KR20200040323A - 건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법 - Google Patents

건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법 Download PDF

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Abstract

건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법이 개시된다. 본 발명은 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기; 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기를 갖는 전방 액슬; 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기를 갖는 후방 액슬; 유압 펌프에 의해 작동되는 부착장치를 구동시키는 구동장치 및 상기 발전기에서 발생된 전기에너지를 전방 액슬, 후방 액슬 및 구동장치에 각각 공급하는 통합 인버터를 포함하여 중앙 연결유닛의 부재에 따라 이와 연결해야 하는 전방 구동축 연결유닛 및 후방 구동축 연결유닛도 구비될 필요가 없으므로, 구조가 간단하여 유지보수가 용이하고, 건설기계의 제조비용을 절감할 수 있는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법을 제공한다.

Description

건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법{WHEEL DRIVING SYSTEM FOR CONSTRUCTION MACHINERY AND CONTROL METHOD FOR TRANSMISSION OF THE SAME}
본 발명은 건설기계를 위한 휠 구동 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 하이브리드 건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법에 관한 것이다.
최근 엔진과 발전기를 동력원으로 각각 이용하는 하이브리드 구동 시스템에 대한 연구가 증가하는 추세이다. 일반 하이브리드 자동차에 있어서, 상기 발전기는 전기에너지를 생산하여 하나의 전동기에 공급한다. 상기 전동기는 구동토크를 발생하여 다수개의 휠들을 구동할 수 있다.
상기 일반 하이브리드 자동차의 휠 구동 시스템의 목적은 일반 주행에 있다. 이와는 달리, 상기 하이브리드 구동 시스템을 갖는 건설기계는 상기 일반 주행을 수행하면서 동시에 고하중 작업을 빈번히 수행해야 한다. 따라서, 상기 하이브리드 구동 시스템을 갖는 상기 건설기계에 포함된 다수개의 휠들은 다수개의 전동기들에 의해 각각 구동되며, 상기 휠들은 작업 환경에 따라 높은 토크를 지면에 작용할 수 있다.
상기 건설기계가 상기 고하중 작업을 빈번하게 수행해야 하는 작업환경을 고려하고, 상기 건설기계의 상기 휠들이 상기 전동기들에 의해 각각 구동되는 점을 고려하여 휠 구동 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 하이브리드 구동 시스템이 필요하다.
이러한 필요성에 의해 출원된 한국 공개공보 제10-2015-0136367호에는 작고 가벼운 전동기들을 사용할 수 있어, 건설기계의 경량화, 소형화가 가능하고 연비 개선 및 작업효율 개선이 가능한 건설기계를 위한 휠 구동 시스템에 대한 기술이 기재되어 있다.
도 1은 종래의 건설기계를 위한 휠 구동 시스템을 도시한 개략도이다.
자세하게는 도 1과 같이, 종래의 휠 구동 시스템은 엔진(10)에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기(20), 전방 구동축을 통하여 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키는 전방 액슬(30), 후방 구동축을 통하여 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키는 후방 액슬(40), 및 상기 전방 구동축과 상기 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되는 중앙 연결유닛(50)을 포함하고 있다.
또한 상기 전방 액슬(30)과 후방 액슬(40)에는 모두 변속기(36, 46)가 구비되어 있고, 전방 액슬(30)은 전방 좌측 구동축 및 전방 우측 구동축을 연결하는 전방 구동축 연결유닛(35)을 포함하며, 후방 액슬(40)은 후방 좌측 구동축 및 후방 우측 구동축을 연결하는 후방 구동축 연결유닛(45)을 포함하고 있다.
이 때 연결유닛(50)은 전방 구동축 연결유닛(35)과 후방 구동축 연결유닛(45)에 연결되므로, 전방 구동축 연결유닛(35)은 중앙 연결유닛(50)으로부터 전달되는 변환토크를 전방 액슬(30)의 전방 좌측 구동축 및 전방 우측 구동축으로 각각 전달할 수 있다.
그러나 최근 차량 컨트롤 기술의 발전에 따라 별도의 차동 기어가 없어도 각각의 제어가 가능하고, 또한 변속기와 전동기의 기술 발전에 따라 변속기와 소형의 전동기로도 일반적인 고하중 작업을 수행 시 필요로 하는 작업 토크를 충분히 달성할 수 있으므로, 이에 건설기계의 제조비용을 절감할 수 있고, 더 효율적인 연비를 달성하기 위한 새로운 건설기계의 설계가 필요하다. 즉 건설기계의 사용자는 건설기계의 소형화를 원하고 있으며, 저렴한 건설기계를 원하고 있다.
한국 공개공보 제10-2015-0136367호
따라서 본 발명은 상술한 사안을 감안하여 발명된 것으로 본 발명의 목적은 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기; 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기를 갖는 전방 액슬; 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기를 갖는 후방 액슬; 유압 펌프에 의해 작동되는 부착장치를 구동시키는 구동장치 및 상기 발전기에서 발생된 전기에너지를 전방 액슬, 후방 액슬 및 구동장치에 각각 공급하는 통합 인버터를 포함하여 중앙 연결유닛의 부재에 따라 이와 연결해야 하는 전방 구동축 연결유닛 및 후방 구동축 연결유닛도 구비될 필요가 없으므로, 구조가 간단하여 유지보수가 용이하고, 건설기계의 제조비용을 절감할 수 있는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 첫 번째 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기; 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기를 갖는 전방 액슬; 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기를 갖는 후방 액슬; 유압 펌프에 의해 작동되는 부착장치를 구동시키는 구동장치 및 상기 발전기에서 발생된 전기에너지를 전방 액슬, 후방 액슬 및 구동장치에 각각 공급하는 통합 인버터를 포함하는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템을 제공한다.
또한 상기 구동장치는, 상기 통합 인버터와 전기적으로 연결된 펌프 모터와, 유압 펌프 및 펌프 모터과 유압 펌프 사이 구비된 기어 박스를 포함할 수 있다.
또한 상기 전방 액슬은, 상기 전방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 구동축을 통하여 상기 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 포함할 수 있다.
또한 상기 후방 액슬은, 후방 변속기를 포함하지 않을 수 있다.
또한 차량 속도, 전동기 전류값, 전동기 회전수 및 현 기어의 위치 정보를 사용하여 변속 여부를 수행하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 아래의 변속조건을 만족하면 2단에서 1단으로 변속할 수 있다. - 작업 모드 : 수동, 자동 중 자동 - 차량 속도 : 설정 속도 이하 - 기어 위치 : 2단
상기 제어부는, 아래의 변속조건을 만족하면 1단에서 2단으로 변속할 수 있다. - 작업 모드 : 수동, 자동 중 자동 - 차량 속도 : 설정 속도 이상 - 기어 위치 : 1단
상기 두 번째 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상술한 구동 시스템이 적용되는 건설기계의 변속 제어방법에 있어서, 건설기계의 2속 주행단계; 차량의 속도, 전동기의 토크 센싱 정보를 포함하는 변속 조건을 제어부로 전송하는 전송단계; 변속조건을 확인하는 확인단계; 전동기 전류값을 0mA로 변경하는 변경단계; 2단 클러치를 오프하는 오프단계; 기어를 중립시키는 중립단계; 모터 회전수를 output rpm과 동기화시키는 동기화단계 및 1단 클러치를 온 시키는 온단계를 포함하는 건설기계의 변속 제어방법을 제공한다.
또한 상기 전송 단계서의 변속 조건은, 자동 기어 변속 모드에서 설정 속도 이하로 주행 시 기어 위치가 2단인 경우로 상기 설정 속도는 4km/h 이하일 수 있다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상술한 구동 시스템이 적용되는 건설기계의 변속 제어방법에 있어서, 건설기계의 1속 주행단계; 차량의 속도, 전동기의 토크 센싱 정보 등의 변속 조건을 제어부로 전송하는 전송단계; 변속조건을 확인하는 확인단계; 전동기 전류값을 0mA로 변경하는 변경단계; 1단 클러치 오프단계; 기어를 중립시키는 중립단계; 모터 회전수를 output rpm과 동기화시키는 동기화단계 및 2단 클러치를 온 시키는 온단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전송단계에서의 변속 조건은, 자동 기어 변속 모드에서 설정 속도 이상으로 주행 시 기어 위치가 1단인 경우로 상기 설정 속도는 8km/h 이상일 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법에 의하면, 중앙 연결유닛의 부재에 따라 이와 연결해야 하는 전방 구동축 연결유닛 및 후방 구동축 연결유닛도 구비될 필요가 없으므로, 구조가 간단하여 유지보수가 용이하고, 건설기계의 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 구동장치가 통합 인버터와 전기적으로 연결이 되므로, 엔진의 일정 회전수를 유지할 수 있어, 엔진의 효율을 극대화 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 전방 휠에만 전방 변속기를 장착하여 1단으로 변속하여도 작업 상에 큰 문제를 발생시키지 않기 때문에 전후방 모두에 변속기를 장착하지 않아도 되고, 이에 건설기계의 제조비용을 현저히 절감할 수 있는 효과가 있다. 즉 후방 액슬에 별도의 변속기가 구비되지 않아도 되므로, 그 무게를 줄일 수 있고 가격을 낮출 수 있으며, 상기 건설기계의 연비 및 작업효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한 유압 펌프가 엔진 및 발전기에서 독립되므로, 상기 엔진이 효율이 좋은 일정 회전수에서 지속적으로 유지될 수 있도록 구현될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 건설기계를 위한 휠 구동 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠 구동 시스템을 나타내는 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2의 구성을 구동부(A), 발전부(B) 및 작업부(C)로 나누어 도시한 개략도이다.
도 4는 도 2의 휠 구동 시스템을 갖는 건설기계의 속도에 따른 토크를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2의 휠 구동 시스템을 갖는 건설기계의 제어부에서 수행되는 제어 로직을 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 건설기계의 변속 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 건설기계의 변속 제어방법을 도시한 순서도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠 구동 시스템을 나타내는 구성을 도시한 개략도이고, 도 3은 도 2의 구성을 구동부(A), 발전부(B) 및 작업부(C)로 나누어 도시한 개략도이다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 휠 구동 시스템은 엔진(100)에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기(200); 전방 구동축(302, 304)을 통하여 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키는 전방 액슬(300); 후방 구동축(402, 404)을 통하여 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키는 후방 액슬(400); 유압 펌프(630, 640)에 의해 작동되는 붐, 버켓 등을 직접적으로 구동시키는 구동장치(600) 및 발전기(200)에서 발생된 전기에너지를 전방 액슬(300), 후방 액슬(400) 및 구동장치(600)에 각각 공급하는 통합 인버터(210)를 포함한다.
특히 본 발명에 따른 건설기계를 위한 휠 구동 시스템은 종래와 달리 제어부(700)의 컨트롤 기술의 발전에 따라 별도의 차동기어가 없어도 각각의 제어가 가능하므로, 또한 변속기와 전동기의 기술 발전에 따라 변속기와 소형의 전동기로도 일반적인 고하중 작업을 수행 시 필요로 하는 작업 토크를 충분히 달성할 수 있으므로, 상기 전방 구동축(302, 304)과 상기 후방 구동축(402, 404)에 각각 연결 가능하도록 구비되는 종래의 중앙 연결유닛(50, 도 1 참조)이 본 발명에서는 구비되지 않는다. 이에 중앙 연결유닛(50)의 부재에 따라 이와 연결해야 하는 전방 구동축 연결유닛(35) 및 후방 구동축 연결유닛(45)도 구비될 필요가 없으므로, 구조가 간단하여 유지보수가 용이하고, 건설기계의 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계를 위한 휠 구동 시스템은 종래와 달리 유압펌프(630, 640)가 엔진축(102)에 직결되지 않고, 이를 구동시키는 구동장치(600)의 펌프 모터(610)가 통합 인버터(210)와 연결되어 있으므로, 도 3과 같이 구동부(A)와, 발전부(B) 및 작업부(C)가 독립적으로 수행될 수 있는 구성으로, 특히 엔진(100)과 구동장치(600)가 직결 연결되지 않으므로, 유압 펌프에 의해 발생되는 순간적인 역토크에 의해 엔진(100)의 회전수(RPM)이 급격하게 떨어지는 현상을 차단할 수 있다. 이 경우 엔진(100)에서는 연료를 더 많이 분사하여 설정된 회전수(RPM)로 회복하고자 하므로, 비효율적으로 연료를 더욱 많이 사용하게 되는데, 본 발명에서는 구동장치(600)가 통합 인버터(210)와 전기적으로 연결이 되므로, 엔진(100)의 일정 회전수(RPM)를 유지할 수 있어, 엔진(100)의 효율을 극대화 시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.
이하 본 발명의 구성에 대한 설명을 이어가기로 한다.
발전기(200)는 엔진(100)으로부터 상기 구동력을 전달받을 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), 후방 액슬(400) 및 구동장치(600)에 각각 공급할 수 있다. 한편, 도면에서는 상기 구동장치(600)의 펌프 모터(610)가 구동장치(600)에 내포되도록 위치되어 있으나, 이러한 위치는 본 발명을 제한하지 않으며, 엔진(100)의 일측에 위치될 수 있다.
전방 액슬(300)은 발전기(200)로부터의 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 상기 전방 전동기로부터 구동토크를 공급받아 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 구동축을 통하여 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 포함한다.
전방 휠은 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)을 포함하고, 전방 구동축은 전방 좌측 휠(310)과 전방 우측 휠(312)에 각각 연결된 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 포함한다. 전방 변속기는 전방 좌측 변속기(360) 및 전방 우측 변속기(362)를 포함하고, 전방 전동기는 전방 좌측 전동기(320) 및 전방 우측 전동기(322)를 포함한다.
또한 상기 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.
후방 액슬(400)은 발전기(200)로부터의 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기를 포함한다. 그러나 후방 액슬(400)은 전방 액슬(300)과 달리 변속기 기능을 갖는 후방 변속기를 포함하지 않는다. 이러한 후방 변속기의 부재에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
또한 후방 전동기는 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)를 포함하고, 상기 후방 휠은 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)을 포함하며, 후방 구동축은 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)에 각각 연결된 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 포함한다. 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.
특히 본 발명에 의한 건설기계를 위한 휠 구동 시스템에서는 전방 액슬(300)에는 전방 변속기가 구비되어 있으나, 후방 액슬(400)에는 후방 변속기가 구비되지 않는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 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.
즉 본 발명은 상기 전방 휠(310, 312)에만 전방 변속기를 장착하여 1단으로 변속하여도 작업 상에 큰 문제를 발생시키지 않기 때문에 전후방 모두에 변속기를 장착하지 않아도 되고, 이에 건설기계의 제조비용을 현저히 절감할 수 있는 효과가 있는 것이다.
한편, 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)은 타이어(도시되지 않음)와 함께 하중을 지지하고 변환 토크를 지면에 전달할 수 있다. 또한, 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)은 제동 작용을 수행할 수 있다. 마찬가지로 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측휠(412)은 타이어(도시되지 않음)와 함께 하중을 지지하고 상기 변환토크를 지면에 전달할 수 있다. 또한, 후방좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 제동 작용을 수행할 수 있다.
또한 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 좌측휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)의 토크들을 각각 증가시킬 수 있다. 또한 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 있으므로, 본 발명은 별도의 차동기어를 필요로 하지 않는다.
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.
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), 후방 액슬(400) 및 구동장치(600)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), 후방 액슬(400) 및 구동장치(600)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), 전방 우측 전동기(322), 후방 액슬(400)의 후방 좌측 전동기(420), 후방 우측 전동기(422) 및 구동장치(600)의 펌프 모터(610)에 각각 연결될 수 있다. 또는 이와 달리, 발전기(200), 전방 액슬(300)의 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 액슬(400)의 후방 좌측 전동기(420), 후방 우측 전동기(422) 및 구동장치(600)의 펌프 모터(610)를 위한 인버터들(도 3 참조)이 각각 구비될 수도 있다.
예시적인 실시 예에 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), 구동장치(600)의 펌프 모터(610)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 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 역으로 저장할 수 있다.
또한 엔진(100)으로부터 상기 구동력이 불안정하게 공급되어 발전기(200)가 상기 전기에너지를 안정적으로 생산하지 못할 때에는 반대로 에너지 회수 장치(220)는 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422), 구동장치(600)의 펌프 모터(610)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.
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)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)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)는 적어도 2의 변속단수를 각각 가질 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.
구동장치(600)는 붐, 버켓 등을 포함하는 부착장치를 구동한다. 구동장치(600)는 통합 인버터(210)와 전기적으로 연결된 펌프 모터(610)와, 유압 펌프(630, 640) 및 이들 사이 구비된 기어 박스(620)를 포함한다. 상기 유압 펌프(630, 640)는 건설기계의 부착장치를 구동하기 위해 액츄에이터(미도시)들에 유압동력을 각각 제공한다.
즉 본 발명에서는 유압 펌프(630, 640)가 엔진(100) 및 발전기(200)에서 독립되므로, 상기 엔진(100)이 효율이 좋은 일정 회전수(RPM)에서 지속적으로 유지될 수 있도록 구현될 수 있는 효과가 있다.
도 4는 도 2의 휠 구동 시스템을 갖는 건설기계의 속도에 따른 토크를 나타내는 그래프이다.
도 4에 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. 건설기계의 상기 전동기 속도와 상기 구동토크의 곱은 일정한 관계가 된다. 이에 건설기계의 4바퀴 구동 시 전방 변속기는 1단 변속 상태에서 제1 속도(w1) 동안 동일한 토크를 유지하다가, 더 속도가 증가함에 따라 토크는 속도에 반비례하여 떨어지게 된다. 이 경우 속도의 증가에 따라 2단 변속 상태의 그래프와 만나는 지점의 제2 속도(w2)에서 2단 변속 상태로 변속시키는 것이 바람직하다.
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(미도시)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.
이러한 건설기계는 고하중 작업을 수행하여야 하므로, 높은 토크를 발생할 수 있는 전동기를 구비해야 한다. 일반적으로 높은 토크를 발생할 수 있는 전동기는 크기가 크고 무겁다. 그러나 최근 전동기의 비약적인 발전으로 가볍고 작지만 최대 토크가 현저히 늘어나는 전동기가 선보이고 있다.
따라서 필요로 하는 작업 토크(E)를 전방 액슬(300)의 전방 변속기(360, 632)에 의해서도 충분히 달성할 수 있으므로, 건설기계의 고하중 작업 시 후방 휠(410, 420)이 지면에 미끄러지거나 심지어 지면에서 뜨는 경우에도 1단으로 변속된 전방 변속기(360, 632)에 의해서도 충분한 토크를 발휘할 수 있다. 또한 실제로 건설기계는 고하중 작업을 수행할 수 있는 충분한 토크를 발휘할 수 있는 경우가 대부분이다. 또한 전후방 휠이 모두 지면에 접촉해 있을 때에는 토크 간격(D)만큼 더 큰 토크가 작용될 수 있음은 자명하다.
이에 따라 본 발명에 의한 건설기계를 위한 휠 구동 시스템이 적용된 건설기계는 후방 액슬(400)에 별도의 변속기가 구비되지 않아도 되므로, 그 무게를 줄일 수 있고 가격을 낮출 수 있으며, 상기 건설기계의 연비 및 작업효율을 개선할 수 있는 효과가 있는 것이다.
또한 도 4와 같이, 일반적인 상황에서의 변속 2단의 4바퀴 구동 상태(2-4w)에서는 작업 및 주행을 별다른 변속이 없어도 문제없이 수행할 수 있다. 그러나 하기와 같이 일반적인 상황이 아닌 부분도 발생될 수 있다.
- 건설기계가 사용되는 높은 경사지가 있는 작업 현장의 경우 높은 경사지가 지속적으로 연장되는 현장도 있을 수 있기 때문에, 본 상황을 맞이하면 전동기에 과열이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해 1단으로 변속하여 전동기에 인가되는 전류를 낮춰주는 변속 1단의 4바퀴 구동 상태(1-4w)로 변경하는 제어가 필요하다.
- 작업 시 흙의 상태에 따라서 앞바퀴를 중심으로 뒷바퀴가 들리는 현상이 빈번히 발생되는 경우에는, 앞바퀴 두 개로 장비의 구동력을 맞춰야 하는 상황이 발생이 되므로, 변속 1단의 2바퀴 구동상태(1-2w)로의 변경하는 제어가 필요하다.
한편, 낮은 토크와 높은 속도를 요구하는 평지의 경우에는 변속 2단의 4바퀴 구동 상태(2-4w)로 운행하다가 경사지 주행 또는 작업 시에는 1단으로 변속을 해야 할 필요성이 있다. 그러나 변속하는 상황이 많아지게 되면, 변속충격을 저감하는 방법이 필요하다.
그러나, 휠 구동 건설기계의 경우 전동기 파워(torque, rpm)에 따라 변속기 및 감속기 사양이 결정되므로, 토크가 크고 속도가 낮거나, 속도가 빠르고 토크가 낮거나, 혹은 토크도 높고 속도도 높으냐에 따라 변속기, 감속기의 사양이 결정되는데 이러한 모든 것으로 고려하여 최적사양을 결정해야만 한다.
도 5는 도 2의 휠 구동 시스템을 갖는 건설기계의 제어부(700)에서 수행되는 제어 로직을 나타내는 구성도이다.
따라서 도 5와 같이, 구동력을 많이 필요로 할 때 변속기를 사용하여 변속을 수행하는 제어 로직(control logic)을 구현해야 한다. 이러한 제어 로직은 제어부(700)에서 작업모드(수동 변속모드, 자동 변속모드를 포함한다), 차량 속도, 전동기 전류값(토크), 전동기 회전수(RPM) 및 현 기어의 위치를 종합적으로 판단하여 건설기계의 기어 변속을 수행하게 된다.
자세하게는 상기 제어부(700)의 다음과 같은 변속조건을 만족하게 되면 기어의 변속을 수행하게 된다. 일반적으로 본 발명의 구동시스템이 적용되는 건설기계는 2단으로 주행하는 것을 기본으로 하며, 우선 제어부(700)에서 2단에서 1단으로 변속하는 변속조건에 대하여 다음과 같다.
- 작업 모드 : 수동, 자동 중 자동
- 차량 속도 : 설정 속도 이하, 이러한 설정 속도는 경사지에서 변속을 수행하면 변속하는 중에 동력이 없으므로, 차량의 속도가 줄어들고 최악의 경우 뒤로 밀릴 수도 있기 때문에 튜닝을 통해 적정한 값을 선정하는 것이 필요할 것이다. 따라서 4km/h 이하가 바람직하다.
- 전동기 회전수(RPM) : 상기 차량 속도를 확인하는 용도로 필요하다.
- 기어 위치 : 2단
반대로, 상기 제어부(700)에서 1단에서 2단으로 변속하는 변속조건에 대하여 다음과 같다.
- 작업 모드 : 수동, 자동 중 자동
- 차량 속도 : 설정 속도 이상, 같은 이유로 8km/h 이상이 바람직하다.
- 전동기 회전수(RPM) : 상기 차량 속도를 확인하는 용도로 필요하다.
- 기어 위치 : 1단
이하 본 발명에 의한 건설기계의 변속 제어방법에 대하여 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 건설기계의 변속 제어방법을 도시한 순서도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 건설기계의 변속 제어방법을 도시한 순서도이다. 또한 아래의 수행과정은 모두 제어부(700)에서 수행될 수 있음을 첨언한다.
도 6과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 건설기계의 변속 제어방법은 건설기계의 2속 주행단계(S100); 차량의 속도, 전동기의 토크 센싱 정보 등의 변속 조건을 제어부로 전송하는 전송단계(S110); 변속조건을 확인하는 확인단계(S120); 전동기 전류값을 0mA로 변경하는 변경단계(S130); 2단 클러치 오프단계(S140); 기어를 중립시키는 중립단계(S150); 모터 회전수를 output rpm과 동기화시키는 동기화단계(S160) 및 1단 클러치를 온(ON) 시키는 온단계(S170)를 포함한다.
이 경우 상기 S110 단계에서의 변속조건은 상술한 바와 같이, 자동 기어 변속 모드에서 설정 속도 이하로 주행 시 기어 위치가 2단인 경우로 상기 설정 속도는 4km/h 이하가 바람직하다.
즉 S100에서 기어의 위치가 2단으로 2속 주행 시에는 S110 단계에서 변속 조건을 제어부로 CAN 통신 등을 통하여 전송한다. S120 단계에서 변속조건을 확인하고 만족된다고 판단되면, 전도기의 전류값을 0mA로 변경한 후 기어를 1단으로 변경을 시작하게 되는 것이다.(S140 내지 S170)
한편, S170 단계에서 1단 클러치 온을 위해 순간적으로 전류를 상승시키게 되면 변속 시 충격이 발생하기 때문에 서서히 전류를 상승시켜 충격을 없앤다. 하지만 너무 느리게 변속을 수행한다면 건설기계의 가속력이 줄어들어 또 다른 충격을 운전자가 느끼게 되므로 적정한 전류의 상승을 찾아야 한다.
도 7과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 건설기계의 변속 제어방법은 건설기계의 1속 주행단계(S200); 차량의 속도, 전동기의 토크 센싱 정보 등의 변속 조건을 제어부로 전송하는 전송단계(S210); 변속조건을 확인하는 확인단계(S220); 전동기 전류값을 0mA로 변경하는 변경단계(S230); 1단 클러치 오프단계(S240); 기어를 중립시키는 중립단계(S250); 모터 회전수를 output rpm과 동기화시키는 동기화단계(S260) 및 2단 클러치를 온(ON) 시키는 온단계(S270)를 포함한다.
이 경우 상기 S210 단계에서의 변속조건은 상술한 바와 같이, 자동 기어 변속 모드에서 설정 속도 이하로 주행 시 기어 위치가 1단인 경우로 상기 설정 속도는 8km/h 이상이 바람직하다.
즉 S200에서 기어의 위치가 1단으로 1속 주행 시에는 S210 단계에서 변속 조건을 제어부로 CAN 통신 등을 통하여 전송한다. S220 단계에서 변속조건을 확인하고 만족된다고 판단되면, 전도기의 전류값을 0mA로 변경한 후 기어를 2단으로 변경을 시작하게 되는 것이다.(S240 내지 S270)
이상에서 설명된 본 발명의 건설기계를 위한 휠 구동 시스템 및 건설기계의 변속 제어방법의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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
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 600 : 구동장치
610 : 펌프 모터 620 : 기어 박스
630, 640 : 유압 펌프 700 : 제어부
A : 구동부 B : 발전부
C : 작업부

Claims (13)

  1. 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기;
    적어도 하나의 전방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기를 갖는 전방 액슬;
    적어도 하나의 후방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기를 갖는 후방 액슬;
    유압 펌프에 의해 작동되는 부착장치를 구동시키는 구동장치 및
    상기 발전기에서 발생된 전기에너지를 전방 액슬, 후방 액슬 및 구동장치에 각각 공급하는 통합 인버터를 포함하는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동장치는,
    상기 통합 인버터와 전기적으로 연결된 펌프 모터와, 유압 펌프 및 펌프 모터과 유압 펌프 사이 구비된 기어 박스를 포함하는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전방 액슬은,
    상기 전방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 구동축을 통하여 상기 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 포함하는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 후방 액슬은, 후방 변속기를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    차량 속도, 전동기 전류값, 전동기 회전수 및 현 기어의 위치 정보를 사용하여 변속 여부를 수행하는 제어부를 더 포함하는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    아래의 변속조건을 만족하면 2단에서 1단으로 변속하는 것을 특징으로 하는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
    - 작업 모드 : 수동, 자동 중 자동
    - 차량 속도 : 설정 속도 이하
    - 기어 위치 : 2단
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 변속조건 중 차량 속도의 설정 속도는 4km/h 이하인 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    아래의 변속조건을 만족하면 1단에서 2단으로 변속하는 것을 특징으로 하는 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
    - 작업 모드 : 수동, 자동 중 자동
    - 차량 속도 : 설정 속도 이상
    - 기어 위치 : 1단
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 변속조건 중 차량 속도의 설정 속도는 8km/h 이상인 건설기계를 위한 휠 구동 시스템.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 의한 구동 시스템이 적용되는 건설기계의 변속 제어방법에 있어서,
    건설기계의 2속 주행단계;
    차량의 속도, 전동기의 토크 센싱 정보를 포함하는 변속 조건을 제어부로 전송하는 전송단계(S110);
    변속조건을 확인하는 확인단계(S120);
    전동기 전류값을 0mA로 변경하는 변경단계(S130);
    2단 클러치를 오프하는 오프단계(S140);
    기어를 중립시키는 중립단계(S150);
    모터 회전수를 output rpm과 동기화시키는 동기화단계(S160) 및
    1단 클러치를 온(ON) 시키는 온단계(S170)를 포함하는 건설기계의 변속 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전송 단계(S110)서의 변속 조건은,
    자동 기어 변속 모드에서 설정 속도 이하로 주행 시 기어 위치가 2단인 경우로 상기 설정 속도는 4km/h 이하인 것을 특징으로 하는 건설기계의 변속 제어방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한항에 의한 구동 시스템이 적용되는 건설기계의 변속 제어방법에 있어서,
    건설기계의 1속 주행단계(S200);
    차량의 속도, 전동기의 토크 센싱 정보 등의 변속 조건을 제어부로 전송하는 전송단계(S210);
    변속조건을 확인하는 확인단계(S220);
    전동기 전류값을 0mA로 변경하는 변경단계(S230);
    1단 클러치 오프단계(S240); 기어를 중립시키는 중립단계(S250);
    모터 회전수를 output rpm과 동기화시키는 동기화단계(S260) 및
    2단 클러치를 온(ON) 시키는 온단계(S270)를 포함하는 건설기계의 변속 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 전송단계(S210)에서의 변속 조건은,
    자동 기어 변속 모드에서 설정 속도 이상으로 주행 시 기어 위치가 1단인 경우로 상기 설정 속도는 8km/h 이상인 것을 특징으로 하는 건설기계의 변속 제어방법.
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