WO2015108366A1 - 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법 - Google Patents

하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법 Download PDF

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WO2015108366A1
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정은수
김동목
김경근
서현재
김낙인
조이형
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    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a wheel driving device and a wheel driving method of a hybrid construction machine, and more particularly, a small-capacity low speed motor and a high speed electric motor installed in all wheels in a construction machine including a wheel, particularly a hybrid wheel loader.
  • the transmission and control unit including the clutch drives the low speed electric motor at low speed operation and the high speed electric motor at high speed operation through the clutch on / off at low speed operation and high speed operation.
  • the present invention relates to a wheel driving device and a wheel driving method of a hybrid construction machine capable of reducing manufacturing costs and improving fuel economy of a construction machine.
  • the hydraulic system of construction machinery is the engine for generating power, the main hydraulic pump driven by the power of the engine to discharge the hydraulic oil, a plurality of actuators to perform the work, the desired work machine And a main control valve for distributing the hydraulic oil required by the operation of the operation unit to the corresponding actuator.
  • construction machinery especially a loader, is a construction machine used to transport excavated soil to a truck, unlike an excavator, and repeats a process of loading soil into a bucket of a wheel loader and moving it to a truck.
  • a wheel type having a wheel is used.
  • a wheel loader having a wheel is called a wheel loader.
  • hybrid system In general, a system using an engine and an electric motor as a common power source and having a power storage unit as an electrical energy storage device is called a hybrid system.
  • hybrid systems include hybrid construction machines applied to automobiles and heavy construction equipment such as excavators.
  • FIG. 1 is a graph illustrating a traction rod in a conventional wheel loader driving apparatus
  • FIG. 2 is a graph illustrating a motor capacity in a wheel loader driving apparatus.
  • the traction load of a conventional wheel loader drive requires high torque at low speed (RPM) and low torque at high speed. That is, as shown in FIG. 2, in order to implement the wheel loader driving apparatus in a hybrid form, the capacity of the motor requires a large capacity motor and an inverter to satisfy the traction rod. Due to the traction rod characteristics of the wheel loader, it is difficult to develop a hybrid wheel loader driving device.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0073903
  • an object of the present invention includes a low-capacity low-speed electric motor and a high-speed electric motor and a clutch each installed on all wheels in a construction machine equipped with a wheel, in particular a hybrid wheel loader
  • the transmission and control unit reduce the manufacturing cost of the wheel drive by driving the low speed motor at low speed operation and the high speed motor at high speed operation through the clutch on / off at low speed operation and high speed operation.
  • to improve the fuel efficiency of the construction machine to reduce the wear of the tire mounted on the wheel and to improve the durability of the tire, and to provide a wheel driving device and a wheel driving method of the hybrid construction machine that can ensure the running stability.
  • a wheel driving device of a hybrid construction machine includes an engine for generating power, an electric generator connected to the engine to generate electric energy, and an electric storage electrically connected to the motor generator.
  • a wheel driving apparatus of a hybrid construction machine having a unit, an inverter connected to the power storage unit, and a plurality of wheels, the wheel driving apparatus comprising: a low speed electric motor connected to the plurality of wheels and electrically connected to the inverter; A high speed electric motor connected to the plurality of wheels and electrically connected to the inverter; A transmission having one side connected to each of the plurality of wheels and the other side connected to the low speed electric motor and the high speed electric motor; And a control unit that controls the transmission of the driving force of the low speed motor and the high speed motor to the wheel through the transmission.
  • the transmission of the wheel drive device of the hybrid construction machine is connected to the low speed motor, respectively, to reduce the rotational speed of the low speed motor A first reducer; A second speed reducer connected to both the low speed motor and the high speed motor to reduce a rotation speed of the low speed motor or a rotation speed of the high speed motor; And a clutch installed between the first reducer and the second reducer to turn on / off power transmission of the low speed electric motor to the wheel.
  • control unit of the wheel drive device of the hybrid construction machine drives the low-speed motor at low speed operation, the high speed operation at high speed operation It can be controlled to drive the motor.
  • control unit of the wheel drive device of the hybrid construction machine is controlled to drive the low speed motor and the high speed motor together at low speed operation. can do.
  • the wheel drive device of the hybrid construction machine may further include an speed increaser installed between the engine and the motor generator.
  • the inverter of the wheel drive device of the hybrid construction machine may be installed separately to the low speed motor and the high speed motor.
  • the control unit of the wheel drive device of the hybrid construction machine is allowed RPM data for storing the allowable RPM data of the low speed motor and the high speed motor Storage unit;
  • An allowable torque data storage unit for storing allowable torque data of the low speed motor and the high speed motor;
  • a data receiver configured to receive data on a current RPM and torque of the low speed motor or the high speed motor; RPM of the current low speed motor or the high speed motor which has received the allowable RPM and the allowable torque of the low speed motor and the high speed motor stored in the allowable RPM data storage unit and the allowable torque data storage unit by the data receiving unit.
  • a comparing unit comparing with the torque; And comparing the comparison unit, turning off the clutch when the current torque of the low speed motor is smaller than the allowable torque to operate the high speed motor only, and turning on the clutch when the current RPM of the high speed motor is lower than the allowable RPM. and a controller for controlling the on / off of the clutch so as to operate only the low speed electric motor.
  • the low speed motor and the high speed motor of the wheel drive device of the hybrid construction machine has the same motor capacity
  • the reduction ratio may be formed to be 3: 1.
  • the wheel driving method of the hybrid construction machine stores the allowable RPM data and the allowable torque data of the low speed motor and the high speed motor in the allowable RPM data storage unit and the allowable torque data storage unit. step; Receiving data regarding a current RPM and torque of the low speed motor or the high speed motor from a data receiving unit; The comparator receives the allowable RPM and allowable torque of the low speed motor and the high speed motor stored in the allowable RPM data storage unit and the allowable torque data storage unit by the data receiving unit. Comparing with RPM and torque of the motor; And controlling the on / off of the clutch in the control unit as a result of the comparison.
  • the step of controlling the on / off of the clutch of the wheel driving method of the hybrid construction machine is that the current torque of the low-speed electric motor than the allowable torque If small, turning off the clutch to operate only the high speed electric motor to accelerate it; And if the current RPM of the high-speed motor is less than the allowable RPM to turn on (on) the clutch to reduce the speed by operating only the low-speed motor.
  • the wheel driving device and the wheel driving method of the hybrid construction machine according to the present invention are operated at low speed by a transmission and a control unit including a small-capacity low speed motor, a high speed electric motor, and a clutch installed in each wheel in the hybrid wheel loader.
  • a transmission and a control unit including a small-capacity low speed motor, a high speed electric motor, and a clutch installed in each wheel in the hybrid wheel loader.
  • the wheel driving device and the wheel driving method of the hybrid construction machine according to the present invention reduces the space in which the low speed motor and the high speed motor and the inverter electrically connected thereto are installed, thereby improving the fuel efficiency of the construction machine. It can be effective.
  • the wheel driving device and the wheel driving method of the hybrid construction machine according to the present invention has the effect of reducing the wear of the tire mounted on the wheel and improving the durability of the tire and ensuring the running stability.
  • 1 is a graph of a traction rod in a conventional wheel loader driving apparatus.
  • FIG. 2 is a graph of a motor capacity in a conventional wheel loader driving apparatus.
  • Figure 3 shows a conceptual diagram of the wheel drive device of the hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows a conceptual diagram of a wheel drive device of a hybrid construction machine according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows a conceptual diagram of a wheel drive device of a hybrid construction machine according to another preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a detail of part A of FIG. 3.
  • Figure 7 is a graph of the traction rod in the wheel drive of the hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph of the capacity of the motor in the wheel drive device of a hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 9 is a graph illustrating a state in which the clutch is turned on / off in the wheel driving device of the hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a procedure of the wheel driving method of the hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a conceptual diagram of a wheel driving apparatus of a hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 shows a conceptual diagram of a wheel driving apparatus of a hybrid construction machine according to another preferred embodiment of the present invention
  • Figure 5 shows a conceptual diagram of a wheel driving apparatus of a hybrid construction machine according to another preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a detail of part A of FIG. 3.
  • 7 is a graph illustrating a traction rod in a wheel driving apparatus of a hybrid construction machine according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a motor capacity in a wheel driving apparatus of a hybrid construction machine according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 9 is a graph illustrating a state in which a clutch is turned on / off in a wheel driving apparatus of a hybrid construction machine according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Wheel drive device 100 of a hybrid construction machine is the engine 2, the motor generator 4, power storage unit 5, inverter 6, a plurality of wheels 9, low speed It consists of the electric motor 10, the high speed electric motor 20, the transmission 30, and the control unit 40.
  • the wheel drive device 100 preferably the wheel loader, of the hybrid construction machine according to the invention has an engine 2 for generating power.
  • the motor generator 4 is connected to the engine 2 to generate electrical energy.
  • the electrical storage unit 5 is connected to the motor generator 4, and stores the electrical energy generated by the motor generator 4.
  • the power storage unit 5 may be formed in the form of a battery or a capacitor.
  • a hydraulic pump 4 ′ may be installed to be directly connected to the shaft of the engine 2.
  • the hydraulic pump 4 ' provides hydraulic power to the actuator 1 for driving the bucket and the boom.
  • An electric motor operated by the electric energy supplied from the electrical storage unit 5 may be installed in the hydraulic pump 4 ', and the hydraulic power provided by the hydraulic pump 4' is supplied to the actuator to operate the bucket and the boom. .
  • a plurality of low speed electric motors 10 are connected to the plurality of wheels 9, respectively. That is, when the wheels 9 are four, the low speed electric motor 10 is provided in the one wheel 9, respectively, and the four low speed electric motors 10 are installed in the wheel drive apparatus 100 in total. In addition, the plurality of low speed electric motors 10 are electrically connected to the plurality of inverters 6, respectively.
  • the plurality of inverters 6 may be connected to the low speed motor 10 and the high speed motor 20 using an integrated inverter. Accordingly, since the inverter does not need to be installed for each of the low speed motor 10 and the high speed motor 20, the installation space of the construction machine, particularly the wheel loader, can be reduced.
  • a plurality of high speed electric motors 20 are connected to the plurality of wheels 9, respectively. That is, when the wheels 9 are four, the high speed electric motor 20 is installed in each of the one wheel 9, and the wheel drive apparatus 100 is provided with four high speed electric motors 20 in total. In addition, a plurality of high speed electric motors 20 are electrically connected to the plurality of inverters 6, respectively.
  • the plurality of inverters 6 are provided at the low speed motor 10 and the high speed motor 20 for each one of the wheels 9, one at a time, and four wheels 9.
  • a total of eight inverters 6 are installed in the wheel driving apparatus 100 so as to be electrically connected to the power storage unit 5.
  • One side of the plurality of transmissions 30 are connected to the plurality of wheels 9, respectively, and the other side of the plurality of transmissions 30 is installed to be connected to the plurality of low speed motors 10 and the plurality of high speed motors 20. do. That is, when four wheels 9 are provided, one transmission 30 is provided at one wheel 9 each, and a total of four transmissions 30 are installed at the wheel driving apparatus 100.
  • the control unit 40 controls the transmission 30 to drive the plurality of low speed motors 10 during low speed operation, and to drive the plurality of high speed motors 20 during high speed operation.
  • the control unit 40 may control the transmission 30 to drive the low speed motor 10 and the high speed motor 20 together during low speed operation.
  • the control unit 40 may be installed in an operator panel of an operator's seat or an electronic control unit (ECU).
  • the low speed electric motor 10 and the high speed electric motor 20 may be formed of a small electric motor having the same electric motor capacity.
  • the wheel driving apparatus of the hybrid construction machine may further include a speed increaser 3 installed between the engine 2 and the motor generator 4. .
  • the speed increaser 3 makes it possible to rotate the motor generator 4 at an efficient rotational speed.
  • the speed increaser 3 may not be installed if necessary, such as a specification of the motor generator.
  • the traction load of the wheel drive device 100 of the hybrid construction machine according to the present invention also requires high torque when the low speed (low RPM), high speed ( High RPM).
  • the wheel driving device 100 of the hybrid construction machine according to the present invention is a low speed electric motor 10 of the hybrid construction machine by the high speed electric motor 20 at high speed operation at low speed operation. Meets the traction load. Accordingly, by installing two electric motors having the same motor capacity rather than a large capacity motor, it is possible to reduce the installation space and increase the efficiency of the wheel driving device.
  • the transmission 30 of the wheel driving apparatus 100 of the hybrid construction machine includes a first reducer 31, a second reducer 33, and a clutch ( 32, clutch).
  • the first reduction gear 31 is connected to the low speed motor 10 to reduce the rotational speed of the low speed motor 10. That is, one side of the first reducer 31 is connected to the low speed motor 10, and the other side of the first reducer 31 is installed to be connected to the clutch 32 to be described later.
  • the reduction ratio of the first reducer 31 may be formed to be 3: 1.
  • the second reduction gear 33 is connected to both the low speed motor 10 and the high speed motor 20 to reduce the rotation speed of the low speed motor 10 or the rotation speed of the high speed motor 20. That is, one side of the second reducer 33 is connected to the wheel 9, and the other side of the second reducer 33 is connected to the low speed motor 10 and the high speed motor 20. According to another preferred embodiment of the present invention, the reduction ratio of the second reducer 33 may be formed to be 100: 1.
  • the clutch 32 is provided between the first reducer 31 and the second reducer 33.
  • the clutch 32 controls the on / off of power transmission of the low speed electric motor 10 to the wheel 9 by the control part 45 of the control unit 40 mentioned later. That is, the fuel efficiency can be improved by using only the low speed motor 10 during the low speed operation of the wheel loader and the high speed motor 20 during the high speed operation by the on / off control of the clutch 32. .
  • first reducer 31, the second reducer 33, and the clutch 32 may be formed as gear trains, and gear arrangements or diameters of different gears may be different as necessary.
  • the reduction ratio of the first reducer 31 and the second reducer 33 may be variously changed by using a gear.
  • control unit 40 of the wheel drive device 100 of the hybrid construction machine is allowed per revolution (rpm) data storage 41, the allowable torque and a data storage unit 42, a data receiving unit 43, a comparing unit 44, and a control unit 45.
  • the allowable RPM data storage unit 41 stores the allowable RPM data of the low speed motor 10 and the high speed motor 20.
  • the allowable torque data storage unit 42 stores allowable torque data of the low speed motor 10 and the speed motor 20.
  • the data receiver 43 receives data on the current RPM and torque of the low speed motor 10 or the high speed motor 20. That is, when the low speed motor 10 operates, the RPM and torque of the low speed motor 10 are received, and when the high speed motor 20 operates, the RPM and torque of the high speed motor 20 are received. .
  • the comparison unit 44 stores the allowable RPM and the allowable torque of the low speed motor 10 and the high speed motor 20 stored in the allowable RPM data storage 41 and the allowable torque data storage 42. It compares with the RPM and torque of the current low speed motor 10 or the high speed motor 20 received by the present invention.
  • the control unit 45 turns off the clutch 32 when the current torque of the low speed electric motor 10 is smaller than the allowable torque to operate only the high speed electric motor 20,
  • the clutch is turned on to control the on / off of the clutch 32 to operate only the low-speed electric motor 10. Accordingly, the manufacturing cost and the maintenance cost of the wheel drive device can be reduced.
  • Wheel driving method of the hybrid construction machine according to an embodiment of the present invention is the allowable RPM and allowable torque data storage step (S1), the current of the low speed motor and the high speed motor RPM and torque data receiving step (S2), comparison step (S3), and clutch on / off control step S4.
  • the wheel driving method of the hybrid construction machine by the clutch (32) off (step) by operating only a high-speed electric motor to accelerate (S4-1) ) And the clutch 32 may be further turned on to decelerate by operating only the low-speed electric motor 10 (S4-2).
  • the allowable RPM data and the allowable torque data of the low speed motor 10 and the high speed motor 20 are stored in the allowable RPM data storage 41 and the allowable torque data storage 42.
  • the data receiving unit 43 receives data regarding the current RPM and torque of the low speed motor 10 or the high speed motor 20.
  • the low speed motor stored in the allowable RPM data storage unit 41 and the allowable torque data storage unit 42 in the comparing unit 44 ( 10) and the allowable RPM and allowable torque of the high speed electric motor 20 are compared with the RPM and torque of the current low speed electric motor 10 or the high speed electric motor 20 received by the data receiving unit 43.
  • the comparison result control unit 45 of the comparison unit 44 controls the on / off of the clutch.
  • the clutch 32 In the clutch on / off control step (S4), when the current torque of the low speed motor 10 is less than the allowable torque, the clutch 32 is turned off to operate only the high speed motor 20 to accelerate (S4-). 1) and if the current RPM of the high-speed motor 10 is less than the allowable RPM further includes the step (S4-2) by turning on the clutch (On) to operate only the low-speed motor 10 to decelerate.
  • the controller 45 of the control unit 40 controls the on / off of the clutch 32 in the wheel driving apparatus 100 of the hybrid construction machine according to the exemplary embodiment of the present invention. Describe the process of control.
  • a represents an acceleration driving section
  • b represents a maximum speed driving section
  • c represents a deceleration driving section
  • a reduction ratio of the first reducer 31 is 3: 1
  • a reduction ratio of the second reducer 33 is 100: 1. to be.
  • the maximum speed of the wheel 9 is 40 km / h
  • the radius of the wheel 9 is 0.75 m
  • the maximum rotation speed (maximum RPM) of the wheel 9 is 120 RPM.
  • the permissible RPM is 12,000 RPM and the permissible torque is O.
  • the clutch 32 In the initial acceleration in FIG. 9, the clutch 32 remains on. At the time of acceleration (a, which is an acceleration driving section), the clutch 32 remains on. While the clutch 32 is on, the low speed motor 10 is operated at 12,000 RPM, which is the maximum driving speed, and the high speed motor rotates at 4,000 RPM, which is 1/3 of the maximum driving speed. . When the torque of the low speed motor 10 reaches zero or an arbitrary value close to zero, the high speed electric motor 10 assumes most of the load of the wheel loader. That is, when the torque of the low speed motor 10 reaches zero or an arbitrary value close to zero, the clutch 32 is turned off during acceleration. (A point in FIG.
  • the clutch 32 can be turned on to reduce the shock at the time of shifting.
  • the low-speed electric motor 10 rotates and is geared to the gear train according to the rotation of the high speed motor 20 rather than the driving of the high speed motor 20 in FIG. 9 a. In this case, electric energy is not supplied to the high speed electric motor 20.
  • the clutch 32 maintains an off state at the time of deceleration (the deceleration driving period c).
  • the rotation speed of the high-speed electric motor 20, i.e., the clutch 32 remains off.
  • the allowable RPM becomes less than 4000 RPM
  • the low speed electric motor 10 is accelerated to 4000 RPM so that the clutch 32 is turned on in the same RPM of the high speed motor 20 and the low speed motor 10. (Point B of FIG. 8) If the clutch 32 is turned on without matching the RPM of the low speed motor 10 with the RPM of the high speed motor 20, the clutch 32 is dropped and the low speed is used.
  • the motor 10 Since the motor 10 is not rotated at all and suddenly rotates, it generates a load on the mechanism part or shaft of the clutch 32, and as a result, damage or failure of the clutch, transmission, or the like can occur, and thus, The clutch 32 is turned on after matching the RPM of the motor 10 with the RPM of the high speed electric motor 20.
  • the wheel driving device and the driving method of the hybrid construction machine according to the present invention are operated at a low speed by a transmission and a control unit including a small-capacity low speed motor, a high speed electric motor, and a clutch installed in each wheel in the hybrid wheel loader.
  • a transmission and a control unit including a small-capacity low speed motor, a high speed electric motor, and a clutch installed in each wheel in the hybrid wheel loader.

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Abstract

본 발명은 휠을 구비한 건설기계, 특히 하이브리드 휠 로더에서 모든 휠에 각각 설치되는 소용량의 저속용 전동기와 고속용 전동기와 클러치를 포함하는 변속기 및 제어유닛에 의해 저속 운전시와 고속 운전시에 클러치의 온/오프를 통해 저속 운전시에는 저속용 전동기를 구동시키고, 고속 운전시에는 고속용 전동기를 구동시켜 휠 구동장치의 제조비용을 절감하고, 건설기계의 연비를 향상시키며, 휠에 장착된 타이어의 마모 감소 및 타이어의 내구성을 향상시키고, 주행 안정성을 보장할 수 있는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법에 관한 것이다.

Description

하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법
본 발명은 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휠을 구비하는 건설기계, 특히 하이브리드 휠 로더에서 모든 휠에 각각 설치되는 소용량의 저속용 전동기와 고속용 전동기와 클러치를 포함하는 변속기 및 제어유닛에 의해 저속 운전시와 고속 운전시에 클러치의 온/오프를 통해 저속 운전시에는 저속용 전동기를 구동시키고, 고속 운전시에는 고속용 전동기를 구동시켜 휠 구동장치의 제조비용을 절감하고, 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법에 관한 것이다.
일반적으로 건설기계, 특히 굴삭기(excavator)의 유압시스템은 동력을 발생시키는 엔진과, 엔진의 동력을 전달받아 구동되어 작동유를 토출하는 메인 유압펌프와, 작업을 수행하는 복수의 액추에이터와, 소망하는 작업기의 액추에이터를 작동시키도록 조작되는 조작부와, 조작부의 조작에 의해 요구되는 작동유를 해당 액추에이터로 분배하는 메인컨트롤 밸브를 포함하여 구성된다.
그러나, 건설기계, 특히 로더(loader)는 굴삭기와 달리 굴삭된 흙 등을 운반차에 옮겨싣는데 사용하는 건설기계로서, 휠 로더의 버켓에 흙 등을 담아 싣는 작업과 운반차로 이동하는 과정을 되풀이 하여야 하기 때문에 통상 휠을 갖추고 있는 휠 타입(wheel type)이 많이 사용된다. 일반적으로 휠(wheel)을 갖추고 있는 휠 타입의 로더를 휠 로더(wheel loader)라 한다.
일반적으로 엔진과 전동기를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장장치인 축전유닛을 구비하는 시스템을 하이브리드 시스템(hybrid system)이라 한다. 이러한 하이브리드 시스템은 자동차에 적용된 하이브리드 자동차와 굴삭기와 같은 건설 중장비에도 적용된 하이브리드 건설기계가 있다.
최근에는 유가의 급격한 상승 및 환경에 대한 각종 규제를 충족시키기 위해서, 엔진의 잉여 동력을 축전유닛에 저장하고, 엔진의 부족한 동력을 축전유닛으로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 1은 종래 휠 로더 구동장치에서 트랙션 로드에 관한 그래프이고, 도 2는 휠 로더 구동장치에서 전동기 용량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1에 도시된 것처럼, 종래 휠 로더 구동장치의 트랙션 로드(traction load)는 저속(RPM)일 때 고 토크(torque)를 요구하고, 고속일 때 저 토크를 요구한다. 즉, 도 2에 도시된 것처럼, 휠 로더 구동장치를 하이브리드 형태로 구현하기 위해서는 전동기의 용량은 트랙션 로드를 만족시킬 수 있도록 대용량의 전동기와 인버터가 필요하게 하게 된다. 이러한 휠 로더의 트랙션 로드 특성 때문에 하이브리드 형태의 휠 로더의 구동장치를 개발하기 어려운 문제점이 있었다.
<선행기술문헌>
(특허문헌 1) 대한민국 특허공개공보 제10-2013-0073903호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 휠을 구비한 건설기계, 특히 하이브리드 휠 로더에서 모든 휠에 각각 설치되는 소용량의 저속용 전동기와 고속용 전동기와 클러치를 포함하는 변속기 및 제어유닛에 의해 저속 운전시와 고속 운전시에 클러치의 온/오프를 통해 저속 운전시에는 저속용 전동기를 구동시키고, 고속 운전시에는 고속용 전동기를 구동시켜 휠 구동장치의 제조비용을 절감하고, 건설기계의 연비를 향상시키며, 휠에 장착된 타이어의 마모 감소 및 타이어의 내구성을 향상시키고, 주행 안정성을 보장할 수 있는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치는 동력을 발생시키는 엔진과, 상기 엔진에 연결되어 전기 에너지를 발생시키는 전동 발전기와, 상기 전동 발전기에 전기적으로 연결되는 축전유닛과, 상기 축전유닛에 연결되는 인버터와, 복수 개의 휠을 구비하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치에 있어서, 상기 복수 개의 휠에 연결되고, 상기 인버터에 전기적으로 연결되는 저속용 전동기; 상기 복수 개의 휠에 연결되고, 상기 인버터에 전기적으로 연결되는 고속용 전동기; 일측이 상기 복수 개의 휠에 각각 연결되고, 타측이 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기에 연결되는 변속기; 및 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기의 구동력을 상기 변속기를 통해 상기 휠에 전달하는 것을 제어하는 제어유닛;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 변속기는 각각 상기 저속용 전동기에 연결되어, 상기 저속용 전동기의 회전속도를 감속하기 위한 제1 감속기; 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기에 모두 연결되어, 상기 저속용 전동기의 회전속도 또는 상기 고속용 전동기의 회전속도를 감속하기 위한 제2 감속기; 및 상기 제1 감속기와 상기 제2 감속기 사이에 설치되어, 상기 휠에 상기 저속용 전동기의 동력전달을 온/오프하는 클러치;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 제어유닛은 저속 운전시에는 상기 저속용 전동기를 구동시키고, 고속 운전시에는 상기 고속용 전동기를 구동시키도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 제어유닛은 저속 운전시에는 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기를 함께 구동시키도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치는 엔진과 상기 전동 발전기의 사이에 설치되는 증속기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 인버터는 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기에 각각 별도로 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 제어유닛은 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기의 허용 RPM 데이터를 저장하는 허용 RPM 데이터 저장부; 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기의 허용 토크 데이터를 저장하는 허용 토크 데이터 저장부; 상기 저속용 전동기 또는 상기 고속용 전동기의 현재 RPM과 토크에 관한 데이터를 수신하는 데이터 수신부; 상기 허용 RPM 데이터 저장부와 상기 허용 토크 데이터 저장부에 저장된 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기의 허용 RPM과 허용 토크를 상기 데이터 수신부에 의해 수신한 현재 상기 저속용 전동기 또는 상기 고속용 전동기의 RPM 및 토크와 비교하는 비교부; 및 상기 비교부의 비교결과, 상기 저속용 전동기의 현재 토크가 허용 토크보다 작으면 클러치를 오프(off)하여 상기 고속용 전동기만 작동시키고, 상기 고속용 전동기의 현재 RPM이 허용 RPM 이하이면 클러치를 온(on)하여 상기 저속용 전동기만 작동시키도록 상기 클러치의 온/오프(on/off)를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기는 동일한 전동기 용량을 구비하고, 상기 제1 감속기의 감속비는 3:1이 되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법은 저속용 전동기와 고속용 전동기의 허용 RPM 데이터와 허용 토크 데이터를 허용 RPM 데이터 저장부와 허용 토크 데이터 저장부에 저장하는 단계; 데이터 수신부에서 상기 저속용 전동기 또는 상기 고속용 전동기의 현재 RPM과 토크에 관한 데이터를 수신하는 단계; 비교부에서 상기 허용 RPM 데이터 저장부와 상기 허용 토크 데이터 저장부에 저장된 상기 저속용 전동기와 상기 고속용 전동기의 허용 RPM과 허용 토크를 상기 데이터 수신부에 의해 수신한 현재 상기 저속용 전동기 또는 상기 고속용 전동기의 RPM 및 토크와 비교하는 단계; 및 상기 비교부의 비교결과, 제어부에서 상기 클러치의 온/오프를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법의 바람직한 다른 실시예에서, 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법의 상기 클러치의 온/오프를 제어하는 단계는 상기 저속용 전동기의 현재 토크가 허용 토크보다 작으면 클러치를 오프(off)하여 상기 고속용 전동기만 작동시켜 가속하는 단계; 및 상기 고속용 전동기의 현재 RPM이 허용 RPM 이하이면 클러치를 온(on)하여 상기 저속용 전동기만 작동시켜 감속하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법은 하이브리드 휠 로더에서 모든 휠에 각각 설치되는 소용량의 저속용 전동기와 고속용 전동기와 클러치를 포함하는 변속기 및 제어유닛에 의해 저속 운전시와 고속 운전시에 클러치의 온/오프를 통해 저속 운전시에는 저속용 전동기만 구동시키고, 고속 운전시에는 고속용 전동기만 구동시킴에 따라 휠 구동장치의 제조비용 및 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법은 저속용 전동기와 고속용 전동기 및 이들에 전기적으로 연결되는 인버터가 설치되는 공간을 축소하고, 이에 따라 건설기계의 연비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 휠 구동방법은 휠에 장착된 타이어의 마모 감소 및 타이어의 내구성을 향상시키고, 주행 안정성을 보장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 휠 로더 구동장치에서 트랙션 로드에 관한 그래프이다.
도 2는 종래 휠 로더 구동장치에서 전동기 용량에 관한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 개념도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 개념도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 개념도를 나타낸다.
도 6는 도 3의 A부분의 상세도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치에서 트랙션 로드에 관한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치에서 전동기 용량에 관한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치에서 클러치가 온/오프 되는 상태를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법의 절차도를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 개념도를 나타내고, 도 4는 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 개념도를 나타내며, 도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치의 개념도를 나타낸다. 도 6는 도 3의 A부분의 상세도를 나타낸다. 도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치에서 트랙션 로드에 관한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치에서 전동기 용량에 관한 그래프이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치에서 클러치가 온/오프 되는 상태를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100)를 설명한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100)는 엔진(2), 전동 발전기(4), 축전유닛(5), 인버터(6), 복수 개의 휠(9), 저속용 전동기(10), 고속용 전동기(20), 변속기(30), 및 제어유닛(40)로 이루어진다.
도 3에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100), 바람직하게는 휠 로더는 동력을 발생시키는 엔진(2)을 구비한다.
전동 발전기(4)가 엔진(2)에 연결되어 전기 에너지를 발생시킨다.
축전유닛(5)은 전동 발전기(4)에 연결되어, 전동 발전기(4)에서 발생 된 전기 에너지를 저장한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 이러한 축전유닛(5)은 배터리(battery)나 캐퍼시터(capacitor) 형태로 형성될 수 있다.
또한, 엔진(2)의 축에 직결되도록 유압펌프(4')가 설치될 수 있다. 유압펌프(4')는 버켓과 붐을 구동하기 위해 액츄에이터(1)에 유압동력을 제공한다. 유압펌프(4')에 축전유닛(5)에서 공급되는 전기에너지로 작동되는 전동기가 설치될 수 있고, 이러한 유압펌프(4')에서 제공된 유압동력이 액츄에이터에 공급되어 버켓과 붐을 작동시키게 된다.
4개의 휠(9)이 구동축에 연결된다.
복수 개의 저속용 전동기(10)가 복수 개의 휠(9)에 각각 연결된다. 즉, 휠(9)이 4개인 경우에는 저속용 전동기(10)가 1개의 휠(9)에 각각 설치되어, 휠 구동장치(100)에 총 4개의 저속용 전동기(10)가 설치된다. 또한, 복수 개의 저속용 전동기(10)는 복수 개의 인버터(6)에 각각 전기적으로 연결된다.
도 5에 도시된 것처럼, 복수 개의 인버터(6)는 통합 인버터를 사용하여 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)에 연결될 있다. 이에 따라 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)마다 인버터를 설치하지 않아도 됨에 따라, 건설기계, 특히 휠 로더에서 설치공간을 축소할 수 있다.
복수 개의 고속용 전동기(20)가 복수 개의 휠(9)에 각각 연결된다. 즉, 휠(9)이 4개인 경우에는 고속용 전동기(20)가 1개의 휠(9)에 각각 설치되어, 휠 구동장치(100)에 총 4개의 고속용 전동기(20)가 구비된다. 또한, 복수 개의 고속용 전동기(20)가 복수 개의 인버터(6)에 각각 전기적으로 연결된다.
도 3에 도시된 것처럼, 복수 개의 인버터(6)는 1개의 휠(9) 마다 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)에 각각 1개씩 2개가 설치되고, 휠(9)이 4개인 경우 휠 구동장치(100)에 총 8개의 인버터(6)가 축전유닛(5)에 전기적으로 연결되도록 설치된다.
복수 개의 변속기(30)의 일측이 복수 개의 휠(9)에 각각 연결되고, 복수 개의 변속기(30)의 타측이 복수 개의 저속용 전동기(10)와 복수 개의 고속용 전동기(20)에 연결되도록 설치된다. 즉, 휠(9)이 4개인 경우에는 변속기(30)가 1개의 휠(9)에 각각 1개씩 설치되어, 휠 구동장치(100)에 총 4개의 변속기(30)가 설치된다.
제어유닛(40)은 저속 운전시에는 복수 개의 저속용 전동기(10)를 구동시키고, 고속 운전시에는 복수 개의 고속용 전동기(20)를 구동시키도록 변속기(30)를 제어한다. 또한, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면 제어유닛(40)은 저속 운전시에는 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)를 함께 구동시키도록 변속기(30)를 제어할 수도 있다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 이러한 제어유닛(40)은 운전석의 조작반 또는 ECU(electronic control unit)에 설치될 수 있다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면, 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)는 동일한 전동기 용량을 갖는 소형 전동기로 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치는 엔진(2)과 전동 발전기(4) 사이에 설치되는 증속기(3)를 더 포함할 수 있다. 증속기(3)에 의해 전동 발전기(4)를 효율적인 회전수에서 회전시킬 수 있게 된다. 다만, 전동 발전기의 사양 등 필요에 따라 증속기(3)가 설치되지 않을 수도 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100)의 트랙션 로드(traction load)도 저속(저 RPM)일 때 고 토크(torque)를 요구하고, 고속(고 RPM)일 때 저 토크를 요구한다. 이에 따라 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100)는 저속 운전시에 저속용 전동기(10)가 고속 운전시에 고속용 전동기(20)에 의해 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100)의 트랙션 로드를 충족시킨다. 이에 따라 대용량 전동기가 아닌 동일한 전동기 용량을 갖는 2개의 전동기를 설치함에 따라 설치공간의 축소 및 휠 구동장치의 효율을 증대시킬 수 있다.
도 6에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100)의 변속기(30)는 제1 감속기(31), 제2 감속기(33), 및 클러치(32, clutch)를 포함한다.
제1 감속기(31)가 저속용 전동기(10)에 연결되어, 저속용 전동기(10)의 회전속도를 감속한다. 즉, 제1 감속기(31)의 일측은 저속용 전동기(10)에 연결되고, 제1 감속기(31)의 타측은 후술하는 클러치(32)에 연결되도록 설치된다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면 제1 감속기(31)의 감속비는 3:1이 되도록 형성될 수 있다.
제2 감속기(33)가 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)에 모두 연결되어, 저속용 전동기(10)의 회전속도 또는 고속용 전동기(20)의 회전속도를 감속한다. 즉, 제2 감속기(33)의 일측은 휠(9)에 연결되고, 제2 감속기(33)의 타측은 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)에 연결된다. 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면 제2 감속기(33)의 감속비는 100:1이 되도록 형성될 수 있다.
클러치(32)가 제1 감속기(31)와 제2 감속기(33) 사이에 설치된다. 클러치(32)는 후술하는 제어유닛(40)의 제어부(45)에 의해 휠(9)에 저속용 전동기(10)의 동력전달의 온/오프(on/off)를 제어한다. 즉, 클러치(32)의 온/오프 제어에 의해 휠 로더의 저속운전시에는 저속용 전동기(10)만 사용하고, 고속운전시에는 고속용 전동기(20)만 사용하여 연비 효율을 향상시킬 수 있다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 제1 감속기(31), 제2 감속기(33), 및 클러치(32)는 기어 트레인(gear train)으로 형성될 수 있고, 필요에 따라 기어의 배치구조나 직경이 다른 기어를 사용하여 제1 감속기(31)와 제2 감속기(33)의 감속비를 다양하게 변경할 수 있다.
도 6에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100)의 제어유닛(40)은 허용 RPM(revolution per minute) 데이터 저장부(41), 허용 토크(torque) 데이터 저장부(42), 데이터 수신부(43), 비교부(44), 및 제어부(45)를 포함한다.
허용 RPM 데이터 저장부(41)는 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)의 허용 RPM 데이터를 저장한다.
허용 토크 데이터 저장부(42)는 저속용 전동기(10)와 속용 전동기(20)의 허용 토크 데이터를 저장한다.
이러한 허용 RPM과 허용 토크는 필요에 따라 사용자가 변경할 수 있다.
데이터 수신부(43)는 저속용 전동기(10) 또는 고속용 전동기(20)의 현재 RPM과 토크에 관한 데이터를 수신한다. 즉 저속용 전동기(10)가 작동하는 경우에는 저속용 전동기(10)의 RPM과 토크를 수신하고, 고속용 전동기(20)가 작동하는 경우에는 고속용 전동기(20)의 RPM과 토크를 수신한다.
비교부(44)는 허용 RPM 데이터 저장부(41)와 허용 토크 데이터 저장부(42)에 저장된 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)의 허용 RPM과 허용 토크를 데이터 수신부(43)에 의해 수신한 현재 저속용 전동기(10) 또는 고속용 전동기(20)의 RPM 및 토크와 비교한다.
제어부(45)는 비교부(44)의 비교결과, 저속용 전동기(10)의 현재 토크가 허용 토크보다 작으면 클러치(32)를 오프(off)하여 고속용 전동기(20)만 작동시키고, 고속용 전동기(10)의 현재 RPM이 허용 RPM 이하이면 클러치를 온(on)하여 저속용 전동기(10)만 작동시키도록 클러치(32)의 온/오프를 제어한다. 이에 따라, 휠 구동장치의 제조비용 및 유지비용을 절감할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법의 절차도를 나타낸다. 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법을 설명한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법은 허용 RPM 및 허용 토크 데이터 저장 단계(S1), 현재 저속용 전동기 및 고속용 전동기의 RPM 및 토크 데이터 수신 단계(S2), 비교 단계(S3), 및 클러치 온/오프 제어 단계(S4)를 포함한다. 또한, 도 9에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법은 클러치(32)를 오프(off)하여 고속용 전동기만 작동시켜 가속하는 단계(S4-1)과 클러치(32)를 온(on)하여 저속용 전동기(10)만 작동시켜 감속하는 단계(S4-2)를 더 포함할 수 있다.
저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)의 허용 RPM 데이터와 허용 토크 데이터를 허용 RPM 데이터 저장부(41)와 허용 토크 데이터 저장부(42)에 저장한다.
허용 RPM 및 허용 토크 데이터 저장 단계(S1) 이후에, 데이터 수신부(43)에서 저속용 전동기(10) 또는 고속용 전동기(20)의 현재 RPM과 토크에 관한 데이터를 수신한다.
현재 저속용 전동기 및 고속용 전동기의 RPM 및 토크 데이터 수신 단계(S2) 이후에, 비교부(44)에서 허용 RPM 데이터 저장부(41)와 허용 토크 데이터 저장부(42)에 저장된 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)의 허용 RPM과 허용 토크를 데이터 수신부(43)에 의해 수신한 현재 저속용 전동기(10) 또는 고속용 전동기(20)의 RPM 및 토크와 비교한다.
비교 단계(S3) 이후에, 비교부(44)의 비교결과 제어부(45)에서 상기 클러치의 온/오프(on/off)를 제어한다.
클러치 온/오프 제어 단계(S4)는 저속용 전동기(10)의 현재 토크가 허용 토크보다 작으면 클러치(32)를 오프(off)하여 고속용 전동기(20)만 작동시켜 가속하는 단계(S4-1)와 고속용 전동기(10)의 현재 RPM이 허용 RPM 이하이면 클러치를 온(on)하여 저속용 전동기(10)만 작동시켜 감속하는 단계(S4-2)를 더 포함한다.
도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치(100)에서 제어유닛(40)의 제어부(45)가 클러치(32)의 온/오프(on/off)를 제어하는 과정을 설명한다.
도 9에서 a는 가속 운전구간, b는 최대 속도 운전 구간, c는 감속 운전구간을 나타내고, 제1 감속기(31)의 감속비가 3:1이고, 제2 감속기(33)의 감속비가 100: 1이다. 휠(9)의 최대 속도는 40km/h이고, 휠(9)의 반경은 0.75m이며, 휠(9)의 최대 회전수(최대 RPM)은 120RPM이다. 허용 RPM은 12,000RPM이고, 허용 토크는 O이다.
도 9에서 초기 가속시에 클러치(32)는 온(on) 상태를 유지한다. 가속시(가속 운전구간인 a)에 클러치(32)는 온(on) 상태를 유지한다. 클러치(32)가 온(on)된 상태를 유지하면서 저속용 전동기(10)는 최대 운전 회전수인 12,000RPM으로 운전되고, 고속용 전동기는 최대 운전 회전수의 1/3인 4,000RPM으로 회전한다. 저속용 전동기(10)의 토크가 0 또는 0에 가까운 임의의 값에 도달하게 되면, 고속용 전동기(10)가 휠 로더의 부하를 대부분 담당하게 된다. 즉, 저속용 전동기(10)의 토크가 0 또는 0에 가까운 임의 값에 도달할 때, 클러치(32)가 가속중에 오프(off)된다.(도 9의 A지점) 또한, 감속 시에는 고속용 전동기의 속도에 맞추어 저속용 전동기(10)를 일정한 속도로 회전시켜 클러치의 속도와 일치하도록 가속한 후에 클러치(32)를 온(on)함으로써 변속시의 충격을 저감할 수 있다.
또한, 도 9의 a의 가속운전 구간 중에서 고속용 전동기(20)의 구동에 의한 회전이 아니라 저속용 전동기(10)가 회전하고 이에 따라 기어 트레인으로 기어 물림 되도록 설치될 수 있다. 이 경우 고속용 전동기(20)에는 전기에너지가 공급되지 않는다.
감속시(감속 운전구간인 c)에 클러치(32)는 오프(off) 상태를 유지한다..클러치(32)가 오프(off)된 상태를 유지하면서 고속용 전동기(20)의 회전수, 즉 허용 RPM이 4000RPM 이하가 되면 저속용 전동기(10)를 4000RPM으로 가속하여 고속용 전동기(20)와 저속용 전동기(10)의 RPM을 동일하게 한 상태에서 클러치(32)가 온(on) 된다.(도 8의 B지점) 만약, 저속용 전동기(10)의 RPM을 고속용 전동기(20)의 RPM과 일치시키지 않고 클러치(32)를 온(on)하게 되면, 클러치(32)가 떨어져서 저속용 전동기(10)는 전혀 회전하지 않은 상태로 있다가 갑자기 회전하면서 클러치(32)의 기구부나 축에 부하를 발생시키고, 이에 따라 클러치, 변속기 등의 파손이나 고장을 일으킬 수 있기 때문에, 저속용 전동기(10)의 RPM을 고속용 전동기(20)의 RPM과 일치시킨 후 클러치(32)를 온(on)시키게 된다.
이에 따라 본 발명에 의한 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치 및 구동방법은 하이브리드 휠 로더에서 모든 휠에 각각 설치되는 소용량의 저속용 전동기와 고속용 전동기와 클러치를 포함하는 변속기 및 제어유닛에 의해 저속 운전시와 고속 운전시에 클러치의 온/오프를 통해 저속 운전시에는 저속용 전동기만 구동시키고, 고속 운전시에는 고속용 전동기만 구동시켜 휠 구동장치의 제조비용을 절감하고, 건설기계의 연비를 향상시키며, 휠에 장착된 타이어의 마모 감소 및 타이어의 내구성을 향상시키고, 주행 안정성을 보장할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 도면에 도시된 변형예와 상기에서 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.
<부호의 설명>
1: 액츄에이터,
2 : 엔진, 3 : 증속기,
4 : 전동 발전기, 4' : 유압펌프,
5 : 축전유닛, 6 : 인버터,
7 : 전동기, 8 : 감속기,
9 : 휠, 10 : 저속용 전동기,
20 : 고속용 전동기, 30 : 변속기,
31 : 제1 감속기, 32 : 클러치,
33 : 제2 감속기, 40 : 제어유닛,
41 : 허용 RPM 데이터 저장부, 42 : 허용 토크 데이터 저장부,
43 : 데이터 수신부, 44 : 비교부,
45 : 제어부.

Claims (10)

  1. 동력을 발생시키는 엔진(2)과, 상기 엔진(2)에 연결되어 전기 에너지를 발생시키는 전동 발전기(4)와, 상기 전동 발전기(4)에 전기적으로 연결되는 축전유닛(5)과, 상기 축전유닛(5)에 연결되는 인버터(6)와, 복수 개의 휠(9)을 구비하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치에 있어서,
    상기 복수 개의 휠(9)에 연결되고, 상기 인버터(6)에 전기적으로 연결되는 저속용 전동기(10);
    상기 복수 개의 휠(9)에 연결되고, 상기 인버터(6)에 전기적으로 연결되는 고속용 전동기(20);
    일측이 상기 복수 개의 휠(9)에 각각 연결되고, 타측이 상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)에 연결되는 변속기(30); 및
    상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)의 구동력을 상기 변속기(30)를 통해 상기 휠(9)에 전달하는 것을 제어하는 제어유닛(40);을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변속기(30)는,
    상기 저속용 전동기(10)에 연결되어, 상기 저속용 전동기(10)의 회전속도를 감속하기 위한 제1 감속기(31);
    상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)에 모두 연결되어, 상기 저속용 전동기(10)의 회전속도 또는 상기 고속용 전동기(20)의 회전속도를 감속하기 위한 제2 감속기(33); 및
    상기 제1 감속기(31)와 상기 제2 감속기(33) 사이에 설치되어, 상기 휠(9)에 상기 저속용 전동기(10)의 동력전달을 온/오프(on/off)하는 클러치(32);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛(40)은 저속 운전시에는 상기 저속용 전동기(10)를 구동시키고, 고속 운전시에는 상기 고속용 전동기(20)를 구동시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛(40)은 저속 운전시에는 상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)를 함께 구동시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엔진(2)과 상기 전동 발전기(4)의 사이에 설치되는 증속기(3);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는 상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)에 각각 별도로 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어유닛(40)은,
    상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)의 허용 RPM 데이터를 저장하는 허용 RPM 데이터 저장부(41);
    상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)의 허용 토크 데이터를 저장하는 허용 토크 데이터 저장부(42);
    상기 저속용 전동기(10) 또는 상기 고속용 전동기(20)의 현재 RPM과 토크에 관한 데이터를 수신하는 데이터 수신부(43);
    상기 허용 RPM 데이터 저장부(41)와 상기 허용 토크 데이터 저장부(42)에 저장된 상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)의 허용 RPM과 허용 토크를 상기 데이터 수신부(43)에 의해 수신한 현재 상기 저속용 전동기(10) 또는 상기 고속용 전동기(20)의 RPM 및 토크와 비교하는 비교부(44); 및
    상기 비교부(44)의 비교결과, 상기 저속용 전동기(10)의 현재 토크가 허용 토크보다 작으면 클러치(32)를 오프(off)하여 상기 고속용 전동기(20)를 작동시키고, 상기 고속용 전동기(10)의 현재 RPM이 허용 RPM 이하이면 클러치(32)를 온(on)하여 상기 저속용 전동기(10)를 작동시키도록 상기 클러치(32)의 온/오프(on/off)를 제어하는 제어부(45);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)는 동일한 전동기 용량을 구비하고,
    상기 제1 감속기(31)의 감속비는 3:1이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동장치.
  9. 저속용 전동기(10)와 고속용 전동기(20)의 허용 RPM 데이터와 허용 토크 데이터를 허용 RPM 데이터 저장부(41)와 허용 토크 데이터 저장부(42)에 저장하는 단계(S1);
    데이터 수신부(43)에서 상기 저속용 전동기(10) 또는 상기 고속용 전동기(20)의 현재 RPM과 토크에 관한 데이터를 수신하는 단계(S2);
    비교부(44)에서 상기 허용 RPM 데이터 저장부(41)와 상기 허용 토크 데이터 저장부(42)에 저장된 상기 저속용 전동기(10)와 상기 고속용 전동기(20)의 허용 RPM과 허용 토크를 상기 데이터 수신부(43)에 의해 수신한 현재 상기 저속용 전동기(10) 또는 상기 고속용 전동기(20)의 RPM 및 토크와 비교하는 단계(S3); 및
    상기 비교부(44)의 비교결과, 제어부(45)에서 상기 클러치의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계(S4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 클러치의 온/오프를 제어하는 단계(S4)는,
    상기 저속용 전동기(10)의 현재 토크가 허용 토크보다 작으면 클러치(32)를 오프(off)하여 상기 고속용 전동기(20)만 작동시켜 가속하는 단계(S4-1); 및
    상기 고속용 전동기(10)의 현재 RPM이 허용 RPM 이하이면 클러치를 온(on)하여 상기 저속용 전동기(10)만 작동시켜 감속하는 단계(S4-2);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 휠 구동방법.
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