자동변속기용 비례제어 솔레노이드 밸브의 통합 CAE를 이용한 전류-제어압 특성 분석

Abstract

자동변속기의 변속 품질을 결정하는 솔레노이드 밸브는 고정밀 응답성을 확보하기 위해 유압식 시스템을 전자식 시스템으로 비중을 늘려가는 추세이다. 기존의 기계식 유압부품을 전자식 엑츄에이터로 대체함으로써 부품수를 감소시켜 공간 활용도를 높이는 장점이 있지만, 대용량의 전달에너지를 더 정밀한 제어로 신속한 응답성을 확보해야 하는 과제도 있다. 이러한 이유로 솔레노이드 밸브는 설계 단계에서부터 제어의 용이성을 고려하여 설계 변수의 정확한 성능 예측이 요구되고 있다. 제어의 안정성이 가장 중요한 비례제어 솔레노이드 밸브는 전자기와 기계, 유압이 조합되어 순차적으로 작동하는 기구로서, 입력 전류에 의해 전자기력을 발생시키는 전자기부와 그 전자기력에 의해 움직이는 밸브와 스프링으로 구성된 운동부, 그리고 밸브의 위치관계에 따라 흐르는 유체의 유량을 조절하여 출력압을 만드는 유압부로 구성되어 있다. 이 솔레노이드 밸브의 제어 변수에 대한 특성을 정확하게 예측하기 위해서는 에너지 전달 경로에 대한 메커니즘을 규명하고, 구성품의 정확한 모델링과 모델간의 인터페이스 변수를 명확하게 하는 것이 중요한 과제이다. 비례제어 솔레노이드 밸브의 전류(I)-제어압(P) 특성을 결정하기 위한 중요한 설계 변수는 전자기력에 의해 생성되는 추력이다. 이 추력은 입력 전류의 크기에 따라 발생하는 전자기력과 밸브의 작동 위치에 따라 힘을 일정한 크기로 유지시키는 스프링 힘에 의해 결정되고, 이 결정된 추력으로 밸브의 통로가 열리고, 그 통로를 통해 흐르는 유체의 유량 및 속도에 의해 클러치의 제어압이 결정된다. 추력에 영향을 미치는 중요 설계 변수는 전자기 부품의 코어 형상의 변화와, 유압 부품의 밸브위치 변화, 스프링 힘의 변화, 오일 온도의 변화 및 전자기부의 히스테리시스 등이 있다. 본 논문에서는 비례제어 솔레노이드 밸브의 전류-제어압 특성을 결정하는 목표변수로서 추력을 설정을 하고, TCU에서 지시되는 입력전류에서 클러치를 작동시키는 제어압까지의 작동 메커니즘은 전자기부, 운동부, 유압부의 3가지 모텔로 정의를 하였다. 이들 3가지 모델을 통합한 CAE해석 프로세스를 정립하고, 프로세스의 신뢰도 및 사용 효율성을 검증하기 위하여 다음 사항을 분석하였다. ● 해석시간의 단축을 위한 비대칭형상의 축대칭 등가화 기법 정립 ● 히스테리시스 현상을 마이너루프를 이용하여 구현 및 적용 방법 정립 ● 비례제어 솔레노이드 밸브의 정특성 및 동특성에 영향을 미치는 설계 변수의 분석 ● 범용적 활용을 위한 범용 소프트웨어를 사용한 CAE 프로세스 확립 ● CAE 분석 결과와 실험 결과의 비교 분석 최종적으로 상기의 내용을 반영하여 정립된 솔레노이드 밸브의 통합 CAE 분석 프로세스는 개발 초기에 시제품의 제작 없이 설계 변수의 특성을 고려하여 클러치의 제어압 특성을 예측하는 것이 가능하게 되었다. 그리고 자동변속기 개발에 있어 솔레노이드 밸브는 마지막 단계에 결정되는 부품으로 초기 설계를 재검토 할 시간적인 한계를 가지고 있었지만, 본 논문의 통합 CAE 분석 프로세스를 이용하여 관련 부품들과 동시 병행적으로 검토가 가능하게 되고, 전체적인 개발 기간 단축과 제품의 신뢰도 향상, 비용 절감의 효과를 발생시킬 수 있다. 궁극적으로는 시장품질문제에 대한 신속한 대응 및 자동변속기의 부품 최적화, 신제품 설계에 많은 기여를 할 것으로 판단된다.