KR20200099875A - 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 - Google Patents

자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 Download PDF

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Abstract

자동 변속 장치가 구비된 건설 기계가 개시된다. 본 발명은 주행 모터 및 자동 변속 장치를 포함하는 건설 기계에 있어서, 상기 자동 변속 장치는, 주행 모터의 압력을 측정하는 압력 센서 및 주행 모터의 회전수를 측정하는 속도 센서를 포함하는 센서; 상기 센서에서 측정된 상기 주행 모터의 압력으로부터 한 단계 업쉬프트된 주행 구동력을 계산하고, 상기 센서에서 측정된 상기 주행 모터의 회전수로부터 주행 동력을 계산하고, 상기 계산된 업쉬프트된 주행 구동력과 상기 주행 동력을 비교하여 변속기에 업쉬프트 지령을 내리거나, 상기 센서에서 감지된 상기 주행 모터의 속도로부터 한 단계 다운쉬프트된 주행 구동력에 대한 주행 모터의 회전수를 계산한 후, 상기 계산된 주행 모터의 회전수와, 주행 모터의 한계 회전수를 비교하여 변속기에 다운쉬프트 지령을 내리는 제어부 및 상기 제어부의 상기 변속 지령에 의하여 변속 작업을 수행하는 변속기를 포함하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계를 제공한다.

Description

자동 변속 장치가 구비된 건설 기계{A CONSTRUCTION MACHINE WITH AUTOMATIC TRANSMISSION APPARATUS}
본 발명은 건설 기계의 자동 변속 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 휠 굴삭기 등의 건설 기계의 변속기를 변속이 필요한 상황에 따라 자동으로 변속할 수 있는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계에 관한 것이다.
일반적으로, 굴삭기는 건설 기계의 일종으로 하부 주행체, 하부 주행체 상에 선회 가능하게 연결된 선회체, 상부 선회체에 연결된 붐, 붐에 연결된 암 및 암에 선택적으로 연결되는 어태치먼트를 포함한다. 어태치먼트는 버킷, 브레이커, 크러셔 등을 포함한다. 이러한 굴삭기는 휠로 주행되는 휠 굴삭기를 포함할 수 있다. 휠 굴삭기는 메인 펌프로부터 발생된 유압이 주행 모터와 변속기를 경유해서 휠로 전달되는 것에 의해서 주행된다.
관련 기술들에 따르면, 변속기는 수동 변속 타입, 반자동 변속 타입 또는 자동 변속 타입으로 대별될 수 있다. 이러한 변속기 중 수동 변속 장치는 휠 굴삭기의 주행 속도에 따라 운전자가 변속 스위치를 수동으로 조작하는 것에 의해서 저단에서 고단으로 또는 그 역으로 변속될 수 있다. 이러한 수동 변속은 휠 굴삭기를 정지시킨 상태에서만 수행될 수 있다. 즉, 전후진 기어가 중립 상태이고 휠 굴삭기가 정지 상태에서, 작업자가 변속 스위치를 작동시키는 것에 의해서 변속이 이루어지는 것이다. 이로 인하여, 변속을 하기 위해서 사용자는 휠 굴삭기를 자주 정지시키야 하는 관계로, 휠 굴삭기가 낮은 연비를 가질 수 있다. 아울러, 휠 굴삭기의 잦은 정차는 작업자의 불만 사항으로 대두되고 있다.
즉 종래의 일반적인 휠 굴삭기의 경우 기계식 주행 모터 및 수동 변속 타입 변속기를 사용하고 있으므로, 주행 중 변속을 위해서는 브레이크를 밟아 굴삭기의 완전한 정지 후 변속을 해야 하는 불편함이 있다. 만일 센서 등의 파손으로 인해 주행 중에 변속을 수행하게 되면 하기 싱크로나이저가 파손되는 문제가 발생된다.
한편, 반자동 변속기는 변속 스위치에 의해서 작동될 수 있다. 반자동 변속기는 휠 굴삭기의 정차를 필요로 하지 않지만, 휠 굴삭기의 주행 속도에 따라 운전자가 직접 변속 스위치를 조작해야만 하는 불편함이 있을 수 있다.
도 1은 종래의 자동 변속 방법이 적용되는 건설 기계의 자동 변속 장치를 나타낸 단면도이다.
도 1과 같이, 상술한 불편함을 해소하기 위해 발명된 한국공개특허공보 제10-2016-0086043호에는 자동 변속 장치(13)에 대하여 개시되어 있다. 이러한 자동 변속 장치는 주행 속도를 감지하는 센서(14), 변속기(13) 및 제어부(15)를 포함하고 있다. 자세하게는 변속기(13)는 출력축(28)에 설치되는 1단 기어(22), 2단 기어(24) 및 싱크로나이저(26)를 포함하며, 제어부(15)는 센서(14)에서 감지된 휠 굴삭기의 주행 속도에 따라 입력축(27)과 출력축(28)의 회전 속도들을 동기화시킨다.
즉 입력축(27)의 회전 속도와 출력축(28)의 회전 속도는 주행 모터(12)의 주행 동력을 보정하는 것에 의해서 제어부(15)에 의해 동기화되는 것으로, 이러한 동기화에 의해 상기 제어부(15)에서 변속기(13)의 자동 변속을 구현할 수 있는 기술이 개시되어 있다.
그러나 이러한 선행 문헌에는 건설 기계의 현재 작업 장소나 작업 위치에 상관없이 변속 1단으로 출발하기 때문에 변속 충격 및 이음이 주기적으로 발생하는 문제점이 있었다.
한편, 일반적인 소형 휠 굴삭기의 경우 기계식 주행 모터 및 수동 변속 타입 변속기를 사용하고 있으므로, 건설 기계의 제조비용을 감소하면서도, 안전 사고 없이 안정적인 자동 변속을 도입할 수 있도록 기계식 주행 모터를 장착할 필요성이 대두되고 있다.
한국공개특허공보 제10-2016-0086043호
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 변속이 많아지는 상황이나 또는 변속 충격 및 이음이 주기적으로 발행되는 상황에 최적화된 변속 조건을 통하여 변속이 수행되므로, 변속과 관련된 건설 기계의 부품 파손을 방지할 수 있는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 엔진과 연결되어 구동력을 전달받아 작동유를 토출하는 유압 펌프; 상기 유압 펌프에 토출되는 작동유의 유압에 의해서 구동되어 주행 동력을 발생하는 주행 모터 및 자동 변속 장치를 포함하는 건설 기계에 있어서, 상기 자동 변속 장치는, 상기 주행 모터의 압력을 측정하는 압력 센서 및 상기 주행 모터의 회전수를 측정하는 속도 센서를 포함하는 센서; 상기 센서에서 측정된 상기 주행 모터의 압력으로부터 한 단계 업쉬프트된 주행 구동력을 계산하고, 상기 센서에서 측정된 상기 주행 모터의 회전수로부터 주행 동력을 계산하고, 상기 계산된 업쉬프트된 주행 구동력과 상기 주행 동력을 비교하여 변속기에 업쉬프트 지령을 내리거나, 상기 센서에서 감지된 상기 주행 모터의 속도로부터 한 단계 다운쉬프트된 주행 구동력에 대한 주행 모터의 회전수를 계산한 후, 상기 계산된 주행 모터의 회전수와, 주행 모터의 한계 회전수를 비교하여 변속기에 다운쉬프트 지령을 내리는 제어부 및 상기 제어부의 상기 변속 지령에 의하여 변속 작업을 수행하는 변속기를 포함하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계를 제공한다.
또한 상기 제어부는, 상기 압력 센서에서 측정된 상기 주행 모터의 압력으로부터 [계산식 1]로 주행 모터의 토크를 계산하고, [계산식 2]로 한 단계 업쉬프트된 주행 구동력을 계산하고, 상기 속도 센서에서 측정된 상기 주행 모터의 속도로부터 [계산식 3]으로 건설 기계의 차속, 가속도를 계산하여 주행에 필요한 힘을 계산하고, 주행 저항과 합하여 주행 동력을 계산하고, 상기 계산된 업쉬프트된 주행 구동력과 주행 동력을 비교하여 변속기에 업쉬프트 지령을 내릴 수 있다.
[계산식 1] 주행 모터의 토크
Figure pat00001
Vm : 주행 모터의 용적 Pm : 주행 모터의 압력
ηm : 주행 모터의 용적 효율
[계산식 2] 주행 구동력
Figure pat00002
Tm : 주행 모터의 토크 in : 변속기 n단의 기어비
ηn : 변속기 n단의 기어 효율 ia : 액슬 기어비
ηm : 주행 모터의 용적 효율 ηa : 액슬의 기어 효율
[계산식 3] 건설 기계의 차속
Figure pat00003
nm : 주행 모터의 회전수
n : 기어 1단, 또는 2단
in : 변속기 n단의 기어비 ia : 액슬 기어비
또한 상기 제어부는, 상기 속도 센서에서 측정된 상기 주행 모터의 속도로부터 상기 [계산식 3]을 사용하여 현재의 주행 구동력에 대한 차속을 계산하고, 상기 계산된 현재 건설 기계의 차속 및 [계산식 4]를 통해 한 단계 다운쉬프트된 주행 구동력에 대한 주행 모터의 회전수를 계산하고, 상기 계산된 주행 모터의 회전수와, 기 설정된 주행 모터의 한계 회전수를 비교하여, 변속기에 다운쉬프트 지령을 내릴 수 있다.
[계산식 4] 주행 모터의 회전수
Figure pat00004
V : 건설 기계의 차속
n : 기어 1단, 또는 2단
in : 변속기 n단의 기어비 ia : 액슬 기어비
또한 엔진과 연결되어 구동력을 전달받아 작동유를 토출하는 유압 펌프; 상기 유압 펌프에 토출되는 작동유의 유압에 의해서 구동되어 주행 동력을 발생하는 주행 모터를 더 포함하고, 상기 변속기는, 상기 주행 모터로부터 주행 동력을 전달받는 입력축; 액슬에 주행 동력을 전달하는 출력축; 상기 출력축에 설치되는 1단 기어; 상기 출력축에 설치되는 2단 기어 및 상기 주행 모터로부터 주행 동력을 전달받는 입력축에 연결 싱크로나이저를 포함하고, 상기 싱크로나이저는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 1단 기어 또는 상기 2단 기어에 선택적으로 연결될 수 있다.
또한 상기 속도 센서는 상기 주행 모터의 출력축 또는 상기 변속기의 입력축의 회전 속도를 측정할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 센서에서 감지된 건설 기계의 주행 속도에 따라 입력축과 출력축의 회전 속도들을 동기화할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계에 의하면, 변속이 많아지는 상황이나 또는 변속 충격 및 이음이 주기적으로 발행되는 상황에 최적화된 변속 조건을 통하여 변속이 수행되므로, 변속과 관련된 건설 기계의 부품 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 자동 변속에 필요한 센서의 수를 최대한 줄일 수 있고, 이에 따라 제어부에서 처리할 수 있는 센서 입력값을 최소화하여 제어부의 구성을 간단하게 할 수 있으므로 건설 기계의 제조비용 및 설계비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 자동 변속 방법이 적용되는 건설 기계의 자동 변속 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계의 자동 변속 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 건설 기계의 업쉬프트 변속 여부의 판별을 위한 자동 변속 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명에 의한 건설 기계의 다운쉬프트 변속 여부의 판별을 위한 자동 변속 방법을 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 안 된다. 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계의 자동 변속 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계는 엔진(100), 유압 펌프(110), 주행 모터(120), 변속기(130), 상기 변속기(130)의 자동 변속 여부를 제어하는 제어부(150), 액슬(160) 및 휠(170)을 포함한다. 또한 본 발명의 자동 변속 장치는 변속기(130) 및 제어부(150)를 포함하며, 제어부(150)는 변속기(130)의 자동 변속 여부를 제어하기 위한 후술할 각종 센서(140)들을 포함할 수 있다. 또한 일 예로 상기 건설 기계는 휠로 주행되는 휠 굴삭기를 포함할 수 있다.
유압 펌프(110)는 엔진(100)과 연결되어 엔진(100)의 구동력을 전달받아 작동유를 주행 모터(120)로 토출한다. 즉 엔진(100)은 연료를 연소하여 구동력을 발생시키고 엔진(100)의 동력축을 통하여 유압 펌프(110)로 상기 구동력을 전달할 수 있다. 예를 들어, 엔진(100)은 디젤 엔진일 수 있고, 또는 엔진은 액화천연가스(LNG) 엔진, 압축천연가스(CNG) 엔진, 흡착천연가스(ANG) 엔진, 액화석유가스(LPG) 엔진, 또는 가솔린 엔진일 수 있다.
이 경우 주행 모터(120)는 유압 펌프(110)에 토출되는 작동유의 유압에 의해서 구동되어 주행 동력을 발생시킨다. 상기 주행 모터(120)는 전자식 주행 모터 및 기계식 주행 모터로 구분될 수 있다. 전자식 주행 모터의 경우 용량 제어 밸브에 의해 용적이 조절되는 가변 용량형으로, 최소 내지 최대의 전 영역에서 전자적으로 제어하여 사용되어 운행될 수 있는 모터를 의미하고, 기계식 주행 모터는 사판각을 최소 및 최대, 2가지를 기계적으로 고정시켜 운행될 수 있는 주행 모터로 전자식 주행 모터보다 저렴한 장점이 있으며 주로 소형 건설 기계에 적용되고 있다.
변속기(130)는 주행 동력을 휠 굴삭기의 주행 속도에 부합하여 변속시킬 수 있으며, 제어부(150)의 제어에 의하여 변속기(130)의 자동 변속이 구현될 수 있다. 제어부(150)에 의해 자동으로 변속된 주행 동력은 액슬(160)을 통해서 휠(170)로 전달된다. 이렇게 제어부(150)에 의한 변속기(130)의 자동 변속은 휠 로더 등 휠로 주행되는 다른 건설 기계들에도 적용될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 건설 기계의 자동 변속 장치는, 변속기(130) 및 제어부(150)를 포함하는데, 자세하게는 상기 자동 변속 장치의 변속기(130)는, 출력축(138)에 설치되는 1단 기어(132), 2단 기어(134) 및 싱크로나이저(136)를 포함하고, 제어부(150)는 주행 모터(120)의 압력, 속도, 회전수 및 기타 건설 기계의 상태를 감지하는 센서(140)를 포함하여 상기 센서(140)에서 센싱되는 주행 모터(120)의 압력 및 회전수 등의 센싱 값을 토대로 상기 변속기(130)의 변속 여부를 자동으로 제어하게 된다. 이 경우 상기 제어부(150)는 변속기(130)에 변속 신호를 출력하고, 상기 변속기(130)는 상기 변속 신호에 의해 변속 작업을 수행하게 되는 것이다.
이 경우 싱크로나이저(136)는 주행 모터(120)로부터 주행 동력을 전달받는 입력축(137)에 연결될 수 있다. 또한 싱크로나이저(136)는 주행 속도에 따른 사용자의 조작 또는 제어부(150)의 제어에 따라 1단 기어(132)와 2단 기어(134)에 선택적으로 연결될 수 있다. 즉, 싱크로나이저(136)가 1단 기어(132)에 치합되면, 건설 기계는 1단으로 주행되고, 싱크로나이저(136)가 2단 기어(134)에 치합되면, 건설 기계는 1단보다 빠른 2단으로 주행된다.
센서(140)는 일 예로 건설 기계의 주행 속도를 감지할 수 있도록 주행 모터(120)의 일측에 구비되어 주행 모터(120)의 속도, 회전수 및 압력을 감지할 수 있다. 이 경우 상기 센서(140)는 주행 모터(120)의 일측에 구비되어 주행 모터(120)의 속도 및 압력을 감지하는 센서로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며, 부가적으로 일 예로 변속기(130)에 구비되어 주행 속도를 감지하는 등 건설 기계에 관한 정보를 제공하는 다른 센서들을 더 포함할 수도 있다.
제어부(150)는 센서(140)에서 감지된 주행 모터(120)의 속도에 따라 입력축(137)과 출력축(138)의 회전 속도들을 동기화시킬 수 있다. 즉 입력축(137)의 회전 속도와 출력축(138)의 회전 속도는 주행 모터(120)의 주행 동력을 보정하는 것에 의해서 동기화될 수 있다. 제어부(150)는 변속기(130)의 동작을 제어하는 변속기 제어 유닛(Transmission Control Unit : TCU)을 포함할 수 있다. 일 예로 제어부(150)는 전류값을 이용해서 주행 모터(120)의 사판각을 조절하는 것에 의해서 주행 모터(120)의 회전 속도를 휠 굴삭기의 실제 주행 속도와 동일하게 할 수 있다.
이 때 변속기(130)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. 이러한 클러치 및 상기 감속기의 다양한 배치 및 다양한 직경의 기어를 사용하여 변속비를 각각 설정할 수 있다. 본 발명에서는 상기 변속기(130)는 1단 또는 2단 변속이 가능한 구성으로 설명하기로 한다.
한편, 상기 제어부(150)는 변속기(130)의 변속을 수행하고자 할 때, 유압 펌프(110)로부터 주행 모터(120)로 공급되는 작동유를 차단하게 된다. 따라서, 주행 모터(120)의 용적이 순간적으로 0cc가 된다. 즉 작동유 차단에 의해서 주행 모터(120)와 변속기(130)는 무부하 상태로 전환되며, 이에 1단 기어(132) 또는 2단 기어(134)에 치합되어 있던 싱크로나이저(136)가 중립 모드 위치로 이동된다.
이러한 중립 모드에서, 제어부(150)는 주행 모터(120)의 사판각을 제어하여, 주행 모터(120)로부터 발생되는 주행 동력을 실제 주행 속도와 동일하도록 보정할 수 있다. 따라서, 변속 속도 범위는 제어부(150)에 설정될 수 있다. 상기된 동작들에 의해서 입력축(137)과 출력축(138)의 회전 속도들이 동기화되면, 제어부(150)는 싱크로나이저(136)로 변속 신호를 전송할 수 있다. 싱크로나이저(136)는 변속 신호에 따라 1단 기어(132) 또는 2단 기어(134)에 선택적으로 치합될 수 있다.
이 경우 일반적인 상황에서 변속 2단 상태에서의 작업 및 주행을 별다른 변속이 없어도 문제없이 수행할 수 있다. 그러나 다음과 같이 일반적인 상황이 아닌 부분도 발생될 수 있다. 즉 건설 기계가 사용되는 높은 경사지가 있는 작업 현장의 경우 높은 경사지가 지속적으로 연장되는 현장도 있을 수 있기 때문에, 본 상황에서 무리하게 변속을 수행하게 되면, 싱크로나이저(136)가 파손될 수 있는 문제가 있다.
이를 방지하기 위해 2단에서 1단으로 변속하는 제어가 필요하다. 이 후 변속 1단 구동 상태에서, 낮은 토크와 높은 속도를 요구하는 평지를 만난 경우에는 2단으로 변속을 해야 할 필요성이 있다. 그러나 이렇게 변속하는 상황이 많아지게 되면, 잦은 변속으로 인해 야기되는 변속충격을 저감할 필요가 있다. 즉 본 발명은 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계에서 이러한 변속이 많아지는 상황이나 또는 변속 충격 및 이음이 주기적으로 발행되는 상황에 최적화된 변속 조건을 통하여 변속이 수행되므로, 변속과 관련된 건설 기계의 부품 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
즉 휠 구동 건설 기계의 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 상황을 고려하여 최적사양을 결정해야만 한다.
특히 본 발명에 의한 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계는 제어부(150)가 주행 모터(120)에 구비된 압력 센서(141)와 속도 센서(142)만을 사용하여 변속기(130)의 자동 변속 여부를 판별할 수 있으므로, 자동 변속에 필요한 센서의 수를 최대한 줄여 건설 기계의 제조비용을 줄일 수 있고, 또한 제어부(150)에서 처리할 수 있는 센서 입력값을 최소화 할 수 있는 구성에 특징이 있다.
이하 상술한 특징 구성에 대한 자세한 설명을 도 3을 통하여 이어가기로 한다.
도 3은 본 발명에 의한 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3과 같이, 본 발명에 의한 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계에서 상기 센서(140)는 주행 모터(120)의 압력을 측정하는 압력 센서(141)와, 주행 모터(120)의 회전수를 측정하는 속도 센서(142)를 포함한다. 즉 본 발명의 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계에서는 출력축(138)에 별도의 센서가 구비되거나, 또는 별도의 가속도 센서, 별도의 구배 센서가 구비될 필요 없이 주행 모터(120)에 구비된 압력 센서(141)와 속도 센서(142)만을 사용하여, 제어부(150)에서 가속도, 구배 등 변속에 필요한 조건 값을 모두 계산하여, 변속기(130)의 자동 변속 여부를 판별할 수 있는 구성에 그 특징이 있다.
한편, 속도 센서(142)에 의해 측정되는 주행 모터(120)의 회전수는 변속기(130)의 입력축(137)의 회전수와 같을 수 있고, 상기 입력축(137)에는 전자식 비례 밸브(EPPR valve, Electronic Proportional Pressure Reduce valve)가 부착될 수 있다. 이 경우 입력축(137)에 전자식 비례 밸브가 부착되지 않으면, 전장품의 사용 유무에 관계없이 여유 토크가 항상 유지 되어야 하므로 토크 손실이 발생된다. 따라서 상기 전자식 비례 밸브의 사용 시 유압 펌프(110)의 최대 토크를 엔진의 최대 토크 보다 높게 설정하고 엔진에 걸린 부하를 모니터링 한 후 부하가 커지게 되면 유압 펌프(110)의 최대 토크를 줄임으로써 토크 손실을 현저히 줄일 수 있다. 예컨대 상기 유압 펌프(110)는 전자식 비례 밸브(EPPR)를 통해 제어부(150)로부터 전달되는 전자 제어 신호(전류 신호)를 받아 그 토출 유량이 조정될 수 있다.
이하 본 발명에 의한 자동 변속 장치의 업쉬프트 변속 여부의 판별과, 다운쉬프트 변속 여부의 판별을 설명하기로 한다.
[ 업쉬프트 변속 여부의 판별 ]
우선 업쉬프트 변속 여부의 판별에서 본 발명에서는 사판 제어가 가능한 주행 모터(120)와 자동 변속이 가능한 변속기(130)가 장착된 건설 기계에 대해서, ①압력 센서(141)에 의해 센싱된 주행 모터(120)의 압력으로부터 주행 구동력(F_drive) 또는 한 단계 업쉬프트된 주행 구동력(F_drive+1 Upshift)을 계산하고, ②속도 센서(142)에 의해 측정되는 변속기(130)의 입력축(137)에 회전수(주행 모터(120)의 회전수와 같을 수 있다)로부터 차속(V)을 계산하며, ③차속(V)을 바탕으로 현재 건설 기계의 가속도(a)를 얻은 후, ④현재 건설 기계의 주행 동력과, 특정 기어 단수에서 한 단계 업쉬프트(upshift)된 단수의 주행 구동력(F_drive+1 Upshift)을 비교하여 업쉬프트 변속 여부를 판별할 수 있다.
한편, 주행 동력은 주행에 필요한 힘(M*a)과 주행 저항(F_res)의 합으로 계산될 수 있고, 상기 주행 저항(F_res)은 공기 저항(F_aero), 구름 저항(F_rolling) 및 구배 저항(F_grade)을 포함할 수 있다. 또한 특정 기어 단수에서 한 단계 업쉬프트(upshift)된 단수의 의미는 현재 건설 기계의 기어가 1단인 상태이면, 한 단계 업쉬프트(upshift)된 기어 2단을 의미한다.
우선 업쉬프트 변속 여부를 판별하기 위해서 사판 제어가 가능한 주행 모터(120)에서, 상기 제어부(150)는 주행 모터(120)의 용적(Vm)과, 압력센서(141)의 센싱되는 주행 모터의 압력(Pm) 및 주행 모터(120)의 용적 효율(ηm)을 통하여 주행 모터(120)의 토크(Tm)를 아래와 같은 [계산식 1]을 통하여 계산하게 된다.
이 경우 상기 사판 제어가 가능한 주행 모터(120)에서는 주행 모터(120)의 용적이 제어부(150)에 의해 제어되므로, 상기 주행 모터(120)의 용적에 대한 정보는 제어부(150)에서 구할 수 있다. 또는 상기 제어부(150)는 주행 모터(120)에 구비된 별도의 제어기로부터 용적에 대한 정보를 받을 수도 있다. 또한 상기 주행 모터의 압력(Pm)은 압력 센서(141)에 의해 구할 수 있다. 그리고 주행 모터(120)의 용적 효율(η)은 주행 모터(120)의 기 설정된 값으로 건설 기계에 설치된 주행 모터에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
즉 압력 센서(141)의 센싱 값인 주행 모터의 압력(Pm)과 주행 모터(120)의 용적(ηm)을 통하여 주행 모터(120)의 토크(Tm)를 계산할 수 있으므로, 상기 주행 모터의 토크(Tm)를 계산하기 위해서 속도 센서(142)의 센싱 값은 사용되지 않는다.
[계산식 1] 주행 모터의 토크(Tm)
Figure pat00005
Vm : 주행 모터의 용적 Pm : 주행 모터의 압력
ηm : 주행 모터의 용적 효율
또한 상기 제어부(150)에서는 [계산식 1]에 의해 계산된 주행 모터의 토크(Tm)와 아래의 [계산식 2]를 이용하여 기어 단수에 따른 주행 구동력(F_drive)를 계산할 수 있다. 즉 압력 센서(141)만을 사용하여 [계산식 1,2]를 통해 주행 구동력(F_drive)를 계산할 수 있다.
[계산식 2] 주행 구동력(F_drive)
Figure pat00006
Tm : 주행 모터의 토크 in : 변속기 n단(1단, 2단)의 기어비
ηn : 변속기 n단의 기어 효율 ia : 액슬 기어비
ηm : 주행 모터의 용적 효율 ηa : 액슬의 기어 효율
정리하자면, 상기 주행 구동력(F_drive)를 계산하기 위해 [계산식 1]을 통해 주행 모터의 토크를 계산하고, 이와 [계산식 2]를 통해 주행구동력(F_drive) 혹은 한 단계 업쉬프트 된 주행구동력(F_drive+1 Upshift)을 계산할 수 있다.
또한 [계산식 1, 2]와 별도로 상기 제어부(150)에서는 속도 센서(142)의 센서 값 및 [계산식 3]을 사용하여 건설 기계의 차속(V)을 계산할 수 있다. 한편, 주행 모터(120)의 회전수(nm)는 속도 센서(142)에 의해 측정될 수 있다.
[계산식 3] 건설 기계의 차속(V)
Figure pat00007
nm : 주행 모터의 회전수
n : 기어 1단, 또는 2단
in : 변속기 n단(1단, 2단)의 기어비 ia : 액슬 기어비
[ 업쉬프트 변속 여부의 판별 ]
도 4는 본 발명에 의한 건설 기계의 업쉬프트 변속 여부의 판별을 위한 자동 변속 방법을 도시한 순서도이다.
도 4와 같이, 우선 상기 제어부(150)에서는 특정 시점(t1)에서 [계산식 3]에서 계산되는 차속(V1)을 계산한다(S11). 또한 일정 시간이 지난 특정 시점(t2)에서 [계산식 3]에서 계산되는 차속(V2)을 계산한다(S13). 이 후 상기 차속(V1, V2)와 시점(t1, t2)를 사용하여 건설 기계의 가속도(a)를 계산한다(S15).
이렇게 S15 단계에서 계산된 가속도(a)는 건설 기계의 중량(M)과 곱하여 건설 기계의 주행에 필요한 힘(M*a)을 얻을 수 있고, 이러한 힘(M*a)은 주행 저항(F_res)과 더하여 전체적으로 필요로 하는 주행 동력(M*a + F_res)을 얻을 수 있다. 한편, 상기 주행 저항(F_res)은 상술한 바와 같이, 공기 저항(F_aero), 구름 저항(F_rolling) 및 구배 저항(F_grade)를 포함할 수 있다.
한편, 주행 모터(120)의 토크(Tm)로부터 계산된 주행구동력(F_drive)이 주행 동력(M*a + F_res)보다 작을 경우, 건설 기계의 차속은 감속이 예상되므로 업쉬프트 변속에 대한 기준으로 삼을 수 있다. 즉 이러한 비교를 통해 현재의 필요한 주행 동력(M*a + F_res) 혹은 업쉬프트 시에 필요한 주행 동력(M*a + F_res)을 알 수 있게 된다.
자세하게는 제어부(150)는 현재 건설 기계의 기어 단수가 1단인 경우 [계산식 2]를 통하여 얻어지는 한 단계 업쉬프트된 기어 2단의 주행 구동력(F_drive+1 Upshift)을 상기 주행 동력(M*a + F_res)과 비교하게 된다(S17). 이 때 제어부(150)에서 주행 구동력(F_drive+1 Upshift)이 상기 주행 동력(M*a + F_res)보다 작은 경우에는 현재의 단수를 유지하고(S19), 기어 2단의 주행 구동력이 상기 주행 동력(M*a + F_res)보다 큰 경우 1단에서 2단으로 기어의 업쉬프트 변속을 수행하게 된다(S18).
[ 다운쉬프트 변속 여부의 판별 ]
도 5는 본 발명에 의한 건설 기계의 다운쉬프트 변속 여부의 판별을 위한 자동 변속 방법을 도시한 순서도이다.
도 5와 같이, 다운쉬프트 변속 여부의 판별에서 본 발명에서는 사판 제어가 가능한 주행 모터(120)와 자동 변속이 가능한 변속기(130)가 장착된 건설 기계에 대해서,
①속도 센서(142)에 의해 측정되는 변속기(130)의 입력축(137) 회전수(주행 모터(120)의 회전수와 같다)로부터 상기 [계산식 3]을 사용하여 동일한 방법으로 현재의 주행 구동력((F_drive)에 대한 차속(V)을 계산한다(S21).
②S21 단계에서 계산된 현재 건설 기계의 차속(V)을 사용하여 [계산식 3]의 변형된 아래의 [계산식 4]를 통해 한 단계 다운쉬프트된 주행 구동력(F_drive-1 Downshift)에 대한 주행 모터(120)의 회전수(nm)를 계산한다(S23).
[계산식 4] 주행 모터의 회전수(nm)
Figure pat00008
V : 건설 기계의 차속
n : 기어 1단, 또는 2단
in : 변속기 n단(1단, 2단)의 기어비 ia : 액슬 기어비
③상기 주행 모터(120)의 회전수와, 기 설정된 주행 모터(120)의 한계 회전수(limited RPM)를 비교한다(S25).
④이 때 상기 제어부(150)에서 상기 주행 모터(120)의 회전수가, 기 설정된 주행 모터(120)의 한계 회전수(limited RPM)보다 큰 경우 현재의 단수를 유지하고(S28), 작은 경우 2단에서 1단으로 기어의 다운쉬프트 변속을 수행하게 된다(S27).
이상에서 설명된 본 발명의 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계의 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 110 : 유압 펌프
120 : 주행 모터 130 : 변속기
132 : 1단 기어 134 : 2단 기어
136 : 싱크로나이저 137 : 입력축
138 : 출력축 140 : 센서
141 : 압력 센서 142 : 속도 센서
150 : 제어부 160 : 액슬
170 : 휠

Claims (7)

  1. 엔진과 연결되어 구동력을 전달받아 작동유를 토출하는 유압 펌프(110); 상기 유압 펌프(110)에 토출되는 작동유의 유압에 의해서 구동되어 주행 동력을 발생하는 주행 모터(120) 및 자동 변속 장치를 포함하는 건설 기계에 있어서,
    상기 자동 변속 장치는,
    상기 주행 모터(120)의 압력을 측정하는 압력 센서(141) 및 상기 주행 모터(120)의 회전수를 측정하는 속도 센서(142)를 포함하는 센서(140);
    상기 센서(140)에서 측정된 상기 주행 모터(120)의 압력으로부터 한 단계 업쉬프트된 주행 구동력(F_drive+1 Upshift)을 계산하고, 상기 센서(140)에서 측정된 상기 주행 모터(120)의 회전수로부터 주행 동력을 계산하고, 상기 계산된 업쉬프트된 주행 구동력(F_drive+1 Upshift)과 상기 주행 동력을 비교하여 변속기(130)에 업쉬프트 지령을 내리는 제어부(150) 및
    상기 제어부(150)의 상기 변속 지령에 의하여 변속 작업을 수행하는 변속기(130)를 포함하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(150)는,
    상기 압력 센서(141)에서 측정된 상기 주행 모터(120)의 압력으로부터 주행 모터의 토크(Tm)를 계산하고, 상기 주행 모터의 토크(Tm)로부터 상기 한 단계 업쉬프트된 주행 구동력(F_drive+1 Upshift)을 계산하고,
    상기 속도 센서(142)에서 측정된 상기 주행 모터(120)의 속도로부터 건설 기계의 차속(V), 가속도(a)를 계산하여 주행에 필요한 힘을 계산하고, 주행 저항(F_res)과 합하여 주행 동력을 계산하고,
    상기 계산된 업쉬프트된 주행 구동력과 상기 주행 동력을 비교하여 변속기(130)에 업쉬프트 지령을 내리는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  3. 엔진과 연결되어 구동력을 전달받아 작동유를 토출하는 유압 펌프(110); 상기 유압 펌프(110)에 토출되는 작동유의 유압에 의해서 구동되어 주행 동력을 발생하는 주행 모터(120) 및 자동 변속 장치를 포함하는 건설 기계에 있어서,
    상기 자동 변속 장치는,
    상기 주행 모터(120)의 압력을 측정하는 압력 센서(141) 및 상기 주행 모터(120)의 회전수를 측정하는 속도 센서(142)를 포함하는 센서(140);
    상기 센서(140)에서 감지된 상기 주행 모터(120)의 속도로부터 한 단계 다운쉬프트된 주행 구동력(F_drive-1 Downshift)에 대한 주행 모터(120)의 회전수(nm)를 계산한 후, 상기 계산된 주행 모터(120)의 회전수와, 주행 모터(120)의 한계 회전수를 비교하여 변속기(130)에 다운쉬프트 지령을 내리는 제어부(150) 및
    상기 제어부(150)의 상기 변속 지령에 의하여 변속 작업을 수행하는 변속기(130)를 포함하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부(150)는,
    상기 속도 센서(142)에서 측정된 상기 주행 모터(120)의 속도로부터 현재의 주행 구동력(F_drive)에 대한 차속(V)을 계산하고,
    상기 계산된 현재 건설 기계의 차속(V)을 통해 한 단계 다운쉬프트된 주행 구동력(F_drive-1 Downshift)에 대한 주행 모터(120)의 회전수(nm)를 계산하고,
    상기 계산된 주행 모터(120)의 회전수와, 기 설정된 주행 모터(120)의 한계 회전수(limited RPM)를 비교하여, 변속기(130)에 다운쉬프트 지령을 내리는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 변속기(130)는,
    상기 주행 모터(120)로부터 주행 동력을 전달받는 입력축(137);
    액슬(160)에 주행 동력을 전달하는 출력축(138);
    상기 출력축(138)에 설치되는 1단 기어(132);
    상기 출력축(138)에 설치되는 2단 기어(134) 및
    상기 주행 모터(120)로부터 주행 동력을 전달받는 입력축(137)에 연결 싱크로나이저(136)를 포함하고,
    상기 싱크로나이저(136)는
    상기 제어부(150)의 제어에 따라 상기 1단 기어(132) 또는 상기 2단 기어(134)에 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 속도 센서(142)는
    상기 주행 모터(120)의 출력축 또는 상기 변속기(130)의 입력축(137)의 회전 속도를 측정하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부(150)는,
    상기 센서(140)에서 감지된 건설 기계의 주행 속도에 따라 입력축(137)과 출력축(138)의 회전 속도들을 동기화하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
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