시험 조건

교정이 완료된 변속 엑추에이터 출력축 토크 측정 장치를 실제 운전이 가능한 트랙 터에 설치하여 변속 시험을 수행하였다. 변속시스템의 동적 거동을 확인하기 위하여 엑 추에이터 출력축에 부착된 스트레인게이지와 변속 레일과 연결된 위치센서 (potentiometer)를 이용하여 입력인 변속 엑추에이터의 토크와 출력인 변속 레일의 각 변 위를 각각 측정하였다. 위치센서의 사양은 표 4.6에 나타내었다.

Items Units Value

Sensor - Potentiometer

Manufacturer - KI WON ELECTRONICS

Model - TR750

Resistance Ω 350±0.2

Range % 3

Table 4.5 Specification of potentiometer

실차 구동 시험을 수행한 이유는 본 논문의 연구 대상인 파워시프트 변속기의 경우, 싱크로나이저 전/후단에 복수의 습식 다판 클러치가 배치되어 있으며, 변속 시 이 습식 다판 클러치들로 인한 드래그 토크가 싱크로나이저 동기화에 영향을 미치기 때문이다.

구동 시험 시 변속기 내부 회전부품과 후륜의 회전력을 통하여 습식 다판 클러치의 드

래그 토크는 실차조건과 유사하게 반영되었으며, 해제된 습식 다판 클러치로 인하여 차

Fig 4.12 Test result of F4-F5 shift at 850 rpm.

엔진 최대회전 속도(2,350 rpm)에서 전진 4단에서 5단 상향 변속 시험을 5회 반복하 였다. 시험 결과, 전진 4단에서 전진 5단 변속 시 더블 범프는 한 번도 발견되지 않았 다. 또한 엔드 스톱에 기인한 토크가 반복 시험에서 지속적으로 나타났으며, 엔진 공회 전 속도(850 rpm) 시험 보다 변속 엑추에이터 출력축에서 동기화에 기인한 토크가 평 균 37% 정도 크게 나타났다. 엔진 최대속도에서 전진 4단에서 전진 5단의 결과를 그림 4.13에 나타내었다. 약 0.38초에 전진 4단 변속해제에 의한 토크(9.02 Nm)가 나타났다.

이는 공회전 속도에서와 같은 이유로 마찰력과 역 사면 경사각도에 기인한다. 또한 공 회전 속도와 동일한 이유로 중립구간에서 오버슈트가 발생하지 않았다. 약 0.55초에 싱 크로나이저 동기화가 완료되었으며, 이때 최대 토크는 30.01 Nm이 발생하였다. 약 0.7 초에 엔드 스톱에 기인한 토크(9.28 Nm)가 나타났다.

Fig 4.13 Test result of F4-F5 shift at 2,350 rpm.

(2) 하향(downshift, 5→4단) 변속 시험

엔진 공회전(850 rpm) 속도에서 전진 5단에서 4단 하향 변속 시험을 5회 반복하였다.

하향 변속 시험 결과, 더블 범프가 4번 발견되지만 모두 싱크로나이저 동기화에 기인한 토크의 50% 이하로 변속 품질에 영향을 미칠 수 있는 수준은 아니었다. 또한, 엔드 스 톱에 기인한 토크는 동기화에 기인한 변속 엑추에이터 출력축의 토크의 50% 수준이었 다. 수동 변속기의 경우에는, 일정 이상의 엔드 스톱에 기인한 토크가 변속의 절도감을 주어 변속 품질에 유리하지만, 본 논문에서는 DC모터를 이용하여 변속을 수행하기 때 문에 변속 품질과 관련이 없다. 그러나 DC모터의 부하 및 수명 등의 관점에서 볼 때 엔드 스톱에 기인한 토크가 없거나 작은 것이 이상적이다. 엔진 공회전 속도에서 전진 5단에서 전진 4단의 변속 시험 결과를 그림 4.14에 나타내었다. 그림에서 약 0.35초에 전진 5단 변속해제에 기인한 토크가 0.38 Nm로 표시되었다. 상향 변속(4→5단)과 동일 한 이유로 중립구간에서 오버슈트가 발생하지 않았다. 약 0.51초에 싱크로나이저 동기 화가 완료되어 최대 토크 –14.84 Nm가 발생하였다. 약 0.55초에는 더블 범프에 기인한 토크(–1.61 Nm)가 발견되었다. 슬리브에 가공된 엔드 스톱에 기인한 토크가 0.68초에 – 7.75 Nm 로 발견되었다.

Fig 4.14 Test result of F5-F4 shift at 850 rpm.

엔진 최대 회전 속도(2,350 rpm)에서 전진 5단에서 4단으로 하향 변속 시험을 5회 반 복하였다. 5회의 하향 변속 시험 동안, 더블 범프는 발견되지 않았다. 또한, 공회전에서 하향 변속 시험할 때보다 변속 엑추에이터 출력축에서 싱크로나이저 동기화에 기인한 토크가 평균 65.8% 정도 크게 나타났다. 이는 엔진 회전 속도가 증가하여 기어와 허브 의 상대회전 속도가 커지기 때문에 그에 따라 마찰에 의해 더 많은 에너지를 소실시키 기 위해서 더 큰 축 방향 힘이 필요하기 때문이다. 또한 주변속 하향 변속 대비 상향 변속의 변속 엑추에이터 출력축의 최대 토크가 엔진 공회전 속도에서 37.4%, 최대 속 도에서 13.8% 크게 나타났다. 이는 변속 시 연결된 회전 관성의 크기와 상대 회전 속 도의 영향으로 싱크로나이저의 슬리브에 작용하는 힘이 증가하였음을 의미한다. 약 0.35초에 전진 5단 변속해제에 기인한 변속 엑추에이터 출력축 토크가 0.33 Nm발생하 였다. 주변속 상향 혹은 하향 변속과 동일한 이유로 중립구간에서 오버슈트가 발생하지 않았다. 그림 4.15를 보면, 약 0.54초에 싱크로나이저 동기화가 완료되었으며, 이때 변 속 엑추에이터 출력축에 최대 토크 –25.40 Nm가 발생하였다. 슬리브에 가공된 엔드 스 톱에 기인한 토크는 약 0.69초에 나타났다.

Fig 4.15 Test result of F5-F4 shift at 2,350 rpm.

4.3.3 전-후진 변속 시험

(1) 방향 전환(F8→R8단) 변속 시험

엔진 공회전 속도(850 rpm)에서 전진 8단에서 후진 8단 전/후진 변속 시험을 5회 반 복하였다. 시험 결과 전/후진 변속 시 더블 범프는 발견되지 않았다. 그림 4.16에 전진 8단에서 후진 8단의 시험 결과를 나타내었다. 약 0.22초에 후진 8단 기어 해제에 기인 한 변속 엑추에이터 출력축 토크가 –1.54 Nm의 크기로 발생하였다. 주변속과 동일하게 슬리브와 기어의 스플라인에 가공된 역 사면 경사각도에 의해 발생된 것이다. 전/후진 변속의 경우, 급격한 속도변화에 따른 변속 충격 발생을 감소시키고 안전사고를 방지하 기 위한 목적으로 일정시간 중립변속 구간을 갖게 한다. 전진에서 중립으로 변속을 해 제하여 일정시간 지연시키면 회전 속도가 감소하여 싱크로나이저 동기화에 유리해진다.

또한, 싱크로나이저 변속 완료 후 습식 다판 클러치 체결로 전체 변속이 완료될 때 차 량 속도가 급격히 변화하는 것을 방지할 수도 있다. 이러한 목적으로 일정속도 이상의 전/후진 변속에는 중립변속 제어를 수행하거나 변속을 제한한다. 따라서, 전진에서 후 진으로의 변속 중 약 0.37초에 중립구간을 두었으며, 약 –1.24 Nm의 오버슈트가 발생 하였다. 약 0.64초에 싱크로나이저 동기화가 완료되며 변속 엑추에이터 출력축에서 최 대 토크 –21.02 Nm가 발생하였다. 또한, 약 0.81초에 엔드 스톱에 기인한 토크(–2.06 Nm)가 발견되었다.

Fig 4.16 Test result of F8-N-R8 shift at 850 rpm.

엔진 최대 회전 속도(2,350 rpm)에서 전진 8단에서 후진 8단으로 전/후진 변속 시험 을 5회 반복하였다. 시험 결과, 전/후진 변속 시 5회의 반복 시험 동안 더블 범프는 발 견되지 않았다. 반복 시험 중 엔드 스톱에 기인한 토크가 3번 발견되었다. 엔진 공회전 속도에서 전/후진 변속 시험을 수행할 때보다 엔진 최대속도에서 동기화를 위한 변속 엑추에이터 출력축 토크가 39.2% 정도 크게 나타났다. 그림 4.17을 보면 약 0.27초에 전진 8단 변속해제에 기인한 변속 엑추에이터 출력축 토크가 –1.95 Nm 발생하였다. 주 변속 시험과 동일하게 슬리브와 기어의 스플라인에 가공된 역 사면 경사각도에 의해 발생한 것이며, 임의의 기어 빠짐을 방지하는 기능을 한다. 변속 충격 감소 및 안전을 위하여 중립제어를 수행하며, 중립구간인 0.42초에 약 –1.08 Nm의 오버슈트가 발생하 였다. 약 0.75초에 싱크로나아저 전/후진 변속 동기화가 완료되었으며 이때 최대 토크 –28.37 Nm이 발생하였다.

Fig 4.17 Test result of F8-N-R8 shift at 2,350 rpm.

(2) 방향전환(R8→F8단) 변속 시험

엔진 공회전 속도(850 rpm)에서 후진 8단에서 전진 8단 방향전환 변속 시험을 5회 반복하였다. 전/후진 반복 시험 결과, 더블 범프에 기인한 토크는 발견되지 않았다. 그 림 4.18을 보면, 후진 8단 변속해제로 인한 토크가 0.3초에 5.57 Nm로 나타났다. 전/후 진 변속 시 변속 충격 개선을 위해 중립변속 구간이 존재하기 때문에 전진에서 후진 변속과 동일하게 중립구간인 0.44초에 약 2.86 Nm의 오버슈트가 발생하였다. 약 0.72초 에 싱크로나이저 동기화가 완료되었으며, 이때 최대 토크 23.20 Nm가 발생하였다. 또 한, 엔드 스톱에 기인한 토크가 0.88초(5.6 Nm)에 발견되었다.

Fig 4.18 Test result of F8-N-R8 shift at 850 rpm.

엔진 최대 속도(2,350 rpm)에서 후진 8단에서 전진 8단 전/후진 변속 시험을 5회 반 복하였다. 반복 시험 결과, 전/후진 8단 변속 시 더블 범프는 발견되지 않았다. 또한, 엔드 스톱에 기인한 토크가 5회 반복 시험 중 3회 발견되었다. 공회전 속도 시험 보다 최대 속도에서 전/후진 변속 시험할 때 싱크로나이저 동기화를 위한 변속 엑추에이터 출력축 토크가 평균 42.92% 정도 더 크게 나타났다. 이는 엔진 회전 속도가 증가하면 각 기어와 허브의 회전 속도도 같이 증가하지만, 회전방향이 반대이므로 두 부품 간 상 대회전 속도가 더욱 커지게 된다. 따라서 회전 관성과 마찰계수, 싱크로나이저 유효반 경 등 설계인자가 동일할 경우, 동기화 시간이 같으면 슬리브에 작용하는 축 방향 하중 이 커지게 되어 결과적으로 변속 엑추에이터 출력축의 토크가 켜지게 된다. 전진→후진 변속보다 후진→전진 변속에 대한 변속 엑추에이터 출력축 토크가 17.35%(850 rpm), 14.27%(2,350 rpm) 더 크게 나타난 이유는 방향전환 변속 시 기어와 허브에 연결된 회 전 관성이 영향을 미치기 때문이다. 임의의 기어 빠짐을 방지하기 위하여 슬리브와 기 어의 스플라인에 가공한 역 사면 경사각도에 의해 약 0.15초에 후진 8단 변속해제에 기 인한 토크(5.7 Nm)가 발생하였다. 전→후진 변속과 동일한 이유로 변속 충격 저감과 안 전을 위하여 중립변속을 거치기 때문에 중립구간인 0.3초에 약 3 Nm의 오버슈트가 발 생하였다. 약 0.63초에 싱크로나이저 동기화가 완료되었으며, 이때 최대 토크 33.29 Nm

엔진 최대 속도(2,350 rpm)에서 후진 8단에서 전진 8단 전/후진 변속 시험을 5회 반 복하였다. 반복 시험 결과, 전/후진 8단 변속 시 더블 범프는 발견되지 않았다. 또한, 엔드 스톱에 기인한 토크가 5회 반복 시험 중 3회 발견되었다. 공회전 속도 시험 보다 최대 속도에서 전/후진 변속 시험할 때 싱크로나이저 동기화를 위한 변속 엑추에이터 출력축 토크가 평균 42.92% 정도 더 크게 나타났다. 이는 엔진 회전 속도가 증가하면 각 기어와 허브의 회전 속도도 같이 증가하지만, 회전방향이 반대이므로 두 부품 간 상 대회전 속도가 더욱 커지게 된다. 따라서 회전 관성과 마찰계수, 싱크로나이저 유효반 경 등 설계인자가 동일할 경우, 동기화 시간이 같으면 슬리브에 작용하는 축 방향 하중 이 커지게 되어 결과적으로 변속 엑추에이터 출력축의 토크가 켜지게 된다. 전진→후진 변속보다 후진→전진 변속에 대한 변속 엑추에이터 출력축 토크가 17.35%(850 rpm), 14.27%(2,350 rpm) 더 크게 나타난 이유는 방향전환 변속 시 기어와 허브에 연결된 회 전 관성이 영향을 미치기 때문이다. 임의의 기어 빠짐을 방지하기 위하여 슬리브와 기 어의 스플라인에 가공한 역 사면 경사각도에 의해 약 0.15초에 후진 8단 변속해제에 기 인한 토크(5.7 Nm)가 발생하였다. 전→후진 변속과 동일한 이유로 변속 충격 저감과 안 전을 위하여 중립변속을 거치기 때문에 중립구간인 0.3초에 약 3 Nm의 오버슈트가 발 생하였다. 약 0.63초에 싱크로나이저 동기화가 완료되었으며, 이때 최대 토크 33.29 Nm