[논문]A/T차량의 저속 영역에서 댐퍼클러치 작동에 따른 이상 진동 해석

신창우; 김범수; 이대흥; 정종렬; 임원식; 차석원

doi:10.7467/ksae.2013.21.3.157

A/T차량의 저속 영역에서 댐퍼클러치 작동에 따른 이상 진동 해석
Analysis of Abnormal Vibration by a Damper Clutch Operation in Low Speed Ranges of A/T Vehicles 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.3, 2013년, pp.157 - 164

신창우 (서울대학교 기계항공공학부) , 김범수 (현대자동차 동력개발팀) , 이대흥 (서울대학교 기계항공공학부) , 정종렬 (서울대학교 기계항공공학부) , 임원식 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 차석원 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A damper clutch in automatic transmission systems has some advantages of fuel economy and dynamic performance. Although a damper clutch operation improves a fuel economy of the vehicles, a positive operation of a damper clutch in a low vehicle speed induces abnormal vibration. This paper analyzed one of reasons for abnormal vibration by a damper clutch operation in low engine speed ranges. A simulation model was designed to confirm the effects of a damper clutch operation under unstable regions of an engine. A theoretical analysis was carried out about an engine operation stability. Simulation was conducted to depict abnormal vibration by a damper clutch operation in unstable regions of an engine performance curve. The effects of an engine operation region for abnormal vibration by a damper clutch was investigated according to the range and the slope of unstable regions. As a result of simulations, a damper clutch operation would be better to avoid an engine unstable regions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 댐퍼클러치 작동에 따른 이상 진동 현상의 원인 규명을 위해 엔진 작동 안정성에 관한 이론을 3절과 같이 해석하였다.
본 연구에서는 댐퍼클러치가 장착된 자동변속기 차량에서 적극적인 댐퍼클러치 작동에 따라 가진원의 불안정성에 의해 발현되는 이상 진동에 관한 연구를 수행하였다. 차량의 동역학적 모델을 바탕으로 자동변속기 차량 시뮬레이터를 구성하고, 가진원의 엔진의 작동 안정성 판별을 위한 수학적 접근 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 차량의 저속구간에서 적극적인 댐퍼클러치 작동에 의해 발생하는 이상 진동의 원인 중 하나인 가진원의 불안정 특성을 분석하였다. 이에 대한 분석을 위해 동역학적 모델을 바탕으로 구성한 자동변속기 차량 시뮬레이터를 개발하였다.

가설 설정

Case A의 경우 대상 차량의 엔진 토크 선도이며, Case B의 경우는 1500 RPM까지 불안정 영역이 나타나도록 수정한 엔진 토크 선도이다. Case C의 경우는 1800 RPM, Case D의 경우는 2200 RPM까지 엔진 불안정 영역이 지속되도록 엔진토크 선도를 가정하였다.
댐퍼클러치 결합 시의 엔진 작동 영역에 따른 비교를 위해 Fig. 6과 같은 주행프로파일을 가정하였다. 운전조건은 엔진 성능 곡선에서 엔진의 안정 영역과 불안정 영역의 기울기가 명확히 구별되는APS(Accelerator Pedal Sensor) 20%와 적극적인 댐퍼클러치 작동 영역을 위해 댐퍼클러치 결합 조건을 기어단수 3단으로 선정하였다.

제안 방법

댐퍼클러치 작동 시 발생하는 이상 진동이 엔진의 불안정 영역에서 기인하므로, 불안정 영역의 크기에 따라 발생하는 영향을 확인하였다.
앞에서 제시한 엔진 작동 영역에 대한 이론적 해석을 토대로 엔진 불안정 영역에서 댐퍼클러치 결합 시 발생하는 이상 진동을 구현하였다. 또한 엔진안정 영역에서 댐퍼클러치 작동 시의 결과와 비교하였다.
차량의 주행 저항력은 등판저항, 구름저항, 공기 저항을 계산하는 동역학 식을 이용하여 모듈을 구성하였다. 물리적으로 동력전달계와 연결된 차량의 등가 관성에 차량 부하 토크를 생성하여 적용하였으며, 차량의 주행 속도에 따른 부하량 및 운전자의 감속 페달 신호를 적용하여 차량의 동역학 모델을 구성하였다. 차량 모델 구성에 적용한 차량 세부 사양은Table 2와 같다.
자동변속기 모델은 2개의 싱글 피니언과 1개의 더블 피니언을 갖는 구조로 되어있으며, 5개의 클러치와 브레이크가 결합되어 있는 구조를 모델링하였다. 변속 패턴에 따른 기어 명령 단수에 따라 유압이 작동하도록 설정하였으며, 입력축에 실험에서 구한 강성을 입력하여 구성하였다.
앞에서 제시한 엔진 작동 영역에 대한 이론적 해석을 토대로 엔진 불안정 영역에서 댐퍼클러치 결합 시 발생하는 이상 진동을 구현하였다. 또한 엔진안정 영역에서 댐퍼클러치 작동 시의 결과와 비교하였다.
엔진 불안정 영역에서의 엔진 토크 기울기에 따라 댐퍼클러치 직결 시 발생하는 이상 진동의 진폭 변화를 확인하였다. 댐퍼클러치 결합 시점의 엔진 작동점이 엔진 불안정 영역의 기울기가 급경사인 경우에 나타나는 결과는 Fig.
이에 대한 분석을 위해 동역학적 모델을 바탕으로 구성한 자동변속기 차량 시뮬레이터를 개발하였다. 엔진 작동 안정성 이론을 통해 엔진의 불안정 영역을 정의하고, 출력 토크의 기울기에 따른 댐핑 특성을 확인하였다. 이를 토대로 엔진 안정 영역과 불안정 영역에서 댐퍼클러치 작동에 의해 나타나는 결과를 비교하고 불안정 영역에서 나타는 이상 진동 현상을 분석하였다.
차량 모델의 각 단품은 다음과 같이 구성하였다. 엔진은 정상상태 엔진 성능 곡선을 이용하여 스로틀과 엔진속도에 따라 출력 토크를 전달하는 구조로 본 연구에서는 Fig. 2와 같은 엔진 성능 곡선을 이용하였다.
우선, 엔진의 작동 안정 영역에서 댐퍼클러치 결합에 의한 시뮬레이션을 위해 터빈축 속도 1300 RPM의 운전조건에서 댐퍼클러치를 결합하였다. 이러한 조건에서 나타난 결과는 Fig.
6과 같은 주행프로파일을 가정하였다. 운전조건은 엔진 성능 곡선에서 엔진의 안정 영역과 불안정 영역의 기울기가 명확히 구별되는APS(Accelerator Pedal Sensor) 20%와 적극적인 댐퍼클러치 작동 영역을 위해 댐퍼클러치 결합 조건을 기어단수 3단으로 선정하였다.
엔진 작동 안정성 이론을 통해 엔진의 불안정 영역을 정의하고, 출력 토크의 기울기에 따른 댐핑 특성을 확인하였다. 이를 토대로 엔진 안정 영역과 불안정 영역에서 댐퍼클러치 작동에 의해 나타나는 결과를 비교하고 불안정 영역에서 나타는 이상 진동 현상을 분석하였다. 엔진 작동 불안정 영역의 크기가 이상 진동에 미치는 영향을 확인하기 위해 4종류의 엔진 성능 곡선을 적용해 이상 진동 확인 결과 양의 기울기 구간이 길어질수록 이상 진동 현상이 생기는 시간이 증가하는 것을 확인하였다.
차량의 동역학적 모델을 바탕으로 자동변속기 차량 시뮬레이터를 구성하고, 가진원의 엔진의 작동 안정성 판별을 위한 수학적 접근 방법을 제시하였다. 이를 토대로 엔진의 불안정 영역에서 댐퍼클러치 직결 시 발생하는 이상 진동을 구현하고, 엔진의 불안정 영역 크기 및 기울기 변화에 따른 이상 진동 현상을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 차량의 저속구간에서 적극적인 댐퍼클러치 작동에 의해 발생하는 이상 진동의 원인 중 하나인 가진원의 불안정 특성을 분석하였다. 이에 대한 분석을 위해 동역학적 모델을 바탕으로 구성한 자동변속기 차량 시뮬레이터를 개발하였다. 엔진 작동 안정성 이론을 통해 엔진의 불안정 영역을 정의하고, 출력 토크의 기울기에 따른 댐핑 특성을 확인하였다.
자동변속기 모델은 2개의 싱글 피니언과 1개의 더블 피니언을 갖는 구조로 되어있으며, 5개의 클러치와 브레이크가 결합되어 있는 구조를 모델링하였다. 변속 패턴에 따른 기어 명령 단수에 따라 유압이 작동하도록 설정하였으며, 입력축에 실험에서 구한 강성을 입력하여 구성하였다.
차량의 동역학적 모델을 바탕으로 자동변속기 차량 시뮬레이터를 구성하고, 가진원의 엔진의 작동 안정성 판별을 위한 수학적 접근 방법을 제시하였다.
차량의 주행 저항력은 등판저항, 구름저항, 공기 저항을 계산하는 동역학 식을 이용하여 모듈을 구성하였다. 물리적으로 동력전달계와 연결된 차량의 등가 관성에 차량 부하 토크를 생성하여 적용하였으며, 차량의 주행 속도에 따른 부하량 및 운전자의 감속 페달 신호를 적용하여 차량의 동역학 모델을 구성하였다.
토크컨버터는 용량계수, 토크비, 효율의 정상상태 성능 곡선을 사용하여 토크컨버터의 유체에 의한 출력 토크를 계산하는 구조로 구성하였다. Fig.

대상 데이터

다양한 엔진 출력 토크 선도에 따른 이상 진동의 영향성을 판단하기 위해 Fig. 12와 같이 4종류의 엔진 토크 선도를 고려하였다. Case A의 경우 대상 차량의 엔진 토크 선도이며, Case B의 경우는 1500 RPM까지 불안정 영역이 나타나도록 수정한 엔진 토크 선도이다.
대상 시스템은 3800cc 엔진, 토크컨버터, 댐퍼클러치, 6속 변속기를 갖는 구조로 이루어져 있으며, 시뮬레이션 해석을 위한 차량 모델은 Matlab Simulink와 SimDriveline을 이용하여 구성하였다.

성능/효과

1) 자동 변속기 차량의 동력전달계 구성부품 중 하나인 토크컨버터는 동유압 방식의 유체 전달기구로서 차량의 동력 성능 및 연비에 큰 영향을 미치지만 고속 주행 시 동력 손실에 의한 효율 감소의 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 자동변속기 차량에서는 댐퍼클러치를 장착하여 고속 주행 시 토크컨버터를 사용하지 않고 댐퍼클러치를 작동하여 유압 동력 손실을 줄이고 연비를 향상시키고 있다.
엔진 작동 불안정 영역의 크기가 이상 진동에 미치는 영향을 확인하기 위해 4종류의 엔진 성능 곡선을 적용해 이상 진동 확인 결과 양의 기울기 구간이 길어질수록 이상 진동 현상이 생기는 시간이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 불안정 영역의 기울기가 급격해질수록 이상 진동의 진폭이 증폭되는 것을 확인하였다.
8과 같다. 시뮬레이션 결과에서 댐퍼클러치 결합 후 임펠러 속도와 터빈속도가 교차하며 이상 진동의 생성 및 소멸을 확인 할 수있다. 이러한 현상을 T/M 출력축 속도 관점에서 주파수 도메인으로 분석하면 5 Hz 부근의 진동이 생성되었다가 소멸되는 것을 Fig.
이를 토대로 엔진 안정 영역과 불안정 영역에서 댐퍼클러치 작동에 의해 나타나는 결과를 비교하고 불안정 영역에서 나타는 이상 진동 현상을 분석하였다. 엔진 작동 불안정 영역의 크기가 이상 진동에 미치는 영향을 확인하기 위해 4종류의 엔진 성능 곡선을 적용해 이상 진동 확인 결과 양의 기울기 구간이 길어질수록 이상 진동 현상이 생기는 시간이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 불안정 영역의 기울기가 급격해질수록 이상 진동의 진폭이 증폭되는 것을 확인하였다.
7과 같다. 엔진의 작동 안정 영역에서 댐퍼클러치가 결합하여 진축과 연결된 토크 컨버터의 임펠러 축과 터빈축이 결합 후 큰 진동없이 주행하는 것을 확인할 수 있다. 이는 엔진 출력토크가 양의 댐핑 특성을 갖으며 자유도 변환에 의한 진동을 감소시켜주기 때문이다.
이러한 결과를 통해 엔진 저속구간에서 댐퍼클러치의 작동 시점 선정 시 엔진의 불안정 영역을 회피하는 시점으로 선정해야 이상 진동이 발생하지 않으며 엔진 성능 기울기에 민감한 것을 확인하였다. 향후 이상 진동 발생 영역에 대한 검출 제어를 적용하여 가진원의 토크 변화를 통한 효과와 슬립제어에 의한 상관성을 분석할 예정이다.
시뮬레이션 결과에서 보듯이 완만한 기울기에서는 이상 진동의 영향이 거의 나타나지 않는다. 이처럼 엔진 불안정 영역에서 댐퍼클러치 작동 시 출력 토크 기울기가 급격할수록 이상 진동에 미치는 영향이 큰 것을 확인하였다.

후속연구

이러한 결과를 통해 엔진 저속구간에서 댐퍼클러치의 작동 시점 선정 시 엔진의 불안정 영역을 회피하는 시점으로 선정해야 이상 진동이 발생하지 않으며 엔진 성능 기울기에 민감한 것을 확인하였다. 향후 이상 진동 발생 영역에 대한 검출 제어를 적용하여 가진원의 토크 변화를 통한 효과와 슬립제어에 의한 상관성을 분석할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저속 구간으로 댐퍼클러치의 작동 영역을 확대함에 따라 어떠한 문제가 발생하는가?	이러한 문제점을 해결하기 위해 자동변속기 차량에서는 댐퍼클러치를 장착하여 고속 주행 시 토크컨버터를 사용하지 않고 댐퍼클러치를 작동하여 유압 동력 손실을 줄이고 연비를 향상시키고 있다. 이와 같은 특성을 고려해 저속 구간으로 댐퍼클러치의 작동 영역을 확대함에 따라 연비는 향상되나 구동계의 이상 진동이 생기는 문제가 발생하고 있다.2)
	자동 변속기 차량이 수동 변속기 차량에 비해 운전자의 선호도가 높은 이유는 무엇인가?	자동 변속기 차량은 작동의 편의성과 안락한 운전성으로 인해 수동 변속기 차량에 비해 운전자의 선호도가높다.1) 자동 변속기 차량의 동력전달계 구성부품 중 하나인 토크컨버터는 동유압 방식의 유체 전달기구로서 차량의 동력 성능 및 연비에 큰 영향을 미치지만 고속 주행 시 동력 손실에 의한 효율 감소의 문제점을 가지고 있다.
	자동 변속기 차량에 사용되는 토크컨버터의 고속 주행 시 동력 손실에 의한 효율 감소의 문제점을 해결하기 위한 방법은 무엇인가?	1) 자동 변속기 차량의 동력전달계 구성부품 중 하나인 토크컨버터는 동유압 방식의 유체 전달기구로서 차량의 동력 성능 및 연비에 큰 영향을 미치지만 고속 주행 시 동력 손실에 의한 효율 감소의 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 자동변속기 차량에서는 댐퍼클러치를 장착하여 고속 주행 시 토크컨버터를 사용하지 않고 댐퍼클러치를 작동하여 유압 동력 손실을 줄이고 연비를 향상시키고 있다. 이와 같은 특성을 고려해 저속 구간으로 댐퍼클러치의 작동 영역을 확대함에 따라 연비는 향상되나 구동계의 이상 진동이 생기는 문제가 발생하고 있다.

참고문헌 (9)

B. S. Kim, W. B. Jung, W. S. Lim, S. W. Cha, S. H. Ahn, H. C. Kim and J. D. Jang, "Fuel Economy and Dynamic Performance of Damper Clutch Engement in an Automatic Transmission Vehicle," KSAE Fall Conference Proceedings, pp.761-765, 2007.
A. Higashimata and K. Adachi, "Development of a Slip Control System for a Damper Clutch," SAE 2004-01-1227, 2004.
M. Tohyama and T. Ohmori, "Anti-shudder Mechanism of ATF Additives at Slip-controlled Lock-up Clutch," SAE 1999-01-3616, 1999.
T. M. Cameron, "Fundamentals of Anti-shudder Durability: Part 1-Clutch Plate Study," SAE 2003-01-3254, 2003.
T. Miyoshi, "Study for Shudder Analysis of Lock-up Clutch - Part 2: Parameter Study and Analysis of Slip Shudder," SAE 968281, 1996.
N. Yamada and K. Ando, "An Analysis of Clutch Self-excited Vibration in Automotive Drive Line," SAE 951319, 1995.
S. Y. Kim, S. Y. Lee, J. H. Kim and K. M. Won, "Vibration Control and Design of the Locked-up Drivetrain System in A/T Vehicles," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.678-683, 2009.
C. W. Shin, B. S. Kim, W. S. Lim and S. W. Cha, "Analysis of Fuel Economy and Abnormal Vibration by a Damper Clutch Operating in A/T Vehicles," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.777-780, 2011.
B. S. Kim, W. S. Lim and S. W. Cha, "A Study on the Evaluation Method of the Operation Stability of a Torque Converter Mounted on Industrial Vehicle," Transactions of KSAE, Vol.15, No.3, pp.91-98, 2007.

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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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