[논문]다판 클러치방식 차동제한장치 개발을 위한 설계인자 분석에 관한 연구

신용호; 이동원; 신천세

다판 클러치방식 차동제한장치 개발을 위한 설계인자 분석에 관한 연구
A Study on the Analysis of Design Parameters for Development of LSD 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.25 no.3, 2010년, pp.15 - 21

신용호 (국제대학 자동차계열) , 이동원 (자동차부품연구원) , 신천세 (자동차부품연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

A differential case equipped with LSD(limited slip differential) has several advantages over a normal type for rear wheel drive vehicles. Specially, the torque distribution can be done between left and right drive wheel in the state of limited slip differential. Also although LSD types are very various according to operating type, medium and torque distribution, a multi-clutch type is generally applied to rear wheel drive vehicles. So, this study presents the analysis of design parameters for development of a friction plate for multi-clutch type LSD using vehicle road test, the simulation of analytical model and the development of vehicle dynamics model by a benchmark product. According to this investigation, the design parameters which are pre-load of coil spring, friction plate and contact area quantity, friction coefficient and TBR(torque bias ratio) for a friction plate are derived from experiment and simulation and consequently, vehicle dynamics model has been constructed for the development of friction plate for multi-clutch type LSD.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 다판 클러치방식의 차동제한장치 벤치마킹 제품을 대상으로 실차주행평가, 동역학 해석 등을 이용하여 차동제한장치의 핵심 부품인 마찰 플레이트에 대한 주요 설계인자 검토가 이루어졌으며, 다음과 같이 연구결과를 요약할 수 있다.
차동제한장치가 장착된 차량의 경우 직진 주행 시에는 일반적인 차동장치와 동일한 작동상태를 유지하지만, 차동제한이 발생되는 상황에서는 양 구동축에 서로 다른 토크 분배비가 형성되어진다. 이러한 차동제한장치의 주행특성을 모사하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 K社 대형 SUV 차량의 구동축에 구동토크 측정이 가능한 MTS社 휠 6분력계를 장착하여 실차 주행평가를 수행하였다. 휠 6분력계의 경우 각 구동축에서 3축으로의 하중과 토크측정이 가능하지만, 본 연구에서는 Fig.
이에 본 연구에서는 국내에서 양산중인 SUV 차량에 적용된 다판 클러치방식의 차동제한장치에 대한 벤치마킹을 통하여 주요 설계인자를 도출하고, 도출되어진 주요 설계인자의 분석을 위해 실차 주행평가와 클러치 팩의 수학적 모델을 통한 시물레이션을 통하여 적정 설계변수를 한정 시킨 이후, 이를 적용한 동역학적 해석모델 개발을 통하여 다판 클러치방식 차동제한장치의 핵심 부품인 마찰 폴레이트 개발에 본 연구결과를 활용해 보고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 차동제한장치 모듈에 대한 동역학적 해석을 위하여 MSC社의 아담스(ADAMS) 상용 프로그램을 통하여 동역학적 해석모델을 구성하였다. 동역학 해석의 대상은 차동제한장치 단품 모듈로 국한시켰으며, 해석모델의 구성은 벤치마킹 제품에 대한 스캐닝작업을 통하여 3D 형상모델을 우선적으로 구성한 후, 강체 단품 모델은 재료물성치를 부가하고, 유연체 단품 모델은 유한요소 모델 및 정규모드 해석결과를 이용하여 구성하였다. 또한 각 단품모델에 대하여 강체 단품 모델과 유연체 모델 사이의 구속조건, 접촉요소 및 연결 힘 등을 정의하여 최종적인 동역학적 해석모델을 구성하여 해석을 수행하였다.
동역학 해석의 대상은 차동제한장치 단품 모듈로 국한시켰으며, 해석모델의 구성은 벤치마킹 제품에 대한 스캐닝작업을 통하여 3D 형상모델을 우선적으로 구성한 후, 강체 단품 모델은 재료물성치를 부가하고, 유연체 단품 모델은 유한요소 모델 및 정규모드 해석결과를 이용하여 구성하였다. 또한 각 단품모델에 대하여 강체 단품 모델과 유연체 모델 사이의 구속조건, 접촉요소 및 연결 힘 등을 정의하여 최종적인 동역학적 해석모델을 구성하여 해석을 수행하였다. Table 3은 벤치마킹 제품에 적용된 구속조건을 나타낸 것이며, Fig, 8은 구성된 해석모델을 나타낸 것이다.
또한 각각의 입력변수의 제원은 마찰 플레이트에 대한 실측과 예압 스프링에 대한 하중-변위 실측곡선을 통하여 얻어졌으며, μ = 0.3, D = 0.09m, d = 0.07m 및 Pa = 555,296N/m2를 적용하였다.
2의 Y축 방향으로의 하중과 토크에 주요한 관심을 두고 평가를 수행하였다. 또한 차량 규동 RPM은 차량 ECU(electric control unit) 신호를 이용하여 측정하였으며, 각 측정신호들은 6,400Hz로 샘플링하여 충분한 주파수 밴드영역을 확보하였다. 이외에 각 신호들은 LMS社 테스트 랩(testlab)을 이용하여 상호 동기화된 신호를 입력받아 분석을 수행하였다.
또한 화우측 구동샤프트에 차동현상을 발생시키기 위하여 강제 반력토크를 좌륜에 1,000N · mm, 우륜에 500N · mm를 입력한 후, 사이드 기어부에 작용하는 토크를 계산하여 전체적인 차동제한장치의 TBR을 분석하였다.
본 연구를 위해 구성되어진 동악학 해석모델은 전 차량모델이 아닌 차동제한장치 단품모듈이기 때문에 동역학 해석은 디퍼렌셜 케이스에 속도입력을 통하여 해석이 이루어졌다. 속도입력에 대한 조건은 기어 1단에서 종감속비를 거쳐 디퍼렌셜 케이스에 입력토크가 가장 크게 발생되는 값을 선정하여, 속도입력은 16.
선회주행 시에는 양 차륜의 차동비가 발생되기 때문에 인위적인 차동제한이 발생되는 경우이며, 스프리트 뮤 주행 시에는 차량이 빙판길 등에 접한 경우를 모사한 경우로서, 낮은 마찰계수를 갖는 노면의 구동축으로 구동력이 전이되어 타이어 슬립 현상이 발생되는 주행상태를 모사한 경우이다. 본 연구에서 차량의 좌측 차륜은 ABS(anti-lock brake system) 노면에 물을 살수시켜 낮은 마찰계수를 갖는 노면을 주행하고, 반대쪽 차륜은 일반 아스팔트 노면을 주행하여 서로 다른 마찰계수의 노면을 주행하도록 시험모드를 구성하였다.
본 연구에서는 차동제한장치 모듈에 대한 동역학적 해석을 위하여 MSC社의 아담스(ADAMS) 상용 프로그램을 통하여 동역학적 해석모델을 구성하였다. 동역학 해석의 대상은 차동제한장치 단품 모듈로 국한시켰으며, 해석모델의 구성은 벤치마킹 제품에 대한 스캐닝작업을 통하여 3D 형상모델을 우선적으로 구성한 후, 강체 단품 모델은 재료물성치를 부가하고, 유연체 단품 모델은 유한요소 모델 및 정규모드 해석결과를 이용하여 구성하였다.
속도입력에 대한 조건은 기어 1단에서 종감속비를 거쳐 디퍼렌셜 케이스에 입력토크가 가장 크게 발생되는 값을 선정하여, 속도입력은 16.4rad/s, 토크입력은 5, 125N · m를 입력 하였다.
또한 차량 규동 RPM은 차량 ECU(electric control unit) 신호를 이용하여 측정하였으며, 각 측정신호들은 6,400Hz로 샘플링하여 충분한 주파수 밴드영역을 확보하였다. 이외에 각 신호들은 LMS社 테스트 랩(testlab)을 이용하여 상호 동기화된 신호를 입력받아 분석을 수행하였다.
2와 같이 K社 대형 SUV 차량의 구동축에 구동토크 측정이 가능한 MTS社 휠 6분력계를 장착하여 실차 주행평가를 수행하였다. 휠 6분력계의 경우 각 구동축에서 3축으로의 하중과 토크측정이 가능하지만, 본 연구에서는 Fig. 2의 Y축 방향으로의 하중과 토크에 주요한 관심을 두고 평가를 수행하였다. 또한 차량 규동 RPM은 차량 ECU(electric control unit) 신호를 이용하여 측정하였으며, 각 측정신호들은 6,400Hz로 샘플링하여 충분한 주파수 밴드영역을 확보하였다.

대상 데이터

본 연구에 적용되어진 다판 클러치방식 차동제한장치의 구성은 Fig. 1에도시한 바와 같이, 차량의 차동장치 내부의 사이드 기어부에 클러치 팩을 장착한 형태이다. 클러치 팩의 구성은 마찰 플레이트 세 장과 상호 접촉이 이루어지는 스틸 플레이트로 구성되어진다.
본 연구에 적용되어진 벤치마킹 제품의 마찰 플레이트는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 스틸재질 표면에 카본 복합소재를 부착한 형태로서, 실제 접촉면은 카본 복합소재의 면적부분으로 구성된다. 이러한 접촉면에 의한 단면 최대 전달토크는 마찰 플레이트의 미소면적에 작용하는 마찰력에 대하여 원주방향으로 면적분을 통하여 계산할 수 있으며, 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다⁹⁾.
이에 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 국내 K社 대형 SUV에 장착되어진 다판 클러치방식의 차동제한장치를 벤치마킹 제품으로 선정하였다.
첫 번째 시험모드는 20m 반경의 선회주행 시험모드이며, 두 번째 시험모드는 스프리트 뮤(split μ) 주행시험모드8)로서 차량의 좌측 전/후 차륜은 젖은 상태의 매끄러운 노면을 주행하고 반대쪽 전/후 차륜은 일반 아스팔트 노면을 주행하는 시험모드이다.

성능/효과

일반적인 차동장치에서는 선회주행 시, 구동토크가 좌/우측이 동일하게 발생되는 현상과 가장 큰 차이를 나타내는 부분이다. 또한 스프리트 뮤 주행 결과에서는 차량이 직진 주행 시에는 1:1의 TBR 분포를 발생시키고 있지만, 차량 정지이후 급발진 시, 약 1.75:1의 토크 분배비를 통하여 험로를 탈출하고, 이후 일반 노면 진입 시에는 다시 1:1의 TBR 분포가 발생되고 있음을 확인할 수 있다. 특히, 차량 구동 회전수가 4,000RPM 이상에서 발생되어지고 있기 때문에, 차동제한장치가 없는 차량의 경우, 주행 안정성에 큰 문제를 발생시킬 수 있음을 예측할 수 있다.
7에 임의적으로 표시한 바와 같이 주행특성에 상관없이 항상 1:1의 TBR을 갖게 된다. 벤치마킹 제품에 대하여 본 시물레이션을 통하여 도출된 TBR 값은 Fig. 3에 나타낸 실차 선회주행 평가 시 발생된 IBR과 동일한 결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 본 결과를 통하여 향후 클러치 팩 개발 시, 마찰플레이트 설계사양에 따른 토크분배 성능을 사전에 검토해볼 수 있을 것으로 사료된다.
7은 식 (3)을 이용하여 벤치마킹 제품의 파라미터를 적용한 TBR 시뮬레이션 결과이다. 본 연구에 적용되어진 마찰 플레이트 클러치 팩은 입력 토크에 따라 발생 가능한 TBR이 약 2:1 수준을 나타내고 있음을 알 수 있다. 일반적인 차동장치의 경우는 Fig.
5에 도시한 결과와 같이 내경의 감소와 예압 스프링의 강성을 높이는 방법을 통하여 토크 전달량을 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 본 연구에 적용된 벤치마킹 제품의 경우도 마찰 플레이트의 형상규격에 대한 설계사양 변경 없이, 기준 토크 전달량 대비 약 50% 이상 증가 또는 감소시킬 수 있을 것으로 예측되어진다.
특히, 차량 구동 회전수가 4,000RPM 이상에서 발생되어지고 있기 때문에, 차동제한장치가 없는 차량의 경우, 주행 안정성에 큰 문제를 발생시킬 수 있음을 예측할 수 있다. 이러한 극한 운전조건에서의 실차주행 평가를 통하여 차동제한장치는 1:1~2:1 이상의 토크분배비가 발생되어야 차량의 주행안정성을 향상 시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

3에 나타낸 실차 선회주행 평가 시 발생된 IBR과 동일한 결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 본 결과를 통하여 향후 클러치 팩 개발 시, 마찰플레이트 설계사양에 따른 토크분배 성능을 사전에 검토해볼 수 있을 것으로 사료된다.
상기의 연구결과를 토대로 향후 다판 클러치방식의 차동제한장치 개발 시, 본 연구결과를 통하여 보다 체계적인 개발이 가능할 것으로 사료된다.
이는 현재 구성되어진 동역학적 해석모델의 신뢰성이 충분히 확보되었음을 의미한다. 향후 본 연구를 통하여 구성되어진 동역학적 해석모델 구성 및 해석방안을 기반으로 다판 클러치방식의 차동제한장치 개발에 다양하게 활용이 가능할 것으로 사료되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차의 구동방식은 어떻게 나뉘어 지는가?	일반적으로 자동차의 구동방식은 크게 전륜, 후륜 및 4륜구동 방식으로 나누어지며, 국내에서 개발 및 양산되는 대다수의 차량은 전륜구동 방식을 택하고 있다. 전륜 구동방식 차량의 경우 후륜구동 방식 대비 적은 부품수의 중량 감소에 의한 상대적인 연비저감 효과와 눈길 및 빙판길에서의 구동성능이 후륜구동 대비 상대적으로 우수한 특징을 나타낸다.
	전륜 구동방식 차량의 단점은?	전륜 구동방식 차량의 경우 후륜구동 방식 대비 적은 부품수의 중량 감소에 의한 상대적인 연비저감 효과와 눈길 및 빙판길에서의 구동성능이 후륜구동 대비 상대적으로 우수한 특징을 나타낸다. 하지만 후륜축의 요(yaw) 운동에 의하여 뒷좌석의 승차감 저감과 코너링 안정성 및 큰 선회 반경 등에 있어서는 후륜구동 차량 대비 상대적으로 안정성이 떨어지는 경향을 나타낸다. 이에 따라, 고급 승용차나 SUV 차량 등의 경우에는 승차감 개선, 가속력 및 제동력 향상과 안정된 코너링 성능을 확보하기 위하여 전륜구동 방식 보다는 후륜구동 방식을 적용하는 추세이다.
	전륜 구동방식 차량의 장점은?	일반적으로 자동차의 구동방식은 크게 전륜, 후륜 및 4륜구동 방식으로 나누어지며, 국내에서 개발 및 양산되는 대다수의 차량은 전륜구동 방식을 택하고 있다. 전륜 구동방식 차량의 경우 후륜구동 방식 대비 적은 부품수의 중량 감소에 의한 상대적인 연비저감 효과와 눈길 및 빙판길에서의 구동성능이 후륜구동 대비 상대적으로 우수한 특징을 나타낸다. 하지만 후륜축의 요(yaw) 운동에 의하여 뒷좌석의 승차감 저감과 코너링 안정성 및 큰 선회 반경 등에 있어서는 후륜구동 차량 대비 상대적으로 안정성이 떨어지는 경향을 나타낸다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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