WO2015182943A1 - 건설기계를 위한 휠 구동 시스템 - Google Patents

건설기계를 위한 휠 구동 시스템 Download PDF

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WO2015182943A1
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drive shaft
wheel
transmission
construction machine
speed
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정은수
김창현
김동목
조이형
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두산인프라코어 주식회사
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    • Y10S903/902—Prime movers comprising electrical and internal combustion motors
    • Y10S903/903—Prime movers comprising electrical and internal combustion motors having energy storing means, e.g. battery, capacitor
    • Y10S903/904—Component specially adapted for hev
    • Y10S903/915—Specific drive or transmission adapted for hev
    • Y10S903/917—Specific drive or transmission adapted for hev with transmission for changing gear ratio
    • Y10S903/919—Stepped shift

Definitions

  • the present invention relates to a wheel drive system for a construction machine. More particularly, the present invention relates to a wheel drive system of a hybrid construction machine.
  • an electric motor capable of generating high torque is heavy, has a large volume, and has a high price.
  • the construction machine having the electric motor is also heavy and bulky, so that the fuel economy and work efficiency of the construction machine are lowered.
  • a new wheel drive system for reducing the load conditions of the motors and increasing the wheel drive efficiency of the motors, respectively, in consideration of the fact that a plurality of motors each drive a plurality of wheels. need.
  • An object of the present invention to provide a wheel drive system that can improve the wheel drive efficiency.
  • Wheel drive system for achieving the above object of the present invention is a generator connected to the engine for generating electrical energy, driving at least one front wheel and the front to receive the electrical energy from the generator to generate a drive torque
  • a front axle having a front transmission for receiving the driving torque from an electric motor and the front electric motor and converting the driving torque into a necessary conversion torque according to the speed of the construction machine and transmitting the driving torque to the front wheel through the front drive shaft;
  • a rear motor which receives the electric energy from the generator and generates the driving torque, and receives the driving torque from the rear motor, and converts the driving torque into a necessary conversion torque according to the speed of the construction machine through a rear drive shaft.
  • Rear shifting to the rear wheels The rear axle, and is adapted to be connected respectively to the front driving shaft and said rear drive shaft having comprises a central connecting unit for delivering each other between the converted torque the front axle and the rear axle.
  • the front transmission and the rear transmission have at least two transmission speeds, respectively, in the same transmission stage, the front transmission has a first transmission ratio and the rear transmission has a second, different from the first transmission ratio. It may be provided to have a speed ratio.
  • the first speed ratio may be greater than the second speed ratio.
  • the front transmission is provided to be shiftable when the construction machine reaches a first speed allowable speed
  • the rear transmission is a second shift that the construction machine is different from the first speed allowable speed It may be provided to be shiftable when the allowable speed is reached.
  • the front transmission and the rear transmission have at least two gear shifts, respectively, wherein the front when the speed of the construction machine is within a range of a first shift allowable speed to a second shift allowable speed.
  • the transmission and the rear transmission may be provided to be at different gears.
  • the front wheel may include a front left wheel and a front right wheel
  • the front drive shaft may include a front left drive shaft and a front right drive shaft respectively connected to the front left wheel and the front right wheel.
  • the front axle may further include a front drive shaft connecting unit connecting the front left drive shaft and the front right drive shaft, and the center connecting unit may be provided to be connectable with the front drive shaft connecting unit.
  • the front drive shaft connecting unit may include a differential gear.
  • the rear wheel may include a rear left wheel and a rear right wheel
  • the rear drive shaft may include a rear left drive shaft and a rear right drive shaft respectively connected to the rear left wheel and the rear right wheel.
  • the rear axle may further include a rear driving shaft connecting unit connecting the rear left driving shaft and the rear right driving shaft, and the central connecting unit may be provided to be connectable with the rear driving shaft connecting unit.
  • the rear drive shaft connecting unit may include a differential gear.
  • Hybrid construction machinery concentrates the load on the front axle or the rear axle of the construction machine when performing heavy load work.
  • the load is concentrated on the front axle and the load does not act on the rear axle.
  • the front axle and the rear axle should each include an electric motor capable of generating high torque. Electric motors capable of generating high torque are generally heavy and bulky, which lowers fuel economy and work efficiency of the construction machine with the electric motor.
  • the wheel drive system connects the light and small front and rear motors to the front transmission and the rear transmission, respectively, although the maximum output torque is not large, and the low drive torque generated by the front and rear motors, respectively. It is possible to drive the front and rear wheels respectively by switching to a high conversion torque. Therefore, it is possible to reduce the weight of the construction machine and improve the fuel efficiency and work efficiency of the construction machine. In addition, since the front transmission and the rear transmission have different transmission ratios, while satisfying the traction rod required by the construction machine, without interruption of torque transmission that occurs instantaneously when a shift occurs in the front transmission and the rear transmission. High load operation can be performed.
  • the conversion torque generated by the rear axle may be transmitted to the front axle through a central connecting unit. Therefore, since the front motor and the rear motor can bear the load, the load condition of the front motor and the rear motor can be reduced, and the construction machine is composed of small and light motors although the maximum output torque is not high. Can be. Therefore, the construction machine can improve fuel efficiency and work efficiency due to the light weight.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a wheel drive system according to example embodiments.
  • Figure 2 is a graph showing the torque according to the speed of the construction machine having the wheel drive system of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating conversion torques that each wheel transmits to the ground when the wheel driving system of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating conversion torques that each wheel transmits to the ground when the wheel driving system of FIG. 1 performs a high load operation.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a wheel drive system according to example embodiments.
  • Figure 2 is a graph showing the torque according to the speed of the construction machine having the wheel drive system of FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating conversion torques that each wheel transmits to the ground when the wheel driving system of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating conversion torques that each wheel transmits to the ground when the wheel driving system of FIG. 1 performs a high load operation.
  • the wheel drive system includes a generator 200 connected to the engine 100 to generate electric energy, a front axle 300 driving the at least one front wheel through the front drive shaft, and a rear drive shaft. It may include a rear axle 400 for driving at least one rear wheel through, and a central connection unit 500 provided to be connected to the front drive shaft and the rear drive shaft, respectively.
  • the front axle 300 is supplied with the electric energy from the generator 200 to generate a driving torque, and the drive torque is supplied from the front motor and the front motor to convert the drive torque to the required conversion torque according to the speed of the construction machine And may include a front transmission that transmits to the front wheel through the front drive shaft.
  • the rear axle 400 is supplied with the electric energy from the generator 200 and generates a driving torque, and receives the driving torque from the rear motor and the driving torque, and converts the necessary torque according to the speed of the construction machine. It may include a rear transmission to be transferred to the rear wheel through the rear drive shaft.
  • the front wheel includes a front left wheel 310 and a front right wheel 312, the front drive shaft being front connected to the front left wheel 310 and the front right wheel 312, respectively. It may include a left drive shaft 302 and a front right drive shaft (304).
  • the front transmission may include a front left transmission 360 and a front right transmission 362, and the front electric motor may include a front left electric motor 320 and a front right electric motor 322.
  • the rear wheel includes a rear left wheel 410 and a rear right wheel 412
  • the rear drive shaft is a rear left drive shaft 402 and a rear right connected to the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412, respectively. It may include a drive shaft (404).
  • the rear transmission may include a rear left transmission 460 and a rear right transmission 462, and the rear electric motor may include a rear left electric motor 420 and a rear right electric motor 422.
  • the engine 100 may generate a driving force by burning fuel and transmit the driving force to the generator 200 through the engine shaft 102.
  • the engine 100 may be a diesel engine.
  • the engine 100 may be a liquefied natural gas (LNG) engine, a compressed natural gas (CNG) engine, an adsorption natural gas (ANG) engine, a liquefied petroleum gas (LPG) engine, or a gasoline engine.
  • LNG liquefied natural gas
  • CNG compressed natural gas
  • ANG adsorption natural gas
  • LPG liquefied petroleum gas
  • a hydraulic pump (not shown) may be directly connected to the engine shaft 102 to receive the driving force from the engine 100.
  • the hydraulic pump may provide hydraulic power to the actuators, respectively, for driving the attachment device of the construction machine.
  • the attachment device may include a boom, a bucket, and the like.
  • the generator 200 may receive the driving force from the engine 100 to produce the electrical energy using an electromagnetic induction action.
  • the generator 200 may be an alternator or a direct current generator.
  • the generator 200 may supply the produced electric energy to the front axle 300 and the rear axle 400 through the integrated inverter 210, respectively.
  • the integrated inverter 210 may convert the electrical energy produced by the generator 200 from DC to AC or from AC to DC.
  • the integrated inverter 210 may convert the shape of the electrical energy so as to be connected to the generator 200, the front axle 300, and the rear axle 400, respectively. Since one integrated inverter 210 can connect the devices, respectively, it is possible to increase the space efficiency of the construction machine.
  • the integrated inverter 210 includes a generator 200, a front left motor 320 and a front right motor 322 of the front axle 300, and a rear left motor 420 and a rear right of the rear axle 400. It may be connected to the motor 422, respectively.
  • Inverters (not shown) may be provided respectively.
  • the generator 200, the front left motor 320 and front right motor 322 of the front axle 300, and the rear left motor 420 and rear right motor of the rear axle 400 And an energy recovery device 220 that is electrically connected to each of 422 to store electrical energy.
  • the energy recovery device 220 may be connected to the generator 200, the front left electric motor 320 and the front right electric motor 322 of the front axle 300, and the rear axle 400 through the integrated inverter 210.
  • the rear left motor 420 and the rear right motor 422 may be electrically connected to each other.
  • the energy recovery device 220 may include a battery or a capacitor.
  • the energy recovery device 220 may store the electrical energy generated by the generator 200 through the integrated inverter 210.
  • the energy recovery device 220 is the electric energy remaining from the front left electric motor 320, the front right electric motor 322, the rear left electric motor 420, and the rear right electric motor 422. It may be stored through the integrated inverter 210.
  • the energy recovery device 220 includes the front left electric motor 320, the front right electric motor 322, and the rear. The electric energy can be stably supplied to the left electric motor 420 and the rear right electric motor 422.
  • the front axle 300 drives the front left wheel 310 and the front right wheel 312, and receives the electric energy from the generator 200 to generate the drive torque and the front left electric motor 320 and the front right electric motor. 322 and the drive torque to the required conversion torque according to the speed of the construction machine to the front left wheel 310 and the front right wheel 312 via the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304.
  • a front left transmission 360 and a front right transmission 362 may be provided to transfer the conversion torque, respectively.
  • the front axle 300 may further include a front drive shaft connecting unit 350 connecting the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304.
  • the rear axle 400 drives the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412, respectively, and receives the electric energy from the generator 200 to generate the driving torque.
  • the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412 through the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404 by replacing the electric motor 462 and the drive torque with the necessary conversion torque according to the speed of the construction machine.
  • the rear left transmission 460 and the rear right transmission 462 for transmitting the conversion torque to each may include.
  • the rear axle 400 may further include a rear drive shaft connecting unit 450 connecting the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404.
  • the front left electric motor 320, the front right electric motor 322, the rear left electric motor 420, and the rear right electric motor 422 receive the electric energy produced from the generator 200 through the integrated inverter 210. Drive torque can be generated respectively.
  • the front left electric motor 320, the front right electric motor 322, the rear left electric motor 420, and the rear right electric motor 422 may include an AC motor or a DC motor.
  • the AC motor may be a three-phase AC motor.
  • the AC motor may be a single phase AC motor.
  • the front left transmission 360, the front right transmission 362, the rear left transmission 460, and the rear right transmission 462 are the front left electric motor 320, the front right electric motor 322, the rear left electric motor 420, And the driving torques are respectively supplied from the rear right motor 422 and converted into the necessary conversion torques according to the speed of the construction machine, and the front left drive shaft 302, the front right drive shaft 304, and the rear left drive shaft 402.
  • the front left wheel 310, the front right wheel 312, the rear left wheel 410, and the rear right wheel 412 may be driven through the rear right driving shaft 404.
  • the front left transmission 360, the front right transmission 362, the rear left transmission 460, and the rear right transmission 462 may include at least one clutch and at least one reducer, respectively.
  • the clutch and the reducer may be arranged in a gear train.
  • the front left gearbox 360, the front right gearbox 362, the rear left gearbox 460, and the rear right gearbox 462 may set gear ratios using gears of various diameters and gears of various diameters, respectively. have.
  • the front left gearbox 360, the front right gearbox 362, the rear left gearbox 460, and the rear right gearbox 462 may have at least two gear stages, respectively.
  • the front left gearbox 360 and the front right gearbox 362 have a first gear ratio and the rear left gearbox 460 and the rear right gearbox 462 at the same gear stage. It may have a second speed ratio different from the speed ratio. In addition, the first speed ratio may be greater than the second speed ratio at the same speed stage.
  • the front left gearbox 360 and the front right gearbox 362 may have a gear ratio of 3: 1 in the first stage and a gear ratio of 1: 1 in the second gear, respectively.
  • the rear left transmission 460 and the rear right transmission 462 may each have a speed ratio of 2: 1 in the first stage, and may have a transmission ratio of 1: 1 in the second stage.
  • front left transmission 360 and the front right transmission 362 may be provided to be shiftable when the construction machine reaches the first shift allowable speed w1, respectively.
  • the rear left transmission 460 and the rear right transmission 462 may be respectively provided to be shiftable when the construction machine reaches a second shift allowable speed w2 different from the first shift allowable speed.
  • the front transmission and the rear transmission are different from each other. It may be provided to be in.
  • the driving torques of the front left motor 320, the front right motor 322, the rear left motor 420, and the rear right motor 422 are in inverse proportion. That is, the product of the motor speed and the drive torque has a constant relationship.
  • the front left transmission 360 and the front right transmission 362 of the front axle 300 may shift from one gear to two gears when the speed of the construction machine increases and the first shift allowable speed w1 is reached. have.
  • the rear left transmission 460 and the rear right transmission 462 of the rear axle 400 increases from the first gear to the second gear when the speed of the construction machine increases and the second shift allowable speed w2 is reached. You can shift.
  • the front left transmission 360 and the front right transmission 362 of the front axle 300 may shift from two gears to one gear when the speed of the construction machine decreases and reaches a third shift allowable speed.
  • the rear left transmission 460 and the rear right transmission 462 of the rear axle 400 may shift from two gears to one gear when the speed of the construction machine decreases and reaches a fourth speed allowable speed. .
  • the front left transmission 360, the front right transmission 362, the rear left transmission 460, and the rear right transmission 462 are the front left electric motor 320, the front right electric motor 322, the rear left electric motor 420, And the driving torque generated by the rear right motor 422 respectively to the conversion torque required according to the speed of the construction machine, respectively, so that the front left wheel 310, the front right wheel 312, the rear left wheel 410, and Each of the rear right wheels 412 can be driven.
  • the construction machine Since the construction machine must perform a high load operation, it must be provided with an electric motor capable of generating a high torque.
  • motors capable of generating high torque are large in size and heavy.
  • the front and rear wheels may be driven by converting a low driving torque into a high conversion torque by connecting the front electric motor and the rear electric motor, which are light and small but the maximum torque is not large, to the front transmission and the rear transmission, respectively. Therefore, the weight of the construction machine can be reduced, the price can be lowered, and the fuel efficiency and work efficiency of the construction machine can be improved.
  • the sum of the torque generated by the front axle 300 and the torque generated by the rear axle 400 may satisfy the traction rod required by the construction machine. That is, if an appropriate transmission is made in the construction machine with the front gearbox 1 and the rear gearbox 1, the front gearbox 2 and the rear gearbox 1, and the front gearbox 2 and the rear gearbox 2, Wheel drive system according to the embodiments can generate the required torque in accordance with the speed of the construction machine.
  • the front transmission may have the first transmission ratio
  • the rear transmission may have the second transmission ratio that is different from the first transmission ratio.
  • the front transmission may be shifted when the construction machine reaches the first speed allowable speed
  • the rear transmission may allow the construction machine to reach a second speed allowable speed different from the first speed allowable speed.
  • the wheel drive system may perform a high load operation without interrupting torque transmission occurring during shifting while satisfying the traction rod required by the construction machine.
  • the front left wheel 310 and the front right wheel 312 may be driven in connection with the front left transmission 360 and the front right transmission 362 through the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304, respectively. have.
  • the front left wheel 310 and the front right wheel 312 may support a load along with a tire (not shown) and transmit the conversion torque to the ground.
  • the front left wheel 310 and the front right wheel 312 may perform a steering action and a braking action.
  • the front axle 300 may further include a front drive shaft connecting unit 350 connecting the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304.
  • the front drive shaft connecting unit 350 may include a differential gear.
  • the front drive shaft connection unit 350 may transfer the conversion torque transmitted from the central connection unit 500 to be described later to the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304 of the front axle 300, respectively.
  • the front drive shaft connecting unit 350 may transmit the conversion torque transmitted from the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304 to the central connection unit 500.
  • the front drive shaft connecting unit 350 may enable the front left wheel 310 and the front right wheel 312 respectively connected to the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304 to rotate at different speeds. .
  • the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412 may be driven in connection with the rear left transmission 460 and the rear right transmission 462 through the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404, respectively. have.
  • the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412 may support a load along with a tire (not shown) and transmit the conversion torque to the ground.
  • the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412 may perform a braking action.
  • the rear axle 400 may further include a rear drive shaft connecting unit 450 connecting the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404.
  • the rear drive shaft connecting unit 450 may include a differential gear.
  • the rear drive shaft connection unit 450 may transfer the conversion torque transmitted from the central connection unit 500 to be described later to the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404 of the rear axle 400, respectively.
  • the rear drive shaft connecting unit 450 may transfer the conversion torque transmitted from the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404 to the central connection unit 500.
  • the rear drive shaft connecting unit 450 may enable the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412 respectively connected to the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404 to rotate at different speeds. .
  • the central connection unit 500 is provided to be connectable with the front driving shaft and the rear driving shaft, respectively, and transfers the conversion torque between the front axle 300 and the rear axle 400.
  • the central connection unit 500 is connected to the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304 through the front drive shaft connecting unit 350, respectively, and the rear left drive shaft through the rear drive shaft connecting unit 450. 402 and the rear right drive shaft 404, respectively.
  • the central connection unit 500 receives the conversion torque transmitted from the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404 through the rear drive shaft connecting unit 450, and the conversion torque is supplied to the front drive shaft connecting unit 350. It can be supplied to the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304 through.
  • the center connection unit 500 receives the conversion torque transmitted from the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304 through the front drive shaft connecting unit 350, and the conversion torque is supplied to the rear drive shaft connecting unit ( It may be supplied to the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404 through the 450, respectively.
  • the central connection unit 500 may include a hollow steel pipe capable of withstanding strong rotational force and torsion.
  • the central connection unit 500 may include a composite material such as alloy or carbon fiber to improve fuel efficiency or power transmission performance.
  • the central connection unit 500 may include a propeller shaft.
  • central connection unit 500 may connect the central connection unit 500, the front drive shaft connection unit 350, and the rear drive shaft connection unit 450, respectively, through a universal joint (not shown).
  • the center connecting unit 500 is torsion caused by the instantaneous change of the average speed of the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304 and the average speed of the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404 It may further include a torsional vibration damping unit (not shown) for damping.
  • the torsional vibration damping portion is the average speed of the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304 and the rear left drive shaft 402 during the transient state.
  • the distortion caused when the average speeds of the rear right driving shaft 404 are different from each other can be attenuated.
  • the central connection unit 500 may further include a torsional damper.
  • the front axle 300 may further include a front left reducer 340 and a front right reducer 342 on the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304, respectively.
  • the front axle 300 may further include a front left wheel brake 330 and a front right wheel brake 332 on the front left drive shaft 302 and the front right drive shaft 304, respectively.
  • the rear axle 400 may further include a rear left reducer 440 and a rear right reducer 442 on the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404, respectively.
  • the rear axle 400 may further include a rear left wheel brake 430 and a rear right wheel brake 432 on the rear left drive shaft 402 and the rear right drive shaft 404, respectively.
  • the front left reducer 340, the front right reducer 342, the rear left reducer 440, and the rear right reducer 442 are the front left wheel 310, the front right wheel 312, the rear left wheel 410, And by reducing the rotation speed of the rear right wheel 412, respectively, the torques of the front left wheel 310, the front right wheel 312, the rear left wheel 410, and the rear right wheel 412 can be increased, respectively.
  • the front left wheel brake 330, the front right wheel brake 332, the rear left wheel brake 430, and the rear right wheel brake 432 are the front left wheel 310, the front right wheel 312, and the rear left wheel. 410 and the rear right wheel 412 may be braked, respectively.
  • the front left electric motor 320, the front right electric motor 322, the rear left electric motor 420, and the rear right of the wheel drive system according to the exemplary embodiments when the construction machine is traveling in general.
  • the electric motors 422 provide about 25 torques each.
  • the front left wheel 310, the front right wheel 312, the rear left wheel 410, and the rear right wheel 412 can drive the construction machine by applying about 25 driving torques to the ground, respectively. .
  • the load is mainly concentrated on the front axle 300 of the construction machine and the rear left wheel 410 and rear right driven by the rear axle 400. Since the wheel 412 slides on the ground or even floats on the ground, the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412 cannot apply torque to the ground.
  • the rear left wheel 410 and the rear right wheel 412 cannot apply torque to the ground.
  • the rear left wheel 410 and Wheel slips of the rear right wheel 412 occur, respectively, and only the front left wheel 310 and the front right wheel 312 apply torque to the ground, respectively.
  • the rear axle 400 and the front axle 300 are connected by the central connection unit 500, respectively, the rear left wheel 410 driven by the rear axle 400.
  • the rear right wheel 412 does not increase in speed due to the wheel slip, and the conversion torque generated from the rear axle 400 may be transmitted to the front axle 300 through the central connection unit 500.
  • the driving torque generated by the rear left electric motor 420 and the rear right electric motor 422 is transmitted to the central connection unit 500 through the rear drive shaft connection unit 450.
  • the rear left electric motor 420 and the rear right electric motor 422 generate about 25 torques, respectively, and about 50 torques are transmitted to the central connection unit 500.
  • the torque of about 50 transmitted to the central connection unit 500 is transmitted to the front left wheel 310 and the front right wheel 312 through the front drive shaft connection unit 350. Accordingly, when the front left motor 320, the front right motor 322, the rear left motor 420, and the rear right motor 422 generate torques corresponding to about 25, respectively, the front left wheel 310 and the front right About 50 torques may be transmitted to the wheels 312, respectively.
  • the rear axle 400 through the central connecting unit 500. Since the conversion torque generated by the thrust torque can be transmitted to the front axle 300, load conditions of the front left motor 320, the front right motor 322, the rear left motor 420, and the rear right motor 422 In the situation where the load can be reduced and only the front axle 300 or the rear axle 400 is applied, the respective motors 320, 322, 420, and 422 can appropriately divide the load.
  • the front left electric motor 320, the front right electric motor 322, the rear left electric motor 420, and the rear right electric motor 422 do not have to have a high maximum output torque and the construction machine may be composed of light and small electric motors.
  • the construction machine can be miniaturized, and light weight can improve fuel efficiency and work efficiency.
  • front left wheel brake 332 front right wheel brake
  • front right reducer 342 front left reducer

Landscapes

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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기, 전방 구동축을 통하여 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키는 전방 액슬, 후방 구동축을 통하여 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키는 후방 액슬, 및 전방 구동축과 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되는 중앙 연결유닛을 포함할 수 있다. 전방 액슬 및 후방 액슬은 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 후방 전동기, 및 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 휠 및 후방 휠에 각각 전달하는 전방 변속기 및 후방 변속기를 각각 포함할 수 있다. 다수개의 변속기가 서로 다른 변속비들 및 변속시점들을 각각 가질 수 있으므로, 건설기계의 트랙션 로드를 만족하며 변속시에 토크가 연속적으로 전달될 수 있다. 또한, 작고 가벼운 전동기들을 사용할 수 있어, 건설기계의 경량화, 소형화가 가능하고 연비 개선 및 작업효율 개선이 가능하다.

Description

건설기계를 위한 휠 구동 시스템
본 발명은 건설기계를 위한 휠 구동 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 하이브리드 건설기계의 휠 구동 시스템에 관한 것이다.
최근 엔진과 발전기를 동력원으로 각각 이용하는 하이브리드 구동 시스템에 대한 연구가 증가하는 추세이다. 상기 하이브리드 구동 시스템을 갖는 건설기계는 일반 주행부터 고하중 작업까지 수행을 해야 하므로, 상기 건설기계의 전방 액슬 및 후방 액슬에 각각 포함된 전동기는 낮은 토크부터 높은 토크까지 각각 발생할 수 있어야 한다.
일반적으로 높은 토크를 발생할 수 있는 전동기는 무게가 무겁고, 큰 부피 및 고가의 가격을 가진다. 상기 전동기를 갖는 건설기계 또한 무겁고 부피가 커지므로 상기 건설기계의 연비 및 작업효율이 떨어지는 문제가 발생한다.
상기 하이브리드 구동 시스템을 갖는 건설기계에 있어서, 다수개의 전동기들이 다수개의 휠들을 각각 구동하는 점을 고려하여 상기 전동기들의 부하조건을 각각 경감하고 상기 전동기들의 휠 구동 효율을 각각 증가시키는 새로운 휠 구동 시스템이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 휠 구동 효율을 향상시킬 수 있는 휠 구동 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 휠 구동 시스템은 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기, 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키며 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 상기 전방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 구동축을 통하여 상기 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 갖는 전방 액슬, 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키며 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기 및 상기 후방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 후방 구동축을 통하여 상기 후방 휠에 전달하는 후방 변속기를 갖는 후방 액슬, 및 상기 전방 구동축과 상기 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되며 상기 변환토크를 상기 전방 액슬 및 상기 후방 액슬 사이에서 서로 전달하기 위한 중앙 연결유닛을 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기는 적어도 2의 변속단수를 각각 가지고, 동일한 변속단에서 상기 전방 변속기는 제1 변속비를 갖고 상기 후방 변속기는 상기 제1 변속비와 다른 제2 변속비를 가지도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 변속비보다 상기 제1 변속비가 더 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 변속기는 상기 건설기계가 제1 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비되고, 상기 후방 변속기는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도와 다른 제2 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기는 적어도 2의 변속단수를 각각 가지고, 상기 건설기계의 상기 속도가 제1 변속 허용 속도 내지 제2 변속 허용 속도의 범위 이내에 있을 때 상기 전방 변속기와 상기 후방 변속기는 서로 다른 변속단에 있을 수 있도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 휠은 전방 좌측 휠과 전방 우측 휠을 포함하고, 상기 전방 구동축은 상기 전방 좌측 휠과 상기 전방 우측 휠에 각각 연결된 전방 좌측 구동축 및 전방 우측 구동축을 포함할 수 있다. 상기 전방 액슬은 상기 전방 좌측 구동축 및 상기 전방 우측 구동축을 연결하는 전방 구동축 연결유닛을 더 포함하고, 상기 중앙 연결유닛은 상기 전방 구동축 연결유닛과 연결 가능하도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 구동축 연결유닛은 차동기어를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 후방 휠은 후방 좌측 휠과 후방 우측 휠을 포함하고, 상기 후방 구동축은 상기 후방 좌측 휠과 상기 후방 우측 휠에 각각 연결된 후방 좌측 구동축 및 후방 우측 구동축을 포함할 수 있다. 상기 후방 액슬은 상기 후방 좌측 구동축 및 상기 후방 우측 구동축을 연결하는 후방 구동축 연결유닛을 더 포함하고, 상기 중앙 연결유닛은 상기 후방 구동축 연결유닛과 연결 가능하도록 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 후방 구동축 연결유닛은 차동기어를 포함할 수 있다.
하이브리드 건설기계는 고하중 작업을 수행할 때 상기 건설기계의 전방 액슬 또는 후방 액슬에 하중이 집중된다. 특히, 휠 로더의 전진 굴삭 또는 트랙터의 트랙션에 있어서, 상기 전방 액슬에 상기 하중이 집중되고 상기 후방 액슬에는 상기 하중이 작용하지 않는다. 하지만, 상기 전방 액슬 및 상기 후방 액슬은 높은 토크를 발생시킬 수 있는 전동기를 각각 포함해야 한다. 높은 토크를 발생시킬 수 있는 전동기는 일반적으로 무겁고, 부피가 크므로 상기 전동기를 갖는 상기 건설기계의 연비 및 작업효율을 낮춘다.
예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 최대 출력 토크가 크지 않지만 가볍고 작은 전방 전동기 및 후방 전동기를 전방 변속기 및 후방 변속기에 각각 연결하고, 상기 전방 전동기 및 상기 후방 전동기가 각각 발생하는 낮은 구동토크를 높은 변환토크로 바꾸어 전방 휠 및 후방 휠을 각각 구동할 수 있다. 따라서, 상기 건설기계의 무게를 줄일 수 있고 상기 건설기계의 연비 및 작업효율을 개선할 수 있다. 또한, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기가 서로 다른 변속비를 가지므로, 상기 건설기계가 필요로 하는 트랙션 로드를 만족시키면서 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기에서 변속이 일어날 때 순간적으로 발생하는 토크 전달의 중단없이 고하중 작업을 수행할 수 있다.
또한, 상기 후방 액슬에 의해 구동되는 후방 휠이 상기 변환토크를 지면에 작용할 수 없는 상황에도 중앙 연결유닛을 통하여 상기 후방 액슬에 의해 발생되는 상기 변환토크를 상기 전방 액슬로 전달할 수 있다. 따라서, 상기 전방 전동기 및 상기 후방 전동기가 부하를 나누어 부담할 수 있으므로, 상기 전방 전동기 및 상기 후방 전동기의 부하조건을 줄일 수 있고, 상기 건설기계는 최대 출력 토크가 높지 않지만 작고 가벼운 전동기들로 구성될 수 있다. 따라서 상기 건설기계는 가벼운 무게로 인해 연비가 개선되며 작업 효율이 향상될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 휠 구동 시스템을 갖는 건설기계의 속도에 따른 토크를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 휠 구동 시스템이 일반 주행할 때 각 휠들이 지면에 전달하는 변환토크들을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 휠 구동 시스템이 고하중 작업을 할 때 각 휠들이 지면에 전달하는 변환토크들을 나타내는 단면도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템을 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 휠 구동 시스템을 갖는 건설기계의 속도에 따른 토크를 나타내는 그래프이다. 도 3은 도 1의 휠 구동 시스템이 일반 주행할 때 각 휠들이 지면에 전달하는 변환토크들을 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 1의 휠 구동 시스템이 고하중 작업을 할 때 각 휠들이 지면에 전달하는 변환토크들을 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 휠 구동 시스템은 엔진(100)에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기(200), 전방 구동축을 통하여 적어도 하나의 전방 휠을 구동시키는 전방 액슬(300), 후방 구동축을 통하여 적어도 하나의 후방 휠을 구동시키는 후방 액슬(400), 및 상기 전방 구동축과 상기 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되는 중앙 연결유닛(500)을 포함할 수 있다.
전방 액슬(300)은 발전기(200)로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 상기 전방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 상기 전방 구동축을 통하여 상기 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 포함할 수 있다.
후방 액슬(400)은 발전기(200)로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기 및 상기 후방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 상기 후방 구동축을 통하여 상기 후방 휠에 전달하는 후방 변속기를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전방 휠은 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)을 포함하고, 상기 전방 구동축은 전방 좌측 휠(310)과 전방 우측 휠(312)에 각각 연결된 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 포함할 수 있다.
상기 전방 변속기는 전방 좌측 변속기(360) 및 전방 우측 변속기(362)를 포함할 수 있고, 상기 전방 전동기는 전방 좌측 전동기(320) 및 전방 우측 전동기(322)를 포함할 수 있다.
상기 후방 휠은 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)을 포함하고, 상기 후방 구동축은 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)에 각각 연결된 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 포함할 수 있다.
상기 후방 변속기는 후방 좌측 변속기(460) 및 후방 우측 변속기(462)를 포함할 수 있고, 상기 후방 전동기는 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)를 포함할 수 있다.
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.
또한, 유압펌프(도시되지 않음)는 엔진축(102)에 직결되어 엔진(100)으로부터 상기 구동력을 전달받을 수 있다. 상기 유압펌프는 건설기계의 부착장치를 구동하기 위해 액츄에이터들에 유압동력을 각각 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 부착장치는 붐, 버켓 등을 포함할 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) 및 후방 액슬(400)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), 및 후방 액슬(400)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) 및 전방 우측 전동기(322), 및 후방 액슬(400)의 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)에 각각 연결될 수 있다. 이와는 달리, 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)를 위한 인버터들(도시되지 않음)이 각각 구비될 수도 있다.
예시적인 실시예들에 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)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 상기 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 저장할 수 있다. 엔진(100)으로부터 상기 구동력이 불안정하게 공급되어 발전기(200)가 상기 전기에너지를 안정적으로 생산하지 못할 때, 에너지 회수 장치(220)는 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)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.
예를 들어, 전방 액슬(300)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 연결하는 전방 구동축 연결유닛(350)을 더 포함할 수 있다.
후방 액슬(400)은 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)을 각각 구동시키며, 발전기(200)로부터 상기 전기에너지를 공급받아 상기 구동토크를 발생하는 후방 좌측 전동기(460) 및 후방 우측 전동기(462), 및 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 통하여 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)에 상기 변환토크를 각각 전달하는 후방 좌측 변속기(460) 및 후방 우측 변속기(462)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 후방 액슬(400)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 연결하는 후방 구동축 연결유닛(450)을 더 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), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)로부터 상기 구동토크를 각각 공급받아 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 각각 변환할 수 있고, 전방 좌측 구동축(302), 전방 우측 구동축(304), 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 통하여 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)을 각각 구동할 수 있다.
전방 좌측 변속기(360), 전방 우측 변속기(362), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)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), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)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), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 적어도 2의 변속단수를 각각 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 동일한 변속단에서 전방 좌측 변속기(360), 및 전방 우측 변속기(362)는 제1 변속비를 갖고 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 제1 변속비와 다른 제2 변속비를 가질 수 있다. 또한, 동일한 변속단에서 상기 제2 변속비보다 상기 제1 변속비가 더 클 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. 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 1단에서 2:1의 변속비를 각각 갖고, 2단에서 1:1의 변속비를 각각 가질 수 있다.
또한, 전방 좌측 변속기(360), 및 전방 우측 변속기(362)는 상기 건설기계가 제1 변속 허용 속도(w1)에 도달할 때 변속 가능하게 각각 구비될 수 있다. 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도와 다른 제2 변속 허용 속도(w2)에 도달할 때 변속 가능하게 각각 구비될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계의 상기 속도가 제1 변속 허용 속도(w1) 내지 제2 변속 허용 속도(w2)의 범위 이내에 있을 때, 상기 전방 변속기와 상기 후방 변속기는 서로 다른 변속단에 있을 수 있도록 구비될 수 있다.
도 2에 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. 즉, 상기 전동기 속도와 상기 구동토크의 곱은 일정한 관계가 된다.
전방 액슬(300)의 전방 좌측 변속기(360) 및 전방 우측 변속기(362)는 상기 건설기계의 속도가 증가하며 상기 제1 변속 허용 속도(w1)에 도달할 때 1단에서 2단으로 변속할 수 있다. 또한, 후방 액슬(400)의 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 건설기계의 속도가 증가하며 상기 제2 변속 허용 속도(w2)에 도달할 때 1단에서 2단으로 변속할 수 있다.
이와는 달리, 전방 액슬(300)의 전방 좌측 변속기(360) 및 전방 우측 변속기(362)는 상기 건설기계의 속도가 감소하며 제3 변속 허용 속도에 도달할 때 2단에서 1단으로 변속할 수 있다. 또한, 후방 액슬(400)의 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 상기 건설기계의 속도가 감소하며 제4 변속 허용 속도에 도달할 때 2단에서 1단으로 변속할 수 있다.
전방 좌측 변속기(360), 전방 우측 변속기(362), 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)는 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)가 각각 발생하는 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 각각 바꾸어 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)을 각각 구동할 수 있다.
상기 건설기계는 고하중 작업을 수행하여야 하므로, 높은 토크를 발생할 수 있는 전동기를 구비해야 한다. 일반적으로 높은 토크를 발생할 수 있는 전동기는 크기가 크고 무겁다. 가볍고 작지만 최대 토크가 크지 않은 상기 전방 전동기 및 상기 후방 전동기를 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기에 각각 연결하여 낮은 구동토크를 높은 변환토크로 바꾸어 상기 전방 휠 및 상기 후방 휠을 구동할 수 있다. 따라서, 상기 건설기계의 무게를 줄일 수 있고 가격을 낮출 수 있고 상기 건설기계의 연비 및 작업효율을 개선할 수 있다.
전방 액슬(300)이 발생하는 토크와 후방 액슬(400)이 발생하는 토크의 합은 상기 건설기계가 필요로 하는 트랙션 로드를 만족시킬 수 있다. 즉, 상기 전방 변속기 1단 및 상기 후방 변속기 1단, 상기 전방 변속기 2단 및 상기 후방 변속기 1단, 및 상기 전방 변속기 2단 및 상기 후방 변속기 2단으로 상기 건설기계에서 적절한 변속이 이루어진다면, 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 상기 건설기계의 속도에 따라 필요로 하는 토크를 발생시킬 수 있다.
상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기가 같은 변속비를 가지면, 상기 변속이 일어날 때 순간적으로 발생하는 토크 전달의 중단으로 고하중 작업시에 다양한 문제가 발생할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 상기 전방 변속기가 상기 제1 변속비를 갖고, 상기 후방 변속기가 상기 제1 변속비와 다른 상기 제2 변속비를 가질 수 있다. 또한, 상기 전방 변속기는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비되고, 상기 후방 변속기는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도와 다른 제2 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비될 수 있다.
따라서, 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 상기 건설기계가 필요로 하는 상기 트랙션 로드를 만족시키면서, 변속시에 발생하는 토크 전달의 중단 없이 고하중 작업을 수행할 수 있다.
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(도시되지 않음)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.
전방 액슬(300)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)을 연결하는 전방 구동축 연결유닛(350)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전방 구동축 연결유닛(350)은 차동기어를 포함할 수 있다.
전방 구동축 연결유닛(350)은 후술하는 중앙 연결유닛(500)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 전방 액슬(300)의 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)으로 각각 전달할 수 있다. 이와는 달리, 전방 구동축 연결유닛(350)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 중앙 연결유닛(500)으로 전달할 수 있다. 또한, 전방 구동축 연결유닛(350)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)에 각각 연결된 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)이 서로 다른 속도로 회전 가능하게 할 수 있다.
후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 통하여 후방 좌측 변속기(460), 및 후방 우측 변속기(462)와 각각 연결되어 구동될 수 있다. 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 타이어(도시되지 않음)와 함께 하중을 지지하고 상기 변환토크를 지면에 전달할 수 있다. 또한, 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)은 제동 작용을 수행할 수 있다.
후방 액슬(400)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)을 연결하는 후방 구동축 연결유닛(450)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 후방 구동축 연결유닛(450)은 차동기어를 포함할 수 있다.
후방 구동축 연결유닛(450)은 후술하는 중앙 연결유닛(500)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 후방 액슬(400)의 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)으로 각각 전달할 수 있다. 이와는 달리, 후방 구동축 연결유닛(450)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 중앙 연결유닛(500)으로 전달할 수 있다. 또한, 후방 구동축 연결유닛(450)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)에 각각 연결된 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)이 서로 다른 속도로 회전 가능하게 할 수 있다.
중앙 연결유닛(500)은 상기 전방 구동축 및 상기 후방 구동축과 각각 연결 가능하도록 구비되며, 상기 변환토크를 전방 액슬(300)과 후방 액슬(400) 사이에서 서로 전달할 수 있다.
예를 들어, 중앙 연결유닛(500)은 전방 구동축 연결유닛(350)을 통하여 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)과 각각 연결되고, 후방 구동축 연결유닛(450)을 통하여 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)과 각각 연결될 수 있다.
중앙 연결유닛(500)은 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 후방 구동축 연결유닛(450)을 통하여 공급받고, 상기 변환토크를 전방 구동축 연결유닛(350)을 통하여 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)으로 공급할 수 있다. 또한, 중앙 연결유닛(500)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)으로부터 전달되는 상기 변환토크를 전방 구동축 연결유닛(350)을 통하여 공급받고, 상기 변환토크를 후방 구동축 연결유닛(450)을 통하여 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)으로 각각 공급할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 중앙 연결유닛(500)은 강한 회전력 및 비틀림을 견딜 수 있는 속이 빈 강관(steel pipe)을 포함할 수 있다. 이와는 달리, 중앙 연결유닛(500)은 연비 향상 또는 동력 전달 성능 향상을 위해 합금 또는 탄소섬유 등의 복합 소재를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 중앙 연결유닛(500)은 프로펠러 샤프트(propeller shaft)를 포함할 수 있다.
또한, 중앙 연결유닛(500)은 유니버셜조인트(도시되지 않음)를 통하여 중앙 연결유닛(500)과 전방 구동축 연결유닛(350) 및 후방 구동축 연결유닛(450)을 각각 연결할 수 있다.
중앙 연결유닛(500)은 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)의 평균속도와 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)의 평균속도가 순간적으로 달라지는 것에 의해 발생하는 비틀림을 감쇠해주는 비틀림 진동 감쇠부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 순간적인 변동이 포함된 지형을 상기 건설기계가 지나갈 때, 상기 비틀림 진동 감쇠부는 과도 상태 동안 전방 좌측 구동축(302) 및 전방 우측 구동축(304)의 평균속도와 후방 좌측 구동축(402) 및 후방 우측 구동축(404)의 평균속도가 서로 차이가 나서 발생하는 뒤틀림을 감쇠시킬 수 있다. 예를 들어, 중앙 연결유닛(500)은 토셔널 댐퍼(torsional damper)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서 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.
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.
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 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)의 토크들을 각각 증가시킬 수 있다. 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 있다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 건설기계가 일반 주행할 때에 예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템의 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)는 약 25의 토크를 각각 제공한다. 또한, 전방 좌측 휠(310), 전방 우측 휠(312), 후방 좌측 휠(410), 및 후방 우측 휠(412)은 약 25의 구동토크를 각각 지면에 작용하여 상기 건설기계를 구동할 수 있다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 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.
예시적인 실시예들에 따른 휠 구동 시스템은 후방 액슬(400) 및 전방 액슬(300)이 각각 중앙 연결유닛(500)에 의해 연결되어 있으므로, 후방 액슬(400)에 의해 구동되는 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)이 상기 휠 슬립으로 속도가 증가되지 않고 후방 액슬(400)에서 발생되는 변환토크가 중앙 연결유닛(500)을 통하여 전방 액슬(300)로 전달될 수 있다.
구체적으로, 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)가 발생하는 구동토크는 후방 구동축 연결유닛(450)을 통하여 중앙 연결유닛(500)으로 전달된다. 후방 좌측 전동기(420) 및 후방 우측 전동기(422)는 약 25의 토크를 각각 발생하여 약 50의 토크가 중앙 연결유닛(500)으로 전달된다. 중앙 연결유닛(500)으로 전달된 약 50의 토크는 전방 구동축 연결유닛(350)을 통하여 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)에 전달된다. 따라서, 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)는 약 25에 해당하는 토크를 각각 발생하면 전방 좌측 휠(310) 및 전방 우측 휠(312)에 약 50의 토크를 각각 전달할 수 있다.
따라서, 후방 액슬(400)에 의해 구동되는 후방 좌측 휠(410) 및 후방 우측 휠(412)이 상기 변환토크를 지면에 작용할 수 없는 상황에 있어서, 중앙 연결유닛(500)을 통하여 후방 액슬(400)에 의해 발생되는 상기 변환토크를 전방 액슬(300)로 전달할 수 있으므로 전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)의 부하 조건을 줄일 수 있고 전방 액슬(300) 또는 후방 액슬(400)에만 부하가 인가되는 상황에 있어서 각각의 전동기들(320, 322, 420, 422)이 적절하게 부하를 나누어 부담할 수 있다.
전방 좌측 전동기(320), 전방 우측 전동기(322), 후방 좌측 전동기(420), 및 후방 우측 전동기(422)는 최대 출력 토크가 높지 않아도 되고 상기 건설기계는 가볍고 작은 전동기들로 구성될 수 있다. 상기 건설기계의 소형화를 이룰 수 있고, 가벼운 무게로 인해 연비가 개선되며 작업 효율이 향상될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
* 부호의 설명
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
350: 전방 구동축 연결유닛 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
450: 후방 구동축 연결유닛 460: 전방 좌측 변속기
462: 전방 우측 변속기 500: 중앙 연결유닛

Claims (9)

  1. 엔진에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기;
    적어도 하나의 전방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 전방 전동기 및 상기 전방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 전방 구동축을 통하여 상기 전방 휠에 전달하는 전방 변속기를 갖는 전방 액슬;
    적어도 하나의 후방 휠을 구동시키며, 상기 발전기로부터의 상기 전기에너지를 공급받아 구동토크를 발생하는 후방 전동기 및 상기 후방 전동기로부터 상기 구동토크를 공급받아 상기 구동토크를 상기 건설기계의 속도에 따라 필요한 변환토크로 바꾸어 후방 구동축을 통하여 상기 후방 휠에 전달하는 후방 변속기를 갖는 후방 액슬; 및
    상기 전방 구동축과 상기 후방 구동축에 각각 연결 가능하도록 구비되며, 상기 변환토크를 상기 전방 액슬 및 상기 후방 액슬 사이에서 서로 전달하기 위한 중앙 연결유닛을 포함하는 휠 구동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기는 적어도 2의 변속단수를 가지고, 동일한 변속단에서 상기 전방 변속기는 제1 변속비를 갖고 상기 후방 변속기는 상기 제1 변속비와 다른 제2 변속비를 가질 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제2 변속비보다 상기 제1 변속비가 더 큰 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전방 변속기는 상기 건설기계가 제1 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비되고, 상기 후방 변속기는 상기 건설기계가 상기 제1 변속 허용 속도와 다른 제2 변속 허용 속도에 도달할 때 변속 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전방 변속기 및 상기 후방 변속기는 적어도 2의 변속단수를 가지고, 상기 건설기계의 상기 속도가 제1 변속 허용 속도 내지 제2 변속 허용 속도의 범위 이내에 있을 때 상기 전방 변속기와 상기 후방 변속기는 서로 다른 변속단에 있을 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전방 휠은 전방 좌측 휠과 전방 우측 휠을 포함하고, 상기 전방 구동축은 상기 전방 좌측 휠과 상기 전방 우측 휠에 각각 연결된 전방 좌측 구동축 및 전방 우측 구동축을 포함하며,
    상기 전방 액슬은 상기 전방 좌측 구동축 및 상기 전방 우측 구동축을 연결하는 전방 구동축 연결유닛을 더 포함하고,
    상기 중앙 연결유닛은 상기 전방 구동축 연결유닛과 연결 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전방 구동축 연결유닛은 차동기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 후방 휠은 후방 좌측 휠과 후방 우측 휠을 포함하고, 상기 후방 구동축은 상기 후방 좌측 휠과 상기 후방 우측 휠에 각각 연결된 후방 좌측 구동축 및 후방 우측 구동축을 포함하며,
    상기 후방 액슬은 상기 후방 좌측 구동축 및 상기 후방 우측 구동축을 연결하는 후방 구동축 연결유닛을 더 포함하고,
    상기 중앙 연결유닛은 상기 후방 구동축 연결유닛과 연결 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 후방 구동축 연결유닛은 차동기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 휠 구동 시스템.
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