1 직접제어방식을이용한지게차용자동변속기의클러치유압시스템모델링및해석 오주영 이근호 * 김도식 ** 이준혁 *** Clutch Hydraulic System Modeling and Analysis using Direct Type Control for Automatic Transmission of Forklift Truck Joo-young OH, Gun-ho LEE, Do-sik KIM, JunHyuk LEE Key Words : Forklift Truck( 지게차 ), Directy Drive Type( 직접구동방식 ), Pulse Width Modulation ( 펄스폭변조 ), Proportional Pressure Control Valve( 비례압력제어밸브 ) Abstract Automatic transmission is consisted of geartrain, valve body, proportional control valve, electronic control unit and friction element that is consisted of clutch, brake, etc. Hydraulic control system effects directly shift quality which is important criterion estimated performance of automatic transmission. In this study, there is a purpose to enhance shift quality for forklift truck automatic transmission. The clutch hydraulic system using direct type control is modeled and analyzed by EASY5 software. In this clutch hydraulic system, single cartridge type proportional valves are applied. Reduced torque method is suggested by duty ratio using PWM signal in clutch engagement pressure. 기호설명 Q : 제어포트의유량 [lpm] A s (x) : 펌프및탱크포트개구면적 [cm 2 ] x : 스풀변위 [cm] M p : 스풀및아마츄어질량 [kg] C viscous : 유체댐핑계수 [N.s/cm] K spring : 스프링계수 [N/cm] F solenoid : 자기력 [N] F load : 제어력 [N] F spring_preload : 스프링반발력 [N] 오주영, 한양대학교대학원 E-mail : ojy831@naver.com TEL : (2)868-7139 FAX : (2)868-7186 * 한국기계연구원 ** 한국기계연구원 *** 한국기계연구원 1 1. 서론 자동변속기에서모든변속과각종기능은유압및전자제어시스템에의해서제어된다. 즉, 유압동력으로마찰요소를작동시키거나해제시켜변속장치에서클러치공급압력의형상에의해출력축에각각의과도토크가발생하므로승차감을저해하게된다. 이때변속시점에서의변속감을향상시키기위해클러치접속및해제시에적절한압력제어가반드시요구된다. 이러한클러치압력제어를위해유압시스템에서는파일롯방식 (Pilot Type) 과직접구동방식 (Direct Drive Type) 등이연구되어왔다. 파일롯방식은비례밸브로파일롯압력을조절하여클러치압력을제어하는방식으로밸브블록의펌프에서토출되는유압회로에서별도의유압회
2 로를분기하여감압밸브를설치하고시스템압력보다낮은압력의파일롯회로를형성한다. 그리고파일롯라인에비례밸브를설치하여클러치유입되는유량과압력곡선, 충전시간등을간접적으로제어하게된다. 이파일롯방식은운전중가혹한상황에서발생할수있는충격압에대한안정성이뛰어나며, 좋은변속감을얻을수있다. 그러나파일롯방식의밸브블록은내부유압회로가복잡하고구성부품의수량이많다. 그런이유로개발, 설계기간, 제작과정에서비용과시간에대한충분한투자가요구된다. 이에비해직접구동방식은파일롯라인없이직접클러치압력을조절하기때문에온 - 오프밸브는사용하지않으며, 이러한라인이없으므로라인압을파일롯압력으로감압하는밸브역시필요하지않는이점이있다. 그리고파일롯방식에비해밸브블록내에구성부품의수가적고간단한회로로구성되어있다. 국외에서는 ZF 사의자동변속기의클러치구동방식에직접구동방식이적용되어상용화된상태이지만, 국내에서는직접구동방식의클러치작동방식은중장비분야에서는그에비해많은연구가진행되지못하였다. 그러므로직접구동방식의연구가보다많이필요하다. 본연구에서는지게차용자동변속기의클러치제어를위한직접구동방식의유압시스템을모델링하고해석하여궁극적으로변속감을향상시키기위한설계인자를분석하는데그목적이있다. 클러치유압제어시스템에서는단일카트리지형비례제어밸브를모델링하고이것을지게차용자동변속기내클러치시스템에적용하고자한다. 또한, 클러치접속시 PWM 신호를이용하여듀티율 (Duty ratio) 에따른클러치접속압력스케쥴 (Pressure Schedule) 을제시하여토크변화율을저감시키는방법을제안하고자한다. 드백 (Feed back) 되는출구압력에의한힘과스프링력이작용하며스풀에작용하는이러한외력들의평형을이루는위치에서제어압이결정된다. Fig. 1 Proportional Pressure Conrol Valve(PPCV) 비례압력제어밸브의제어압은스풀에작용하는자기력에의하여변화되므로구동전류를제어함으로써변속시클러치피스톤에작용하는압력을제어할수있다. 본연구에서사용된밸브는 REXROTH 사의밸브로써카트리지형태 (Cartridge Type) 의비례압력제어밸브이다. 밸브는 15 Hz 로구동되며, 최대 7mA 의입력전류를갖는다. Table. 1 에밸브사양을나타내었다. Table 1 Specification of PPCV Item Pressure Control Range Current range Chopper frequency External orifice 2.2 비례압력제어밸브의특성 Specification 18 ~ 3 bar ~ 7 ma 15 Hz Φ.9~1.mm 2.2.1 전자기력특성 2. 비례압력제어밸브 2.1 비례압력제어밸브 자동변속기유압시스템의압력제어에사용되는비례압력제어밸브 (Proportional Pressure Control Valve, PPCV) 는솔레노이드코일 (Solenoid Coil) 에흐르는전류를이용하여압력제어를할수있는전기밸브이다. 비례압력제어밸브의스풀에는전기적인힘인자기력, 내부적으로피 2 입력전류에대한솔레노이드힘을측정하기위해서 EM Software(MAXWELL) 을사용하여시뮬레이션을수행하였다. 코일에전류가가해지면, 자기력이발생되어아마츄어 (Amarture) 를밀고, 결국스풀 (Spool) 의변위를제어하게된다. Fig.2 는 7mA 의최대입력전류가가해졌을경우, 코일주위에발생되는자기력선과자기력을분석하기위해밸브단면을메쉬 (Mesh) 시킨것을도시한것이다
3 여기서, 스풀의오리피스는 Fig. 1 에서보는바와같이원형포트이므로, 개구면적 A s (x) 는충분히다음과같은식으로표현할수있다. x As ( x) 1.7 A ( ) d 1.5 = (2) Fig. 2 Solenoid Force Analysis 밸브의개구면적 As(x) 는오버랩 (Overlap) 조건을고려하여스풀의변위 x 에따라 Fig.3 과같이변화함을알수있다. 또한, 연속방정식에의해서밸브를통해흘러들어오는유량과부하측으로흘러나가는유량은다음과같은관계를유지한다. 여기서해석된솔레노이드힘을 Fig. 3 에나타내었으며, 해석결과전류에따른솔레노이드힘의특성이비선형성을갖는것을확인할수있었다. dpl dt β π 2 = ( Q+ dp υs) (3) υ Fig. Spool Displacement VS Valve orifice Area Fig. 3 Current VS Solenoid Force 2.2.3 스풀특성 2.2.2 밸브오리피스특성 베르누이정리에의하여유량에관한식을표현하면다음과같다. 운동방정식으로부터스풀에작용하는힘을아래의식에서와같이각힘의요소즉, 스프링력, 솔레노이드힘, 출구압력, 유체댐핑력의합으로표현된다. 2 QA = CdAAA( x) ( Ps PA) ρ (1) M x+ C x+ K x= F F F p viscous spring solenoid load spring _ preload () 3
Area_tank_port_real PI Area_pump_port_real P_In1_VAMV Spool_Displacement Spool_Displacement FC_Force_SO FC_Force_SO Current_mA GN2 3.1 클러치 3. 클러치시스템 유압시스템의올바른작동을확인하기위해서클러치와조합하여작동여부를살펴보아야한다. 본연구에서는자동변속기내단일클러치와연결하여유압시스템의작동여부를확인하였다. 제어요소의작동시마찰면사이에서발생하는마찰력에의한토크는마찰요소양단의상대속도의발생여부에따라다르게된다. 마찰면의상대속도가없는경우는마찰력에의한토크와외부토크에의해유발되는반력토크와같다. 여기서반력토크 (Torque Capacity) 는마찰요소의체결시필요한토크이다. 반력토크는다음식으로표현될수있다. T C I T + I T = I + I IN OUT OUT IN IN OUT (5) T R = 2µ nr F (6) MAX m n m = 3 3 2( ro ri ) 2 2 3( ro ri ) (7) F = [( pa K ( X ) + F )] (8) n p r e avg pre A = r r (9) 2 2 p π ( po pi). 시스템모델링.1 비례압력제어밸브모델링 전체시스템은 EASY5 를이용하여모델링하였으며, 비례압력제어밸브는스풀의움직임에따라서밸브의개도면적을제어하도록모델링하였다. 우선스풀의운동은솔레노이드힘, 출구압력힘, 스프링힘등의합으로표현될수있으므로, Fig. 6 와같은형태를갖는다. AX2 Continuity Equation Spool Port Valve Dynamics Fixed orifice Force, Variable Volume from Pressure, Volume Dimension Variable Volume Equation of motion Cartridge Type Spool Spool Port Valve Body Adiabatic Volume (P) Spring Force Cylinder Viscous Damping Force Split S->RS Spool Mass (no damping no spring) Solenoid Force Tank Port Area Tank Port Pump Port Pump Port Area Strip Chart Strip Chart Pump Port Tank Port OR2 Fig. 5 Clutch in Automatic Transmission Fig. 6 Valve Dynamics Schematic using EASY5 미끄럼이발생하는경우의마찰력에의한토크는상대속도에반대되는방향, 수직력, 마찰계수에의해결정된다. 모든클러치제어요소에는해방시디스크와플레이트가원활하게분리되도록리턴스프링 (Return Spring) 의압축력으로피스톤을귀환시키는구조를가진다. 디스크에작용하는압력과스프링의압축력에의한반력으로결정된다. 유압에의한제어요소의마찰토크식은다음과같다. Fig.7 의듀티입력 (Duty Command) 에서 PWM 발생기로신호를전달하여전류를발생시킨후, 이전류가코일에가해지면자기력이생성되고아마츄어를밀게된다. 결국스프링의반발력을이겨낸아마츄어와스풀은펌프와부하측, 클러치피스톤과연결되어압력을상승시킨다. 압력이상승되어솔레노이드힘보다커지게되면, 스풀을뒤로밀어탱크와연결되므로압력이하강하게된다.
5 스풀의위치에따라펌프와탱크포트가연결되며, 식 (2) 를이용하여스풀위치에따른밸브개도를모델링하였다. 5. 시뮬레이션 5.1 비례압력제어밸브시뮬레이션 Current_mA SO Scale Factor 1 I_VinIout_RS Shunt Resistor Series Inductor Simple Battery Pulse-Width Modulator Fig. 7 PWM Generator Schematic using EASY5 2 Voltage_V Voltage Scale PWMsignal 1 DutyCom1 Duty Command 비례압력제어밸브의특성을살펴보기위해 Table.2 의조건을사용하였다. Table 2 의조건에따른압력특성을 Fig. 8 에도시하였다. 히스테리시스 (hysteresis) 는최소 1 bar 에서최대 2 bar 의값을갖고, Duty Ratio 17~7% 에서밸브가작동됨을시뮬레이션결과확인할수있다. 주어진듀티율에따라서솔레노이드힘이결정되어클러치피스톤내압력과솔레노이드힘이평형이되도록스풀이펌프포트와탱크포트를왕복하면서압력을일정하게유지하게된다..2 클러치시스템모델링 클러치전후의입력과출력을알아보기위해서출력과입력사이에일정한부하를주었으며, 본연구에서단일클러치는습마찰클러치팩과관성으로간단하게모델링하였다. Fig. 8 의클러치시스템은 Fig. 6 의비례압력제어밸브의모델과결합시킨것으로서클러치제어시스템을모델링한것이다. 클러치접속압력을최대 18bar 로시뮬레이션하였으며, 펌프는 LPM 의일정유량을토출하도록하였다. 릴리프밸브에서는 18bar 의압력을일정하게유지하도록모델링하였다. Table 2 Condition of Duty Command Item Specification Duty Ratio ~ 99 % Carrier Frequency Sweeping Frequency Input Function 15 Hz.5 Hz Ramp 시뮬레이션결과를실험값과비교하였을경우, Fig. 8 에나타낸것과같이압력상승시와하강시에듀티율에따른압력이실험값과상이한것을볼수있다. 이것은스풀의오리피스면적을이론식을적용한이유로볼수있다. KV Transmission OilGlobal Fluid Simulated and Strip Chart Properties Properties accumulated CPU time Hydraulic Fluid Inertia Simple Shaft Forward Clutch Simple Shaft Inertia1 Current_mA 1 PWM Controller Proportional Solenoid Valve Line Dynamics Function Generator OUT_FG Split S->RS Relief Valve Split S->RS lpm,2 bar lpm Line Dynamics (volume) Fig. 8 Clutch System Schematic using EASY5 Fig. 9 Hysteresis of PPCV 5
6 스풀의변위와속도를 Fig. 1 에나타내었다. 스풀이 3 초에서 5 초사이에서서히압력을상승시키기위해펌프측포트와연결된후결국은자기력에의해서스풀을최종점에도달하게하여더이상움직이지않는다. 압력하강시역시, 탱크포트와연결된스풀은압력을하강시키고결국은해제된자기력에의해서스풀은원상태로되돌아오게된다. 압력제어시에스풀에작용하는힘을알아보면 Fig. 11 에나타낸것과같다. 시뮬레이션결과압력제어가되는듀티 (Duty) 의범위는약 2% ~ 6% 에서제어되는것을확인할수있다. 이상의시뮬레이션결과를클러치시스템에적용할것이다. Displacement [mm] Pressure [bar] Duty [/1%].2 Spool Displacement.1 -.1 18 15 12 9 6 3 1 Duty Command.8.6..2 Valve Simulation -.2 8 12 16 2 Load Pressure 8 12 16 2 8 12 16 2 5.2 클러치시스템시뮬레이션 시뮬레이션된비례압력제어밸브를이용하여, 클러치접속듀티율을입력하면 Fig. 12 과같이입력듀티율에따른압력변화를확인할수있다. Duty[/1%] Pressure [bar] 1 Duty Command.8.6..2 16 12 8 Duty & Piston Pressure 2 6 8 1 2 Piston Pressure in chamber 2 6 8 1 Fig. 12 Duty ratio & Clutch Pressure Duty ratio Piston Pressure 클러치접속시접촉점 (Kiss-Point) 를제어하여변속감을향상시키기위해서 Fig. 12 의입력듀티율과같이적용하였다. Fig. 1 Spool Displacement, Pressure and Input Duty ratio.2 Spool Displacement Spool Position & Spool Force Solenoid_Force [N] Damping_Force [N] Sping_Force [N] Load_Force [N] 2-2 - -6-8 8 12 16 2 -.5 -.75-5 -5.25-5.5-5.75-6 8 12 16 2.6..2 -.2 -. -.6 8 12 16 2 8 6 2 8 12 16 2 Displacement [mm] Force [N].1 -.1 -.2 2 6 8 1 8 Spool Force 6 2-2 - -6 2 6 8 1 Spool_Displacement Spring Force Load Force FC_Force_FS2 FC_Force_SF2 FC_Force_SO2 Fig. 11 Force of Spool 6 Fig. 13 Spool Displacement & Force
7 Fig. 13 은입력듀티율에따른스풀의변위와스풀에작용하는각힘들을나타낸것이다. 이상의결과로클러치접속시클러치에작용하는압력과밸브의구동여부를확인할수있다. 5.3 듀티율에따른변속감제어 클러치의변속감을향상시키기위해서출력토크로변속감을판단할수있다. Fig. 1 에서클러치스케쥴을변화시켰을경우, 출력토크를 Fig. 15 에나타내었다. 2 16 Clutch Test 티율의상승율을완만하게변경시켰을경우, 토크변화율이완만하게증가되는것을확인할수있다. 듀티율을변경시켰을경우에, 토크의양과변화율을저감시켜궁극적으로변속감을높일수있음을시뮬레이션결과를통해서확인할수있다. 6. 결론 본연구를통하여카트리지형비례압력제어밸브의특성을모델링및해석을수행하였으며, 지게차용자동변속기내클러치시스템과결합하여특성을살펴보았다. 시뮬레이션결과를요약하면다음과같다. Pressure [bar] 12 8 Pressure_1 Pressure_2 Pressure_3 1) 지게차용자동변속기의유압제어시스템모델링을위한기초해석을수립하였으며, EASY5 를통하여클러치시스템의새로운모델링안을제시하였다. 2 3 5 6 7 2) PWM 신호를이용하여듀티율로클러치가접속됨을시뮬레이션결과확인하였다. 25 Fig. 1 Input Clutch Pressure Clutch Test 3) 듀티율을조정함으로써압력스케쥴에따른토크변화량을제어하여클러치접속시변속감을저감시킬수있는방안을제시하였다. -25 참고문헌 Torque [N.m] -5-75 -1-125 2. 2.7 3 3.3 3.6 3.9.2 Fig. 15 Output Torque Torque_1 Torque_2 Torque_3 출력토크가클러치접속압력에따르는값을갖는것을확인할수있었으며, 듀티율를변화시켰을경우의토크를 Fig. 15 에나타내었다. 듀 (1) S.M. Yun, 22, Characteristics Analysis of Pilot Operated Pressure Control Valve, Korea Society of Precision Engineering, pp. 725~728 (2) B.H. Kwon, 2, Modeling of a Clutch to Clutch Controlled Automatic Transmission and Simulation Tool for Prediction of Shift Quality, Korean Society of Automotive Engineers, pp.31~36 (3) J.Y. Hur, 22, Development and Analysis of Automatic Transmission Hydraulic System using a Directly Driven Clutch Circuit, Seoul National University () J. WATTON, 1989, Fluid Power System, Prentice Hall, pp.35~36 (5) HyunDai Motor Company, 1995, Design Theory of Automatic Transmission (6) MSC.EASY5, 22, Hydraulic Library User Guide, MSC software 7