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문제 정의
- 이 연구의 목적은 SimulationX 소프트웨어를 이용하여 PCV의 입력 파형 변경을 통해 변속 충격을 최소화는 PCV 구동 전류의 궤적을 효율적으로 찾는 것이다. PST 변속 시스템은 SimulationX를 이용하여 모델링하였으며 시뮬레이션 모델은 실제 차량 실험 을 통해 검증하였다.
- 이 연구의 목적은 트랙터 PST의 시뮬레이션 모델링을 통하여 변속 시 발생하는 충격을 최소화하는 것이다. 실제 실험을 진행하는 것에 비해 시뮬레이션 모델의 장점은 시간과 장소에 제약이 없다는 것이다.
가설 설정
- 4의 고정값으로 사용하였다.10) C3 시뮬레이션 모델은 Fig. 2와 같고, C4 모델은 C3와 동일하다.11)
제안 방법
- 트랙터는 변속 시 총 4개의 클러치를 사용한다. (C1, C2, C3, C4) 트랙터의 변속 단수는 16 단수이며, 이 연구에서는 트랙터에서 일반적으로 사용되는 단수인 3-4 단 변속만을 고려하였기 때문에 C1 과 C2를 질량 관성으로 취급하고 C3와 C4만 분석하였다.
- PCV 입력 파형을 5개의 파라미터로 세분화하여 민감도 분석을 진행하였고, 이를 통해 반응성이 큰 2개의 파라미터를 선정하였다. 2개의 파라미터는 완전요인실 험법을 통해 최적의 입력 파형을 도출하였다. 시뮬레이션을 통해 결정된 최적의 PCV 입력 파형은 실차 실험을 통해 최종적으로 검증하였다.
- 3-4단 변속만 고려하였기 때문에 C1 / C2 클러치는 관성질량으로 처리하였고 입력 샤프트에서 클러치판, 클러치 디스크에서 최종 드라이브까지 관성질량으로 나누어 입력하였다. 클러치의 마찰 계수는 온도에 따라 측정된 데이터를 사용하였다.
- 실제 차량을 이용한 실험을 통해 시뮬레이션 모델의 동력전달계 강성, 댐핑 등의 값을 조절하였다. PCV 입력 파형을 5개의 파라미터로 세분화하여 민감도 분석을 진행하였고, 이를 통해 반응성이 큰 2개의 파라미터를 선정하였다. 2개의 파라미터는 완전요인실 험법을 통해 최적의 입력 파형을 도출하였다.
- PST 변속 시스템은 SimulationX를 이용하여 모델링하였으며 시뮬레이션 모델은 실제 차량 실험 을 통해 검증하였다. PCV의 입력 파형을 다섯 개의 파라미터로 구분한 후에 민감도 분석을 통해 변속 충격에 가장 영향을 크게 미치는 파라미터를 선정하였다. 그리고 완전요인실험법을 통해 최적의 PCV 입력 파형을 선정하였다.
- 클러치의 마찰 계수는 온도에 따라 측정된 데이터를 사용하였다. 각각의 기어비는 합쳐서 입력하였고, 타이어의 직경, 타이어와 도로 사이의 마찰도 고려하였다. 측정하기 까다로운 동력전달계의 강성 및 댐핑계수는 실험데이터를 참고하여 시행착오 과정을 통해 결정하였다.
- PCV의 입력 파형을 다섯 개의 파라미터로 구분한 후에 민감도 분석을 통해 변속 충격에 가장 영향을 크게 미치는 파라미터를 선정하였다. 그리고 완전요인실험법을 통해 최적의 PCV 입력 파형을 선정하였다.
- Table 1은 파라미터별로 구분된 수준을 나타낸다. 민감도 분석 및 최적화는 가장 많이 사용되는 온도 및 RPM인 60℃, 2350RPM 케이스만 진행하였다. 파라미터 민감도 분석 수준은 트랙터에서 기존에 사용된 파라미터를 기반으로 변경 가능한 최대, 최소값을 기반으로 설정하였다.
- 실험은 휠의 구름 저항을 최소화하기위해 콘크리트 바닥, 그리고 경사가 없는 평평한 지면에서 수행하였다. 변속 시에 발생하는 충격을 정확하게 측정하기 위해 시동 후 충분한 시간이 지난 후에 변속하고 가속도 값으로 충격량을 계산하였다. 실험은 케이스별로 각각 5번씩 수행하였으며 Chauvenet’s criterion15)을 따라 결과를 도출하였다.
- 변속 충격을 최소화하기 위해 PCV의 입력 신호를 5개의 파라미터로 구분한 후 민감도 분석을 통해 변속 충격에 영향을 크게 미치는 파라미터를 선정하여 파형 을 수정하였다. Fig.
- 선택된 두 파라미터는 완전요인실험법을 사용하여 100가지 경우로 시뮬레이션을 진행하였다. A는 -1s ~ 1s 범위로 0.
- 실제 실험을 진행하는 것에 비해 시뮬레이션 모델의 장점은 시간과 장소에 제약이 없다는 것이다. 실제 차량을 이용한 실험을 통해 시뮬레이션 모델의 동력전달계 강성, 댐핑 등의 값을 조절하였다. PCV 입력 파형을 5개의 파라미터로 세분화하여 민감도 분석을 진행하였고, 이를 통해 반응성이 큰 2개의 파라미터를 선정하였다.
- 7은 가속도 센서를 사용하여 변속 충격을 측 정한 후 30 Hz의 저역 통과 필터로 필터링한 결과와 변속충격량을 peak-to-peak로 정의한 결과를 나타낸다. 실험은 3단에서 출발하여 4단으로 변속한 후 정 지하는 방식으로 진행하였다. 트랙터가 정지한 상태 에서도 엔진이 작동하는 동안은 많은 진동이 발생하기 때문에 저역 통과 필터를 사용하였다.
- 실험은 시뮬레이션에서 참고한 것과 동일한 트랙 터를 사용하여 실차실험을 진행하였다. Fig.
- 실험은 케이스별로 각각 5번씩 수행하였으며 Chauvenet’s criterion15)을 따라 결과를 도출하였다.
- C3, C4의 PCV 입력 신호, 라인 압력 및 RPM은 트랙터 자체에 내장된 압력 센서, 기어 홀센서와 Canalyzer 소프트웨 어(Vector)를 사용하여 측정한다. 실험은 휠의 구름 저항을 최소화하기위해 콘크리트 바닥, 그리고 경사가 없는 평평한 지면에서 수행하였다. 변속 시에 발생하는 충격을 정확하게 측정하기 위해 시동 후 충분한 시간이 지난 후에 변속하고 가속도 값으로 충격량을 계산하였다.
- 유압유의 온도 및 RPM 조건은 30 ℃, 60 ℃, 90 ℃ 그리고 850 RPM, 1500 RPM, 2350 RPM이며 조합에 따라 총 9 가지의 케이스로 진행하였다. 트랙터가 일반적으로 사용되는 온도는 보통 30 ℃부터 최대 90 ℃이다.
- 각각의 기어비는 합쳐서 입력하였고, 타이어의 직경, 타이어와 도로 사이의 마찰도 고려하였다. 측정하기 까다로운 동력전달계의 강성 및 댐핑계수는 실험데이터를 참고하여 시행착오 과정을 통해 결정하였다. 클러치 변 속 모델에서, 유압 피스톤 모델에 작용하는 힘은 클러치 피스톤의 외경, 내경, 마찰판 개수 등의 성분을 통해 다음 식에 의해 계산된다.
- 일반적으로 변속 충격량과 변속 시간은 반비례 관계이기 때문에 두 가지 모두를 줄이는 것은 매우 어렵다. 클러치가 심하게 손상되지 않 는 범위에서 변속 시간을 트랙터 회사에서 일반적으로 규정하는 데이터에 따라 1.2초로 설정하였다. 이 에 따라 민감도 분석 시에 변속 시간이 1.
- 민감도 분석 및 최적화는 가장 많이 사용되는 온도 및 RPM인 60℃, 2350RPM 케이스만 진행하였다. 파라미터 민감도 분석 수준은 트랙터에서 기존에 사용된 파라미터를 기반으로 변경 가능한 최대, 최소값을 기반으로 설정하였다.
- Time interval은 변속시 분리되는 클러치와 접촉되는 클러치의 시간 차이(s)를 의미하며, pressure 와 time은 해당 위치의 압력(bar)과 시간(s)을 의미한 다. 파라미터들은 민감도 분석을 진행하는 데 사용되며, 민감도 분석은 이 5 가지 파라미터를 세 가지 수준으로 나누어 진행하였다. Table 1은 파라미터별로 구분된 수준을 나타낸다.
대상 데이터
- 이 그림은 기존 값과 (+) 및 (-) 값 총 세 가지 수준을 비교한 것이다. 5개의 파라 미터 중에서 변속 시간이 1.2초 이내를 만족하며, 높은 반응성을 가지는 A, B 파라미터를 최종적으로 선택하였다. 나머지 C, D, E 파라미터는 반응성이 거의 없어 최적화 과정에서 제외하였다.
- 1과 같은 트랙터 (LS Mtron)를 참고하였다. 시뮬레이션 모델의 구성은 유압 피스톤 모델과 클러치 변속 모델로 구분된다.
- 연구에 사용된 유압 펌프는 기어 펌프이며, 토출량은 23.4 lpm이고 릴리프 밸브에 의해 제어되는 라인압력은 약 18 bar이다.12) 실제 기어펌프는 토출량의 변동이 크지만 본 연구에서 펌프 토출량의 유동성이 미치는 영향이 매우 적음에 따라 라인압력은 18 bar로 고정하였다.
- 3-4단 변속만 고려하였기 때문에 C1 / C2 클러치는 관성질량으로 처리하였고 입력 샤프트에서 클러치판, 클러치 디스크에서 최종 드라이브까지 관성질량으로 나누어 입력하였다. 클러치의 마찰 계수는 온도에 따라 측정된 데이터를 사용하였다. 각각의 기어비는 합쳐서 입력하였고, 타이어의 직경, 타이어와 도로 사이의 마찰도 고려하였다.
데이터처리
- 이 연구의 목적은 SimulationX 소프트웨어를 이용하여 PCV의 입력 파형 변경을 통해 변속 충격을 최소화는 PCV 구동 전류의 궤적을 효율적으로 찾는 것이다. PST 변속 시스템은 SimulationX를 이용하여 모델링하였으며 시뮬레이션 모델은 실제 차량 실험 을 통해 검증하였다. PCV의 입력 파형을 다섯 개의 파라미터로 구분한 후에 민감도 분석을 통해 변속 충격에 가장 영향을 크게 미치는 파라미터를 선정하였다.
- 2개의 파라미터는 완전요인실 험법을 통해 최적의 입력 파형을 도출하였다. 시뮬레이션을 통해 결정된 최적의 PCV 입력 파형은 실차 실험을 통해 최종적으로 검증하였다. SimulationX 모델의 장점은 분석 시간이 짧아서 다양한 경우의 시뮬레이션을 짧은 시간 내에 완료할 수 있다는 것과 다양한 곳에 활용할 수 있다는 것이다.
이론/모형
- 0 bar 범위로 10가지로 총 100가지로 조합하였다. 파라미터의 범위와 간격은 시행착오 법 으로 최적값을 찾는데 적절하다고 판단되는 값으로 설정하였으며, 시뮬레이션 시간이 매우 짧기 때문에 필요시 더 세세한 간격으로 시뮬레이션이 가능하다. 변속 시 발생하는 충격을 최소화하기 위한 PCV 입력 파형 파라미터 A, B 의 최적화 결과는 Table 2와 같으며, 값은 각각 –0.
성능/효과
- 2) 현재 파워 셔틀 변속기가 개발되어 적용되고 있으며, 대형 트랙터에서는 PST (Powershift Transmissions)가 지속해서 개발되고 있다.3) 트랙터 변속기는 변속 상태에 따라 기계식 또는 유압식으로 구분된다. 유압식은 부하 변동이 심한 작업4) 시에 능률이 높다는 장점이 있으며 기계식은 동력 전달 효율이 높다는 장점이 있다.
- 결과적으로 PCV의 제어 압력 범위는 0 ~ 18 bar, 작동 전류는 0 ~ 1.2A, 히스테 리시스는 ± 3 % 이내이다.
- 변속 충격량은 RPM 이 높을수록 값이 증가하는 경향이 있었다. 실험 결과를 참고하여 온도 및 RPM에 대한 시뮬레이션 모델의 강성과 댐핑 등을 조절하였다.
- 트랙터가 정지한 상태 에서도 엔진이 작동하는 동안은 많은 진동이 발생하기 때문에 저역 통과 필터를 사용하였다. 저역 통과 필터의 주파수가 적어도 30Hz 이하일 때 출발, 변속 그리고 정지 상태를 명확하게 식별할 수 있었다.
후속연구
- SimulationX 모델의 장점은 분석 시간이 짧아서 다양한 경우의 시뮬레이션을 짧은 시간 내에 완료할 수 있다는 것과 다양한 곳에 활용할 수 있다는 것이다. 이 연구에서 제작된 시뮬레이션 모델을 이용하여 PCV 입력 파형 뿐만 아니라 유압시스템, 클러치 등 다른 파라미터의 변경을 통해 변속 충격량을 더욱 최소화 할 수 있을 것으로 예상된다.
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