[논문]CVT 변속 동역학을 고려한 라인 레귤레이터 및 변속비 제어 밸브의 응답 특성 해석

정근수; 김현수

CVT 변속 동역학을 고려한 라인 레귤레이터 및 변속비 제어 밸브의 응답 특성 해석
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정근수 (회원, 성균관대학교 대학원) , 김현수 (회원, 성균관대학교 기계공학부)

Dynamic models of line regulator valve(LRV) and ratio control valve (RCV) are obtained for an electronic controlled CVT. LRV and RCV are operated by variable force solenoid(VFS). Considering the CVT shift dynamics, oil pump's efficiency and saturation characteristics of VFS, simulations are performed and compared with test results. Simulation results are in good agreement with the experiments, which shows the validity of the dynamic models of LRV and RCV obtained. In addition, the effects of the orifice size in the exhaust port of RCV are investigated. Simulation results show that as the orifice size decreases, the residual pressure in the primary actuator increases which insures the large torque transmission capacity, meanwhile the duration time for the downshift increases.

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문제 정의

본 연구에서는 전자제어 라인 레귤레이터 밸브(line regulator valve : LRV)와 변속비 제어 밸브(ratio control valve : RCV)의 모델링을 수행하여 운동 방정식을 구하고, CVT 변속 동역학을 고려한 LRV 및 RCV의 특성해석 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교 고찰하여 전자화 CVT 유압제어 밸브의 설계 기초자료를 구하고자 한다.
여기에서는 앞에서 도출한 LRV 및 RCV의 모델과 CVT 변속동역학을 고려하여 CVT 유압제어 밸브의 응답특성을 살펴보기로 한다. CVT 변속동역학은 LRV 및 RCV의 상태방정식 식(1) 과 식(7)에서 종동 및 구동측 액튜에이터의 이동플랜지 속도, 즉 변속 속도에 의한 유량변화 A, A/E를 결정하기 때문에 제어밸브의 응답특성에 큰 영향을 미친다.

제안 방법

1) 본드그래프 모델링 기법을 이용하여 LRV, RCV의 동적 모델을 구하고 오일펌프 효율, VFS의 무효율 구간특성 및 히스테리시스 특성과 CVT 변속 동역학을 고려한 시스템의 상태 방정식을 유도하였다.
3) CVT 변속동역학을 고려한 전자화 밸브바디의 응답 성능 해석을 수행하였다. 최저 변속 비에서 상향 변속시 변속 초기 비어있는 구동 측 액튜에이터 챔버 체적을 채우기 위하여 라인 압력이 감소한다.
4) RCV 배출 포트의 오리피스 크기변화에 대한 구동측 액튜에이터의 압력과 변속비 응답특성을 고찰하였다. 오리피스 크기가 작을수록 오리피스 저항에 의하여 구동측 액튜에이터 잔류압력의 크기가 커지고 변속시간이 길어진다.
7에 실험장치가 도시되어 있다. CVT는 리그형으로 제작하여 외부에서 LRV 및 RCV에 의한 제어가 가능하도록 설계하였다. CVT는 AC 모터에 의해 구동된다.
45 의 최고 변속비까지 듀티 계단 입력에 대한 응답 특성을 고찰하였다. RCV의 VFS 입력 듀티는 1 초가 되는 순간 100%에서 0%로 스텝입력을 가하여 상향 변속을 시도하였다. 이 때 라인압력은 25bar를 유지시켰다.
고려되어야 한다. VFS의 과도상태시 모델은 VFS의 응답지연과 히스테리시스를 고려하기 위하여 입력 듀티에 대한 VFS의 제어압력을 다음과 같이 2차 시스템으로 모델링하였다.
또한 자기력 특성 등 재료의 물성치에 의존하는 파라메터가 많아 정확한 수학적 모델링이 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 VFS의 정상상태 실험결과를 이용하여 입력듀티 X [%]에 대한 제어압 y [bar]의 정상상태 특성을 다음 식으로 모델링하였다.
14는 오일펌프 회전속도 lOOOrpm, 상향변속 시 LRV, RCV의 압력응답과 변속비에 대한 시뮬레이션 결과를 실험 결과와 비교 도시한 것이다. 변속 전 범위 변화에 대한 응답 특성을 고찰하기 위하여 i=2.45의 최저 변속비에서 i=0.45 의 최고 변속비까지 듀티 계단 입력에 대한 응답 특성을 고찰하였다. RCV의 VFS 입력 듀티는 1 초가 되는 순간 100%에서 0%로 스텝입력을 가하여 상향 변속을 시도하였다.
전자화 CVT 밸브바디의 LRV와 RCV를 모델링하고 CVT 변속동역학을 고려한 LRV 및 RCV의 응답 특성을 고찰하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 오일 펌프는 기어 펌프로서 Fig. 3은 실험적으로 구한 오일펌프의 효율을 도시한 것이다.

데이터처리

2) 유도된 상태방정식을 이용하여 LRV와 RCV의 정상 및 과도상태 시뮬레이션을 수행하고 실험결과와 비교 고찰하였다. 실험과 시뮬레이션 결과는 거의 일치하며 따라서 모델의 타당성을 확인할 수 있었다.
앞에서 유도한 LRV의 상태방정식과 오일펌프효율 및 VFS의 동적모델을 이용하여 LRV의 성능 해석 시뮬레이션을 수행하고 실험결과와 비교하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Ide등의 연구에 의한 다음과 같은 CVT 변속동역학식을 사용하였다.

성능/효과

이것은 같은 듀티에 대하여 오일펌프 속도가 증가할수록 토출유량이 많아지고, 또한 오일펌프의 효율도 좋아지기 때문이다. 시뮬레이션 결과는 실험결과와 잘 일치하며 따라서 오일펌프효율과 VFS의 무효율구간 특성을 고려한 LRV모델이 타당함을 알 수 있다.
시뮬레이션 및 실험결과는 잘 일치하며 모델의 타당성을 확인할 수 있다. 시뮬레이션 및 실험 결과를 살펴 보면 RCV의 압력 제어 가능구간은 입력 듀티의 5 %미만(37〜42%)으로 매우 작다. 특히 높은 압력이 요구될 때 제어가능듀티 구간은 1~2 %(37~38 %)로서 거의 ON-OFF 밸브의 특성을 보이며 따라서 변속 제어 시 구동측 액튜에이터내의 압력 맥동이 예상된다.
이 때, 액튜에이터의 부피는 고려되지 않았다. 시뮬레이션 및 실험결과는 잘 일치하며 모델의 타당성을 확인할 수 있다. 시뮬레이션 및 실험 결과를 살펴 보면 RCV의 압력 제어 가능구간은 입력 듀티의 5 %미만(37〜42%)으로 매우 작다.
실험결과와 비교 고찰하였다. 실험과 시뮬레이션 결과는 거의 일치하며 따라서 모델의 타당성을 확인할 수 있었다. LRV의 유효율 구간은 VFS의 유효율 구간과 오일펌프의 속도에 의해서 결정되며 라인압력 오버라이드 특성은 오일펌프의 회전속도에 의존한다.

후속연구

향후 CVT는 운전자의 의지와 주행환경에 능동적으로 대응하는 전자제어식으로의 개발이 필수적이며, 선진 자동차 메이커는 21C 초 완전전자제어식 CVT의 양산적용을 목표로 치열한 연구개발 중에 있다.

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