[논문]파형 습식클러치의 드래그 토크 저감을 위한 파형내 유로 위치 설정 설계 연구

조정희; 한준열; 김우정; 장시열

doi:10.9725/kstle.2017.33.1.1

Abstract ▼ AI-Helper

Drag torque reduction in a wet clutch pack is a key aspect of the design process of the dual clutch transmission (DCT) system. In order to reduce the drag torque caused by lubricant shear resistance, recently developed wet clutch pack systems of DCT, as well as automatic transmission and other four-...

Drag torque reduction in a wet clutch pack is a key aspect of the design process of the dual clutch transmission (DCT) system. In order to reduce the drag torque caused by lubricant shear resistance, recently developed wet clutch pack systems of DCT, as well as automatic transmission and other four-wheel drive (4WD) couplings, frequently utilize wavy wet clutch pads. Therefore, wavy shape of friction pad are made on the groove patterns like waffle pattern for the reduction of drag torque. Additionally, the groove patterns are designed with larger channels at several locations on the friction pad to facilitate faster outflow of lubricant. However, channel performance is a function of the waviness of the friction pad at the location of the particular channel. This is because the discharge sectional area varies according to the waviness amplitude at the location of the particular channel. The higher location of the additional channel on the friction pad results in a larger cross-sectional area, which allows for a larger flow discharge rate. This results in reduction of the drag torque caused by the shear resistance of DCTF, because of marginal volume fraction of fluid (VOF) in the space between the friction pad and separator. This study computes the VOF in the space between the friction pad and separator, the hydrodynamic pressure developed, and the shear resistance of friction torque, by using CFD software (FLUENT). In addition, the study investigates the dependence of these parameters on the location and waviness amplitude of the channel pattern on the friction pad. The paper presents design guidelines on the proper location of high waviness amplitude on wavy friction pads.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 습식 DCT 의 클러치 팩의 클러치 풀림 상태에서 wave 마찰패드의 Y형태의 ÿo유로 위치에 따른 드래그 토크 변화를 해석하였다.
본 연구에서는 일반적으로 사용되는 평판형 클러치와 달리, 마찰판에 waviness를 준 웨이브 클러치에 대해 마찰판 사이 틈새의 변속기 유동에 대한 유동해석을 진행하였다. 마찰재의 패턴은 waffle 형태를 사용하였으며, 여기에 추가로 DCTF(Dual Clutch Transmission Fluid)의 배출을 빠르게 해 줄 수 있는 Y형상의 유로를 추가하였다.

가설 설정

해석 조건으로는 실제 차량모델에서 cold-start의 상황을 가정하여 40 oC의 초기온도를 설정하였다. 클러치의 외경방향으로 빠져나가는 것을 고려하여 대기압으로 설정하였으며, 마찰판과 분리판 틈 사이로 DCTF가 유입되므로 inlet flow rate를 설정하였다(Table 1, Fig.

제안 방법

본 연구는 습식 DCT 의 클러치 팩의 클러치 풀림 상태에서 wave 마찰패드의 Y형태의 ÿo유로 위치에 따른 드래그 토크 변화를 해석하였다. 6개의 wave 주기를 가진 파형 습식 클러치이기 때문에 Y 형상 유로의 파형 진폭 내 높이 위치에 따라low, middle, high 타입의 마찰판 패턴 설계를 하였다.
웨이브 클러치에서 Y형상의 유로의 위치를 세가지로 나누어 유동해석을 진행하였다. 계산영역의 격자요소에서 공기-변속기유 비율을 고려한 VOF(Volume of fluid) 해석을 진행하였으며, 상용 CFD프로그램인 FLUENT를 이용하였다.
본 연구에서는 일반적으로 사용되는 평판형 클러치와 달리, 마찰판에 waviness를 준 웨이브 클러치에 대해 마찰판 사이 틈새의 변속기 유동에 대한 유동해석을 진행하였다. 마찰재의 패턴은 waffle 형태를 사용하였으며, 여기에 추가로 DCTF(Dual Clutch Transmission Fluid)의 배출을 빠르게 해 줄 수 있는 Y형상의 유로를 추가하였다. 웨이브 클러치에서 Y형상의 유로의 위치를 세가지로 나누어 유동해석을 진행하였다.
마찰재의 패턴은 waffle 형태를 사용하였으며, 여기에 추가로 DCTF(Dual Clutch Transmission Fluid)의 배출을 빠르게 해 줄 수 있는 Y형상의 유로를 추가하였다. 웨이브 클러치에서 Y형상의 유로의 위치를 세가지로 나누어 유동해석을 진행하였다. 계산영역의 격자요소에서 공기-변속기유 비율을 고려한 VOF(Volume of fluid) 해석을 진행하였으며, 상용 CFD프로그램인 FLUENT를 이용하였다.
5). 진폭의 주기를 고려하여 Y형태의 유로를 6개를 추가하였다. 따라서 추가 유로와 진폭의 주기는 60o 주기를 갖게 된다.
해석 조건으로는 실제 차량모델에서 cold-start의 상황을 가정하여 40 oC의 초기온도를 설정하였다. 클러치의 외경방향으로 빠져나가는 것을 고려하여 대기압으로 설정하였으며, 마찰판과 분리판 틈 사이로 DCTF가 유입되므로 inlet flow rate를 설정하였다(Table 1, Fig. 10).

대상 데이터

기본적인 마찰판의 제원은 내경 70 mm, 외경 80 mm이며 진폭의 주기를 고려하여 Y 형태의 유로를 6개 추가하였다. 따라서 추가유로와 진폭의 주기는 60o 주기를 갖게 된다(Fig.

이론/모형

본 연구에서는 해석 시간을 단축하기 위하여 1/2클러치 모델을 사용하였으며 각 모델에 생성되는 Y형태의 유로는 3개씩 존재한다. 웨이브형 습식 클러치의 유로 위치 선정을 위한 해석 모델은 세가지 이다.

성능/효과

1. 습식클러치에서wave 형태의 마찰 패드에 대하여 변속기유의 배출을 원활히 하는 Y형태의 유로 위치에 따라 드래그 토크 값을 알아보았으며 high 타입에서 드래그 토크 저감이 가장 우수한 경향을 보였다.
2. 이것은 분리판과 마찰판의 틈새에서 Y형태의 유로를 지나기 전과 후의 압력차이에 의해 유체가 신속히 배출됨을 의미함과 동시에 가장 높은 틈새에 Y형태의 유로를 위치시켜 틈새공간을 더 확보하여 DCTF의 배출을 증가시키는 효과가 있다.
드래그 토크는 마찰판과 분리판 사이의 좁은 틈새에서 빠져나가지 못한 유체의 전단응력에 의해 발생하게되며 같은 잔여량 이라도 얼마나 국부적으로 형성 되는지와 넓게 형성되는지에 따라 드래그 토크의 값에 영향을 줄 수 있음을 확인하였다.
21에 세 가지 타입에 대하여 회전속도에 따른 드래그 토크를 비교하였다. 마찰판과 분리판의 주요 상대 회전영역인 500 rpm~2000 rpm을 비교 하였을 때, high 타입의 경우가 가장 낮게 형성되는 것을 확인하였다.
1500 rpm의 경우를 비교 하였을 때 high 타입에서는 Y형 유로의 틈새에서 출구방향의 벽면을 따라 원활하게 DCTF가 배출되는 현상을 보인다. 세 가지 타입의 Y형 유로 주변의 유선을 비교해 보면 low 타입에서 유선이 가장 적게 형성되어 있으며 유속이 느린 경향을 보인다. Y형 유로에서 빠르게 DCTF가 배출되면서 압력이 낮아지게 되며 주변의 DCTF 배출향상을 돕게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료소비율을 높이거나 연비향상을 추구해야 하는 이유는 무엇인가?	현재 자동차 시장은 환경문제와 석유 자원의 고갈로 인해 배기가스 규제가 심해지고 있다. CO2 규제를 맞추기 위해서는 연료소비율을 높이거나 연비향상을 도모해야 한다. 따라서 많은 자동차 회사들은 파워트레인 시스템의 각 요소에서 모든 부품에서 효율을 높일 수 있는 연구를 활발히 진행 중이다.
	평판 클러치란 무엇인가?	1은 기존에 사용되는 평판 클러치와 웨이브 클러치를 비교한 그림이다. 평판 클러치는 마찰판과 분리판이 항상 평행한 상태이다. 반면, 웨이브 클러치는 마찰판에 파형이 들어간 형태이다.
	DCT는 홀수와 짝수 단을 분리 시켜 각각을 제어하는데 이것이 무엇을 의미하는지 설명하시오	DCT는 홀수와 짝수 단을 분리 시켜 각각을 제어하는 형태이다[1]. 만약 홀수 단이 체결되어 있다면, 짝수단은 풀림 상태로 다음 단계의 변속을 대기중에 있다. 따라서 클러치 팩의 관점에서 본다면, 홀수단은 체결상태이고 짝수단은 풀림 상태로 차량이 운행하게 되는데 비 체결상태의 클러치 팩에서 변속기유의 점성에 의해 전단 저항을 발생시킨다.

참고문헌 (5)

Kim, H. Y., Jang, S. Y., Kim, W. J., Shin, S. C., "Analysis of Dynamic Behaviors of Transmission Fluid Flim in Wet Clutch Pad according to Patterned Grooves", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 30, No. 2, pp. 92-98, 2014.
Ivanovic, V., Herold, Z., Deur, J., Hancock, M. et al., "Experimental Characterization of Wet Clutch Friction Behaviors Including Thermal Dynamics", SAE Int. J. Engines, Vol. 2, No. 1, pp. 1211-1220, doi:10.4271/2009-01-1360, 2009.

상세보기
Shoaib Iqbal., Farid Al-Bender., Bert Pluymers., and Wim Desmet.,"Mathmatical Model and Experimental Evaluation of Drag Torque in Disengaged Wet Clutches", ISRN Tribology, 2013, Article Id 206539.
Yiqing Yuan., Eysion A. Liu., James Hill., "An Improved Hydrodynamic Model for Open Wet Transmission Clutches", Journal of Fluids Engineering, Vol. 129, March 2007.

상세보기
Kitabayashi, H., Li, C., Hiraki, H., "Analysis of the Various Factors Affecting Drag Torque in Multiple- Plate Wet Clutches", SAE Int. J. Engines 2003-01-1973, 2003.

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