KR20160052393A

KR20160052393A - 작업용 기계

Info

Publication number: KR20160052393A
Application number: KR1020150151367A
Authority: KR
Inventors: 존 그리핀; 조나단 라일
Original assignee: 제이씨 뱀포드 엑스카베이터즈 리미티드
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2016-05-12
Also published as: GB201419276D0; US9592733B2; CN105569106A; EP3023551A1; GB2531767A; US20160121721A1; JP2016089615A

Abstract

각각 2개의 바퀴가 장착된 제1 축 및 제2 축을 가진 지면 개입 구조체; 지면 개입 구조체에 지지되는 몸체; 몸체에 장착된 작업용 암; 및 메인 동력원과 트랜스미션을 포함하는 구동 장치를 포함하는 작업용 기계. 트랜스미션은, 메인 동력원에 의해 구동되는 유압 펌프, 유압 펌프로부터 유압 유체를 공급받아 작업용 기계가 제1의 2륜 구동 작동 모드에서 상대적으로 고속으로 구동되도록 하기 위해 제1 축을 구동하는 제1 고속 유압 모터, 유압 펌프로부터 유압 유체를 공급받아 제2 축을 상대적으로 저속으로 구동하고 제2의 4륜 구동 작동 모드에서 제1 모터와 협력하여 구동되도록 구성된 제2 상대적 저속 모터를 포함한다.

Description

작업용 기계{WORKING MACHINE}

본 발명은 작업용 기계에 관한 것이다. 배타적인 것이 아닌 더욱 상세하게 본 발명은 작업용 기계의 트랜스미션에 관한 것이다.

다양한 종류의 작업용 기계들이 알려져 있다. 이런 기계들은 전형적으로 토양 경질 작업(예를 들어, 도랑 파기(trenching), 땅 고르기(grading), 적재(loading)) 및 자재 취급(예를 들어, 도랑에 골재 매립하기, 높은 단상에 자재를 올려 배치시키기)을 위해 사용된다.

이런 기계들은 엔진, 기어 박스, 유압 펌프가 다양한 종류의 기계에 걸쳐 적용될 수 있기는 하지만, 전형적으로 한 종류의 기계를 위해 특정적으로 디자인된 한 세트의 서브 어셈블리로부터 제조된다.

알려져 있는 기계의 예는 다음을 포함한다.

슬루 엑스커베이터(slew excavator)는 하부 구조체에 대해 무제한적인 방식으로 회전 가능한 상부 구조체를 포함한다. 이 상부구조에는 위에 열거한 종류의 작업을 수행하기 위해 버킷(bucket)과 같은 부착물을 조작하기 위한 작업용 암(arm) 장치, 디젤 IC 엔진과 같은 메인 동력원, 유압 펌프, 운전석이 포함된다. 메인 동력원은, 작업용 암 장치를 동작시키는 가압 유체를 공급하기 위해, 또한 엑스커베이터를 추진하기 위해 두 개의 무한 궤도 또는 4개의 바퀴(또는 듀얼 휠 구조에서는 8개의 바퀴)를 선택적으로 구동하는 데에 사용되며 하부 구조체에 배치된 하나 이상의 유압 모터에 동력을 제공하기 위해 유압 펌프를 작동시킨다.

슬루 링(slew ring)이 상부구조와 하부 구조체를 회전 가능하게 연결하며, 중앙 로터리 조인트 장치가 유압 유체로 하여금 상부 구조체와 하부 구조체의 상대적인 위치에 무관하게 상부 구조체의 펌프로부터 유압 모터를 지나서 상부 구조체로 되돌아올 수 있게 해준다. 슬루 엑스커베이터가 추진을 위해 궤도를 사용한다면, 조향은 하부 구조체의 반대편에 있는 궤도들을 서로 다르게 구동하는 것에 의해 이루어진다. 슬루 엑스커베이터가 추진을 위해 바퀴를 사용한다면, 조향 장치가 2개 또는 4개의 바퀴에 대해 사용되며, 하부 구조체에서 개별적인 유압 제어가 이를 위해 필요하다.

슬루 엑스커베이터는 그 크기의 면에서 폭넓은 범위로 이용될 수 있다. 마이크로(micro), 미니(mini), 미디(midi) 엑스커베이터들이 약 750kg에서 약 12,000kg에 이르는 작동 중량 범위에 분포되어 있으며, 상부 구조체에 대해 '킹포스트(kingpost)' 인터페이스를 이용함으로써 실질적으로 수직축 둘레로 상부 구조체에 대해 피벗될 수 있는 작업용 암 장치를 구비한 것으로 주목할 만하다. 일반적으로 미니 및 미디 엑스커베이터들은 약 1,200kg의 중량을 가진다. 작동 중량이 약 12,000kg을 초과하는 대형 엑스커베이터는 종종 'A 프레임' 엑스커베이터로 불리며, 전형적으로 수직 축에 대해 고정되어 있어서 상부 구조체와 함께 회전할 수만 있는 작업용 암 장치를 구비한다. 이것은 더 작은 엑스커베이터들이 더 제한적인 공간에서 작동할 것으로 기대되며, 따라서 마이크로, 미니, 미디 엑스커베이터를 위해서는 예를 들어 벽체와 같은 장애물에 근접하게 도랑을 파기 위해 2개의 상호 오프셋된 축 둘레로 회전하는 능력이 더욱 바람직하다는 사실이 작용한 결과이다.

작업용 암 장치는 일반적으로 디퍼(dipper)에 피벗 가능하게 연결된 붐(boom)을 포함한다. 2개의 피벗 가능하게 연결된 부분을 가지는 3관절 붐, 종종 전반적으로 곡선형의 단일한 구조체로 만들어진 모노 붐을 포함하여, 활용 가능한 붐에는 몇 가지 종류들이 있다. 디퍼는 붐에 피벗 가능하게 연결되어 있으며, 예컨대 버킷과 같은 부착물을 위한 마운트가 디퍼 상에 제공된다. 필요한 작업 동작을 수행하기 위해 유압 실린더들이 붐, 디퍼, 마운트를 서로에 대해 움직이도록 제공된다.

궤도식 엑스커베이터들은 낮은 최고 속도와 그들의 금속 궤도가 포장 도로에 야기하는 손상 때문에 먼 거리를 자체 추진력으로 이동할 수는 없다. 그러나 이들의 궤도는 엑스커베이터의 안정성을 향상시킨다. 바퀴식 엑스커베이터들은 더 높은 속도(전형적으로 40kph에 이르기까지)로 포장 도로면에 눈에 띄는 손상을 주지 않고도 '도로 주행(roading)'할 수 있다. 그러나 작업용 암 조립체는 불가결하게 주행 중 상부 구조체의 전방으로 연장되며, 승차감과 전방 시야를 해칠 수 있다. 작업 동작을 수행중일 때는 공기압 타이어가 궤도에 비해 덜 안정적인 플랫폼을 제공하므로, 안정성을 위해 추가적인 스테빌라이저 레그(stabiliser leg)가 전개될 수 있다.

메인 동력원, 유압 펌프, 유압 저장 탱크 등이 상부 구조체에 위치하고 있으므로, 모든 종류의 슬루 엑스커베이터에 있어서 무게 중심이 상대적으로 높다. 이런 요소들이 작업 동작 중 야기되는 힘에 대해 평형추로서 기능하도록 배치될 수 있는 반면, 제조과정의 제약사항이 이런 배치를 최적이 아닌 차선이 되도록 할 수 있으며, 예를 들어 기계의 후방으로의 시선을 제한할 수도 있다.

엑스커베이터는 굴착과 같은 작업에 일반적으로 사용된다. 그러나 적재와 같은 작업을 수행할 필요가 있다면 다른 종류의 기계가 사용되어야 한다. 적재 작업을 할 수 있는 기계들이 알려져 있으며 다양한 유형을 갖고 있다. 흔히 '텔레스코픽 핸들러(telescopic handler)' 또는 '텔레핸들러(telehandler)'라고 불리는 일 유형에서, 상부 구조체와 하부 구조체는 서로에 대해 고정되어 있고, 둘 이상의 부분으로 된 신축식 붐의 형태로 된 중앙 작업용 암이 기계의 앞뒤로 연장되어 있다. 붐은 기계의 후단을 향해 수평축 둘레로 피벗되며, 부착물은 붐의 전단에 해체 가능하게 장착되고, 별개로 된 제2 수평축 둘레로 피벗 가능하다. 널리 사용되는 부착물에는 팰릿 포크(pallet fork)와 셔블(shovel)이 포함된다. 텔레핸들러는 일반적인 적재 작업(예를 들어, 골재를 저장 더미에서 건설 현장의 필요한 위치로 운송하는 것)과 높은 단으로 건축 자재를 올리는 것과 같은 올리기 작업에 사용될 수 있다.

텔레핸들러는 전형적으로 추진을 위해 2개의 축상에 4개의 바퀴를 가지는데, 하나 또는 두 축 모두가 구동되며 조향 가능하다. 메인 동력원(전형적으로 디젤 IC 엔진)은 앞바퀴와 뒷바퀴 사이에서 기계의 일측으로 오프셋된 포드(pod)에 배치될 수 있으며 정유압식 또는 기계식 트랜스미션에 의해 바퀴에 연결된다. 운전석은 종종 메인 동력원에 대해 붐의 다른 측면에 배치되며, 바퀴 사이에서 상대적으로 낮다. 의도된 적용예에 따라 이 기계에는 전개 가능한 스테빌라이저 레그가 제공될 수 있다.

텔레핸들러의 일부는 승강 동작과 회전 동작을 조합하기 위해 추가적인 중량과 더 높은 높이를 감수하면서 회전 가능한 상부 구조체에 운전석과 붐을 장착한다. 이 기계들이 주로 적재보다는 승강용으로 사용되므로, 이들은 보다 긴 붐을 수용하는 통상적인 텔레핸들러보다 긴 휠베이스를 가지는데, 이는 조종성에 영향을 준다. 또한, 기계에 인접한 지면을 향한 시선이 굴착의 경우보다 승강의 경우 덜 치명적이므로, 이것들은 결과적으로 상당히 취약하다.

서로 다른 작업 적용예를 위한 이상의 것들과 같은 다양한 기계들을 개발하기 위한 비용은 중대하다. 또한, 한 종류의 기계로부터 다른 종류의 기계로 제조 라인을 변경하기 위한 비용 및 기간 역시 중대하다.

주어진 양의 사용 연료에 대해 수행되는 작업 동작의 양이라는 관점에서, 작업용 기계가 작업중 더욱 효율적으로 되는 것이 더욱 요구된다. 이것은 메인 동력원, 트랜스미션, 동력 전달 장치, 유압 시스템의 연료 효율이 작용한 결과일 수 있을 뿐만 아니라, 운전자가 작업 동작을 지켜보기 위해 불필요하게 자주 작업용 기계의 위치를 바꿀 필요가 있다는 것을 의미하거나 작업을 훨씬 더 느리게 수행하도록 하는 취약한 시야와 같은 2차적인 요인 때문일 수 있다.

본 발명은 종래 기술의 작업용 기계와 관련된 하나 이상의 문제들을 해소하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일측면은 각각 적어도 2개의 바퀴가 장착된 적어도 제1 축 및 제2 축을 포함하는 지면 개입 구조체; 상기 지면 개입 구조체에 지지되는 몸체; 작업 동작들을 수행할 수 있도록 상기 몸체에 장착된 작업용 암; 및 상기 지면 개입 구조체를 움직여 작업용 기계를 추진하기 위한 구동 장치로서, 메인 동력원과 트랜스미션을 포함하는 구동 장치를 포함하고, 상기 트랜스미션은, 상기 메인 동력원에 의해 구동되는 유압 펌프, 상기 유압 펌프로부터 유압 유체를 공급받아 상기 작업용 기계가 제1의 2륜 구동 작동 모드에서 상대적으로 고속으로 구동되도록 하기 위해 상기 제1 축을 구동하는 제1 고속 유압 모터, 상기 유압 펌프로부터 유압 유체를 공급받아 상기 제2 축을 상대적으로 저속으로 구동하고 제2의 4륜 구동 작동 모드에서 상기 제1 모터와 협력하여 구동되도록 구성된 제2 상대적 저속 모터를 포함하는 작업용 기계를 제공한다.

이것은 복잡한 기어 박스가 필요 없이 2개의 범위 및 선택 가능한 2WD/4WD 트랜스미션을 가진 작업용 기계를 제공하는 단순하고 저비용인 방식을 제공한다는 것을 이해하게 될 것이다. 게다가, 이 배열은 모터로부터 모터에 의해 구동되는 각 축으로의 2개의 구동축의 필요를 없앰으로써 중량을 줄여줄 수 있으며 이전에 다른 사용예에서 구동축들에 의해 점유되던 공간을 자유롭게 함으로써 패키징을 향상시키는 것도 피할 수 있다.

일실시예에서, 상기 제2 축은 통상적인 주행 방향에서 후방 축이다.

일실시예에서, 상기 제1 유압 모터 및 제2 유압 모터 중 적어도 하나는 그 각각의 축에 근접하여 배치된다.

그 각각의 축에 근접하게 배치된 유압 모터를 작업용 기계에 제공하는 것은 긴 구동축의 필요성을 없애주므로 유리하다.

일실시예에서, 적어도 하나의 유압 모터는 그 각각의 축에 직접 연결된다.

유압 모터를 축에 직접 연결하는 것은 구동축의 필요를 없애주므로 유리하다.

일실시예에서, 두 모터들이 모두 그들 각각의 축에 직접 연결된다.

일실시예에서, 상기 고속 모터는 예컨대 0에서 250cm³의 상대적으로 높은 회전당 용적을 가진다.

일실시예에서, 추가적인 작업용 기계 기능을 위한 유압 유체를 제공하기 위해 상기 메인 동력원에 의해 구동되는 제2 저압 펌프를 더 포함한다.

작업용 기계에 제2 저압 유압 펌프를 제공하는 것은 특별한 목적을 위해 필요한 특정한 압력으로 유압 유체를 더욱 효율적으로 공급하는 결과가 되므로 유리하다.

일실시예에서, 상기 제1 펌프 및 제2 펌프에 대한 구동은 직렬적이다.

일실시예에서, 상기 제1 펌프 및 제2 펌프에 대한 구동은 예컨대 베벨 기어 박스를 통해 병렬적으로 된다.

일실시예에서, 상기 작업용 기계는 하부 구조체와 그 위에서 회전 가능한 상부 구조체를 포함한다.

일실시예에서, 상기 메인 동력원, 제1 유압 펌프, 제1 및 제2 유압 모터들은 상기 하부 구조체에 장착된다.

메인 동력원, 제1 유압 펌프 및 제1 유압 모터, 제2 유압모터를 장착하는 것은 운전자의 시야를 향상시키므로 유리하다.

일실시예에서, 상기 메인 동력원의 대부분은 상기 바퀴들의 상한과 일치하는 레벨 이하로 배치된다.

일실시예에서, 상기 메인 동력원은 상기 전방 축 및 후방 축 사이에 배치된다.

메인 동력원을 전방 축 및 후방 축 사이에 배치하는 것은 작업용 기계의 전체적인 패키징을 개선하여 소형의 기계 점유 공간으로 귀결되므로 유리하다.

일실시예에서, 상기 메인 동력원은 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향을 가로지르는 방향으로 장착된다.

일실시예에서, 상기 메인 동력원은 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향에 실질적으로 수직하게 장착된다.

일실시예에서, 상기 메인 동력원은 피스톤들을 포함하는 왕복 엔진이고, 상기 엔진은 피스톤들이 수직한 배향을 가지도록 장착된다.

일실시예에서, 열교환기와 냉각팬이 상기 메인 동력원에 인접하여 장착되고 상기 팬의 회전축이 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향에 실질적으로 평행하도록 배열된다.

열교환기와 냉각팬이 메인 동력원에 인접하여 장착되고 팬의 회전축이 작업용 기계의 앞뒤 방향에 실질적으로 평행하도록 배열되도록 장착하는 것은 작업용 기계의 전체적인 패키징을 개선하고 작업용 기계의 냉각을 제공하므로 유리하다.

일실시예에서, 상기 작업용 기계는 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향으로 연장된 축의 일측에 배치된 연료 탱크를 포함하고, 상기 메인 동력원은 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향으로 연장된 축의 타측에 배치된다.

일실시예에서, 상기 작업용 기계는 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향으로 연장된 축의 일측에 배치된 유압 유체 탱크를 포함하고, 상기 엔진은 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향으로 연장된 축의 타측에 배치된다.

일실시예에서, 상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이의 상기 로터리 연결은 상기 하부 구조체에 대한 상기 상부 구조체의 위치와 무관하게 전기 신호 및/또는 유압 유체가 상기 상부 구조체로 루트가 정해지는 것을 허용하도록 구성된 로터리 조인트 장치를 포함한다.

일실시예에서, 상기 전방 축 및 후방 축은 적어도 2륜 조향을 위해 구성된다.

일실시예에서, 상기 전방 축 및 후방 축은 4륜 조향을 위해 구성된다.

본 발명의 실시예들이 예시적인 방식으로 첨부의 도면들을 참조로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 작업용 기계의 측면도이다.
도 2는 도 1의 기계의 평면도이다.
도 3은 도 1의 기계의 정면도이다.
도 4는 도 1의 기계의 하부 구조체의 평면도이다.
도 5는 도 1의 기계의 유압 및 전자 제어 시스템의 개략도이다.

일반적인 형태

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 작업용 기계(10)의 어느 정도 단순화된 형태가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 작업용 기계는 미디 엑스커베이터(대략 6톤과 12톤 사이의 작업 중량)로 생각할 수 있다. 다른 실시예들에서 작업용 기계는 미니 엑스커베이터(1.2톤과 6톤 사이의 작업 중량)일 수 있다. 이 기계는 하부 구조체(12)와 슬루잉 링(slewing ring)(16)의 형태로 된 슬루잉 메커니즘에 의해 연결된 상부 구조체(14)를 포함한다. 슬루잉 링(16)은 이 실시예에서 상부 구조체의 하부 구조체(12)에 대한 무제한적인 회전을 허용한다. 운전자가 작업용 기계를 조종할 수 있는 운전석(30)은 상부 구조체에 회전 가능하게 장착되어 있다. 작업용 암 장치(40)가 또한 상부 구조체에 회전 가능하게 장착되어 자재 취급 작업을 수행하기 위해 제공되어 있다.

하부 구조체

하부 구조체는 앞뒤방향으로 연장된 한 쌍의 이격된 섀시 레일(18a, 18b)로 형성되는데, 항상인 것은 아니지만 전형적으로 평행하거나 실질적으로 평행하다. 이 레일들은 하부 구조체(12)의 강도의 대부분을 제공한다. 하부 구조체는 지면 개입 구조체에 연결되는데, 이 실시예에서 지면 개입 구조체는 섀시 레일(18a, 18b)에 장착된 제1 및 제2 구동축(20a, 20b)과 각 축단에 회전 가능하게 부착된 바퀴들을 포함한다. 이 실시예에서 제2 구동축(20b)은 섀시 레일(18a, 18b)에 대해 고정되어 있는 반면, 제1 구동축(20a)은 제한적인 관절운동이 가능하며, 따라서 지면이 평탄하지 않은 경우에도 바퀴들이 지면과 접촉 상태를 유지하도록 한다. 바퀴들(19a, 19b, 19c, 19d)은 전형적으로 오프로드 공기압 타이어로 제공된다. 두 축(20a, 20b) 모두에 연결된 바퀴들은 조향 허브(17a, 17b, 17c, 17d)를 통해 조향 가능하다. 본 실시예에서, 휠베이스는 2.65m이지만 전형적인 범위는 2.0m에서 3.5m이다.

본 적용예의 목적을 위하여, 앞뒤 방향 A가 섀시 레일(18a, 18b)의 전반적인 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 정의되어 있다. 전반적인 수직 방향 U는 작업용 기계가 평탄한 지면 상에 있을 때 실질적으로 수직한 방향으로 정의된다. 전반적인 측면 방향 L은 작업용 기계가 평탄한 지면 상에 있을 때 실질적으로 수평하며 앞뒤 방향 A에 실질적으로 수직한 방향으로 정의된다.

본 실시예에서 도저 블레이드 장치(22)가 섀시 레일(18a, 18b)의 일단에 피벗 가능하게 고정되어 있는데, 이는 알려진 장치를 이용하여 유압 실린더(21)에 의해 올려지거나 내려질 수 있으며, 굴착시 지면으로부터 인접한 바퀴를 들어올림으로써 기계에 대해 스테빌라이저로서도 동작할 수도 있지만, 이것은 다른 실시예에서는 제공되지 않을 수 있다.

스테빌라이저 레그 장치(24)는 섀시 레일(18a, 18b)의 반대편 끝단에 피벗 가능하게 장착되어 있는데, 역시 알려진 장치를 이용하여 유압 실린더(23)에 의해 올려지거나 내려질 수 있지만, 다른 실시예들에서는 이것이 생략될 수 있다.

구동

도 4를 참조하면, 알려진 엑스커베이터와 달리, 메인 동력원 및 트랜스미션을 포함하는 구동 장치는 하부 구조체(12)에 수용되어 있다. 본 실시예에서, 메인 동력원은 디젤 IC 엔진(64)이다.

이 엔진(64)은 앞뒤 방향으로 하부 구조체의 중심을 관통하여 연장된 축 B의 일측에 장착된다. 엔진(64)은 축 B를 가로지르는 방향, 즉 엔진의 크랭크축의 회전축 R이 앞뒤 방향의 축 B를 가로지르는 방향으로 장착된다. 엔진(64)은 또한 엔진의 피스톤들이 실질적으로 위쪽 방향U로 연장되도록 배향된다.

열교환기(66)와 냉각팬(68)이 엔진(64)에 인접하여 하부 구조체에 수용된다. 냉각팬(68)은 다른 실시예들에서는 다르게 배향될 수도 있지만, 팬의 회전축 Q가 앞뒤 방향 A로 연장되도록 배향된다.

엔진(64)에 연료 공급을 제공하는 연료 탱크(70)는 엔진에 대해 축 B의 반대편 측에 배치된다. 유압 탱크(72)는 엔진에 대해 축 B의 반대편 측에서 연료 탱크(70)에 인접하여 제공된다.

엔진(64), 열교환기(66), 냉각팬(68), 연료 탱크(70), 유압 탱크(72)는 모두 축들(20a, 20b) 사이의 영역에 수용된다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 엔진(64)은 상부 구조체(14)의 하한과 일치하는 레벨 아래에 배치되어 있다. 사실 엔진(64)의 대부분, 이 실시예에서는 엔진(64) 전체가 바퀴(19a, 19b, 19c, 19d)의 상한과 일치하는 레벨Q 아래에 배치되어 있다. 본 실시예에서, 열교환기(66), 냉각팬(68), 연료 탱크(70), 유압 탱크(72)의 대부분이 바퀴(19a, 19b, 19c, 19d)의 상한과 일치하는 레벨 Q 아래에 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예에서 트랜스미션은 정유압식 변속기(hydrostatic transmission)이다. 이 트랜스미션은 관련된 충전 펌프(charge pump)(75a) 뿐만 아니라 고압 스워시 플레이트(swash plate) 타입의 유압 트랜스미션 펌프(75b) 도 포함한다. 이 트랜스미션 펌프는 순차로 2개의 유압 모터들(76, 77)을 선택적으로 구동할 수 있다. 이 트랜스미션 펌프(75b)는 약350~450bar(35~45MPa)의 전형적인 작동 압력을 가진다.

엔진(64)은 충전 펌프(75a)와 트랜스미션 펌프(75b)를 구동하도록 구성된다. 이 펌프들(75a, 75b)은 필요에 따라 유압 유체 탱크(72)로부터 유압 유체를 인출하여 전용의 공급 및 회수 호스들을 통해(즉, 유동은 본질적으로 필요에 따라 탱크(72)로부터 인출되고 회수되는 유압 유체의 폐루프이다) 유압 모터들(76, 77)로 공급하도록 구성된다. 모터들(76, 77)은 그 구동축이 하부 구조체(12)의 중심을 따라 축 B에 대해 정렬되어 배열된다. 본 실시예에서 유압 모터들(76, 77)은 하부 구조체를 중앙으로 관통하여 측면 방향 L로 연장된 축 C의 양측에 배치된다. 바꾸어 말해, 본 실시예에서, 유압 모터(76)는 도저 블레이드 장치(22)를 향해 배치된다. 엔진(64), 유압 펌프(74), 유압 모터(77)는 스테빌라이저 장치(24)를 향해 배치된다.

제1 유압 모터(76)는 예컨대 0에서 250cm³/revolution의 넓은 용적 범위를 가진 고속 스워시 플레이트 타입 모터이며, 전방 축(20a)을 통상 주행 방향으로 구동한다. 모터의 출력은 전방을 향하며 짧은 구동축(78)과 차동 장치(미도시)를 통해 제1 축(20a)을 구동한다. 제2 유압 모터(77)는 예컨대 0에서 125cm³/revolution의 더 적은 용적 범위를 가지는 상대적으로 저속인 스워시 플레이트 타입 모터이다. 저속 모터(77)는 제2 구동축(80)에 연결되어 제2 차동 장치(미도시)를 통해 제2(후방) 축(20b)을 구동한다.

충전 펌프(75a)와 트랜스미션 펌프(75b)는 엔진(64)에 인접하여 배치되고 엔진으로부터 펌프에 대한 입력이 엔진으로부터 펌프에 대한 출력과 축방향으로 배열되도록 배향된다.

하부 구조체에서 설명된 바와 같이 구동 장치를 배열하는 것은 상부 구조체에 수용될 요소들의 부피를 감소시키는 결과가 되며, 순차로 185cm의 키를 가진 운전자(95번째 백분위수인 남성)가 기계의 왼쪽 편에 있는 운전자 시트에 앉았을 때 오른쪽 편 후방 코너 너머로의 시야각(도 3의 각 α)이 수평선 아래로 30도를 초과(이 실시예에서는 33도)하는 결과가 된다(이 크기의 종래 미디 엑스커베이터에서 약 22도인 것과 대비됨). 이는 상부 구조체의 부품들에 의해 가려지는 기계 주변의 지면 영역이 상당히 감소하는 결과가 되며, 따라서 기계의 조작을 위한 시야를 향상시킨다.

구동 장치가 일반적으로 상부 구조체에 배치되는 종래 엑스커베이터와 비교할 때, 구동 장치를 하부 구조체에 배치하는 것의 다른 장점은 소음, 진동 및 불쾌감(noise, vibration and harshness: NVH)의 격리가 엔진과 운전석 사이에서 향상되어 운전자를 위한 안락성과 안정성을 향상시킨다는 것이다. 게다가 정비 및 재급유를 위해 엔진, 연료 탱크, 유체 탱크 등에 접근하는 것이 지면 높이에서이다.

구조체

상부 구조체(14)는 슬루 링(16) 상에 장착된 구조 플랫폼(26)을 포함한다. 도면들에서 볼 수 있는 바와 같이, 슬루 링(16)은 상부 구조체(14)를 하부 구조체의 중앙에 장착하도록 앞뒤 방향 A와 측면 방향 L에서 실질적으로 하부 구조체(12)의 중심에 위치한다. 슬루 링(16)은 상부 구조체(14)가 하부 구조체에 대해 전반적으로 수직방향인 축 Z 둘레로 회전할 수 있도록 한다.

로터리 조인트 장치(85)가 슬루 링(16)의 중앙에 제공되며, 하부 구조체로부터 상부 구조체로 복수의 유압 유체 라인, 복귀 유압 유체 라인, 전기적 신호 라인 - 계측 제어기 통신망(Controller Area Network) - 을 제공하도록 구성되는 한편 하부 구조체에 대한 상부 구조체의 완전한 360도 회전을 가능하게 한다. 이러한 로터리 조인트 장치의 구성은 본 기술분야에서 알려져 있다.

플랫폼(26)은 운전석(30)을 장착한다. 운전석은 운전자의 시트와 기계 제어기(이하에서 논의됨)를 수용한다.

상부 구조체(14)는 제1 유압 모터(32)와 브레이크를 통해 하부 구조체(12)에 대해 회전된다.

플랫폼은 작업용 암 장치(40)를 위해 킹포스트(28)를 더 장착한다. 킹포스트(28) 장치는 본 기술분야에서 알려져 있으며, 작업용 암을 전반적으로 수직방향인 축 X 둘레와 전반적으로 측방향인 축 W 둘레로 회전할 수 있도록 한다.

상부 구조체는 작업용 암 장치를 위해 킹포스트(28)에 대한 상부 구조체의 반대편 측에 위치한 평형추(34)를 더 포함한다.

유압 공급

도 5에 설명된 실시예에서, 엔진(64)은 추가적으로 충전 펌프(75a) 및 트랜스미션 펌프(75b)와 직렬적으로 배열된 메인 유압 펌프인 저압 유압 펌프(74)를 구동한다. 이 실시예에서 메인 유압 펌프는 약 250~300bar(25~30MPa)의 작동 압력을 가지며 역시 가변 용적형이다.

메인 펌프(74)는 상부 구조체(14)에서 접미사 'a'를 가진 동일한 부호로 표시된 관련된 밸브들을 통해 작업용 암 장치를 작동시키기 위해 유압 실린더들(50, 52, 54, 60, 62)로, 파일럿 공급 밸브(83)를 통해 슬루 브레이크(slew brake)로, 그리고 그랩(grab)(미도시) 등과 같은 어떤 부착물들이 사용하도록 보조 유압 유체 공급기로 유압 유체를 공급한다. 메인 펌프(74)는 추가적으로 하부 구조체에서 스테빌라이저/도저 밸브(79)를 통하여 도저 블레이드 및 스테빌라이저 장치의 유압 실린더들(21, 23)에게도 공급한다. 그러나 대안이 되는 실시예들에서 단일한 펌프가 모터와 유압 실린더에 유압 유체를 공급하기 위해 사용될 수 있다. 메인 펌프는 또한 도 5에 도시된 바와 같이 에어 컨디셔닝(93)을 위해 유압 유체를 제공하는 데에 사용된다.

이 실시예에서, 엔진은 추가적으로 조향 시스템을 위한 별도의 펌프(74')와 냉각팬(69b) 및 주차 브레이크(31b)를 위한 주차 브레이크 밸브(31a)를 구동하는 팬 펌프(69a)를 구동한다. 이 펌프들은 이 실시예에서 ECU 제어 없이 약 200bar(200MPa)의 더 낮은 압력에서 작동 가능한 기어 펌프들이다.

이에 더하여, 충전 펌프(75a)는 추가적으로 전방 축(20a)의 관절운동을 선택적으로 차단하는 축 잠금 밸브(33a)에 유압 유체를 공급한다.

작업용 암

본 실시예의 작업용 암 장치(40)는 엑스커베이터 암 장치이다. 작업용 암 장치는 디퍼(44)에 피벗 가능하게 연결된 3관절 붐(42)을 포함한다. 3관절 붐(42)은 제2 섹션(48)에 피벗 가능하게 연결된 제1 섹션(46)을 포함한다. 붐(42)의 제1 섹션(46)을 킹포스트(28)에 대해 전반적으로 측방향인 축 W 둘레로 올리거나 내리기 위해 유압 실린더(50)가 제공된다. 붐(42)의 제2 섹션(48)을 붐의 제1 섹션에 대해 전반적으로 측방향인 축T 둘레로 피벗시키기 위해 다른 유압 실린더(52)가 제공된다. 디퍼(44)를 붐(42)에 대해 전반적으로 측방향인 축 S 둘레로 회전시키기 위해 또다른 유압 실린더(54)가 제공된다. 마운트(56)는 디퍼(44)에 부착물을 피벗 가능하게 장착하기 위해 제공되는데, 본 실시예에서 이 부착물은 버킷(58)이다. 유압 실린더(60)가 부착물을 디퍼(44)에 대해 회전시키기 위해 제공된다. 다만, 대안의 붐 실린더 장치(예를 들어 트윈 실린더)가 다른 실시예들에서 활용될 수 있다.

도 2에 가장 명확히 나타낸 바와 같이, 또 다른 유압 실린더(62)가 작업용 암 장치(40)를 전반적으로 수직방향인 축 X 둘레로 회전(스윙)시키기 위해 제공된다. 작업용 암 장치를 회전시키기 위해 유압 실린더 장치를 사용하는 것은 작업용 기계(10)의 제조 및 작동을 단순화시켜준다.

기계 제어기

수많은 기계 제어 입력기들이 운전석(30)에서 제공된다. 이 실시예에서 (조향 및 브레이킹을 제외한) 입력들은 CAN 버스를 통해 하나 또는 그 이상의 상부 구조체의 전자 제어 유닛(ECU)(86) 및/또는 하나 또는 그 이상의 추가적인 하부 구조체의 ECU(87)로 전기적으로 전달되는데, 상부 구조체의 ECU는 입력들을 해석하고 작업용 암 등의 제어 동작을 위한 다양한 밸브들에 신호를 보내는 적절한 마이크로 프로세서, 메모리 등을 포함하며, 하부 구조체의 ECU는 스테빌라이저/도저 밸브(79), 주차 브레이크 밸브(31a), 축 잠금 밸브(33a), 메인 펌프(74), 트랜스미션 펌프(75b), 조향 모드 밸브(97)을 포함하는 하부 구조체의 유압 기능들을 궁극적으로 제어하기 위한 것이다.

대안의 실시예들에서, ECU는 베이스 조립체에서 제공될 수 있으며(예를 들어 하부 구조체에 수용됨) 기계 입력 제어기로부터의 신호들은 상부 구조체의 ECU(86)를 거치는 대신 하부 구조체의 ECU(87)로 직접 보내질 수 있다. 이런 배열을 위한 전기적인 연결은 제어 입력기로부터 슬루 링 및 로터리 조인트 장치를 통해 ECU(87)로 루트가 정해질 수 있다.

제어 입력기는: 작업용 암(40)의 동작을 제어하는 조이 스틱(88), 다양한 부차적인 기능들을 위한 스위치(89), 작업 동작을 위한 엔진 속도를 설정하는 핸드 스로틀(90), 주행/조작을 위해 엔진 속도를 동적으로 설정하는 풋 스로틀(91), 구동력을 필요한 방향으로 개입시키는 전진/중립/후진(forward/neutral/reverse: FNR) 선택기(92)를 포함한다.

조향과 브레이킹의 필수 안전성으로 인해, 브레이크 페달과 스티어링은 브레이크 페달(94)과 스티어링 휠(미도시)에 연결된 조향 밸브(95)에 의해 유압적으로 제어된다. 유압 유체 공급은 전용의 조향 펌프(74')로부터 로터리 조인트(85)와 우선 순위 밸브(96)를 거쳐 이루어지는데, 이것은 요청에 따라 유압 유체의 적절한 공급이 브레이크 페달(94)/조향 밸브(95)로 제공되는 것을 보장한다.

그리고 나서 조향 밸브(95)는 하부 구조체(12)의 조향 모드 밸브(97)에 유체를 공급하는데, 이것은 로터리 조인트를 관통하는 다른 공급로를 통해 기계가 4륜 조향(오프 로드), 이륜 조향(온 로드) 또는 크랩 조향(crab steer)으로 작동하는지를 제어한다. 그러면 조향 모드 밸브는 선택된 모드에 따라 유압 유체를 적절한 조향 실린더(98))에 공급한다.

브레이크 페달(94)은 바퀴 끝단에 있는 서비스 브레이크(99)에 역시 로터리 조인트를 관통하는 공급로를 통해 유를 공급한다. 팬 펌프(69a)로부터의 별개의 유압 유체 공급로가 상부 구조체 ECU(86)와 하부 구조체 ECU(87)의 제어 하에서 팬 모터(69b) 및 축 잠금 밸브(33a) 뿐만 아니라 주차 브레이크 밸브(31a)에도 유체를 공급한다.

다른 실시예들에서, 적절한 수준의 고장 허용 범위가 시스템 내에 구축되어 있다면 브레이킹과 조향은 전자 제어를 통해 이루어질 수 있다.

고속 작동

도로 상에서 작동되거나('도로 주행') 예를 들어 평탄한/경질의 표면 상에서 기동할 때, 기계(10)의 이동 속도가 견인력 또는 토크보다 선호된다. 따라서, 제1의 2륜 구동 작동 모드에서 차량 운전자는 2WD/4WD 선택기(미도시) 상에서 2WD를 선택하여 적절한 구조체의 ECU(86)에 신호를 주는데, 순차로 하부 구조체의 ECU를 거쳐 트랜스미션 펌프(75b)로 신호를 주어 유압 유체가 고속 모터(76)로 흐르도록 한다.

그 후에 운전자는 FNR 선택기(92)로부터 전진 또는 후진을 선택하는데, 이를 위한 신호는 유압 유체가 그것을 통과해 고속 모터(76)와 바퀴(19a, 19b)를 원하는 방향으로 회전시키는 정확한 유동방향으로 흐르게 하기 위해 유사한 방식으로 트랜스미션 펌프(75b)에 이른다.

그리고 나서 운전자는 풋 스로틀(91)을 이용하여 엔진 속도를 설정하며, 이는 순차로 트랜스미션 펌프(75b)를 원하는 속도로 구동한다. 하부 구조체의 ECU(87)는 펌프(75b)와 고속 모터(76)의 스워시 각도를 제어하며, 그 결과는 고속 모터(76)의 회전 및 제1 축(20a) 상의 바퀴들(19a, 19b)의 종동 회전으로 나타난다.

전형적으로, 이는 약 40km/h의 최고 속도로 주행하는 것을 가능하게 한다.

저속 작동

전형적으로 건설 현장과 같은 오프로드 장소에서 낮은 속도, 높은 토크, 더 높은 견인 동작을 위해, 운전자는 2WD/4WD 선택기로부터 제2의 4륜 구동 작동 모드를 선택한다. 이것은 순차로 구조체의 ECU(86)에 신호를 주고, 연이어 하부 구조체의 ECU(87)을 거쳐 트랜스미션 펌프(75b)로 신호를 주어 고속 모터(76)와 저속 모터(77) 양쪽에서 유압 유체의 흐름이 가능하게 한다.

그 이후에 운전자가 FNR 선택기(92)로부터 전진 또는 후진을 선택하는데, 이를 위한 신호는 유압 유체의 고속 모터(76) 및 저속 모터(77)로의 유동방향을 결정하기 위해 유사한 방식으로 트랜스미션 펌프(75b)에 이른다.

그리고 나서 운전자는 풋 스로틀(91)을 이용하여 엔진 속도를 설정하는데, 이는 순차로 트랜스미션 펌프(75b)를 원하는 속도로 구동한다. 하부 구조체의 ECU(87)는 바람직하게는 펌프(75b)와 고속 모터(76) 및 저속 모터(77) 의 스워시 각도를 제어하며, 이는 궁극적으로 고속 모터(76), 저속 모터(77)의 회전과 제1 축 및 제2 축(20a, 20b) 모두의 바퀴의 구동으로 귀결된다.

전형적으로, 이 작동 모드는 예를 들어 10km/h 또는 그 이하의 오프로드 작동을 위한 더 낮은 최고 속도를 제공한다.

변형예

이상에서 본 발명이 하나 또는 그 이상의 바람직한 실시예들과 함께 설명되었으나, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 발명의 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변경 또는 개조가 가해질 수 있다는 점이 이해될 것이다.

유압 유체의 압력 및/또는 유동은 저속 작동 모드에서 어느 한 모터에 대한 출력 균형을 바꾸기 위해 고속 모터 및 저속 모터(76, 77)로 향해질 수 있다. 예를 들어, 기계가 적절한 센서의 이용을 통해 어느 한 축 상에서 견인력의 손실을 감지하는 것에 응답하여 유압 유동이 다른 한 축으로 전환될 수 있다.

저속 및/또는 고속 모터들은 이들이 구동하는 축 또는 각 축 에 직접적으로 연결되어 있거나, 한 쌍의 고속 모터들이 하나의 축 상에 있는 개별적인 바퀴를 구동하고, 저속 모터들이 제2 축 상의 개별적인 바퀴들을 구동할 수도 있다.

다른 실시예들에서, 충전 펌프, 트랜스미션 펌프 및 메인 펌프는 직렬적으로 구동되는 대신 예컨대 베벨 기어박스를 통해 병렬적으로 구동될 수도 있으며, 특정한 작동을 위해 필요하지 않은 경우 구동력을 펌프들로부터 분리하도록 클러치 메커니즘이 제공될 수 있다.

본 발명은 본 발명이 특히 유리하다고 여겨지는 특정한 기계의 레이아웃의 맥락에서 설명되었으나, 본 발명의 어떤 장점들은 그 상부 구조체에 엔진과 유압 펌프들을 가진 종래의 바퀴식 슬루 엑스커베이터나 텔레핸들러, 정유압 변속기를 가진 험지용 크레인(rough terrain crane) 등과 같은 더 통상적인 기계들에서 사용되는 경우에 획득될 수도 있다.

여기서 설명된 실시예에서, 본 실시예의 엔진 및 트랜스미션의 패키지 크기를 줄이기 위해 엔진이 축 B에 수직하게 배치되어 있으나, 본 발명의 장점들은 엔진이 예컨대 시계방향으로 측정했을 때 축 B에 대해 30도에서 70도 사이와 같은, 대안이 되는 가로 지르는 위치에 배치될 수 있는 대안의 실시예들에서 성취될 수도 있다.

여기서 설명된 실시예에서 엔진은 피스톤의 길이방향 축이 실질적으로 수직으로 배향되도록 배치되어 있으나, 대안의 실시예들에서 피스톤들이 다르게 배향될 수 있으며, 예컨대 피스톤들은 실질적으로 수평할 수 있다. 다른 대안의 실시예들에서, 메인 동력원은 디젤 엔진이 아닐 수 있으며 예컨대 엔진은 가솔린 엔진일 수 있다.

본 발명의 연료 탱크, 유압 우체 탱크, 열교환기, 팬 및 엔진의 배열은 그 컴팩트한 특성으로 인해 유리하지만, 본 발명의 장점은 이들 구성들이 다른 위치에 배치될 수 있는, 예컨대 연료 탱크와 유압 유체 탱크가 축들 사이에 배치되지 않을 수 있는 대안의 실시예들에서도 성취될 수 있다.

설명된 작업용 암은 디퍼와 3관절 붐을 포함하지만, 대안의 실시예들에서 붐은 상부 구조체 및 디퍼에 대한 연결점에서만 관절운동될 수 있다. 다른 대안의 실시예들에서, 붐 의 섹션 또는 디퍼가 텔레스코픽(신축식)일 수 있다. 또다른 대안의 실시예들에서, 작업용 기계는 다른 종류의 것, 예컨대 텔레핸들러, 덤프 트럭, 크레인, 로딩 셔블 등일 수 있다.

작업용 기계는 매뉴얼, 유압 또는 전자-유압 제어기를 이용하여 조작될 수 있다.

본 실시예에서, 양 축 상의 바퀴들이 조향 가능하지만(즉, 작업용 기계는 4륜 조향을 위해 구성됨), 대안의 실시예들에서는 축들 중 하나의 바퀴들만 조향 가능할 수 있다(즉, 작업용 기계가 2륜 조향을 위해 구성됨).

Claims

각각 적어도 2개의 바퀴가 장착된 적어도 제1 축 및 제2 축을 포함하는 지면 개입 구조체;
상기 지면 개입 구조체에 지지되는 몸체;
작업 동작들을 수행할 수 있도록 상기 몸체에 장착된 작업용 암; 및
상기 지면 개입 구조체를 움직여 작업용 기계를 추진하기 위한 구동 장치로서, 메인 동력원과 트랜스미션을 포함하는 구동 장치를 포함하고,
상기 트랜스미션은, 상기 메인 동력원에 의해 구동되는 유압 펌프, 상기 유압 펌프로부터 유압 유체를 공급받아 상기 작업용 기계가 제1의 2륜 구동 작동 모드에서 상대적으로 고속으로 구동되도록 하기 위해 상기 제1 축을 구동하는 제1 고속 유압 모터, 상기 유압 펌프로부터 유압 유체를 공급받아 상기 제2 축을 상대적으로 저속으로 구동하고 제2의 4륜 구동 작동 모드에서 상기 제1 모터와 협력하여 구동되도록 구성된 제2 상대적 저속 모터를 포함하는 작업용 기계.
제1항에 있어서,
상기 제2 축은 통상적인 주행 방향에서 후방 축인 작업용 기계.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 유압 모터 및 제2 유압 모터 중 적어도 하나는 그 각각의 축에 근접하여 배치된 작업용 기계.
제3항에 있어서,
적어도 하나의 유압 모터는 그 각각의 축에 직접 연결된 작업용 기계.
제4항에 있어서,
두 모터들이 모두 그들 각각의 축에 직접 연결된 작업용 기계.
제1항 내지 제5항에 있어서,
상기 고속 모터는 예컨대 0에서 250cm³의 상대적으로 높은 회전당 용적을 가진 작업용 기계.
제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
추가적인 작업용 기계 기능을 위한 유압 유체를 제공하기 위해 상기 메인 동력원에 의해 구동되는 제2 저압 펌프를 더 포함하는 작업용 기계.
제7항에 있어서,
상기 제1 펌프 및 제2 펌프에 대한 구동은 직렬적인 작업용 기계.
제7항에 있어서,
상기 제1 펌프 및 제2 펌프에 대한 구동은 예컨대 베벨 기어 박스를 통해 병렬적으로 된 작업용 기계.
제1항 내지 제9항 중 한 항에 있어서,
상기 작업용 기계는 하부 구조체와 그 위에서 회전 가능한 상부 구조체를 포함하는 작업용 기계.
제10항에 있어서,
상기 메인 동력원, 제1 유압 펌프, 제1 및 제2 유압 모터들은 상기 하부 구조체에 장착된 작업용 기계.
제11항에 있어서,
상기 메인 동력원의 대부분은 상기 바퀴들의 상한과 일치하는 레벨 이하로 배치된 작업용 기계.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 메인 동력원은 상기 전방 축 및 후방 축 사이에 배치된 작업용 기계.
제1항 내지 제13항 중 한 항에 있어서,
상기 메인 동력원은 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향을 가로지르는 방향으로 장착된 작업용 기계.
제14항에 있어서,
상기 메인 동력원은 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향에 실질적으로 수직하게 장착된 작업용 기계.
제1항 내지 제15항 중 한 항에 있어서,
상기 메인 동력원은 피스톤들을 포함하는 왕복 엔진이고, 상기 엔진은 피스톤들이 수직한 배향을 가지도록 장착된 작업용 기계.
제1항 내지 제16항 중 한 항에 있어서,
열교환기와 냉각팬이 상기 메인 동력원에 인접하여 장착되고 상기 팬의 회전축이 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향에 실질적으로 평행하도록 배열된 작업용 기계.
제1항 내지 제17항 중 한 항에 있어서,
상기 작업용 기계는 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향으로 연장된 축의 일측에 배치된 연료 탱크를 포함하고, 상기 메인 동력원은 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향으로 연장된 축의 타측에 배치된 작업용 기계.
제1항 내지 제18항 중 한 항에 있어서,
상기 작업용 기계는 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향으로 연장된 축의 일측에 배치된 유압 유체 탱크를 포함하고, 상기 엔진은 상기 작업용 기계의 앞뒤 방향으로 연장된 축의 타측에 배치된 작업용 기계.
제10항 내지 제19항 중 한 항에 있어서,
상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이의 상기 로터리 연결은 상기 하부 구조체에 대한 상기 상부 구조체의 위치와 무관하게 전기 신호 및/또는 유압 유체가 상기 상부 구조체로 루트가 정해지는 것을 허용하도록 구성된 로터리 조인트 장치를 포함하는 작업용 기계.
제1항 내지 제20항 중 한 항에 있어서,
상기 전방 축 및 후방 축은 적어도 2륜 조향을 위해 구성된 작업용 기계.
제21항에 있어서,
상기 전방 축 및 후방 축은 4륜 조향을 위해 구성된 작업용 기계.