자동차 산업의 발전에 따라 보다 편리한 기능의 자동차 부품 기술 개발이 꾸준히 진행되어 왔으나, 운송 수단 발명 초기에 개발되었던 수동 클러치 방식은 수많은 연구와 개발자들의 노력에도 불구하고 아직 오토미션 수준의 초기 단계에 머물러 있다고 볼 수 있다. 종래의 오토 미션은 클러치 디스크의 슬립을 기초로 한 소형차량 및 개인용 RV 차량 위주로 사용되고 있으나, 본 연구 기술은 대형 차량부터 소형 승용차 및 농기계, 선박 등 클러치를 조작하는 모든 수송 기계에 적용이 가능한 혁신적인 기술이다. 차량의 운전 조건에 따라 달라지는 엔진의 출력 값에 따라, 클러치 디스크의 접속 시점을 정확히 결정하고 수동 변속기의 경우 빈번히 나타나는 반 클러치 상태를 적용하기 위하여, 클러치 디스크의 접속 시점을 결정하는 기준이 되는 데이터로 엔진(Engine)의 회전수(rpm)를 적용한다. 상승하는 엔진 회전수에 해당하는 값 만큼만 클러치 디스크를 이동, 접속시켜 차량의 동력을 원활하게 전달할 수 있는 자동차용 전자식 클러치 모듈을 연구하였다.
자동차 산업의 발전에 따라 보다 편리한 기능의 자동차 부품 기술 개발이 꾸준히 진행되어 왔으나, 운송 수단 발명 초기에 개발되었던 수동 클러치 방식은 수많은 연구와 개발자들의 노력에도 불구하고 아직 오토미션 수준의 초기 단계에 머물러 있다고 볼 수 있다. 종래의 오토 미션은 클러치 디스크의 슬립을 기초로 한 소형차량 및 개인용 RV 차량 위주로 사용되고 있으나, 본 연구 기술은 대형 차량부터 소형 승용차 및 농기계, 선박 등 클러치를 조작하는 모든 수송 기계에 적용이 가능한 혁신적인 기술이다. 차량의 운전 조건에 따라 달라지는 엔진의 출력 값에 따라, 클러치 디스크의 접속 시점을 정확히 결정하고 수동 변속기의 경우 빈번히 나타나는 반 클러치 상태를 적용하기 위하여, 클러치 디스크의 접속 시점을 결정하는 기준이 되는 데이터로 엔진(Engine)의 회전수(rpm)를 적용한다. 상승하는 엔진 회전수에 해당하는 값 만큼만 클러치 디스크를 이동, 접속시켜 차량의 동력을 원활하게 전달할 수 있는 자동차용 전자식 클러치 모듈을 연구하였다.
With the development of the automobile industry, technologies for parts of an automobile with more convenient functions have progressed, but the manual clutch developed at the first phase of inventing means of transport still remains at the early stage of the automatic transmission despite numerous ...
With the development of the automobile industry, technologies for parts of an automobile with more convenient functions have progressed, but the manual clutch developed at the first phase of inventing means of transport still remains at the early stage of the automatic transmission despite numerous research and efforts. The traditional automatic transmission is mainly used in small cars and personal RV vehicles that include the slipped clutch disk. However, this research seeks an innovative technology that can be applied to all types of transportation operating the clutch, such as small cars, large vehicles, farm machines and vessels. In order to accurately decide the joint timing of the clutch disk according to the output of engine power that differs depending on driving conditions of vehicles, and to apply the half clutch state which frequently occurs in the manual transmission, the rpm of the engine can be used as the base to decide the joint timing of the clutch disk. This research has developed an electronic clutch module that can transmit the engine power by moving and jointing the clutch disk as much as the engine rpm increases.
With the development of the automobile industry, technologies for parts of an automobile with more convenient functions have progressed, but the manual clutch developed at the first phase of inventing means of transport still remains at the early stage of the automatic transmission despite numerous research and efforts. The traditional automatic transmission is mainly used in small cars and personal RV vehicles that include the slipped clutch disk. However, this research seeks an innovative technology that can be applied to all types of transportation operating the clutch, such as small cars, large vehicles, farm machines and vessels. In order to accurately decide the joint timing of the clutch disk according to the output of engine power that differs depending on driving conditions of vehicles, and to apply the half clutch state which frequently occurs in the manual transmission, the rpm of the engine can be used as the base to decide the joint timing of the clutch disk. This research has developed an electronic clutch module that can transmit the engine power by moving and jointing the clutch disk as much as the engine rpm increases.
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문제 정의
이에 본 연구는 기존 클러치 방식을 그대로 유지하면서 클러치 페달을 사용하지 않고 기어 봉에 장착된 스위치의 조작만으로 출발 및 기어변속을 자유롭게 할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 탈부착이 용이하고 고장 시에도 차량의 운행을 지속 할 수 있고, 수리에 들어가는 비용과 시간을 절약 할 수 있다. 기존의 세미오토는 동력전달 모드가 획일화 되어 있어 차량의 출발 시 다양하게 적용되는 클러치의 조작을 반영할 수 없으나, 본 연구 기술은 그러한 문제를 차량의 RPM 신호의 정확한 해석으로 다양한 출발 조건에 모두 적응할 수 있는 기술이다.
본 연구 개발 기술은 차량의 운전 조건에 따라 달라지는 엔진의 출력 값으로 클러치 디스크의 접속 시점을 정확히 결정하고, 수동 변속기의 경우 빈번히 나타나는 반 클러치 상태를 적용하기 위하여 클러치디스크의 접속 시점을 결정하는 기준이 되는 데이터로서 엔진(Engine)의 회전수(rpm)를 사용하였다. 상승하는 엔진 회전수에 해당하는 값 만큼만 클러치 디스크를 이동 접속시켜 차량의 동력을 원활하게 전달할 수 있는 전자식 클러치 모듈을 연구하였다.
제안 방법
차량의 다양한 운전 조건에 따라서 적절하게 디스크를 플라이 휠에 접속시키는 전자 클러치의 구동방식 및 구동장치를 설계하여, 다양한 센서 및 signal conditioning을 통한 차량의 상태를 파악한다. 또한 전자 클러치 전용 구동 motor의 spec 설정 및 개발을 통해 모터의 회전에 따라 역할을 수행하는 마스터 실린더와 모터의 회전력을 직선 왕복 운동으로 바꾸어 구동 마스터 실린더 내의 푸시로드를 밀어 유압을 발생시키는 푸시로드 이송 기어 등 클러치 구동 액츄에이터의 구조를 설계 하였다 [6].
전자클러치의 다양한 시험평가를 위해 그림 4와 같이 장치를 구성하고, 그림 5에서 보는 바와 같이 셋팅기를 통해 기본 셋팅을 한다. 또한 표 2의 평가방법 및 평가항목을 통한 평가를 통하여 그 신뢰성을 확보하였고, 전용 시험평가 지그의 벤치 테스트를 통한 신뢰성, 내구성 평가 등 다양한 시험평가 모드를 개발하고 시험평가 하였다.
전진 버튼 입력 신호에 의해 모터를 전진시켜 클러치 디스크를 차단시키는 클러치 디스크 차단 메카니즘을 설계하였다. 반 클러치 버튼의 입력 신호로부터 엔진 회전 수 상승 수단을 동반하고, 모터를 구동하여 클러치 디스크를 반 클러치 상태로 위치하게 하는 반 클러치 단계 및 엔진 회전 수 상승이나 후진 버튼의 입력 신호로부터 클러치 디스크를 접속시키는 클러치 디스크 접속 단계를 구현하여 전자클러치 시스템을 모듈화 하였다.
본 연구 개발 기술은 차량의 운전 조건에 따라 달라지는 엔진의 출력 값으로 클러치 디스크의 접속 시점을 정확히 결정하고, 수동 변속기의 경우 빈번히 나타나는 반 클러치 상태를 적용하기 위하여 클러치디스크의 접속 시점을 결정하는 기준이 되는 데이터로서 엔진(Engine)의 회전수(rpm)를 사용하였다. 상승하는 엔진 회전수에 해당하는 값 만큼만 클러치 디스크를 이동 접속시켜 차량의 동력을 원활하게 전달할 수 있는 전자식 클러치 모듈을 연구하였다.
이러한 불편함을 해소하기 위해 변속이 자동으로 이루어지는 자동 변속기를 장착할 경우에는 운전 중 편리하고, 승차감이 우수한 장점이 있으나 초기 구입시 가격이 비싸고, 주행 중 수동 변속기에 비해 20~30 퍼센트 정도 연료 소비가 많은 단점이 있다. 이런 단점들은 화물 트럭이나 버스 같은 대형 상용차의 경우에는 더욱 심각해지는데 [2], 이러한 문제점들을 해결하고자, 본 연구 개발에서의 전자식 클러치 장치는 수동 변속기와 자동 변속기의 장점을 모두 살리기 위한 것으로, 클러치 페달의 조작 없이 브레이크 페달의 동작 또는 기어변속 스틱 상에 구비된 클러치 스위치의 on/off 동작으로 차량의 동력 전달을 간편하게 차단/접속함으로써 기어 변속이 자유롭게 이루어질 수 있게 하였다.
전용 시험평가 지그의 설계 제작을 통한 설계품의 기능, 사양, 디자인 검토 및 구조해석, 생성된 부품 모델들 간의 간섭 현상을 파악하기 위해, 어셈블리 작업을 수행하여 Mock-up 제작 전에 디지털 Mock-up 테스트를 실시하였다. 푸시로드 이송기어 등 전자클러치 요소 부품들의 전산해석 소프트웨어를 이용한 구조해석을 통하여, 제품 구조의 고 신뢰성을 확보하였다.
전자클러치 접속 메카니즘의 확립 및 최적 클러치 접속 알고리즘 개발을 위한 단계로 전진 버튼 입력 신호에 의해 모터를 전진시켜 클러치 디스크를 차단시키는 클러치 디스크 차단 단계, 반 클러치 버튼의 입력 신호로부터 엔진 회전수 상승 수단을 동반하고 모터를 구동하여 클러치 디스크를 반 클러치 상태로 위치하게 하는 반 클러치 단계, 엔진의 회전수 상승이나 후진버튼의 입력 신호로부터 클러치 디스크를 접속시키는 클러치 디스크 접속단계 등으로 구성되는 다양한 클러치의 접속 조건을 설정하고 그 제어 알고리즘을 개발 하였다. 그림 2는 제어 알고리즘 순서도이다.
전진 버튼 입력 신호에 의해 모터를 전진시켜 클러치 디스크를 차단시키는 클러치 디스크 차단 메카니즘을 설계하였다. 반 클러치 버튼의 입력 신호로부터 엔진 회전 수 상승 수단을 동반하고, 모터를 구동하여 클러치 디스크를 반 클러치 상태로 위치하게 하는 반 클러치 단계 및 엔진 회전 수 상승이나 후진 버튼의 입력 신호로부터 클러치 디스크를 접속시키는 클러치 디스크 접속 단계를 구현하여 전자클러치 시스템을 모듈화 하였다.
차량의 다양한 운전 조건에 따라서 적절하게 디스크를 플라이 휠에 접속시키는 전자 클러치의 구동방식 및 구동장치를 설계하여, 다양한 센서 및 signal conditioning을 통한 차량의 상태를 파악한다. 또한 전자 클러치 전용 구동 motor의 spec 설정 및 개발을 통해 모터의 회전에 따라 역할을 수행하는 마스터 실린더와 모터의 회전력을 직선 왕복 운동으로 바꾸어 구동 마스터 실린더 내의 푸시로드를 밀어 유압을 발생시키는 푸시로드 이송 기어 등 클러치 구동 액츄에이터의 구조를 설계 하였다 [6].
전용 시험평가 지그의 설계 제작을 통한 설계품의 기능, 사양, 디자인 검토 및 구조해석, 생성된 부품 모델들 간의 간섭 현상을 파악하기 위해, 어셈블리 작업을 수행하여 Mock-up 제작 전에 디지털 Mock-up 테스트를 실시하였다. 푸시로드 이송기어 등 전자클러치 요소 부품들의 전산해석 소프트웨어를 이용한 구조해석을 통하여, 제품 구조의 고 신뢰성을 확보하였다.
성능/효과
대형 차량의 경우에도 세계적으로 알려진 ZF, MAN, SCANIA, VOLBO 등에서 보유한 기술이 있으나, MAN이나 VOLBO의 경우 출발과 정지 시에 클러치 페달을 사용해야하므로 지체와 정체가 많은 우리나라에 적합하지 않고 ZF나 SCANIA의 기술도 언덕길 출발의 문제가 완전히 해결되지 않은 단점을 가지고 있으면서도, 가격이 고가이고 고장 시 차량의 운행이 불가능하며 수리 시 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 전문가만이 고칠 수 있는 문제점이 있다. 이에 본 연구는 기존 클러치 방식을 그대로 유지하면서 클러치 페달을 사용하지 않고 기어 봉에 장착된 스위치의 조작만으로 출발 및 기어변속을 자유롭게 할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 탈부착이 용이하고 고장 시에도 차량의 운행을 지속 할 수 있고, 수리에 들어가는 비용과 시간을 절약 할 수 있다. 기존의 세미오토는 동력전달 모드가 획일화 되어 있어 차량의 출발 시 다양하게 적용되는 클러치의 조작을 반영할 수 없으나, 본 연구 기술은 그러한 문제를 차량의 RPM 신호의 정확한 해석으로 다양한 출발 조건에 모두 적응할 수 있는 기술이다.
후속연구
개발 기술을 통하여 전자식 클러치가 성공적으로 개발되면 운전 중 출발과 정지가 매우 잦은 시내 버스나 청소차를 비롯해서 많은 화물을 싣고 경사로나 비포장도로 등을 운행하는 대형 트럭 등에 곧바로 적용하여 그 효과를 볼 수 있으리라 생각된다. 대형 승합차나 화물차와 같이, 잦은 기어의 변속 운행이 요구되는 차량의 경우, 기어봉에 부착된 전자 스위치를 손가락으로 제어하여 클러치를 제어하게 되므로 운전자가 클러치 페달의 조작으로부터 자유로워질 수 있어 다양한 운전 조건에서도 쉽고 효율적인 운행이 가능해지며, 조작은 훨씬 간편하지만 초기 투자비와 연비가 막대하게 소요되는 고가의 해외 제품과 비교하여 국내는 물론 해외에서도 충분한 품질 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 예상된다 [5].
종래의 오토미션은 클러치 디스크의 슬립을 기초로 한 소형 차량 및 개인용 RV 차량 위주로 사용되고 있으나, 본 연구 기술은 대형 차량부터 소형 승용차 및 농기계, 선박 등 클러치를 조작하는 모든 수송 기계에 적용이 가능한 혁신적인 기술이다. 로봇 클러치는 기존 오토미션과 수동 클러치와 비교하여 월등한 연료 절감 효과를 가져오고 있어, 고유가 시대에 침체된 경제 개선 효과가 지대할 것으로 전망된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마찰식 클러치 방식이란 무엇인가?
운송수단인 자동차가 개발되면서부터 지금까지 클러치 페달을 줄곧 사용하여 오던 기술은 마찰식 클러치 방식이다. 수많은 기업 혹은 사람들이 연구의 연구를 거듭하여 현재의 오토미션 이라는 방식이 개발되었고, 현재 승용차 대부분을 장악하고 있는 기술이라 할 수 있겠다.
오토미션의 제한점은 무엇인가?
수많은 기업 혹은 사람들이 연구의 연구를 거듭하여 현재의 오토미션 이라는 방식이 개발되었고, 현재 승용차 대부분을 장악하고 있는 기술이라 할 수 있겠다. 하지만 오토미션은 연료 소비가 수동미션에 비해서 최대 30% 더 소비되고 승용차와 RV급 차량에만 적용되고 있다 [1]. 대형 차량의 경우에도 세계적으로 알려진 ZF, MAN, SCANIA, VOLBO 등에서 보유한 기술이 있으나, MAN이나 VOLBO의경우 출발과 정지 시에 클러치 페달을 사용해야하므로 지체와 정체가 많은 우리나라에 적합하지 않고 ZF나 SCANIA의 기술도 언덕길 출발의 문제가 완전히 해결되지 않은 단점을 가지고 있으면서도, 가격이 고가이고 고장 시 차량의 운행이 불가능하며 수리 시 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 전문가만이 고칠 수있는 문제점이 있다.
수동 클러치 장치는 운전자로 하여금 어떤 문제점을 발생시키는가?
일반적으로 수동 클러치 장치는 클러치 페달의 동작에 의해 마스터 실린더(master cylinder)를 작동시키고, 마스터 실린더에 의해 릴리스 실린더(release cylinder)를 동작시키며, 릴리스 실린더의 작동에 따라 압력판에 의해 클러치 디스크(Clutch Disk)를 플라이 휠(Fly Wheel)과 차단/접속하여 엔진으로부터 변속기로 전달되는 회전력을 단속한다. 즉, 수동 클러치는 기어변속을 하기 위해서 운전자가 매번 클러치 페달을 가압 조작하여야 하기 때문에 시내 주행이나 교통정체 시 다리에 많은 피로가 발생되는 문제점이 있다.
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