변속제어 알고리즘을 적용한 휠로더 파워트레인 시스템 해석

Abstract

자동변속기(Automatic transmission)는 엔진(Engine)과 더불어 차량의 동력전달계(Powertrain)를 이루는 핵심적인 요소이다. 일반적으로 건설기계 차량은 발진시, 동판시 또는 작업시의 저속 영역에서는 큰 토크가 요구되나, 엔진의 출력 토크는 요구량에 미치지 못하는 특성을 갖고 있기 때문에 변속기를 통한 감속 및 토크의 중배가 필요하다. 휠로더는 토사 상차 및 운반 작업을 주목적으로 하는 건설기계로서, 토사 처리 작업 시에는 큰 토크가 요구되며 운반 작업 시에는 빠른 이동 속도가 요구된다. 이를 위해 작업자는 장비의 작업 효율을 높이기 위하여 빈번한 변속조작을 하게 되며, 또한 토사 처리 작업시 버켓(Bucket)과 붐(Boom) 조작레버를 제어하면서 동시에 변속레버를 적절히 조작하여야 하므로 작업자의 숙련도에 의해 작업량이 크게 좌우된다. 따라서 보다 효율적인 작업을 수행하면서 작업자의 편의를 도모하기 위하여 자동변속기를 장착하고 있다. 본 논문에서는 엔진을 비롯한 토크컨버터(Torque converter), 자동변속기, 차동장치(Differential gear), 종감속기(Final reduction gear)로 이루어지는 동력전달장치를 상용 소프트웨어인 MSCEASY5를 이용하여 모델링하였다, 또한 자동변속기에서 필수 요소인 변속제어알고리즘(Shift control algorithm)을 적용하여 일정 패턴의 변속맵에 의해 변속이 가능 하도록 모델링하였다. 변속 클러치에 적용되는 압력프로파일은 실제 휠로더에 쓰이는 유압시스템(밸브블럭)과 클러치팩을 하드웨어로 구축하여 실험을 통해 얻은 데이터를 이용하여 실차의 특성에 맞게 구현하였고 실험장비로 구축한 유압시스템에서 변속 클러치에 적용되는 압력궤적을 여러 가지로 변화시켜 데이터를 얻었으며, 이 데이터를 차량 시뮬레이션에 이용한 결과, 차량 시스템의 변속 성능이 변화하는 것을 확인하였다. 실험 데이터를 차량 시뮬레이션에 이용하여 해석을 하고 각각의 압력궤적의 변화에 따라 차량속도, 변속기 입출력 토크, 차량 저크 등의 데이터를 분석하였다. 이렇게 얻어진 결과를 바탕으로 차량의 변속 성능에 큰 영향을 미치는 압력 궤적의 분석을 통해, 변속 성능과 운전자의 승차감을 안정적으로 할 수 있는 기초 데이터를 확보하게 된다. 본 연구의 모델은 자동변속기 외에 엔진, 토크컨버터, 변속제어 알고리즘 등의 해석에 이용할 수 있고, 휠로더뿐만 아니라 다른 종류의 건설기계 차량 시스템의 해석에도 응용할 수 있다.; Wheel loader is a construction machine for loading earth and sand and transportation, which requires large torque for disposing of earth and sand and high speed for the transportation. To improve the working efficiency, the operator must handle the shift-lever for driving and control lever for bucket and boom simultaneously. Therefore, the automatic transmission is adopted for the operator's facility to enhance the effective operation. In this paper, the power train composed of engine, torque converter, automatic transmission with proper shift control pattern, differential gear and final reduction gear is modeled by using a commercial software MSC.EASY5. From the simulated result of pressure profile as an important factor on shift performance of wheel loader, basic data was obtained the shift performance and operator's feelings. The model obtained by this research cad be applied to analyze the component of wheel loader power train and other kinds of construction machine vehicle system.