[논문]군용차량 변속기에 적용할 수 있는 솔레노이드밸브 해석기술에 관한 연구

최윤용; 홍정표

doi:10.9709/jkss.2015.24.4.029

군용차량 변속기에 적용할 수 있는 솔레노이드밸브 해석기술에 관한 연구
A Study on Analysis Technique for Solenoid Valve Applicable to Military Vehicle Transmission 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.24 no.4, 2015년, pp.29 - 34

최윤용 (한양대학교 미래자동차공학과) , 홍정표

초록
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순수 기계식 시스템에 의존하던 군용차량의 전자화가 진행되고 있다. 이미 소형 군용차량의 전자화는 상당부분 상용화되었으며, 점차적으로 대형군용차량으로 확대될 것이다. 군용차량의 안정적인 주행성능을 위해서는 자동변속기용 솔레노이드 밸브의 설계가 매우 중요하다. 본 연구에서는 솔레노이드 밸브에 대해 ATF온도 변화에 의한 성능변화를 정량적으로 예측할 수 있는 해석(Simulation)수법을 개발하는 것을 목적으로 한다. 연구는 자장해석소프트웨어인 Maxwell과 유압해석프로그램인 AMESim을 연동하여 진행한다. 시뮬레이션 결과 고온($120^{\circ}C$이상)과 극저온($-20^{\circ}C$이하)을 제외한 온도 영역에서 실험결과와 매우 유사함을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electronic of military vehicle that had relied on pure machinery system is ongoing. A large part of electronic of small-sized military vehicle has been already commercialized, which will expand to large-sized military vehicle field. Design of solenoid valve for automatic transmission is significantly important for stable driving performance of military vehicle. This research aims to develop simulation method which is capable of predicting performance of solenoid valve quantitatively according to its variation of ATF temperature. The research has been conducted in line with Maxwell, a magnetic field analysis program, and AMESim, a hydraulic analysis program. After simulation, it turned out to have been very similar to the test result in temperature range which excludes high temperature (over $120^{\circ}C$) and extremely low temperature (below $-20^{\circ}C$).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구에서는, 자동변속기 제어의 최전선에 있는 솔레노이드 밸브에 대해, ATF온도 변화에 의한 영향(성능변화)을 정량적으로 예측하는 것이 가능한 해석수법을 개발하여, 제품 개발의 초기 설계단계부터 ATF영향을 고려한 설계실현으로 성능검증 횟수와 개발기간을 줄이는데 그 목적이 있다.

가설 설정

또한, 상기의 해석 결과(I-F-St특성)에 있어서도, 원래라면 자성 재료의 온도 변화에 기인한 미소한 영향이 예측되지만, 자동 변속기의 사용조건(200°C미만)이 자성 재료의 특성 변화를 일으키는 레벨의 온도(수백도 이상)까지는 도달하지 않으므로, I-F-St특성은 온도에 관계없이 일정 하다고 가정해 연구를 진척 시켰다.

제안 방법

그 후 Maxwell 해석도구를 활용하여 매쉬 작업을 진행하고 I-F-St맵을 도출한다. 도출된 맵을 기 개발된 AMESim 해석모델에 적용하여 유압부분과 솔레노이드부분을 연계 하여 해석을 진행한다. 그렇게 하여 최종적으로 전류와 제어압의 특성을 도출해낸다.
또한, 앞에서와 같이 본 연구에서 주목한 온도는 -30°C, -20°C, 0°C, 50°C, 120°C, 140°C이며, 각 온도별 고려해야 할 요소(온도 변화에 의해서 변하는 변수)에 대해서는 다음과 같이 선정해 예측치를 계산 했다.
밸브부에 대해서는, 유압해석을 하기 위한 상용소프트웨어인 AMESim을 이용해, 인가 전류(I)의 변화에 의한 제어압(P) 변화를 확인 했다.
3 mm로 한다. 본 솔레노이드 밸브의 권장 사용 최대전류는 1A 이고 비례제어 특성 상 1A 이하의 모든 영역에서 가변이 되기 때문에 인가 전류 범위를 0A에서 1A로 설정하였다. Table 1은 해석에 사용한 재료를 나타낸다.
본 연구는 상용 소프트웨어를 이용해 비례 제어솔레노이드 밸브의 온도에 의존하는 전류(I)-제어압(P)특성 변화를 해석 시뮬레이션 한 것으로, 성과와 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 전자기부의 Maxwell해석 결과(I-F-St 특성)을 AMESim에 입력하는 연계해석 방법을 이용했다. Fig.
시뮬레이션 모델에서 가변인자를 ATF온도와 인가 전류로 선정하고 고정인자를 공급압력으로 선정하였으며, 고정인자가 유지되고 가변인자가 가변될 때 제어압력을 최종출력으로 살펴보았다.
온도 변화에 의해서 변하는 변수로는 ATF의 물리적인 특성인 밀도(Density), 점도(Viscosity), 체적탄성률(Bulk modulus), 점성 마찰계수(Viscous friction)와 스풀과 슬리브 사이의 클리어런스를 산정했다. 또 기준온도는 80°C로 하고, 각각의 요소는 다음의 식으로 근사했다^[7,8].
이상에서 설명한 해석 프로세스를 기반으로, 스풀 타입의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 온도 의존성을 해석 시뮬레이션 했다.
전자기부에 대해서는 FEM (Finite Element Method) 을 기본으로 하는 상용 소프트웨어(Maxwell)를 이용해 자기해석을 실시해, 인가 전류의 변화에 의한 전자기력 (흡인력)변화를 확인 했다^[6].
측정 되지 않은 온도(-30°C, -20°C, 0°C, 120°C, 140°C) 의 체적 탄성계수에 대해서는 근사 선을 통해 예측치를 산정했다.

이론/모형

우선 밸브의 솔레노이드 부분을 3D도면 작업을 진행한다. 그 후 Maxwell 해석도구를 활용하여 매쉬 작업을 진행하고 I-F-St맵을 도출한다. 도출된 맵을 기 개발된 AMESim 해석모델에 적용하여 유압부분과 솔레노이드부분을 연계 하여 해석을 진행한다.

성능/효과

(1) 상용 소프트웨어인 Maxwell과 AMESim을 연계해, 솔레노이드 밸브의 특성 예측을 위한 해석 프로세스를 개발 할 수 있었다.
(2) 온도 변화에 따라 고려해야 할 변수선정과 적용 방법을 고안 할 수 있었다.
비교 결과, 고온(120°C, 140°C)에서는 주로 중전류대(약 0.5A)에서 실험값(출력압력)이 해석값보다 최대 20 kPa (13%) 크게 나타났고, 저온(-20°C이하)에서는 주로 저전류대(약 0.3A)에서 실험값(출력압력)이 해석값보다 최대 20 kPa (50%) 작게 나타나고 것을 알 수 있다.

후속연구

(3) 해석 결과는 고온(120°C이상)과 극저온(-20°C이하)을 제외한 온도 영역에서는 실험결과와 거의 일치하는 경향을 확인 할 수 있었기 때문에 한층 더 개선된 연구의 가치가 있다고 판단된다.
따라서 앞으로도 온도 변화는 물론 공급압 변화나 공기 함유량, 맥동과의 연관관계 등 한발 더 나아간 과제에 대해서도 연구를 지속적으로 실시한다면 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개발에 있어 유용한 결과를 얻을 수 있다고 사료 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	솔레노이드 밸브에 대해 높은 설계기술이 요구되는 이유는?	안정성이 최우선시 되는 군용차량용 변속기기술을 위해 변속 성능을 좌우하며 전자제어의 신호를 받아 유압을 발생하는 솔레노이드 밸브에 대해 높은 설계기술이 요구 되고 있다[2]. 이와 동시에 다양한 사용 환경에서 일관된 성능을 확보하기 위한 연구가 활발히 행해지고 있다[3].
	ATF변화에 깊이있는 고민이 필요한 이유는?	그 중, 자동 변속기 내에서 구성 부품이 성능을 발휘할 수 있도록 하는(작동 유체 및 윤활유의 역할) 자동 변속기유(ATF, Auto Transmission Fluid)의 온도 변화에 의한 성상변화가 솔레노이드 밸브의 성능에 많은 영향을 미치는 것은 잘 알려져 있다[4]. 이 때문에, ATF변화에‘영향을 받지 않는다.
	비례 제어 솔레노이드 밸브의 개발에 있어 불가결한 수법이라 생각되는 프로세스는?	비례 제어 솔레노이드 밸브의 개발에 있어, 온도뿐만 아니라 여러 가지 사용 조건에 의한 특성변화를 상용 소프트웨어를 이용해 예측 하는 프로세스는, 금후에도 다양한 설계 방책의 모색이나 제품 개발 기간의 단축을 실현하는데 있어 불가결한 수법이 된다고 생각된다.

참고문헌 (9)

Y. Y. Choi, S. H. Seo, S. H. Lee and H. S. Yang "Analysis of I-P Curve Characteristics by the temperature of Solenoid Valve for Automatic Transmission", Spring Conference of Korea Society of Fluid Power & Construction Equipments, KSFC, pp. 7-11, 2010.
C.S. Song, Y.J. Lee, S.J. You (1995), "A Study on the Analysis of Dynamic Characteristics of the Solenoid Valve of Automatic Transmission", Journal of the Korea Society for Precision Engineering, Vol. 12, No. 8, pp. 122-130.
Takashi Arakawa, Shigeki Nimi (2002), "Optimization Technology of Magnetic Circuit for linear Solenoid", SAE 2002-01-0565.
B.H. Cho, G.H. Jung, K.I. Lee (1999), "Modeling of Proportional Control Solenoid Valve for Automatic Transmission Using System Identification Theory". SAE 1999-01-1061.
S.N. Yun, Y.B. Ham, P.W. Park (2006), "Pressure Control Valve using Proportional Electro-magnetic Solenoid Actuator", Journal of the Korea Society of Mechanical Engineers A, Vol. 30, No. 30, pp. 1202-1208.

원문보기 상세보기
Y. Y. Choi, S. H. Seo, S. H. Lee and H. S. Yang "The development of a analysis process of a current(I)-control pressure(P) characteristic using CAE of a solenoid valve for automatic transmission", Autumn Conference of Korea Society of Fluid Power & Construction Equipments, KSFC, pp. 43-48, 2009.
William H. Hayt, Engineering Electromagnetics. McGraw-Hill Education, 1989.
Institute of Electronics Engineers, Magnetic Actuators and Sensors, John Wiley & Sons, Inc. 2006.
Herbert E. Merritt, Hydraulic Control Systems, John Willy & Sons, Inc. 1967.

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