Characteristic Dynamics Torque Vibration of Behavior in Wet Clutch Engagement for Dual Clutch Transmissions

CopyrightⒸ2016 KSAE / 141-07 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2016.24.2.183 Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 2, pp.183-190 (2016)

듀얼클러치 변속기용 습식클러치 체결에 따른 토크 변화에 대한 동적거동

조 재 철¹⁾⋅김 우 정²⁾⋅장 재 덕³⁾⋅장 시 열^*4)

국민대학교 자동차공학대학원¹⁾⋅현대파워텍 선행설계팀²⁾⋅명지대학교 기계공학과³⁾⋅국민대학교 자동차공학과⁴⁾

Characteristic Dynamics Torque Vibration of Behavior in Wet Clutch Engagement for Dual Clutch Transmissions

Jaecheol Cho¹⁾⋅Woojung Kim²⁾⋅Jaeduk Jang³⁾⋅Siyoul Jang^*4)

1)Department of Automotive Engineering, Graduate School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 02707, Korea

2)Advanced Design Team, Hyundai PowerTech Company, 95 Hyundaikia-ro, Namyang-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi 18280, Korea

3)Department of Mechanical Engineering, Myongji University, Gyeonggi 17058 Korea

4)Department of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 02707, Korea (Received 24 July 2015 / Revised 4 September 2015 / Accepted 21 December 2015)

Abstract : Engine torque is transferred to the transmission where drag torque is minimized improving fuel efficiency.

This is particularly true in a wet clutch pack. This study measures slip friction when the wet clutch pack in a DCT (Dual-Clutch Transmission) is disengaged, and the friction pads are slipping. Shudder engagement velocity, and applied forces can be measured under various working conditions through these torque transfer experiments. Test results demonstrate that the design parameters, and engagement conditions of wet clutch packs can be optimized to reduce shudder and frictional vibration during engagement in a dual clutch transmission.

Key words : Wet clutch(습식클러치), Dual clutch(듀얼클러치), Sliding friction(미끄럼마찰), Shudder(떨림), Frictional vibration(진동), Torque transfer(토크변화), DCT(듀얼클러치 변속기)

Nomenclature



: apply force



: separate plate inertia



: fly wheel inertia



: apply pressure on the piston



: friction plate of inner radius



: friction plate of outer radius



: clutch torque



: engine torque



: sum of viscosity torque

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

 : oil viscosity



: rotating speed of clutch



: rotating speed of engine



: rotating speed of friction plate



: rotating speed of separator plate

1. 서 론

자동차의 동력전달시스템(powertrain system)은

엔진에서 발생한 토크를 변속기에서 최적의 구동력

으로 전환하여 타이어에 전달한다. 이때 변속기는

엔진 관성력과 차량 관성력의 균형을 맞추는 역할

을 한다. 우수한 동력전달시스템을 갖기 위해서는

조재철⋅김우정⋅장재덕⋅장시열

변속기의 최적제어와 높은 전달효율이 요구된다.

자동차기술이 점차 진화하면서 변속기의 기술개발 도 가속화 되고 있다. 수동변속기에 자동화 기능을 추가한 변속기로서 복합 형태를 가진 듀얼클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, 이하 DCT)는 자동 변속기에 비해 동력전달 효율 및 정숙성과 응답성 이 매우 우수하다는 장점을 가지고 있기 때문에 최 근 동력전달시스템에서 많은 개발과 연구가 활발하 게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 습식 DCT의 클 러치 팩 내부에서 사용하는 홀수 단(odd), 짝수 단 (even) 클러치 형상에서 한 개의 케이스를 모델링하 여 연구한다. 홀수, 짝수단 전체의 모델링을 통한 시 험장치를 구성하여 연구를 진행하기에는 컴퓨터 시 뮬레이션 해석이 아닌 시험 장치를 통한 데이터 분 석을 진행하기 때문에 많은 시험적 제약 조건이 수 반된다. 본 연구에서는 DCT에서 사용하는 단판 (single plate) 습식 클러치가 세퍼레이터 플레이트 (separate plate)와 체결(engagement)시에 압력을 일 정하게 공급되게끔 유지시키면서 챔버(chamber) 내 부에 오일을 분사(injection)하여 유량을 공급하는 상 태가 아닌 담겨져 있는 형태로 구성하였다. 시험에 따라 오일 양을 다르게 시험하면서 드라이브 회전 수(engine speed) 조건에 따라 토크의 변화를 연구하 였다. 이때 클러치가 체결될 때 떨림(shudder) 및 비 틀림 진동 등에 대한 측정을 통해 습식클러치의 내 구성을 향상할 수 있는 조건을 도출하는 연구를 하 였다. 특히 엔진 전달 토크 변화는 듀얼클러치 변속 기의 입력축 및 동력전달 시스템을 가진(excitation) 하여 불필요한 소음진동문제를 발생시키며 자동차 의 감성품질에 영향을 주기 때문에 운전자의 주요 불만요인이 되고 있으므로 클러치 체결에 따른 동 적거동에 대한 연구가 반드시 필요하여 연구하였다.

2. 시험 방법

습식 클러치의 거동에 따른 체결 토크를 확인하 고 분석하기 위해 시험장치에 사용하는 DCT 습식 클러치는 현재 양산되어 있는 VW(volkswagen) DQ-500 차량에 사용되는 습식클러치를 대상으로 시험을 진 행하였으며, 시험장치는 데이터를 검출하여 측정이 가능하도록 자체 제작하여 시험을 수행하였다.

2.1 시험장치 구성

시험장치의 구성은 Fig. 1과 같이 나타낼 수 있으 며, 단판 습식 클러치를 시험할 수 있는 부분은 클러 치 팩 또는 클러치 챔버(clutch chamber)라는 명칭을 사용하려고 한다.

Fig. 1 Simplification of test equipment

시험장치는 모터 동력부, 입력 플레이트, 클러치 테스트 챔버, 출력 플레이트, 공압 압력부, 하중센 서, 입출력 회전수 센서로 나뉜다. 동력을 전달하는 모터를 구동하면 동력부에 해당하는 플라이휠과 드 라이브라인이 구동하게 된다. 이때 마그네틱 클러 치는 동력부와 입력(core) 플레이트 사이에 배치되 어, 동력부의 회전력을 입력 플레이트에 전달 또는 차단한다. 출력(separate) 플레이트는 입력 플레이트 에 대해 전후진 될 수 있도록 형성되어, 입력 플레이 트에 체결(접촉) 또는 분리된다.

압력부는 출력 플레이트가 입력 플레이트에 접촉 하게 되며 하중센서는 출력 플레이트에 가해지는 하중을 측정한다. 센서부는 입력플레이트의 회전수

Fig. 2 Experimental of test equipment

듀얼클러치 변속기용 습식클러치 체결에 따른 토크 변화에 대한 동적거동

와 토크를 측정한다. 출력 회전수 센서는 출력 플레 이트 회전수를 측정한다.

본 연구에서는 클러치 체결상태를 보기 위해 특 정 구간의 회전수를 만들 수 있도록 엔진을 사용한 대신 삼상모터를 사용하였다. 마이크로칩셋 보드 (dsPIC30F4012)를 사용하여 일정 하게 정해진 회전 속도 구간에서 체결이 가능할 수 있도록 프로그래 밍을 하여 명령을 내려 제어하는 방법으로 설계를 하였다. 모터 동력부의 전원을 차단하기 위해 마그 네틱 클러치를 사용하고 모터에서 공급되는 회전수 의 안정적인 측정이 가능토록 관성의 변화를 주기 위해 탈부착이 가능할 수 있도록 플라이휠을 설치 하여 여러 조건에서의 실험이 용이하도록 설계했 다. 시험장치에 사용한 센서들의 기본사양은 Table 1 과 같다.

신호값의 처리방법은 내셔널 인스트루먼(National Instruments)사의 랩뷰(Lab-View)프로그램을 사용하

Table 1 Specifications of sensors

Item Specification

Torque sensor

Rated capacity : 500 kgf.m (N.m) Rated output(R,O.) : 1.5 ± 0.35 mV/V

Non-linearity : ≤0.3 % R.O.

Hysteresis : ≤0.3 % R.O.

Gap sensor

Measurement Range : 0 mm ~ 2.4 mm Resolution : 0.5 μm

Accuracy : 1 % at the point 1mm ± 0.5 mm

Load cell

Capacity : 44,482 N Safe overload : 66,723 N Non-repeatability : 0.2 % R.O

Non linearity : 0.5 % F.S

Fig. 3 Data signal process program

였다. 신호값을 센싱(sensing) 처리하는 DAQ 보드는 8채널 A/D 보드(Lab-View Instrument DAQ-9184)를 사용하였으며, Fig. 3과 같이 프로그램을 구성하여 시그널을 검출하여 원(raw) 데이터를 컴파일링 시 켜서 트리거 신호에 맞도록 검출하는 과정을 통하 여 데이터를 획득하였다. 프로그램 제어부에서는 각 센서들의 사양에 맞도록 감도(sensitivity)를 조절 하는 데이터 입력장치와 샘플링 비율을 제어할 수 있는 프로그램으로 구성하였다.

측정에서는 시험대상이 회전체에 대해 측정을 진 행하기 때문에 센서에 의한 검출값은 공진, 가진이 모두 포함된다. 본 시험에서는 클러치가 체결될 때 의 토크 신호를 검출하여 획득한 신호에 대해서 토 크 변화(torque transfer), 체결시간(engagement time), 진폭(amplitude), 주파수(frequency) 및 상(phase) 분 석을 진행한다.

2.2 시험 대상 클러치 모델

Fig. 4는 클러치 챔버 내부에 싱글로 장착된 클러 치 모델이다. 시험에 사용한 클러치는 습식(wet)클 러치이며, 클러치의 홈(groove) 패턴이 자동변속기 의 습식 클러치에 비해 간격이 조밀하게 분포되어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 클러치 내부에 발생하는 열의 냉각과 함께 큰 마찰력을 전달하기 위해 라이 닝의 면적을 확보하기 위한 것이다.

Fig. 4 Single wet clutch modeling

2.3 시험 장치 운용

삼상 모터(2ps)를 사용하여 엔진의 구동력으로

Jaecheol Cho⋅Woojung Kim⋅Jaeduk Jang⋅Siyoul Jang

Table 2 DCT oil property

Product attributes

Appearance Amber & Clear Density at 15 °C 845 kg/m³ Density at 20 °C 841 kg/m³ Kinematic viscosity at 40 °C 36.3 mm²/s

Viscosity index 173

Dynamic viscosity at -40 °C 12,100 mPa*s Pour point -51 °C / -59.8 °F Flash point 224 °C / 435.2 °F

대체하였다. 공급압력은 유압을 사용하는 대신 공 압(pneumatic pressure)을 사용하였다. 유압의 특성 상 작동시간이 공압 보다는 시간 지연이 발생하기 때문에 본 연구에서 짧은 시간 동안 미시적인 체결 상태의 마찰 거동 특성을 구현하기 위해 공압을 사 용하여 시험하였다. 이때 클러치 챔버 내부의 오일 은 Pentosin FFL-2 오일을 사용하였으며, 오일의 물 성치는 Table 2와 같다.

시험은 모터의 전압 값을 변경시켜 회전수를 조 절하여 모터를 회전시킨다. 공압을 클러치 챔버 실 린더에 공급될 압력으로 조정한다. 동력부 전원을 차단(off)하면 플라이휠 관성력만 작동하게 되며, 회 전속도가 감소하면서 설정된 회전속도에 다다르게 된다. 이때 회전수를 모니터링 하면서 설정 속도에 도달하면 공압 전자석(solenoid)에 전원이 인가되어 챔버 내부의 실린더에 압력이 가해지면서 세퍼레이 터를 전진하여 체결이 이루어지게 된다.

2.4 시험조건

Table 3과 같이 체결될 때의 회전수를 중속, 고속 두 조건으로 설정하였다. 클러치 챔버 안의 오일 양 은 클러치가 젖어 있는 상태, 400 cc를 주입한 상태

Table 3 Experimentation case

Item Case

Engagement (rpm) 1,500(중속) / 2,600(고속) Oil vol. in chamber

(1200 cc) Wet state / 400 cc (35 %) Force apply (N) Initial 2,000 ~ 4,000

Oil temp. (°C) 20

Flywheel inertia

(kg･m²) _≅

로 조건을 달리 하였다. 공급되는 압력은 초기의 설 정된 압력을 사용하였으며, 오일 온도는 상온인 20 °C 에서 시험을 진행하고 플라이 휠의 관성은 고정시 키고 시험한다.

3. 시험 이론 배경

습식클러치 체결은 실제 다판(multi plate)형태를 가지고 있기 때문에 클러치와 세퍼레이터 플레이트 간의 오일, 압력 조건 등을 고려한 미시적인 관계성 을 모두 고려해야 보다 정확하다.

본 연구에서는 습식 클러치가 체결될 때 발생되는 체결 토크를 통 하여 점성토크(viscosity torque)와 클러치 토크 발생 구간(period)에서 엔진 각속도와 관성(inertia)간의 관계성을 분석한다. 그리고 엔진 회전수가 커질수 록 전달되는 토크가 커지기 때문에 낮은 속도에서 부드러운 클러치 체결이 이루어지는 조건을 도출하 는 시험을 진행 한다. 또한 유동 곡선(curve)과 오일 조건에 따른 체결 시간 지연(time lag), 진동(shudder) 크기 등에 대해 선행된 유동해석과의 데이터 비교

등을 통한 시험을 수행하고 분석한다.

Fig. 5는 클러치 챔버 내부의 작동상태도이며, 이 때 클러치 전달 토크에 영향을 주는 요소에 대해서 관계식을 나타낼 수 있다. 식 (1)과 식 (2)에서 ^ 는 오일의 마찰계수이며, 공급되는 공압 

, 가해지 는 압력 

이며, 이때 토크에 영향을 주는 인자는

Fig. 5 Schematic diagram of the operation in wet clutch

Characteristic Dynamics Torque Vibration of Behavior in Wet Clutch Engagement for Dual Clutch Transmissions

오일 온도(°C)도 영향을 주게 된다.



 

⋅

⋅ (1)

   

⋅



(2)

이때 

는 클러치 평균 유효반경으로 식 (3)과 같 이 나타낸다.



  



 

 



 

(3)



는 식 (3)과 같이 표현될 수 있으며, 클러치 라이 닝에 대한 반지름을 나타낸다. 이 때 회전에 따른 토 크는 엔진에서 회전수( 

), 세퍼레이터 플레이트의 회전수( ^

), 드라이브 라인의 관성력(

)에서 체결 될 때 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.



_





 

 

(4)

이때 점성토크(

)와 클러치 토크(

)의 합(

) 으로 표현할 수 있는데 이는 patir-cheng이론 관계식 으로 유체의 영향으로 인해 체결 순간 점성토크가 발생되는 것을 의미

한다.

시험장치의 구조에서는 엔진(모터) 부분의 토크 는 플라이휠의 관성(

), 엔진 회전속도( 

), 댐핑계 수( 

), 스프링상수( 

)와 엔진 각속도( 

)로 엔진 부 분의 토크를 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.



_





 



 



 

(5)

이처럼 클러치 체결에 대한 토크 분석은 유체성 분과 기계적인 성분을 모두 고려한 해석이 필요하 지만 여러 제약조건들에 의해 종합적인 결과를 획 득하는 것은 한계가 있다. 또한 동력을 전달하기 위 해 클러치는 계속적으로 체결 및 이탈을 반복적으 로 수행한다. 이러한 반복된 작동으로 인해 클러치 페이스의 재질 및 형상의 개발을 통해 내구성을 높 이는 연구도 활발히 진행

되고 있다.

4. 시험 결과

4.1 중속 엔진회전수(1,500 rpm부근)시험 결과

엔진 회전수를 대체하는 모터의 초기 회전수( 

) 가 1,700 rpm 정도로 회전을 하고 있는 상태에서 4초 부근에 이르면서 세퍼레이터 플레이트가 전진한다.

약 1,500 rpm 부근에서 체결이 일어나는 중속구간으 로 Fig. 6에서 나타내고 있으며, 세퍼레이터 플레이 트 이동시간 약 0.3초 동안 이루어진다. 이후 체결이 완벽하게 이루어지면서 입출력 플레이트가 체결되 어 같은 회전속도를 유지하면서 하강하는 것을 알 수 있다.

Fig. 7과 Fig. 8은 1500 rpm에서 각각 51.2 ㎑로 샘 플링 데이터를 검출한 토크 변화이다. Fig. 7은 챔버 내에 오일이 없는 상태로 클러치만 젖어(wet) 있는 상태, Fig. 8은 챔버 내에 오일을 400 cc 주입하고 공 급압력은 동일하게 하여 시험하였다. Fig. 6과 Fig. 7 의 시간 축은 동일하게 측정된 그래프는 아니며, Fig. 7의 그래프에서는 체결되는 시간은 약 0.2초 정 도의 시간이 지난 후 체결이 끝나면서 안정화 되는 형태를 갖는다.

Fig. 6 Mid velocity boundary of engagement

조재철⋅김우정⋅장재덕⋅장시열

Fig. 7 Torque balance of mid velocity engagement (wet).

Fig. 8 Torque balance of mid velocity engagement (400 cc).

Fig. 6과 Fig. 8 체결 회전수의 시간 축은 동일하며 Fig. 6 속도 그래프에서는 약 3.84초 구간에서 체결 이 시작되면서 4.16초 구간에서 체결이 이루어졌다.

Fig. 8과 비교했을 때 회전수와 체결이 동일하게 나 타났으며, 최초 입력 플레이트가 작동하여 전진해 서 체결 완료 되는데 걸리는 시간이 약 0.32초가 지 난 후에 완전 체결되었다. 이때 Fig. 8의 그래프는 클 러치가 젖어 있는 상태의 그래프와는 다르게 초기 에 그래프가 상승(peak)한 후 일정 패턴을 갖으면서 하강하는 그래프로 젖은 상태 보다는 토크 크기가 작은 것을 볼 수 있다. 입력되는 회전수가 동일하였 지만 Fig. 7과 Fig. 8의 그래프에서 체결되는 시간동 안의 시간차이는 약 0.12초 정도의 편차를 갖는다.

체결이 다 일어난 후 발생하는 잔류 파동 곡선의 차 이는 오일이 담겨져 있는 상태가 약간 크게 나타나

는 현상을 보였다.

이는 클러치 체결과정에서 접촉면의 마찰 저항이 점성토크와 재질과의 직접 접촉에 의한 합성 마찰 토크가 체결되는 과정을 나타낸다. 이때 완전체결 후 나타나는 토크 전달 특성은 마찰면의 오일 잔류 량에 따라 전체 전달토크의 영향을 받는다. 마찰판 의 작용력에 대한 잔류 오일이 접촉면에서 배출되 는 거동에 따라 다르게 나타나기 때문에 본 시험에 서는 이에 대한 영향 인자로 마찰판의 회전수와 마 찰면 사이의 간극에 잔류하는 오일량에 따라 시험 을 진행하였다.

4.2 고속 엔진회전수(2,600 rpm부근)시험 결과

Fig. 9는 중속 엔진회전수 측정결과와 마찬가지 로 측정방법은 동일하며, 중속이 아닌 고속에서 측 정된 결과 값으로 2,600 rpm 부근에서 측정된 그래 프이다.

Fig. 10은 클러치가 젖어 있는 상태로 회전수가 커지면서 젖어 있더라도 체결되는 시간은 Fig. 7 그 래프 보다 약 0.2초 길어지는 결과를 보였다.

Fig. 9 High velocity boundary of engagement

듀얼클러치 변속기용 습식클러치 체결에 따른 토크 변화에 대한 동적거동

Fig. 10 Torque balance of high velocity engagement (wet).

Fig. 11 Torque balance of high velocity engagement (400 cc).

그래프의 패턴은 비슷하게 상승한 후 체결이 일 어나는 동안 평행하게 지속된 후 하강하는 비슷한 형태로 나타난다.

Fig. 11의 그래프는 22  ^ 부근과 26  ^ 에서 점 성에 의한 토크(

)와 클러치 체결에서의 토크(

) 가 더해져서 다른 시험 그래프 보다 최대 상승곡선 이 가파르게 상승하는 것을 볼 수 있다. 체결 후 시 간이 중속영역보다는 길게 나타나는 경향을 보이 며, 체결이 종료되는 3.2초 구간이후에 사이클의 곡 선이 균일하게 이어지는 것을 볼 수 있다.

5. 결 론

듀얼클러치 변속기용 습식클러치 체결시 클러치 토크변화에 대한 동적 거동을 분석하기 위한 시험

을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 중속 시험결과 체결 시간은 클러치가 젖어(wet) 있는 상태 보다 일정 체적의 오일이 담겨 있을 때 슬립 현상에 따라 시간지연이 발생하는 결과를 얻었다. 이는 클러치 디스크가 젖어 있는 상태에 서는 유체에 의한 마찰계수는 동일하게 존재하 기 때문에 마찰계수의 영향보다는 완전체결이 이루어지도록 압력이 가해질 때, 비압축성인 특 성에 의한 챔버 공간에서 압착으로 나타나는 시 간 지연으로 추측된다.

2) 그래프 분석 결과 상승 곡선은 최고 상승 체결 토 크 26  로 크기는 비슷하지만 그래프의 패턴 이 일정하지 않았다. 체결이 이루어진 후 그래프 잔류 진동 사이클 파동은 젖어 있는 상태에서 클 러치가 록업(lock up) 되는 시간에 챔버 내의 오 일 저항을 이겨 내야하는 시간이 상대적으로 적 으면서 체결이 이루어지면서 사이클 곡선이 작 게 측정 되었다. 오일이 담겨있을 경우 시험에 사 용한 오일양은 한 가지 조건인 경우에 대해 시험 한 결과로 오일 체적량을 달리 했을 경우 오일 댐 핑에 따른 진동이 동일하게 크게 나오는지는 오 일을 가감한 시험을 진행하여 경향성(pattern)에 대한 비교 분석이 필요하다.

3) 고속 시험결과 체결 시간지연이 중속 회전수 보 다는 길게 나타났지만 유사한 형태로 측정이 이 루어 졌음을 확인하였다.

이 시험 결과를 통하여 체결시 상대 회전수, 챔버 내 오일 양, 오일 온도, 공급 압력, 플라이 휠 관성력 등의 작동조건에 대해 각각의 영향 평가를 통한 동 적 거동 요인에 대해 최적화된 데이터를 도출하여 기술 개발 적용이 가능하다.

후 기

본 연구는 한국연구재단(2015005154, R0001406) 과 국민대학교(2015)의 지원을 받아 수행된 연구 결 과임.

References

1) F. R. Shaver, Manual Transmission Clutch Sys- tems, SAE, Warrendale, 1997.

Jaecheol Cho⋅Woojung Kim⋅Jaeduk Jang⋅Siyoul Jang

2) C. L. Davis, F. Sadeghi and C. M. Krousgrill,

“A Simplified Approach to Modeling Thermal Effects in Wet Clutch Engagement : Analytical and Experiment Comparison,” Transactions of the ASME. Vol.122, pp.110-118, 2000.

3) D. N. Centea, H. Rahnejat and M. T. Menday, The Influence of Interface Coefficient of Fric- tion upon the Propensity to Judder in Automo- tive Clutches, Proc. Instn. Mech. Engrs., Part D: J. Automobile Engrg. 213 (D2), 1999.

4) E. J. Berger, F. Sadeghi and C. M. Krousgrill,

“Torque Transmission Characteristics of Auto-

matic Transmission Wet Clutch : Experimental Results and Numerical Comparison,” Tribology Transactions, Vol.40, Issue 4, pp.539-548, 1997.

5) N. Patir and H. S. Cheng, “An Average Flow Model for Determining Effects of Three- dimensional Roughness on Partial Hydrodyna- mic Lubrication,” Journal of Lubrication Tech- nology, Vol.100, Issue 1, pp.12-17, 1978.

6) S. K. Lee, D. Y. Kim and M. D. Hur, “A Study on Measuring Clutch Dynamic Torque,” Trans- action of KSAE, Vol.20, No.5, pp.65-70, 2012.