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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.55 No.2 pp.109-116
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.55.2.109

Concept Design of Automatic Transmission Test Bench for a Passenger Car

Joo-Seon Oh1, Ju-Seok Nam2, Sung-Bo Shim3,4*
1Dept. of Biosystems Engineering, College of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Seoul, 08826, Korea
2Dept. of Biosystems Engineering, College of Agriculture and Life Sciences, Kangwon National University, Chuncheon, 24341, Korea
3Dept. of Bio-industrial Machinery Engineering, College of Agriculture and Life Sciences, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
4Institute of Agriculture & Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea

These authors contributed equally to this work.


*Corresponding author: Sung-Bo Shim Tel: +82-55-772-1891 Fax: +82-55-772-1899 E-mail: sbs80@gnu.ac.kr
February 3, 2021 ; February 25, 2021 ; February 26, 2021

Abstract


This study was conducted to design a test bench for evaluating the transmission performance and durability of the automatic transmission of various passenger cars. In order to realize the shift characteristics o f various passenger cars in the test b ench, the engine performance curve, gross vehicle weight, and gross gear ratio of the vehicles with the smallest and largest emissions were analyzed. Based on the results of the analysis, the equivalent inertia when the inertia by the gross weight of the vehicle was transmitted to the end of the transmission was calculated respectively. In order to satisfy the engine inertia and performance curves of various vehicles, the input power sources corresponding to the rated output 440㎾, rated torque 146.7kgm and inertial moment 1.76kgm2 were selected, and three step-up gearbox (2.1:1 ~ 4.2:1) were selected depending on the model. In addition, it is designed that additional mechanical inertia can be installed at the rear end of the step-up gearbox. The output power sources corresponding to the rated output 520㎾, rated torque 500kgm and inertial moment 5kgm2 were selected, and 2:1 reducer and additional mechanical inertia were designed to be installed. The engine and inertia characteristics of the target vehicle was analyzed, and a method to test the shift characteristics and durability of various vehicles of automatic transmissions in one test bench through simple device change was proposed. It is believed that if the test bench proposed in this study is applied, the cost and time for automatic transmission development and performance improvement can be greatly reduced.



승용차용 자동 변속기 시험 장비의 개념 설계

오 주선1, 남 주석2, 심 성보3,4*
1서울대학교 농업생명과학대학 바이오시스템공학전공
2강원대학교 농업생명과학대학 바이오시스템공학전공
3경상국립대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과
4경상국립대학교 농업생명과학연구원

초록


본 연구는 다양한 차종의 승용 자동 변속기 변속 성능 및 내구성 평가를 위한 시험 장비 설계를 위하여 수행되었다. 다양한 차종의 주행 중 변속 특성을 시험 장비에서 구현하기 위하여 가장 작은 배기량을 갖는 차량과 가장 큰 배기량을 갖는 차량의 엔진 성능 곡선, 차량 총 중량, 총 기어비를 분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 하여 차량의 총 중량에 의한 관성이 변속기 후단에 전달되었을 때의 등가 관성을 각각 계산하였다. 다양한 차종의 엔진 관성과 성능 곡선을 만족시키기 위해서 입력 동력원은 정격 출력 440㎾, 정격 토크 146.7kgm, 관성모멘트 1.76kgm2으로 선정한 후 차종에 따라 3가지의 증속기(2.1:1~4.2:1)를 선택할 수 있으며 추가적인 기계 관성을 증속기 후단에 장착할 수 있도록 설계한다. 출력 동력원은 정격 출력 520㎾, 정격 토크 500kgm, 관성모멘트 5kgm2로 선정한 후 2:1 감속기와 추가적인 기계 관성을 장착할 수 있도록 설계한다. 다양한 차종의 자동 변속기 변속 특성 및 내구성을 간단한 장치 변경을 통하여 하나의 시험 장비에서 시험할 수 있는 방법을 대상 차량의 엔진 및 관성 정보를 분석하여 제안하였다. 이러한 시험 장비를 활용한다면 자동변속기 개발 및 성능 향상을 위한 비용 및 시간을 크게 절감할 수 있을 것이라 판단된다.



    Gyeongsang National University(GNU)

    서론

    현재 널리 사용되고 있는 자동차 변속기의 종류는 수동 변속기 (manual transmission), 자동 변속기(automatic transmission), 무 단 변속기(continuously variable transmission) 등이 있다. 그 중 변속 조작을 자동으로 수행하는 자동 변속기는 수동 변속기에 비해 효율이 떨어지지만, 운전 조작이 쉽고 운전 중 피로도가 적어 운전 자들의 선호도가 증가하는 추세이다. 벨트 방식 무단 변속기의 경 우 변속 충격이 없으므로 승차감이 우수하지만 전달 동력 한계로 소형차에서만 실용화된 상태이다.

    자동 변속기의 구성 요소로는 토크 컨버터(torque converter), 마찰요소와 기어박스로 이루어진 동력전달장치(drivetrain), 마찰 요소를 작동시키기 위한 유압 제어 시스템(hydraulic control system), 변속 제어 장치(transmission control unit) 등이 있다. 이 중 동력 전달 장치는 엔진의 동력을 적절한 토크와 회전 속도로 바꾸어 바퀴로 전달하는 역할을 하는데, 이는 자동 변속기의 가장 중요한 요소로서 이에 대한 특성 및 내구성 등에 대한 시험은 반드 시 수행되어야 한다.

    Kim et al. (1999)는 군기동장비용 변속기의 시험 장비 개발 사례를 제시하였으며 Lee et a l. ( 2004 )는 city bus를 대상으로 HCTV 변속기를 시험하기 위한 컨셉 설계안을 제시하였다. 여기 에서는 시험 장비 개발에 반드시 고려해야 할 사양으로 시험 장비 의 용도, Power capacity, 시험 항목, 데이터 측정 정밀도, 제어정 밀도, 자동화 수준, Software의 분석기능, 유지비, Spare Part 등을 제시하였다. 또한 변속기 시험 장비 구성을 위해 Test Bed부터 기어박스 윤활시스템, 브레이크 제어시스템 등 다양한 시험 장비 제원을 제시하였다. Kayukawa et al. (1995)은 시험 장비 구성에 있어 시험 장비의 유압 시스템과 시험 대상의 파워와 토크 등을 매칭할 수 있는 기본적인 이론에 대해 정리하였다. Lee et al. (2004)는 수동변속기용 클러치의 관성 시험 장치를 구성하는 방안 에 대해 제시하였다. 이를 위해 클러치 모델과 관성 시험 장치의 동적 모델을 개발하고 시뮬레이션을 진행하여 동적 거동을 분석하 였으며, 실측값과 비교를 통하여 모델의 신뢰성을 확보하였다.

    Jung et al. (2019)는 트랙터용 HMT 변속기의 시험 평가에 대한 연구를 진행하였다. 트랙터용 HMT는 기계식 변속기에 유압 식 변속기가 접목되어 두 변속기의 장점들을 극대화한 무단 변속기 로 그 내부구조를 이해하고 작동원리를 분석하여 성능, 기능, 그리 고 수명에 관련된 시험 항목들을 제안하였다. 수명시험의 경우 시 험시간을 단축하기 위하여 가속 수명 모델을 적용하여 시험시간을 단축할 것을 제시하였으며, 트랙터의 운용조건을 반영하여 각 시험 항목들에 대한 시험방법과 평가 기준을 정립하였다. 그리고 시험결 과를 분석하여 HMT의 신뢰성을 확인하고 제안된 시험 항목들의 적합성을 입증하였다.

    그림 1(a)에서와 같이 차량의 단수에 따라 차량 속도와 엔진 속도의 비가 달라지기 때문에 저단에서 고단으로 변속이 이루어질 때 엔진 속도는 그림 1(b)와 같이 변화한다. 또한 엔진 토크의 관점 에서 보았을 때에는 그림 2와 같이 변속이 진행되는 순간 변속기 전・후단에서의 관성과 각각 속도 차이에 의하여 피크 토크가 발생 하게 된다. 따라서 이러한 특성을 시험 장비가 모사해 주기 위해서 는 적절한 장치 선택을 통하여 엔진 및 차량의 실제 관성과 동일한 환경을 만들어 주어야 한다. 또한 대상 차량과 엔진의 관성, 엔진의 성능 곡선을 조사하여 토크, 회전 속도, 관성 등의 물리적 특성을 충족할 수 있는 입・출력 모터를 선정해야 한다. 그러기 위해서는 각 사양에 맞는 시험 장치를 대상 차종별로 각각 구축해야 하며, 이는 변속기 성능 평가 시험에 있어 많은 비용을 초래하게 된다.

    자동변속기의 변속 특성 및 내구성을 실험실 환경 내에서 확인 할 수 있다면 비용과 시간을 크게 절감할 수 있다. 또한, 간단한 장치 변경을 통하여 다양한 차종의 변속기를 시험할 수 있다면 그 효과는 배가 된다. 따라서 본 연구에서는 다양한 차종의 자동변 속기 변속 특성 및 내구성을 간단한 장치 변경을 통하여 하나의 장비에서 시험할 방법을 제안하였다.

    재료 및 방법

    1. 대상 차량의 제원

    시험기의 적정 사양을 선정하기 위하여 최소 사양으로 판단되는 경차와 최대 사양으로 판단되는 대형 SUV의 기본 제원을 조사하 였다. 대상 차량의 사양은 Tabel 1 및 Fig. 3, Fig. 4와 같다.

    2. 차량의 관성 계산

    그림 5는 차량의 동력 전달 경로를 도식화한 것이다. 차량의 운동 에너지의 변화는 식(1)과 같이 표현할 수 있으며, 차량 관성은 식(2)와 같이 정리할 수 있다.

    1 2 m Δ υ 2 = 1 2 J V Δ ω 2
    (1)

    J V = m r 2
    (2)

    Where,

    • JV = Vehicle inertia, kg⋅m2

    • υ = Vehicle speed, m/s

    • m = Weight of vehicle, kg

    • ω = Rotational speed of wheel, rad/s

    • r = Rolling radius of wheel, m

    여기에서 기어 및 내부 회전 부품의 관성을 무시하고, 에너지 손실이 없다고 가정하면 식(3)과 같이 운동 방정식이 변경된다. 여기에서 식(4)와 같이 종감속비에 의해 변속기 후단 회전 속도가 결정되기 때문에, 식(5)와 같이 차량 관성을 계산할 수 있다.

    J V Δ ω 2 = J V ω 2 2
    (3)

    ω 2 = n f × ω
    (4)

    J V = J V n f 2
    (5)

    Where,

    • nf = Final reduction ratio

    위의 식과 에너지 보존 법칙에 의해 n-1단에서 n단으로 변속 시 변속기 전/후단에서의 속도 변화와 피크 토크를 계산할 수 있게 된다. 또한 그림 2에서 변속이 시작되기 직전의 변속기 전⋅후단의 속도를 각각 ω1 , ω2 , 변속이 완료된 직후 변속기 전⋅후단의 속도 를 각각 ω 1 , ω 2 라고 하면, 속도비는 다음과 같이 정의할 수 있다.

    ω 1 ω 2 = n n 1
    (4)

    ω 1 ω 2 = n n
    (5)

    다른 부품의 관성은 무시하고 에너지 손실은 없다고 가정하였으 므로, 변속기 전⋅후단에서 변속 전의 회전 관성에 의한 에너지와 변속 후 회전 관성에 의한 에너지가 같다. 따라서 에너지 보존 법칙 에 의해 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다.

    1 2 { J E ω 1 2 + J V ω 2 2 } = 1 2 { J E ω 1 2 + J V ω 2 2 }
    (6)

    where,

    • JE : Engine rotational inertia, kg⋅m2

    • n1 ~ nn : gear ratio

    식(4), (5)를 식(6)에 대입하면 변속기 전⋅후단의 속도를 다음 과 같이 정리할 수 있다.

    ω 2 = J E n n 1 2 + J V J E n n 2 + J V ω 2 2
    (7)

    ω 1 = n n J E n n 1 2 + J V J E n n 2 + J V ω 2 2
    (8)

    이를 이용하여 관성에 의한 피크 토크는 다음과 같이 정리할 수 있다.

    ( T p e a k ) i = J E × Δ ω 1
    (9)

    ( T p e a k ) o = J V × Δ ω 2
    (10)

    결과

    1. 변속기 시험 장비의 관성 계산

    차량의 변속 특성을 시험기에서 모사해 주기 위해서는 시험기 (Ji, Jo)와 차량(JE, J V )의 관성이 유사하여야 한다. 그림 6과 같이 입력 모터, 증속기, 관성체, 토크미터, 감속기, 출력 모터 조합 으로 차량의 변속 특성을 모사할 수 있는 시험 장비를 구현할 수 있다.

    시험체 전단에서의 모터 관성 Ji는 엔진의 관성 JE 와 유사해야 하므로, 식(11), (12)와 같이 정리할 수 있다. 또한 이를 통하여 시험기의 관성은 식(13), (14)와 같이 정리할 수 있다.

    J i = J M i + k = 1 n J i k
    (11)

    J M i = J M I n s 2
    (12)

    J i = J M i n s 2 + k = 1 n J i k
    (13)

    J o = J M o n r 2 + k = 1 n J o k
    (14)

    2. 시험기 모터의 선정

    입력 모터는 엔진 성능 곡선을 모두 구현해 주어야 하며, 출력 모터는 그 때의 부하를 모두 구현할 수 있어야 한다. 따라서 입⋅출력 모터의 관성은 차량의 최저 사양으로 맞춘 후 다른 사양 을 시험할 경우 기계적 관성 ( J i n , J o n )을 추가하는 것으로 하였다.

    본 연구에서 선정한 대상 차량들의 엔진 성능 곡선을 모두 구현 할 수 있는 사양을 가진 입력 모터를 선정하였다. 선정한 모터의 재원은 표 2와 같다. 또한 3가지 종류의 증속기를 설정하여 최적의 입력 모터 조건을 선정하였다.

    선정된 모터와 증속기를 이용하여 3가지 종류의 입력 모터 관성 을 계산하였다. 또한 이를 바탕으로 엔진 속도에 대한 토크 그래프 를 그림 7과 같이 구하였다. 그래프에 표현된 모터, 증속기, 엔진의 종류와 관성은 표 3과 같다. 여기에서 엔진 관성은 가정한 것이며, 정확한 엔진 사양을 확보할 수 있다면 보다 더 정확한 모터의 사양 을 선정하는 것이 가능하게 될 것이다.

    출력 모터의 경우 표 4와 같은 재원의 모터를 선정하였다. 또한 출력 모터의 관성은 1.0가솔린 엔진 기준인 2.16kg⋅m2으로 하고 다른 사양 시험 시 기계적 관성을 추가하여 시험한다. 엔진과 모터 의 출력 속도와 토크 그래프는 그림 8과 같이 얻을 수 있다.

    그림 8에서 1번 그래프는 출력 모터와 2:1 감속기를 조합한 모터의 속도와 토크의 관계를 나타낸 그래프이며, 2번에서 9번 그 래프는 변속기 후단에서의 3.0디젤 엔진 성능 곡선이다. 모터의 관성(Jo)은 2.16kg⋅m2이며, 엔진의 관성(JE)은 7.79kg⋅m2 으로 계산되었다.

    3. 입력 모터의 엔진 성능 곡선 모사

    입력 모터는 엔진이 낼 수 있는 최대 속도로 제어하고, 증속기와 시험 변속기 사이에 장착되어 있는 토크미터에서 계측한 회전 속도 와 토크를 인버터와 실시간으로 통신하여 각 회전 속도별로 토크 한계를 설정하여 모터가 구현할 수 있는 최대 토크의 일정 비율 만큼만을 낼 수 있도록 하면 그림 9와 같이 엔진과 속도, 토크, 관성 모멘트의 성능이 같은 모터를 구현할 수 있다.

    고찰

    시험 장비와 차량의 관성이 다르고 모터와 엔진이 가지고 있는 성능 특성이 다르다면 시험 장비에서 실제 차량에서 발생하는 부하 현상을 그대로 재현할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 다양한 차종의 특성을 동일한 시험 장비에서 구현할 수 있는 개념을 소개하였다.

    일반적으로 엔진의 관성이 모터의 관성보다 작기 때문에 모터 후단에 다단 증속기와 관성체를 설치하여 다양한 차종의 엔진 등가 관성을 구현하였으며, 이를 통하여 변속 시 클러치 전단에는 실제 보다 과한 최대 토크, 후단에는 실제보다 작은 토크가 발생하는 것을 방지하여 실제 차량에서 발생하는 토크를 그대로 재현할 수 있다. 또한 증속기와 변속기 사이에 설치한 토크미터에서 계측한 회전 속도와 토크를 인버터와 실시간 통신하여 각 회전 속도별로 토크 한계를 설정함으로써 입력 모터를 엔진 성능 곡선과 같게 구현할 수 있다.

    이와 같은 시험 장비를 활용한다면 자동차용 자동변속기 개발 및 성능 향상을 위한 비용과 시간을 크게 절감할 수 있을 것이라 판단된다. 또한 최근 농업용 트랙터에도 전후진 파워 셔틀이 많이 사용되고 있고, 주행 중 변속도 중요해지고 있는 추세이므로 이와 같은 다양한 차량의 변속 시험에도 응용할 수 있다.

    감사의 글

    이 연구는 2017년도 경상대학교 신임교원 연구기반조성 연구비 에 의하여 수행되었음.

    Figures

    JALS-55-2-109_F1.gif

    Relationship between vehicle speed and rotational engine speed.

    JALS-55-2-109_F2.gif

    The shift pattern of a passenger car according to the rotational engine speed.

    JALS-55-2-109_F3.gif

    Torque diagram of compact car.

    JALS-55-2-109_F4.gif

    Torque diagram of large SUV.

    JALS-55-2-109_F5.gif

    Schematic of vehicle.

    JALS-55-2-109_F6.gif

    Layout of test bench.

    JALS-55-2-109_F7.gif

    Torque diagram of input motor and engine.

    JALS-55-2-109_F8.gif

    Torque diagram of output motor and engine.

    JALS-55-2-109_F9.gif

    Realization of engine performance curve using motor.

    Tables

    Specification of vehicle used in this study

    Specification of input motor

    Inertia of input motor and engine

    Specification of output motor

    References

    1. Jung DS , Lee YB , Kang BS , Kim DS and Lee GC. 2019. Study of test for and evaluation of HMT for a tractor. Journal of Applied Reliability 19(3): 275-283.
    2. Kayukawa H , Yamada H and Muto T. 1995. Fundamental study of power match control of hydraulic power systems (investigation of flow rate match control). Bulletin of the JSME 61(586): 206-212.
    3. Kim DS and Kim HU. 1999. Development of transmission test equipment for military motor cost. Korea Institute of Materials Science 11(2): 70-78(In Korean).
    4. Lee B , Shin HM and Hur MD. 2004. Study on a full-size tester for manual transmission clutches. Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers 12(4): 101-1095.
    5. Lee GH , Kim DS and Jung DS. 2004. Concept design for HCVT(hydro-mechanical-type continuous variable transmission) for city bus application. SAE Commercial Vehicle Engineering Congress and Exhibition, pp.31-39.
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