본 논문의 연구 대상은 파워시프트 변속시스템을 장착한 국내 L사의 75 kW 농업용 트랙터이다. 본 트랙터는 Tier IV 전자식 디젤엔진을 적용한 캐빈형 유틸리티(utility)급 으로 그림 2.1과 표 2.1은 대상 트랙터의 사양을 나타낸 것이다.
Fig. 2.1 A View of the tractor used in this study.
L사에서 양산 중인 트랙터를 이용하여 주변속 8단 파워시프트 변속기를 개발하였고, 이를 이용하여 싱크로나이저의 동적 거동 및 제어시스템의 검증시험을 실시하였다.
Items Units Specification
Manufacturer - LSMtron
Model - XP7102
Power kW 75
Rated engine speed rpm 2,200
Transmission type - Power-shift(16x16)
Weight kN 40.40
Table 2.1 Specification of target tractor
연구 대상인 파워시프트 변속시스템은 변속기와 제어시스템으로 구성되며, 변속기는 전자식 유압 밸브로 작동하는 4개의 습식 다판 클러치, DC모터로 구동되는 4개의 싱크 로나이저, 전/후진과 주변속 8단(4x2), 부변속 2단(LxH)으로 구성되어 있다. DC모터를 이용한 제어시스템은 변속력을 생성하는 DC모터, DC모터의 회전운동을 변속 레일(포 크)의 직선 운동으로 변환하는 링크시스템, 전/후진 변속과 주행 속도 변속을 수행할 수 있는 싱크로나이저로 구성되어 있다. 주변속과 전/후진 변속에 사용되는 4개의 싱크 로나이저는 보조 유압 클러치(C1/C2 Clutch)와 주 유압 클러치(C3/C4 Clutch) 사이에 배 치되어, 각각 주변속(4단↔5단)과 전/후진 변속의 기능을 수행한다.
Fig. 2.2 Configuration of target power-shift transmission.
주변속 8단 중 1단부터 4단까지의 저단 구간과 5단부터 8단까지의 고단 구간은 변속 기의 입력부(C1/C2 클러치 축)와 출력부(C3/C4 클러치 축)에 배치된 각 2쌍의 습식 다 판 클러치의 순차적 작동을 이용하여 변속을 수행하며, 저단 구간과 고단 구간 간의 구 간 변속(4단↔5단)과 전/후진 변속은 4개의 싱크로나이저의 작동에 의해 독립적으로 수 행된다. 이때 싱크로나이저를 이용한 주변속의 구간 변속과 전/후진 변속은 DC모터와 변속 링크시스템에 의해 수행된다. 변속을 위해 각각의 싱크로나이저의 슬리브 위치를 변경할 수 있도록 변속 포크와 변속 레일을 포함한 2절 링크를 이용하여 변속 링크시 스템을 구성하였으며, 2절 링크를 구동하기 위한 동력으로 DC모터를 사용하였다.
파워시프트 변속시스템의 작동 순서는 주변속 구간 변속과 전/후진 변속이 동일한 방법으로 작동되며, 아래와 같이 3 단계로 변속이 수행된다.
1단계 : 엔진으로부터 동력이 입력되는 보조 습식 다판 클러치(C1/C2)와 후륜과 연 결된 주 습식 다판 클러치(C3/C4)에 공급되는 유압을 차단함으로써 싱크로나이저 전/후 로 전달되는 동력이 차단(disengaged)된다.
2단계 : 운전자의 의도에 따라 DC모터에 의해 주변속 혹은 전/후진 변속링크와 연 결된 변속 포크를 이용하여 슬리브를 축 방향으로 이동시켜 싱크로나이저 변속을 수행 한다.
3단계 : 운전자가 원하는 속도 단수 혹은 전/후진 변속에 따라 보조 습식 다판 클러 치 체결 후 주 습식 다판 클러치 순서로 체결하여 변속기를 재 작동시킨다. 이때 주 습 식 다판 클러치 모듈레이션을 통해서 변속 충격을 감소시켜 사용자 편의성 및 변속 성 능을 개선할 수 있다. 사용자는 마지막에 작동하는 주 습식 다판 클러치의 모듈레이션 성능에 따라 변속 충격을 느끼게 된다. 주변속 습식 다판 클러치와 싱크로나이저 작동 순서는 그림 2.3에 나타내었다. 상기의 순서로 작동하는 이유는 싱크로나이저 변속 시, 보조/주 습식 다판 클러치를 차단함으로써 엔진으로부터 입력되는 동력과 주행 중 차 량으로부터 입력되는 차량 주행 관성의 영향을 최소화하여 싱크로나이저의 크기(용량) 를 최소화하면서도 짧은 시간에 신뢰성 있는 변속을 수행하기 위해서이다.
Fig. 2.3 Clutches and synchronizers operating sequence during gear shift.
각 변속 단수별 보조/주 습식 다판 클러치와 싱크로나이저의 작동 상태는 표 2.2와
Lo/Hi Syn. Low Low Low Low High High High High
C3 Clutch O O O O
C4 Clutch O O O O
Table 2.2 Actuator operating of power-shift transmission
전진 4단의 동력전달경로는 C2 습식 다판 클러치가 체결되고, 엔진으로부터 입력된
여 동력이 전달되며, 종동기어와 연결된 축을 통하여 저단/고단 구간 변속기어로 동력 을 전달한다. 고단 구간 변속(5~8단) 싱크로나이저가 체결되어 후진 종동기어로부터 전 달된 동력은 구간 변속 싱크로나이저 허브와 일체인 축을 통하여 연결기어까지 전달된 다. C4 습식 다판 클러치가 체결되고, C4 구동과 종동기어를 통하여 동력이 타이어까 지 전달되어 차량을 후진 방향으로 이동시키게 된다.
전/후진 변속의 경우, 저/고단 구간 변속의 조작과 각 단수에 맞는 보조 클러치와 주 클러치의 체결 여부에 따라 동일한 방법으로 동력을 전달한다. 전/후진 변속과 주변속 싱크로나이저 작동에 대한 전진 4단, 전진 5단, 후진 8단의 동력전달 경로를 그림 2.4 에 나타내었다.
Fig. 2.4 Power-flow of power-shift transmission.