KR20210058434A - 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 및 변속 제어 방법 - Google Patents

자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 및 변속 제어 방법 Download PDF

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Abstract

자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 및 변속 제어 방법이 개시된다. 본 발명은 엔진, 유압 펌프, 주행 모터, 변속기 및 자동 변속을 수행하는 제어부가 구비된 자동 변속 장치를 포함하는 건설 기계에 있어서, 상기 제어부는 업쉬프트를 방지하는 기능을 갖는 업힐(Uphill) 기능을 포함하고, 현재 경사지 구배와 기 설정된 기준 구배를 비교하여, 상기 경사지 구배가 상기 기준 구배보다 큰 경우 상기 업힐 기능을 활성화할 수 있다.

Description

자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 및 변속 제어 방법{A CONSTRUCTION MACHINE WITH AUTOMATIC TRANSMISSION APPARATUS AND A METHOD THERE OF}
본 발명은 건설 기계의 자동 변속 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 휠 굴삭기 등의 건설 기계의 변속기를 변속이 필요한 상황에 따라 자동으로 변속을 제어할 수 있는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 및 변속 제어 방법에 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 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.
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 수행되어 변속과 관련된 건설 기계의 부품 파손을 방지할 수 있는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 및 변속 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 자동 반속 장치가 구비된 건설기계는, 엔진, 유압 펌프, 주행 모터, 변속기 및 자동 변속을 수행하는 제어부가 구비된 자동 변속 장치를 포함하는 건설 기계에 있어서, 상기 제어부는 업쉬프트를 방지하는 기능을 갖는 업힐(Uphill) 기능을 포함하고, 현재 경사지 구배와 기 설정된 기준 구배를 비교하여, 상기 경사지 구배가 상기 설정된 기준 구배보다 큰 경우 상기 업힐 기능을 활성화하는 자동 변속 장치가 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 변속기는 1단과 2단으로 변속 가능하고, 상기 기 설정된 기준 구배의 구배 저항은 상기 건설기계의 현재 속도에서 상기 변속기의 2단 구동력보다 작은 값을 가지도록 설정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 건설기계에 구비되는 경사지 센서;를 포함하고 상기 제어부는 상기 경사지 센서의 입력값으로 상기 경사지 구배를 계산할 수 있다..
바람직하게는, 상기 변속기의 입력축 또는 출력축에 구비되는 속도 센서;를 포함하고 상기 제어부는 상기 센서의 입력값으로 상기 경사지 구배를 계산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 건설기계의 속도는 측정 또는 계산되고 상기 제어부는 상기 건설기계의 토크를 계산하여 상기 속도 및 상기 토크로 상기 경사지 구배를 계산하는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 주행 모터의 압력 센서를 포함하고 상기 제어부는 상기 압력 센서의 입력값과 상기 주행 모터의 사판각 입력값 으로 상기 토크를 계산하여 상기 경사지 구배를 계산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 주행 모터는 1단 또는 2단에서 고정식으로 제어되는 사판을 포함하고 상기 제어부는 상기 주행 모터의 사판각 입력값, 상기 유압 펌프 압력의 입력값, 및 상기 엔진의 회전수로 토크를 예측하여 상기 경사지 구배를 계산할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 자동 변속 장치가 구비된 건설기계의 변속 제어 방법은, 엔진, 유압 펌프, 주행 모터, 변속기 및 자동 변속을 수행하는 제어부가 구비된 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계의 변속 제어 방법에 있어서, 건설 기계의 주행 구동력을 계산하는 단계(S100); 상기 계산된 주행 구동력을 사용하여 현재 경사지 구배를 계산하는 단계(S120); 상기 계산된 경시지 구배와 기 설정된 기준 구배를 비교하는 단계(S130); 및 상기 계산된 경사지 구배가 상기 기 설정된 기준 구배보다 큰 경우 업쉬프트를 방지하는 업힐 기능을 활성화하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기 설정된 기준 구배보다 낮은 구배로 상기 업힐 기능을 비활성화하는 단계(S150)를 포함할 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.
도 6은 건설기계의 기 설정된 성적서에 의한 펌프/모터의 1, 2단의 최대 구동력과 -10% 구배에서의 경사지 부하를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 업힐 기능과 노멀 기능을 나타낸 그림이다.
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 제공되는 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 장치에서 상기 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 되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 상기 제어부(150)는 변속기(130)에 변속 신호를 출력하고, 상기 변속기(130)는 상기 변속 신호에 의해 변속 작업을 수행하게 된다.
또한 본 발명에 의한 건설 기계에서 주행모터는 사판 제어가 불가능한 주행모터로 압력속도센서를 이용해 회전수를 측정하고, 이를 토대로 주행모터의 토크를 예측하게 된다. 또한 출력속도센서를 이용해 회전수를 측정하고, 이를 토대로 차속을 계산하게 된다. 이에 가속도를 계산하여 변속여부를 판단하게 되는 것이다.
한편, 주행모터의 사판 제어가 가능한 경우에는 주행모터의 사판제어와 압력센서를 통해 용적과 압력을 가지고 주행모터의 토크를 연산하게 되고, 변속기의 출력속도센서를 이용해 회전수를 측정하고, 이를 토대로 차속을 계산하게 된다. 이에 가속도를 계산하여 변속여부를 판단하게 되므로 계산이 훨씬 간단해 질 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.
일 실시예에서 상기 센서(140)는 건설 기계의 주행 속도를 감지할 수 있도록 주행 모터(120)의 일측에 구비되어 주행 모터(120)의 속도, 회전수 및 압력을 감지하는 속도 센서 또는 압력 센서를 포함할 수 있다. 이때 속도 센서는 주행 모터뿐만 아니라 변속기의 입력축 또는 출력축에 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서 상기 센서(140)는 건설기계의 현재 경사지에 대한 각도를 감지할 수 있는 경사지 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 센서(140)는 주행 모터(120)의 일측에 구비되어 주행 모터(120)의 속도 및 압력을 감지할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 부가적으로 변속기(130)에 구비되어 주행 속도를 감지하는 등 건설 기계에 관한 정보를 제공하는 다른 센서들을 더 포함할 수도 있다.
상기 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. 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 변속이 수행되면, 싱크로나이저(136)가 파손될 수 있는 문제가 있다.
이를 방지하기 위해 1단에서 2단으로의 변속을 방지하는 제어가 필요하다. 또한 변속하는 상황이 많아지게 되면, 잦은 변속으로 인해 야기되는 변속충격이 발생하는데 이를 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 할 것이다.
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. 또한 본 발명에 의한 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계는 주행 모터가 사판 제어가 가능한 경우에는 물론, 불가능한 경우에도 변속을 제어 할 수 있음에 그 특징이 있다.
또한 상기 제어부(150)는 일반적인 자동 변속을 수행하는 노말(normal) 기능과 업쉬프트를 방지하는 기능을 갖는 업힐(Uphill) 기능을 포함할 수 있다. 이 경우, 노말(normal) 기능은 기 설정해 놓은 변속 패턴에 따라 자동으로 변속을 수행하는 일반적인 변속 제어를 의미하고, 본 발명의 업힐 기능은 용어와 같이 업쉬프트를 방지하는 기능을 갖는다. 이러한 기능에 대해서는 후술하기로 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. 일 실시예에서 건설기계의 현재 경사지에 대한 각도를 측정하는 경사지 센서(미도시)를 포함할 수 있다.
즉 본 발명의 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계에서는 주행 모터(120)에 구비된 압력 센서(141)와 주행 모터(120) 또는 변속기에 배치되는 속도 센서(142)를 사용하여, 제어부(150)에서 가속도, 경사지 구배 등 변속에 필요한 조건 값을 계산하고, 또한 제어부(150)에서 업힐 기능을 활성화하여 변속기(130)의 업쉬프트를 방지할 수 있다. 한편, 경사지 센서를 구비하는 경우, 가속도를 계산할 필요없이 경사지 센서의 입력값을 통해 직접 경사지 구배를 계산할 수 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 건설기계에 구비된 자동 변속 장치의 업쉬프트 및 다운쉬프트의 변속 여부를 판별하는 방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 의한 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계 및 변속 제어 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명에 의한 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계의 변속 제어 방법은, 사판제어가 불가능한 주행 모터(120)와, 자동 변속이 가능한 변속기(130)가 장착된 건설 기계에 있어서, 건설 기계의 주행 구동력(F_drive)을 계산하는 단계(S100); 현재 건설 기계의 주행 동력(F_current)을 계산하는 단계(S110); 상기 계산된 주행 구동력(F_drive)과 상기 주행 동력(F_current)을 사용하여 현재 기어 단수에서의 경사지 구배를 계산하는 단계(S120); 상기 계산된 경사지 구배와 업힐 기능의 활성화 기준이 되는 기준 구배를 비교하는 단계(S130) 및 업힐 기능을 활성화 하는 단계(S140)를 포함한다.
[주행 구동력의 계산(S100)]
우선 주행 구동력(F_drive)을 계산하는 단계(S100)에서는, 후술할 [계산식 1, 2, 3]을 통하여 주행 모터(120)의 예측 회전수(nm)[계산식 1] 및 예측 토크(Tm)[계산식 2]를 계산한 후, 이를 바탕으로 주행 구동력(F_drive)을 계산[계산식 3]할 수 있다.
한편, 변속여부의 상황에서는 건설 기계가 주행 중 이므로, 건설 기계의 작업기 쪽으로는 유량이 흐르지 않고, 유압 펌프(110)의 유량이 모두 주행 모터(120)로 향한다고 가정을 할 수 있다.
따라서 주행 모터(120)의 시간당 유량을 유압 펌프(110)의 시간당 유량으로 대체(Qm = Qp) 할 수 있다. 또한 유압 펌프(110)의 시간당 유량(Qp)은 유압 펌프(110)의 용적(Vp, cc)과 유압 펌프(110)의 회전수(np)의 곱에 1000을 나눈 값으로 알 수 있는데, 여기서 유압 펌프(110)는 엔진(100)과 직결되어 있으므로, 유압 펌프(110)의 회전수(np, RPM)는 엔진(100)의 회전수(ne, RPM)로 대체가 가능하다.
따라서, 유압 펌프(110)의 용적(Vp, cc)과 회전수(np, RPM)는 시간당 유량(Qp, LPM)이 되므로, 아래의 [계산식 1]과 같이 주행 모터(120)의 회전수(nm)는 주행 모터(120)의 시간당 유량(Qm) / 모터의 용적(Vm)으로 알 수 있다.
[계산식 1] 주행 모터의 예측 회전수(nm)
Figure pat00001
Qp : 유압 펌프의 시간당 유량 Vp : 유압 펌프의 용적
ne : 엔진의 회전수 Vm : 주행 모터의 용적
또한 상기 제어부(150)는 주행 모터(120)의 용적(Vm)과, 유압 펌프(110)의 압력(Pp) 및 주행 모터(120)의 용적 효율(ηm)을 통하여 주행 모터(120)의 예측 토크(Tm)를 아래와 같은 [계산식 2]를 통하여 계산하게 된다.
[계산식 2] 주행 모터의 예측 토크(Tm)
Figure pat00002
Vm : 주행 모터의 용적 Pm : 주행 모터의 압력
ηm : 주행 모터의 용적 효율
또한 건설 기계의 주행 중 변속여부의 상황으로, 건설 기계의 작업기 쪽으로는 유량이 흐르지 않으므로, 주행 모터의 압력(Pm)은 유압 펌프(110)의 압력(Pp)으로 대체될 수 있다. 예를 들어 아래의 [표 1]와 같이 주행 모터(120)의 예측 회전수를 통하여 예측 토크를 구할 수 있게 된다.
회전수(nm) 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
토크(Tm) 286 255 197 146 118 94 47 14
즉, 일 실시예에서, 사판 제어가 불가능한 건설기계의 경우 즉, 주행모터(120)가 1단 또는 2단에서 고정식으로 제어되는 사판을 포함하는 경우에는, 사판각 입력값과 유압 펌프(110)의 압력(Pp)값 및 엔진의 회전수(ne)를 통해 예측 토크가 계산될 수 있다.
다만, 사판 제어가 가능한 건설기계의 경우, 주행모터(120)의 예측토크는 주행 모터의 압력 센서를 통해 입력된 압력값(Pm)과 주행모터의 사판각 입력값으로 계산될 수 있다.
마지막으로 상기 제어부(150)에서는 [계산식 2]에 의해 계산된 주행 모터의 토크(Tm)와 아래의 [계산식 3]을 이용하여 기어 단수에 따른 주행 구동력(F_drive)을 계산할 수 있게 된다.
[계산식 3] 주행 구동력(F_drive)
Figure pat00003
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
또한 본 [계산식 3]을 사용하여 현재 주행 중인 주행 구동력(F_drive)과, 한 단계 업쉬프트된 주행 구동력(F_drive+1 Upshift) 또는 한 단계 다운쉬프트된 주행 구동력(F_drive-1 Downshift)을 전부 구할 수 있다. 예를 들어, 특정 기어 단수에서 한 단계 업쉬프트(upshift)된 단수의 의미는 현재 건설 기계의 기어가 1단인 상태이면, 한 단계 업쉬프트(upshift)된 기어 2단을 의미한다.
[주행 동력 계산(S110)]
주행 동력을 구하는 단계(S110)에서, 주행 동력(F_current)은 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.
즉, 상기 주행 동력(F_current)은 아래의 [계산식 4]와 같이 표현될 수 있다.
[계산식 4] 주행 동력(F_current)
Figure pat00004
[경사지 구배의 계산(S120)]
도 5는 본 발명에 의한 경사지 구배를 계산하는 단계(S120)를 설명하기 위한 순서도이다.
도 5와 같이 경사지 구배를 계산하는 단계(S120)는, 상기 제어부(150)에서 아래의 [계산식 5]를 이용하여 특정 시점(t1)에서 차속(V1)을 계산하는 단계(S121);
다시 [계산식 5]를 이용하여 상기 특정 시점(t1)에서 일정 시간이 지난 특정 시점(t2)에 차속(V2)을 계산하는 단계(S122); 상기 차속(V1, V2)와 시점(t1, t2)를 사용하여 건설 기계의 가속도(a)를 계산하는 단계(S123) 및 아래의 [계산식 6]을 이용하여 경사지 구배를 계산하는 단계(S124)를 포함한다.
이 경우 상기 제어부(150)에서는 아래의 [계산식 5]를 이용하여, 건설 기계의 차속(V)을 계산할 수 있다.
[계산식 5] 건설 기계의 차속(V)
Figure pat00005
nm : 주행 모터의 예측 회전수
n : 기어 1단, 또는 2단
in : 변속기 n단(1단, 2단)의 기어비 ia : 액슬 기어비
한편, [계산식 5]에서 주행 모터(120)의 회전수(nm)는 상기 [계산식 1]에 의해 예측된 주행 모터의 예측 회전수(nm)로 대체하여 사용될 수 있다.
또한 S123 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 주행에 필요로 하는 주행 동력(F_current)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.
경사지 구배를 계산하는 단계(S124)에서는, 현재 주행 구동력(F_drive)과 주행 동력(F_current)이 동일하다는 전제 하에, 아래의 [계산식 6]에 의한 계산 과정에 의해 경사지 각도를 계산할 수 있다. 한편, 구배 저항(F_grade)은 M * g * sin(
Figure pat00006
) 로 대체될 수 있다.
[계산식 6]
F_drive = F_current
F_drive = F_grade + F_aero - F_rolling + M * a
F_drive - M * g * sin(
Figure pat00007
) - F_aero - F_rolling = M * a
sin(
Figure pat00008
) = (F_drive - F_aero - F_rolling - M*a)/M*g
Figure pat00009
= arcsin{( F_drive - F_aero - F_rolling - M*a) / M*g}
이 후 경사지 각도를 이용하여 [계산식 7]을 통해 최종적으로 경사지 구배를 계산하게 된다.
[계산식 7] 경사지 구배 계산
Figure pat00010
상기 경사지 구배의 단위는 %로, (수직이동거리/수평이동거리) x 100 의 값인 일반적인 도로상에 표시되는 경사도이다. 예를 들면, 경사 구배지가 10%(이하 단위를 생략하여 10이라 한다)라고 하면, 각도는 arctan(0.1)로 5.7도가 나오게 된다. 또한 경사지 구배가 + 이면 내리막을 의미하고, - 이면 오르막을 의미하게 된다.
즉, 본 발명에서는 건설기계의 속도는 속도센서에 의해 측정되거나 상기 [계산식 5]에 의해 계산될 수 있고, 제어부가 이러한 건설기계의 속도와 토크를 통해 경사지 구배를 계산할 수 있다.
[경사지 구배와 활성화 기준 구배 비교(S130)]
상기 변속을 수행하는 단계(S130)에서는, 상기 S120 단계에서 계산된 경사지 구배(%)와 기 설정된 기준 구배(%)를 비교하여 업힐 기능 활성화 여부를 판단(S140)하게 된다.
도 6은 건설기계의 기 설정된 성적서에 의한 펌프/모터의 1, 2단의 최대 구동력과 -10% 구배에서의 경사지 부하를 나타낸 그래프로, 실선은 1단에서 최대 구동력 선도이고, 파선은 2단에서의 최대 구동력 선도이며, 점선은 -10%의 구배 부하이다. 한편, 상술한 바와 같이 -10%는 오르막을 의미하는 것이고, -10%에서의 구배 부하는 그래프에 1, 2단의 최대 구동력의 교차되는 지점의 근처에 도시되어 있다.
또한 세로축 단위는 구동력 단위인 kN이고, 또한 이러한 1, 2단의 최대 구동력은, 상술한 주행 구동력(F_drive)과, 한 단계 업쉬프트된 주행 구동력(F_drive+1 Upshift) 또는 한 단계 다운쉬프트된 주행 구동력(F_drive-1 Downshift)을 통해 계산될 수 있다. 즉, 도 6의 그래프에서는 1, 2단으로 구성된 것으로 설명하기로 한다. 또한 1, 2단 최대 구동력은 주행 모터(120)의 토크로부터 연산된 값이며, 사판제어가 불가한 모터인 경우이며, 또한 주행 모터(120)의 토크는 유압 펌프(110)의 상태로부터 유추한 것이다.
또한 상술한 바와 같이 본 발명에 의한 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계에서는 변속을 제어하는 업힐(Uphill) 기능을 포함할 수 있다. 이 경우, 노말(normal) 기능은 기 설정해 놓은 변속 패턴에 따라 자동으로 변속을 수행하는 일반적인 변속 제어를 의미하고, 본 발명의 업힐 기능은 업쉬프트를 방지하는 기능을 갖는다.
대부분 변속은 각 단 수의 구동력 선도가 교차하는 지점에서 업쉬프트 또는 다운쉬프트 변속이 이루어진다. 일 예로 도 6을 참조하면, -10%의 구배를 가지는 오르막 경사지에서 2단으로 변속이 유지된다면, 2단의 최대 구동력이 경사지 부하보다 높지 않으므로 운전자가 주행페달을 최대로 밟고 있더라도 장비가 가속이 되지 않거나 혹은 경우에 따라서 오히려 감속이 될 수 있다. 따라서 -10%의 구배의 경우에는 1단으로 유지하거나 2단이라면 1단으로의 변속을 할 필요가 있다. 즉 다시 말하면, -10%와 같은 특정 구배에서는 상위 변속으로의 업쉬프트를 방지할 필요가 있는 것이다. 따라서 도 6에의 구동력을 가지는 건설기계에서는 -10%와 같은 특정 구배를 경사지을 판단하는 특정 조건으로 활성화 기준의 구배로 사용할 수 있다.
일 실시예로 상기 활성화 기준의 구배는 건설기계의 특성에 따라 임의로 설정될 수 있다. 이 경우 임의로 설정된 활성화 기준의 구배는 펌프/모터의 성적서를 통하여 계산에 의해 결정될 수 있다. 자세하게는 그래프에서 1단 구동력 선도와 2단의 구동력 선도의 만나는 지점에서 근방에서 설정될 수 있고, 또는 1단 구동력 선도와 2단의 구동력 선도의 만나는 지점의 하측으로 설정될 수 있다. 일 실시예에서 기 설정된 활성화 기준의 구배 즉, 기준 구배의 구배 저항은 건설기계의 현재 속도에서 변속기의 2단의 구동력보다 작은 값을 갖도록 설정될 수 있다. 도 6의 경우 실선은 건설 기계의 1단의 구동력 선도, 파선의 2단의 구동력 선도를 나타내고 이 경우, -10%일 때의 구배 저항(F_grade)과 비교하여 2단의 구동력 선도는 대부분 하측에 위치된다.
[업힐 기능 활성화 단계(S140)]
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 업힐 기능과 노멀 기능을 나타낸 그림이다.
도 7을 토대로 업힐 기능 활성화 단계(S140)에서는 상기 활성화 기준 구배를 -10%로 설명하기로 하며, 이는 본 발명을 제한하지 않는다. [계산식 6]에 의해 계산된 경사지 구배와 상기 활성화 기준의 구배를 비교하여 상기 계산된 경사지 구배가 활성화 기준의 구배보다 더 크다면 업힐 기능을 활성화하고 이에 업쉬프트를 방지할 수 있게 된다. 예를들어, 상술한 방법으로 계산된 경사지 구배값이 기 설정된 기준 구배값 -10% 보다 낮은 -11%인 경우, '-'부호는 오르막을 의미하므로, 현재 오르막 경사의 기울어진 정도가 기준치보다 큰 것이므로, 변속기의 자동 업쉬프트를 방지하는 것이다.
[업힐 기능 비활성화 단계(S150)]
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 계산된 경사지 구배가 기 설정된 비활성화 기준 구배보다 작다면 다시 업힐 기능이 비활성화 될 수 있다.
일 실시예에서, 도 7과 같이 비활성화 기준의 구배를 -8% 사용할 수 있으며, 업힐 기능이 유지된 상태에서 상기 계산된 경사지 구배가 상기 비활성화 기준의 구배를 -8%보다 높은 -7%인 경우, 다시 업힐 기능이 해제되어 노말 기능으로 전환될 수 있다.
즉, 본 발명은 구동력을 비교하여 변속 여부를 판단하는 것이 아니라, 경사지 구배를 계산하여 활성화 기준 구배와 비교하는 방식으로 변속여부를 결정할 수 있는 것이다. 또한 본 발명에서는 주행도로의 경사각도를 측정하는 것이 아니라, 실시간으로 계산에 의하여 경사지 구배를 구할 수 있는 것이다.
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 (9)

  1. 엔진, 유압 펌프, 주행 모터, 변속기 및 자동 변속을 수행하는 제어부가 구비된 자동 변속 장치를 포함하는 건설 기계에 있어서,
    상기 제어부는 업쉬프트를 방지하는 기능을 갖는 업힐(Uphill) 기능을 포함하고, 현재 경사지 구배와 기 설정된 기준 구배를 비교하여, 상기 경사지 구배가 상기 기준 구배보다 큰 경우 상기 업힐 기능을 활성화하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속기는 1단과 2단으로 변속 가능하고,
    상기 기 설정된 기준 구배의 구배 저항은 상기 건설기계의 현재 속도에서 상기 변속기의 2단 구동력보다 작은 값을 가지도록 설정된 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설기계.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 건설기계에 구비되는 경사지 센서를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 경사지 센서의 입력값으로 상기 경사지 구배를 계산하는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속기의 입력축 또는 출력축에 구비되는 속도 센서를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 센서의 입력값으로 상기 경사지 구배를 계산하는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 건설기계의 속도는 측정 또는 계산되고,
    상기 제어부는 상기 건설기계의 토크를 계산하여 상기 속도 및 상기 토크로 상기 경사지 구배를 계산하는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 주행 모터의 압력 센서를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 압력 센서의 입력값과 상기 주행 모터의 사판각 입력값 으로 상기 토크를 계산하여 상기 경사지 구배를 계산하는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 주행 모터는 1단 또는 2단에서 고정식으로 제어되는 사판을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 주행 모터의 사판각 입력값, 상기 유압 펌프 압력의 입력값 및 상기 엔진의 회전수로 토크를 예측하여 상기 경사지 구배를 계산하는 것을 특징으로 하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계.
  8. 엔진, 유압 펌프, 주행 모터, 변속기 및 자동 변속을 수행하는 제어부가 구비된 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계의 변속 제어 방법에 있어서,
    건설 기계의 주행 구동력을 계산하는 단계;
    상기 계산된 주행 구동력을 사용하여 현재 경사지 구배를 계산하는 단계;
    상기 계산된 경시지 구배와 기 설정된 기준 구배를 비교하는 단계; 및
    상기 계산된 경사지 구배가 상기 기 설정된 기준 구배보다 큰 경우 업쉬프트를 방지하는 업힐 기능을 활성화하는 단계를 포함하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계의 변속 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기 설정된 기준 구배보다 낮은 구배로 상기 업힐 기능을 비활성화하는 단계를 포함하는 자동 변속 장치가 구비된 건설 기계의 변속 제어 방법.


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