 시스템은 엔진(100)에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기(200), 전방 구동축을 통하여 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키는 전방 액슬(300), 후방 구동축을 통하여 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키는 후방 액슬(400), 및 상기 전방 구동축과 상기 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되는 중앙 연결유닛(500)을 포함할 수 있다.
전방 액슬(300)은 발전기(200)로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 상기 전방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 상기 전방 구동축을 통하여 상기 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 포함할 수 있다.
후방 액슬(400)은 발전기(200)로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기 및 상기 후방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 상기 후방 구동축을 통하여 상기 후방 휠에 전달하는 후방 변속기를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 휠은 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)을 포함하고, 상기 전방 구동축은 전방 좌측 휠(310)과 전방 우측 휠(312)에 각각 연결된 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 포함할 수 있다.
상기 전방 변속기는 전방 좌측 변속기(360) 및 전방 우측 변속기(362)를 포함할 수 있고, 상기 전방 전동기는 전방 좌측 전동기(320) 및 전방 우측 전동기(322)를 포함할 수 있다.
상기 후방 휠은 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)을 포함하고, 상기 후방 구동축은 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)에 각각 연결된 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 포함할 수 있다.
상기 후방 변속기는 후방 좌측 변속기(460) 및 후방 우측 변속기(462)를 포함할 수 있고, 상기 후방 전동기는 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)를 포함할 수 있다.
엔진(100)은 연료를 연소하여 구동력을 발생시키고 엔진축(102)을 통하여 발전기(200)로 상기 구동력을 전달할 수 있다. 예를 들어, 엔진(100)은 디젤 엔진일 수 있다. 이와는 달리, 엔진(100)은 액화천연가스(LNG) 엔진, 압축천연가스(CNG) 엔진, 흡착천연가스(ANG) 엔진, 액화석유가스(LPG) 엔진, 또는 가솔린 엔진일 수 있다.
또한, 유압펌프(도시되지 않음)는 엔진축(102)에 직결되어 엔진(100)으로부터 상기 구동력을 전달받을 수 있다. 상기 유압펌프는 건설기계의 부착장치를 구동하기 위해 액츄에이터들에 유압동력을 각각 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 부착장치는 붐, 버켓 등을 포함할 수 있다.
발전기(200)는 엔진(100)으로부터 상기 구동력을 공급받아 전자기 유도작용을 이용하여 상기 전기에너지를 생산할 수 있다. 예를 들어, 발전기(200)는 교류 발전기 또는 직류 발전기일 수 있다. 발전기(200)는 통합 인버터(210)를 통하여 상기 생산된 전기에너지를 전방 액슬(300) 및 후방 액슬(400)에 각각 공급할 수 있다.
통합 인버터(210)는 발전기(200)가 생산한 상기 전기 에너지를 직류에서 교류로 혹은 교류에서 직류로 변환할 수 있다. 통합 인버터(210)는 발전기(200), 전방 액슬(300), 및 후방 액슬(400)에 각각 연결될 수 있도록 상기 전기에너지의 형태를 각각 변환할 수 있다. 하나의 통합 인버터(210)가 장치들을 각각 연결할 수 있으므로, 상기 건설기계의 공간 효율성을 높일 수 있다. 구체적으로, 통합 인버터(210)는 발전기(200), 전방 액슬(300)의 전방 좌측 전동기(320) 및 전방 우측 전동기(322), 및 후방 액슬(400)의 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)에 각각 연결될 수 있다. 이와는 달리, 발전기(200), 전방 액슬(300)의 전방 좌측 전동기(320) 및 전방 우측 전동기(322), 및 후방 액슬(400)의 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)를 위한 인버터들(도시되지 않음)이 각각 구비될 수도 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 발전기(200), 전방 액슬(300)의 전방 좌측 전동기(320) 및 전방 우측 전동기(322), 및 후방 액슬(400)의 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)와 각각 전기적으로 연결되어 전기에너지를 저장하는 에너지 회수 장치(220)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 회수 장치(220)는 통합 인버터(210)를 통하여 발전기(200), 전방 액슬(300)의 전방 좌측 전동기(320) 및 전방 우측 전동기(322), 및 후방 액슬(400)의 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)와 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
에너지 회수 장치(220)는 배터리 또는 축전기(capacitor)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 건설기계가 가속될 때, 에너지 회수 장치(220)는 발전기(200)에서 생성되어 남는 상기 전기에너지를 통합 인버터(210)를 통하여 저장할 수 있다. 또한, 상기 건설기계가 감속될 때, 에너지 회수 장치(220)는 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)로부터 남는 상기 전기 에너지를 통합 인버터(210)를 통하여 저장할 수 있다. 엔진(100)으로부터 상기 구동력이 불안정하게 공급되어 발전기(200)가 상기 전기에너지를 안정적으로 생산하지 못할 때, 에너지 회수 장치(220)는 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)에 안정적으로 상기 전기에너지를 공급할 수 있다.
전방 액슬(300)은 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)을 구동시키며, 발전기(200)로부터 상기 전기에너지를 공급받아 상기 구동토크를 발생하는 전방 좌측 전동기(320) 및 전방 우측 전동기(322), 및 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 통하여 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)에 상기 변환토크를 각각 전달하는 전방 좌측 변속기(360) 및 전방 우측 변속기(362)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전방 액슬(300)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 연결하는 전방 구동축 연결유닛(350)을 더 포함할 수 있다.
후방 액슬(400)은 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)을 각각 구동시키며, 발전기(200)로부터 상기 전기에너지를 공급받아 상기 구동토크를 발생하는 후방 좌측 전동기(460) 및 후방 우측 전동기(462), 및 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 통하여 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)에 상기 변환토크를 각각 전달하는 후방 좌측 변속기(460) 및 후방 우측 변속기(462)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 후방 액슬(400)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 연결하는 후방 구동축 연결유닛(450)을 더 포함할 수 있다.
전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)는 통합 인버터(210)를 통하여 발전기(200)로부터 생산된 상기 전기에너지를 공급받아 상기 구동토크를 각각 발생할 수 있다.
예를 들어, 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)는 교류 전동기 또는 직류 전동기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 교류 전동기는 3상 교류용 전동기일 수 있다. 이와는 달리 상기 교류 전동기는 단상 교류용 전동기일 수도 있다.
전방 좌측 변속기(360), 전방 우측 변속기(362), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)로부터 상기 구동토크를 각각 공급받아 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 각각 변환할 수 있고, 전방 좌측 구동축(302), 전방 우측 구동축(304), 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 통하여 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)을 각각 구동할 수 있다.
전방 좌측 변속기(360), 전방 우측 변속기(362), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 적어도 하나의 클러치 및 적어도 하나의 감속기를 각각 포함할 수 있다. 상기 클러치 및 상기 감속기는 기어 트레인(gear train)으로 배치될 수 있다. 전방 좌측 변속기(360), 전방 우측 변속기(362), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 클러치 및 상기 감속기의 다양한 배치 및 다양한 직경의 기어를 사용하여 변속비를 각각 설정할 수 있다. 예를 들어, 전방 좌측 변속기(360), 전방 우측 변속기(362), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 적어도 2의 변속단수를 각각 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 동일한 변속단에서 전방 좌측 변속기(360), 및 전방 우측 변속기(362)는 제1 변속비를 갖고 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 제1 변속비와 다른 제2 변속비를 가질 수 있다. 또한, 동일한 변속단에서 상기 제2 변속비보다 상기 제1 변속비가 더 클 수 있다.
예를 들어, 전방 좌측 변속기(360), 및 전방 우측 변속기(362)는 1단에서 3:1의 변속비를 각각 갖고, 2단에서 1:1의 변속비를 각각 가질 수 있다. 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 1단에서 2:1의 변속비를 각각 갖고, 2단에서 1:1의 변속비를 각각 가질 수 있다.
또한, 전방 좌측 변속기(360), 및 전방 우측 변속기(362)는 상기 건설기계가 제1 변속 허용 속도(w1)에 도달할 때 변속 가능하게 각각 구비될 수 있다. 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도와 다른 제2 변속 허용 속도(w2)에 도달할 때 변속 가능하게 각각 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계의 상기 속도가 제1 변속 허용 속도(w1) 내지 제2 변속 허용 속도(w2)의 범위 이내에 있을 때, 상기 전방 변속기와 상기 후방 변속기는 서로 다른 변속단에 있을 수 있도록 구비될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)에 의한 전동기 속도에 따른 구동토크는 반비례 관계에 있다. 즉, 상기 전동기 속도와 상기 구동토크의 곱은 일정한 관계가 된다.
전방 액슬(300)의 전방 좌측 변속기(360) 및 전방 우측 변속기(362)는 상기 건설기계의 속도가 증가하며 상기 제1 변속 허용 속도(w1)에 도달할 때 1단에서 2단으로 변속할 수 있다. 또한, 후방 액슬(400)의 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 건설기계의 속도가 증가하며 상기 제2 변속 허용 속도(w2)에 도달할 때 1단에서 2단으로 변속할 수 있다.
이와는 달리, 전방 액슬(300)의 전방 좌측 변속기(360) 및 전방 우측 변속기(362)는 상기 건설기계의 속도가 감소하며 제3 변속 허용 속도에 도달할 때 2단에서 1단으로 변속할 수 있다. 또한, 후방 액슬(400)의 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 건설기계의 속도가 감소하며 제4 변속 허용 속도에 도달할 때 2단에서 1단으로 변속할 수 있다.
전방 좌측 변속기(360), 전방 우측 변속기(362), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)가 각각 발생하는 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 각각 바꾸어 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)을 각각 구동할 수 있다.
상기 건설기계는 고하중 작업을 수행하여야 하므로, 높은 토크를 발생할 수 있는 전동기를 구비해야 한다. 일반적으로 높은 토크를 발생할 수 있는 전동기는 크기가 크고 무겁다. 가볍고 작지만 최대 토크가 크지 않은 상기 전방 전동기 및 상기 후방 전동기를 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기에 각각 연결하여 낮은 구동토크를 높은 변환토크로 바꾸어 상기 전방 휠 및 상기 후방 휠을 구동할 수 있다. 따라서, 상기 건설기계의 무게를 줄일 수 있고 가격을 낮출 수 있고 상기 건설기계의 연비 및 작업효율을 개선할 수 있다.
전방 액슬(300)이 발생하는 토크와 후방 액슬(400)이 발생하는 토크의 합은 상기 건설기계가 필요로 하는 트랙션 로드를 만족시킬 수 있다. 즉, 상기 전방 변속기 1단 및 상기 후방 변속기 1단, 상기 전방 변속기 2단 및 상기 후방 변속기 1단, 및 상기 전방 변속기 2단 및 상기 후방 변속기 2단으로 상기 건설기계에서 적절한 변속이 이루어진다면, 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 상기 건설기계의 속도에 따라 필요로 하는 토크를 발생시킬 수 있다.
상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기가 같은 변속비를 가지면, 상기 변속이 일어날 때 순간적으로 발생하는 토크 전달의 중단으로 고하중 작업시에 다양한 문제가 발생할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 상기 전방 변속기가 상기 제1 변속비를 갖고, 상기 후방 변속기가 상기 제1 변속비와 다른 상기 제2 변속비를 가질 수 있다. 또한, 상기 전방 변속기는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비되고, 상기 후방 변속기는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도와 다른 제2 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비될 수 있다.
따라서, 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 상기 건설기계가 필요로 하는 상기 트랙션 로드를 만족시키면서, 변속시에 발생하는 토크 전달의 중단 없이 고하중 작업을 수행할 수 있다.
전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 통하여 전방 좌측 변속기(360), 및 전방 우측 변속기(362)와 각각 연결되어 구동될 수 있다. 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)은 타이어(도시되지 않음)와 함께 하중을 지지하고 상기 변환토크를 지면에 전달할 수 있다. 또한, 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)은 조향 작용 및 제동 작용을 수행할 수 있다.
전방 액슬(300)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 연결하는 전방 구동축 연결유닛(350)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전방 구동축 연결유닛(350)은 차동기어를 포함할 수 있다.
전방 구동축 연결유닛(350)은 후술하는 중앙 연결유닛(500)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 전방 액슬(300)의 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)으로 각각 전달할 수 있다. 이와는 달리, 전방 구동축 연결유닛(350)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 중앙 연결유닛(500)으로 전달할 수 있다. 또한, 전방 구동축 연결유닛(350)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)에 각각 연결된 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)이 서로 다른 속도로 회전 가능하게 할 수 있다.
후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 통하여 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)와 각각 연결되어 구동될 수 있다. 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 타이어(도시되지 않음)와 함께 하중을 지지하고 상기 변환토크를 지면에 전달할 수 있다. 또한, 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 제동 작용을 수행할 수 있다.
후방 액슬(400)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 연결하는 후방 구동축 연결유닛(450)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 후방 구동축 연결유닛(450)은 차동기어를 포함할 수 있다.
후방 구동축 연결유닛(450)은 후술하는 중앙 연결유닛(500)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 후방 액슬(400)의 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)으로 각각 전달할 수 있다. 이와는 달리, 후방 구동축 연결유닛(450)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 중앙 연결유닛(500)으로 전달할 수 있다. 또한, 후방 구동축 연결유닛(450)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)에 각각 연결된 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)이 서로 다른 속도로 회전 가능하게 할 수 있다.
중앙 연결유닛(500)은 상기 전방 구동축 및 상기 후방 구동축과 각각 연결 가능하도록 구비되며, 상기 변환토크를 전방 액슬(300)과 후방 액슬(400) 사이에서 서로 전달할 수 있다.
예를 들어, 중앙 연결유닛(500)은 전방 구동축 연결유닛(350)을 통하여 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)과 각각 연결되고, 후방 구동축 연결유닛(450)을 통하여 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)과 각각 연결될 수 있다.
중앙 연결유닛(500)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 후방 구동축 연결유닛(450)을 통하여 공급받고, 상기 변환토크를 전방 구동축 연결유닛(350)을 통하여 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)으로 공급할 수 있다. 또한, 중앙 연결유닛(500)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 전방 구동축 연결유닛(350)을 통하여 공급받고, 상기 변환토크를 후방 구동축 연결유닛(450)을 통하여 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)으로 각각 공급할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 중앙 연결유닛(500)은 강한 회전력 및 비틀림을 견딜 수 있는 속이 빈 강관(steel pipe)을 포함할 수 있다. 이와는 달리, 중앙 연결유닛(500)은 연비 향상 또는 동력 전달 성능 향상을 위해 합금 또는 탄소섬유 등의 복합 소재를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 중앙 연결유닛(500)은 프로펠러 샤프트(propeller shaft)를 포함할 수 있다.
또한, 중앙 연결유닛(500)은 유니버셜조인트(도시되지 않음)를 통하여 중앙 연결유닛(500)과 전방 구동축 연결유닛(350) 및 후방 구동축 연결유닛(450)을 각각 연결할 수 있다.
중앙 연결유닛(500)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)의 평균속도와 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)의 평균속도가 순간적으로 달라지는 것에 의해 발생하는 비틀림을 감쇠해주는 비틀림 진동 감쇠부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 순간적인 변동이 포함된 지형을 상기 건설기계가 지나갈 때, 상기 비틀림 진동 감쇠부는 과도 상태 동안 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)의 평균속도와 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)의 평균속도가 서로 차이가 나서 발생하는 뒤틀림을 감쇠시킬 수 있다. 예를 들어, 중앙 연결유닛(500)은 토셔널 댐퍼(torsional damper)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서 전방 액슬(300)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304) 상에 전방 좌측 감속기(340) 및 전방 우측 감속기(342)를 각각 더 포함할 수 있다. 전방 액슬(300)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304) 상에 전방 좌측 휠 브레이크(330) 및 전방 우측 휠 브레이크(332)를 각각 더 포함할 수 있다.
또한, 후방 액슬(400)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404) 상에 후방 좌측 감속기(440) 및 후방 우측 감속기(442)를 각각 더 포함할 수 있다. 후방 액슬(400)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404) 상에 후방 좌측 휠 브레이크(430) 및 후방 우측 휠 브레이크(432)를 각각 더 포함할 수 있다.
전방 좌측 감속기(340), 전방 우측 감속기(342), 후방 좌측 감속기(440), 및 후방 우측 감속기(442)는 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)의 회전속도를 각각 줄여, 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)의 토크들을 각각 증가시킬 수 있다. 전방 좌측 휠 브레이크(330), 전방 우측 휠 브레이크(332), 후방 좌측 휠 브레이크(430), 및 후방 우측 휠 브레이크(432)은 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)을 각각 제동할 수 있다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 건설기계가 일반 주행할 때에 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템의 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)는 약 25의 토크를 각각 제공한다. 또한, 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)은 약 25의 구동토크를 각각 지면에 작용하여 상기 건설기계를 구동할 수 있다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 상기 건설기계가 고하중 작업을 할 때에 건설기계의 전방 액슬(300)에 하중이 주로 집중되고 후방 액슬(400)에 의해 구동되는 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 지면에 미끄러지거나 심지어 지면에서 뜨기도 하므로 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 지면에 토크를 작용할 수 없다. 예를 들어, 휠 로더의 전진 굴삭 작업, 트랙터의 트랙션 작업에 있어서, 전방 액슬(300)에 하중이 집중될 때, 후방 액슬(400)에는 하중이 작용하지 않기 때문에, 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)의 휠 슬립(wheel slip)이 각각 발생하게 되고, 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)만 토크를 각각 지면에 작용하게 된다.
예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 후방 액슬(400) 및 전방 액슬(300)이 각각 중앙 연결유닛(500)에 의해 연결되어 있으므로, 후방 액슬(400)에 의해 구동되는 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)이 상기 휠 슬립으로 속도가 증가되지 않고 후방 액슬(400)에서 발생되는 변환토크가 중앙 연결유닛(500)을 통하여 전방 액슬(300)로 전달될 수 있다.
구체적으로, 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)가 발생하는 구동토크는 후방 구동축 연결유닛(450)을 통하여 중앙 연결유닛(500)으로 전달된다. 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)는 약 25의 토크를 각각 발생하여 약 50의 토크가 중앙 연결유닛(500)으로 전달된다. 중앙 연결유닛(500)으로 전달된 약 50의 토크는 전방 구동축 연결유닛(350)을 통하여 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)에 전달된다. 따라서, 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)는 약 25에 해당하는 토크를 각각 발생하면 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)에 약 50의 토크를 각각 전달할 수 있다.
따라서, 후방 액슬(400)에 의해 구동되는 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)이 상기 변환토크를 지면에 작용할 수 없는 상황에 있어서, 중앙 연결유닛(500)을 통하여 후방 액슬(400)에 의해 발생되는 상기 변환토크를 전방 액슬(300)로 전달할 수 있으므로 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)의 부하 조건을 줄일 수 있고 전방 액슬(300) 또는 후방 액슬(400)에만 부하가 인가되는 상황에 있어서 각각의 전동기들(320, 322, 420, 422)이 적절하게 부하를 나누어 부담할 수 있다.
전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)는 최대 출력 토크가 높지 않아도 되고 상기 건설기계는 가볍고 작은 전동기들로 구성될 수 있다. 상기 건설기계의 소형화를 이룰 수 있고, 가벼운 무게로 인해 연비가 개선되며 작업 효율이 향상될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 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.
100: 엔진 102: 엔진축
200: 발전기 210: 통합 인버터
220: 에너지 회수 장치 300: 전방 액슬
302: 전방 좌측 구동축 304: 전방 우측 구동축
310: 전방 좌측 휠 312: 전방 우측 휠
320: 전방 좌측 전동기 322: 전방 우측 전동기
330: 전방 좌측 휠 브레이크 332: 전방 우측 휠 브레이크
340: 전방 우측 감속기 342: 전방 좌측 감속기
350: 전방 구동축 연결유닛 360: 전방 좌측 변속기
362: 전방 우측 변속기 400: 후방 액슬
402: 후방 좌측 구동축 404: 후방 우측 구동축
410: 후방 좌측 휠 412: 후방 우측 휠
420: 후방 좌측 전동기 422: 후방 우측 전동기
430: 후방 좌측 휠 브레이크 432: 후방 우측 휠 브레이크
440: 후방 좌측 감속기 442: 후방 우측 감속기
450: 후방 구동축 연결유닛 460: 전방 좌측 변속기
462: 전방 우측 변속기 500: 중앙 연결유닛

Claims (9)

  1. 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기;
    적어도 하나의 전방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 상기 전방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 구동축을 통하여 상기 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 갖는 전방 액슬;
    적어도 하나의 후방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기 및 상기 후방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 후방 구동축을 통하여 상기 후방 휠에 전달하는 후방 변속기를 갖는 후방 액슬; 및
    상기 전방 구동축과 상기 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되며, 상기 변환토크를 상기 전방 액슬 및 상기 후방 액슬 사이에서 서로 전달하기 위한 중앙 연결유닛을 포함하는 휠 구동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기는 적어도 2의 변속단수를 가지고, 동일한 변속단에서 상기 전방 변속기는 제1 변속비를 갖고 상기 후방 변속기는 상기 제1 변속비와 다른 제2 변속비를 가질 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제2 변속비보다 상기 제1 변속비가 더 큰 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전방 변속기는 상기 건설기계가 제1 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비되고, 상기 후방 변속기는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도와 다른 제2 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기는 적어도 2의 변속단수를 가지고, 상기 건설기계의 상기 속도가 제1 변속 허용 속도 내지 제2 변속 허용 속도의 범위 이내에 있을 때 상기 전방 변속기와 상기 후방 변속기는 서로 다른 변속단에 있을 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전방 휠은 전방 좌측 휠과 전방 우측 휠을 포함하고, 상기 전방 구동축은 상기 전방 좌측 휠과 상기 전방 우측 휠에 각각 연결된 전방 좌측 구동축 및 전방 우측 구동축을 포함하며,
    상기 전방 액슬은 상기 전방 좌측 구동축 및 상기 전방 우측 구동축을 연결하는 전방 구동축 연결유닛을 더 포함하고,
    상기 중앙 연결유닛은 상기 전방 구동축 연결유닛과 연결 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전방 구동축 연결유닛은 차동기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 후방 휠은 후방 좌측 휠과 후방 우측 휠을 포함하고, 상기 후방 구동축은 상기 후방 좌측 휠과 상기 후방 우측 휠에 각각 연결된 후방 좌측 구동축 및 후방 우측 구동축을 포함하며,
    상기 후방 액슬은 상기 후방 좌측 구동축 및 상기 후방 우측 구동축을 연결하는 후방 구동축 연결유닛을 더 포함하고,
    상기 중앙 연결유닛은 상기 후방 구동축 연결유닛과 연결 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 후방 구동축 연결유닛은 차동기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
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