< 기 술 논 문 >
Copyright
Ⓒ2015 KSAE / 134-15 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.1.122 Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 1, pp.122-129 (2015)
내페이드와 힐스타트 가상 시험을 통한
수동변속기 클러치 시스템의 온도 예측에 관한 연구
1)
박 기 종*․김 동 원
현대자동차 수동변속기설계팀
A Study of Temperature Predictions for Manual
Transmission Clutch System via Anti-fade and Hill Start Virtual Test
Ki-Jong Park*․Dong-Won Kim
Manual Transmission Engineering Design Team, Hyundai Motor Company, 150 Hyundaiyeonguso-ro, Hwaseong-si, Gyeonggi 445-706, Korea
(Received 16 September 2014 / Revised 30 September 2014 / Accepted 6 October 2014)
Abstract : Excessive overheating to a manual transmission clutch system under operating conditions can be considered the main reason of its performance degradation. The clutch system has to be ensured with its service life by showing that it passes the extreme tests called anti-fade test and hill start test in a certain design step. In general, design feedbacks from these kinds of the experiments are adapted to the system to enhance its performance. However, it usually takes much time and costs a lot due to the repetition of the tests. In this research, a process to calculate temperature of the clutch system was developed to determine whether the design can be passed the anti-fade test and hill start test in the design phase. The process incorporates many CAE techniques such as heat transfer analysis using 1D dynamic simulation method, system dynamics, CFD and parametric optimization. CFD is utilized to analyze 3-dimensional heat transfer of the clutch system and fluid dynamics of air in the clutch housing. The process was applied for the clutch systems in several vehicle models. The results was compared with those of the experiment. The applicability of the developed process was verified by comparing the predicted results with experimental results.
Key words : Manual transmission(수동 변속기), Clutch(클러치), Anti-fade test(내페이드시험), Hill start test(힐스 타트시험), Heat transfer(열전달), CFD(전산유체역학), Virtual test(가상시험)
Nomenclature 1) dh : heat flow rate, W
x : heat transfer coefficient, W/°C T
i: temperature at ith nodal point, °C T : torque, Nm
C
i: constants of response surface function for x α, β, γ, δ, ε : constants of the fitting function T
air*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
Subscripts air : housing internal air pp : pressure plate fw : flywheel cc : clutch cover hsg : housing
1. 서 론
최근 자동차 개발에 있어 모델 교체 주기의 단축
이나 개발기간의 단축 등으로 인하여 글로벌 메이
내페이드와 힐스타트 가상 시험을 통한 수동변속기 클러치 시스템의 온도 예측에 관한 연구
커들의 개발은 설계단계에서 충분한 신뢰성을 확보 하여 최소한의 시험으로 개발 시간과 비용을 줄이 는 데 역점을 두고 있다. 이러한 경향들은 설계 및 시험 시에 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 툴의 발달 과 대중화에 따라 빠르게 확산되어 가고 있다.
클러치의 개발 단계에서 클러치 시스템의 마모나 내구성능에 영향을 주는 열용량을 예측하고 방열성 능을 예측하는 연구들이 최근 들어 주를 이루고 있 다. 2011년 M. Przybilla 등은 건식 클러치 개발에 있 어 열용량, 내구 문제, 운전성 등을 순차적으로 시뮬 레이션 할 수 있는 프로세스를 개발하고 차량개발 에 적용하고 있다.
2)2011년 G. Chen 등은 습식 다판 클러치의 발열 관리를 위하여 이론적으로 모델링된 실시간 가상 온도 센스를 개발하여 Chrysler 변속기 에 적용하고 있다.
3)2014년 O.I. Abdullaha 등은 건식 클러치의 슬립 시 토크에 따른 클러치 표면 온도와 에너지 소산을 연구하였다.
4)국내에서도 2013년 정 영재 등은 1차원 동역학 해석 기법을 이용해서 실시 간 클러치 시스템의 열전달 예측모델을 개발하였 고,
5)2013년 최우석 등은 건식 클러치 내마모성 시 험 평가를 위한 성능 시뮬레이터를 수치적으로 모 델링하여 적용하고 발표하였다.
6)본 연구에서는 기존의 개발 시간 및 비용 면에서 고 과의 과정인 설계-시험 반복 프로세스를 개선하기 위 하여 시뮬레이션을 통한 클러치 열용량 및 방열 성능 개발 프로세스를 개발하였다. 첫째로 3차원 열유동 해 석을 통한 클러치 하우징 방열 성능을 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과를 데이터 베이스화 하였다. 두 번째 로 1D Dynamics 해석 기법을 이용하여 질량절점과 두 질량 절점 사이의 열전달 계수를 이용하는 열전달 모 델을 구성하였다. 3차원 데이터 베이스를 기반으로 각 각의 열전달계수를 최적화 기법을 이용하여 구하고 그 결과를 토크와 회전속도에 대하여 반응표면화 하 였다. 세 번째로 엔진, 변속기, 차량 모델을 1D Dynamics 기법을 이용하여 모델링하고 운전조건에 따른 클러 치 발열량을 계산할 수 있는 시뮬레이터를 개발하였 다. 기존의 실차에서 수행하고 있는 내페이드 시험과 힐스타트 시험을 개발된 시뮬레이터에 적용하는 실 시간 가상 시험을 수행하여, 클러치 각 부품의 온도를 예측하고 실차 시험과의 결과를 비교하였다.
2. CFD를 이용한 클러치 시스템의 열유동 클러치 시스템에서 마찰에 의한 에너지 손실은 열에너지로 변환되고 클러치 부품들에 열전도나 대 류 등의 열전달을 통하여 전달된다. 클러치 내부의 공기 유동은 클러치 부품들의 온도를 강하시키는 작용을 한다. 하우징은 클러치를 보호함과 동시에 신선한 공기를 흡입하고 내부의 열을 적절히 방출 할 수 있어야 한다. 클러치 회전에 의해 하우징 입구 로 자연 유입된 공기는 가열된 클러치로부터 열을 빼앗아 출구로 방출된다. 그러므로 하우징의 방열 성능은 공기 출입구의 위치와 형상, 클러치 형상으 로부터 결정된다.
클러치 발열량 및 엔진 회전수를 변수로 지정하 고 발열 및 냉각 해석을 진행하여 정상상태에 도달 했을 때 하우징 내부 공기 온도 및 클러치 압력판의 온도를 측정하였다.
2.1 열유동 해석 모델 구성
해석 모델은 차의 엔진룸 안의 엔진과 변속기의 위치 배열이 달라 공기 흐름에 의한 열전달 방법이 달라질 수 있는 전륜구동과 후륜구동 모델로 구분 될 수 있다. 전륜 구동 차종의 경우는 엔진과 변속기 가 횡치로 배열되있고 클러치 어셈블리, 클러치 하 우징, 클러치 조작을 위한 베어링 및 포크류, 하우징 과 엔진간의 접합면으로 구성 된다. 후륜구동 차종 의 경우에는 엔진이 변속기 앞쪽에 있는 종치형으 로 엔진에 의해 데워진 공기의 흐름을 표현할 수 있 는 엔진 더미 모델이 추가 된다.
클러치 모델링 시 압력판과 페이싱을 제외한 주 물부품들은 동종 재질임을 고려하여 접촉부를 고려 하지 않고 일체화시켰으며, 이종 재질간의 접합부 에 대해서 접촉면 설정을 하였다. 접촉 저항은 별도 로 설정하지 않았다. 압력판의 재질은 GC300으로 써 20°C에서 비열과 열전도율은 각각 555J/Kg°C, 49W/m°C이며, 복합단열재인 페이싱의 열적 특성 또한 고려하였다.
외기에 의한 경계 조건은 전륜 기종과 후륜 기종
의 차량 탑재 방식을 고려하여 각각 다르게 설정했
다. Fig. 1(a)의 전륜 기종은 엔진룸 내부에서 충분히
가열된 50°C의 공기가 1m/sec의 속도로 하우징의
Ki-Jong Park․Dong-Won Kim
(a) FF-type (b) FR-type
Fig. 1 Boundary conditions for CFD modeling측면을 향한다. Fig. 1(b)의 후륜 기종은 임의 온도의 외기가 1m/sec의 속도로 엔진을 지나면서 가열된 후 변속기에 대해 종방향으로 향하게 된다.
열유동 해석은 상용프로그램 STAR-CCM+
7)를 이 용하였다. 클러치 회전 요소에 대해 MRF (Moving Reference Frame) 기법을 적용하여 해석 시간을 단 축했다. 하우징 입출구의 형상에 따른 공기 유입량 의 변화와 클러치 형상에 의한 공기 흐름을 계산하 기 위해서 난류 에너지를 고려할 수 있는 난류 유동 모델 적용하고 시간에 대해 정상상태 해석을 수행 하였다. 난류 에너지를 고려한 해석 모델 중에는 K-Epsilon 모델
8)이 현재 널리 알려져 있다. K-Epsilon 모델은 와류 점성을 경험치에서 구하는 것이 아니 라 압력 구배를 고려한 난류에너지 소멸식에서 구 하므로 보다 정확한 공기 흐름을 예측할 수 있는 장 점을 가지고 있다. 격자는 Polyhedral 형태로써 크기 는 4mm를 표준으로 하였으며, 압력판과 페이싱의 접촉부와 그루브 등의 미세 영역에 대해 최소 0.8mm로 하였다. 격자수는 약 400만개이며 정상상 태 도달까지 5000회의 반복 연산을 수행하였다.
2.2 열유동 해석 결과 및 분석
압력판, 플라이휠과 페이싱의 접촉부에 에너지 를 가하고 클러치를 회전시키면 방열구 입구에서 유입된 공기는 클러치를 냉각시키고 출구로 나간 다. Fig. 2는 가열된 클러치 하우징 내부의 단면으로 써 마찰열이 직접적으로 가해지는 압력판과 플라이 휠은 온도가 높은 반면 열발생 부위와 거리가 먼 곳 은 공기에 의해 냉각됨을 보여주고 있다.
Fig. 3은 전륜변속기의 압력판과 내부 공기 온도 를 회전수 및 열량에 따라 계산한 결과이다. 계산 위 치는 실제 시험에서 계측하는 위치로 하여 압력판
Fig. 2 A cross section of a heated clutch
(a) Pressure plate (b) Air in the housing
Fig. 3 Temperature change according to heating power andRPM
의 경우 플라이휠과 동일하게 온도가 가장 높은 표 면의 3mm아래 지점에서 얻은 결과이고, 하우징 내 부 공기 온도는 엔진-변속기 접합면으로부터 800mm 떨어진 변속기 상부의 케이스 안쪽 5mm 지점에서 얻은 결과 이다. 동일 회전수에 대해 열량을 증가시 킬 경우 계산 부위의 온도가 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 그러므로 열량과 온도의 관계를 회전수 에 대해 T
RPM=aQ
RPM+b의 관계식으로 나타냄으로써 데이터베이스화 할 수 있다.
방열구 면적 증대가 하우징의 방열 성능에 미치 는 영향도를 파악하기 위해 Fig. 4와 같이 전륜변속 기의 부트에 홀을 추가했다. Fig. 5(a)(b)는 부트에 추 가된 홀을 통해 공기 유입량이 증가하여 내부 부품
Fig. 4 A boot in a transmission and a boot hole
A Study of Temperature Predictions for Manual Transmission Clutch System via Anti-fade and Hill Start Virtual Test
(a) Before (b) After (c) Air temperature
Fig. 5 Temperature change by model modification의 온도가 전반적으로 하락했음을 보여준다. Fig. 5(c) 는 1200W의 열량에 대한 회전수와 온도의 관계로 써 부트 홀 추가로 인해 하우징의 방열 성능이 개선 되었음을 정량적으로 확인할 수 있다.
3. 클러치 부품 실시간 온도 예측 모델 개발 과도한 운전 조건에 의한 클러치 부품 및 내부의 온도 상승으로 클러치 마찰 시스템의 손상은 시간이 지남에 따라 누적되어진다. 따라서 클러치 요구 수 명을 만족하는 설계를 위해서는 클러치에 가해지는 온도 이력을 실시간 예측하고 마찰 손상 가능성을 설계에 미리 반영하는 것이 중요하다. 특정운전 조 건하에서 실시간으로 클러치에서 발생하는 에너지 와 각 부품에서의 온도 분포를 계산하기 위하여 실 시간 온도 예측 프로세스를 Fig. 6과 같이 개발하였다.
Fig. 6 A process of temperature prediction
3.1 1D Dynamic 해석 기법을 이용한 열전달
모델
5)실시간 온도 예측 프로세스는 실제 차량의 운전 조건에서 클러치 마찰면에서의 에너지 방출과 온도 변화, 열전달을 실제 시간상에서 계산하는 방법이 다. 실제 온도 모델은 2장에서 소개한 바와 같이 3차 원의 열전달과 공기 유동에 의해 클러치 각 부품들 의 온도가 정확하게 결정된다. 그러나 실시간 모델
(a) Heat transfer path (b) AMESim heat transfer
Fig. 7 Heat transfer path of a clutch system의 경우, 시간 도메인에서의 방대한 해석을 수행하 기 위해서는 정확한 온도 분포 예측뿐만 아니라 즉 시에 결과를 계산하는 것이 중요하다. 1D Dynamic 해석 기법을 이용한 열전달 모델은 실제 CFD 모델 에서 구한 온도 모델로 부터 단순 축약된 모델로, 이 는 구조물의 진동해석 등에서 연속체 FEM모델을 매스-스프링 시스템으로 나타내어 간단히 해를 계 산하는 것과 같다.
1D Dynamic 해석 기법을 이용한 열전달 모델은 각각의 부품의 열용량과 열적 물성을 갖는 절점과 이웃한 절점으로 열전달이 일어날 수 있도록 만들 어진 모델이다. 절점과 절점의 열전달은 다음과 같 이 열전달 계수를 이용하여 나타낼 수 있다.
(1)
Fig. 7에 클러치 시스템의 열전달 경로를 나타내 었다. 플라이휠과 하우징, 플라이휠과 클러치 커버, 압력판과 하우징, 압력판과 클러치 커버, 클러치 커 버와 하우징, 하우징과 외기 사이의 열전달만을 고 려하기로 하고 AMESim
9)을 이용하여 열전달 수치 모델을 구성하였다.
3.2 열전달계수 최적화
식 (1)과 Fig. 7에서 두 절점 사이의 열전달은 각
절점의 온도차와 열전달계수에 의해 구해진다. 따
라서 물성과 열용량, 두 부품 사이의 열전달 계수에
의해 열전달 특성이 결정된다. 2장의 CFD를 통하여
클러치 마찰면에서 발열량과 클러치 회전속도의 관
계에 따라 각 부품의 대표 온도를 구하고 같은 조건
에서 1D Dynamic 해석기법을 이용한 열전달에서의
온도가 CFD에서의 온도와 일치하도록 하는 열전달
계수를 구한다. 변속기 마다 다른 크기의 클러치 마
찰면을 가지고 있기 때문에 마찰면에 5000, 10000,
박기종․김동원
20000, 30000, 40000 W/m
2의 열유속(heat flux)을 가 한다. 이는 대상으로 하는 승용차용 수동변속기에 가해지는 50~1500W의 평균적인 열량에 해당된다.
클러치 회전수 1000, 2000, 3000, 4000 RPM에 대해 서 압력판, 플라이휠, 커버, 하우징, 내부공기 온도 를 각부품의 온도 변화가 없을 때까지 구한다. 이때 CFD와 1D Dynamic 해석기법을 이용한 열전달 사이 의 각 부품 온도차가 최소가 되는 열전달 계수를 식 (2)와 같은 반응표면법(Response Surface Method)
10)을 이용하여 구하고 결과를 Fig. 8에 예시하였다.
∙
∙
∙
∙
(2)
식 (2)의 반응표면법을 이용한 열전달계수를 1D Dynamic 해석기법을 이용한 열전달 해석을 수행한 온도 결과와 CDF를 이용한 온도 결과를 Table 1에 나타내었다. CFD의 온도결과를 참값으로 하였을 때 클러치 각 부품의 온도 오차는 최대 약 0.14%로 식 (2)의 반응표면 함수식의 타당성을 확인할 수 있다.
클러치 하우징 내부 한점에서의 공기온도를 구하 기 위하여서는 1D Dynamic 해석기법을 이용해 내 부 공기에 대한 모델링을 해야 하지만 1D Dynamic 기법으로 공기 모델링을 하는 것은 불가능하다. 따 라서 클러치 하우징 내부의 공기 온도를 수치 모델 에서 직접 구하지 않고 압력판, 플라이휠, 클러치 커
Fig. 8 Response surfaces of heat transfer coefficient Table 1 Temperature results from CFD and 1D heat transfer
Fig. 9 Temperature relations between Air and other parts
버, 하우징 등 공기를 직접 둘러싸고 있는 부품들의 온도로 부터 구하였다. Fig. 9에 CFD로 부터의 하우 징 내부 공기온도와 다른 부품들 사이의 온도 관계 를 나타내었다. 내부 공기온도는 각각의 다른 부품 들과 강한 선형 관계를 가지고 있다. 또한 각각의 부 품들과 열을 주고 받으므로 각 부품들 온도의 선형 조합을 이용하여 식 (3)과 같이 적합식을 만들어 하 우징 내부 공기 온도를 구하였다.
(3) Fig. 9에 1D 열전달해석으로부터 구한 온도를 이 용하여 식 (3)을 통해 구한 내부 공기온도와 CFD에 서 계산된 공기 온도를 추가하여 나타내었다. 식 (3) 의 설명력(R
2)값이 0.9992로 참값인 CFD의 결과를 잘 나타내고 있음을 알 수 있다.
3.3 차량 구동계 동역학 모델
엔진, 변속기, 차량 특성에 따른 클러치 마찰 에너 지 및 마찰면에서의 발열량을 계산하기 위하여 1차 원 동역학 해석 소프트웨어인 AMESim을 이용하여 구동계 동역학 모델을 구축하였다.
엔진은 회전수와 운전자의 쓰로틀 조정에 따른
토크맵을 이용하여 나타내고, 엔진 및 플라이휠의
이너셔를 고려하였다. 변속기 각 단의 기어비를 표
현하고 변속을 위하여 싱크로나이저 기구를 마찰요
소를 이용하여 나타냈었다. 쿨롱 마찰과 점성마찰
을 이용하여 변속기 내부 효율을 표현하였으며 하
이퍼 탄젠트 함수와 쿨롱 마찰을 이용하여 클러치
마찰요소를 나타내었다. 차량은 무게, 타이어 동반
경, 구배, 공기저항 등의 조건을 이용하여 모델링하
였다. Fig. 10에 AMESim을 이용한 차량 구동계 동
역학 모델을 나타내었다.
내페이드와 힐스타트 가상 시험을 통한 수동변속기 클러치 시스템의 온도 예측에 관한 연구
Fig. 10 A drive-train dynamic model using AMESim
3.4 실시간 온도 예측 시뮬레이션
실시간 운전 조건에서의 클러치 시스템의 온도를 예측하기 위하여 앞절에서 설명한 1D Dynamic를 이용한 열전달, 열전달계수 최적화, 차량구동계 동 역학 모델 등을 이용하여 통합 시뮬레이터를 마이 크로소프트사의 엑셀의 비주얼 베이직
11)을 이용하 여 구축하였다.
먼저 엑셀 시트에 열전달과 동역학 해석을 위한 데이터를 넣고 CFD에서 나온 온도 결과를 넣어 데 이터 시트를 준비한다. 열전달 계수를 구하고 운전 조건을 입력한 후, 실시간 해석을 수행해 온도 결과 를 얻는다. 프로세스는 Fig. 6에서 설명하였다.
4. 가상 시험 (Virtual Test)
가상 시험은 실제 실차 시험과 시험 조건, 시험 방 법 등에서 최대한 유사한 환경을 컴퓨터 소프트웨 어로 모델링하여 시뮬레이션하고 결과를 얻는 평가 방법이다. 최근 차량 개발기간 단축의 압박으로 여 러 분야에서 가상시험방법이 많이 활용되고 있다.
현재 클러치 개발에 있어 실차에서 클러치 마찰특 성을 평가하는 방법으로는 내페이드 시험과 힐스타 트 시험 등이 있다. 그러나 신 변속기 개발에서 변속 기 제작 이전에 설계단계에서 그 성능을 평가하고 다시 설계에 반영하기 위해서는 실제 시험으로는 불가능하기 때문에 가상시험방법에 대한 관심이 빠 르게 확산되고 있다.
4.1 가상 내페이드 시험에서 온도예측
내페이드 시험은 실차 상태에서 클러치 페이싱의
(a) Rotational speed (b) Dissipation energy
Fig. 11 Results of the virtual anti-fade testFig. 12 Correlation results between experiment and CAE of the anti-fade test
내페이드(耐Fade) 성능을 확인하고 평가하는 시험 이다. 클러치에서 페이드 현상은 클러치 페이싱의 마찰계수가 비교적 초기에 저하하는 현상을 보이는 것을 말한다. 시험 방법에 대해서는 보안상 자세한 설명은 생략하기로 한다.
Fig. 11에 1600cc 직분사 엔진을 탑재한 중준형 차 량에서의 가상 내페이드 시험 1회 수행 시 엔진 및 변속기의 회전수, 클러치에서의 총 발열에너지를 나타내었다. 실제 시험과의 결과 비교를 위하여 최 대한 실제 차량에서의 발진 특성을 반영하여 운전 하였다. Fig. 11(b)에 약 5초간의 클러치 슬립으로 발 진시 소산 에너지양을 나타내었고 온도예측에서는 모든 소산 에너지가 열로 변환된다고 가정하였다.
내페이드 시험은 이러한 발진과정을 수 차례 반복
하여 수행한다. Fig. 12에 100회 반복한 결과를 나타
내었다. 실제 온도 그래프는 발열로 인한 온도 상승
과 냉각으로 인한 온도 하강을 반복하지만 Fig. 12에
는 각 반복회의 최대값을 나타내었다. 약 40회 이후
에 대부분의 부품에서 온도가 수렴되었으며, 클러
치 하우징의 내부 온도는 실차시험과 해석에서 거
의 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 실차 시험의 온도
상승이 불규칙적인 것은 운전자가 발진을 매회 동
Ki-Jong Park․Dong-Won Kim
Table 2 Results of anti-fade test and simulation
일하게 수행하지 못한 결과이다.
5개 차종의 7가지 변속기 사양에 대하여 가상 내 페이드 시험을 수행하였다. 실제 시험에서는 하우 징 내부의 한 곳에서의 공기 온도를 측정하였고 같 은 위치에서 CAE 결과와 비교하여 Table 2에 나타 내었다. 약 0.1 ~ 4.2%, 온도로 약 0.2 ~ 7°C의 오차를 보였다. Table 2에서의 차량 1과 3의 Case 1과 2는 2 장에서 설명한 하우징 공기 흡입구와 방열구를 재 설계한 결과로 Case 2는 실제 시험 이전에 해석이 선행된 결과이다. 실차 시험이 먼저 진행된 경우 매 회 발진 특성의 평균값을 이용해 해석에서 발진시 킬 수 있어 좀 더 정확한 결과를 얻을 수 있는 반면, 실차 시험이 후행될 경우 선행된 해석의 발진 특성 을 반영하여 운전하지 않기 때문에 오차가 좀 더 커 진 것을 확인할 수 있다.
4.2 가상 힐스타트 시험에서 온도예측
힐스타트 시험은 최대 적재량 조건에서 25% 구 배로 등판 출발을 반복 실시하여 클러치 시스템의 열용량을 확인하고 페이드 특성을 평가하여, 고지 등판지역 등의 극한지역에서 운행하는 수동변속기 차량의 클러치 적합성 여부를 평가하는 시험이다.
Fig. 13에 1600cc 직분사 엔진을 탑재한 준중형 차 량에서의 가상 힐스타트 시험 1회 수행 시의 엔진과 변속기 입력 회전속도와 발열량을 나타내었다. 클 러치 시스템의 마찰력은 Fig. 14에서 볼 수 있듯이 한계 온도를 기준으로 급격하게 저하되고, 이때 차 량은 더 이상 구배로 출발을 할 수 없게 된다. 따라 서 본 가상 힐스타트 시험에서는 압력판과 플라이 휠의 온도가 한계치를 넘어설 경우에 등판불가 판 정을 하기로 하였다.
4개 차종 대하여 25% 구배에서 힐스타트 시험을 수행하고 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 실차 시 험에서 측정한 하우징 내부 온도에 대해 시험과의 비교에서 최대 3%이내로 잘 일치함을 보여주고 있
Fig. 13 Results of the virtual hill start test
Fig. 14 Friction coefficient change according to temperature
Table 3 Correlation results between experiment and CAE for the hill-start test
다. 차량 1의 경우 해석이 선행된 경우이며, 압력판 의 온도가 마찰계수 한계온도를 약간 넘어 서는 수 준으로 재설계의 판정이 나왔으나 설계변경의 사이 드 이펙트로 인해 설계 변경을 하지 못한 경우로 실 차 시험에서도 Fail되었다. 차량1을 제외한 3차종에 서 압력판의 온도가 기준치인 한계온도를 넘지 않 아 PASS판정을 받았으며, 실제 실차 시험에서도 무 난히 통과하여 기준의 유효성을 입증하였다.
5. 결 론
클러치 설계 단계에서 엔진 및 차량의 영향에 대
해 클러치 시스템의 온도 성능을 컴퓨터 시뮬레이
션을 이용한 가상 시험을 통해 구하고, 가상 클러치
평가에 적용하는 프로세스를 정립하였다. 실제 실
차 시험과 그 결과를 비교하고 개발된 가상시험방
법의 유효성을 검증하였다. 전체적인 프로세스 및
A Study of Temperature Predictions for Manual Transmission Clutch System via Anti-fade and Hill Start Virtual Test
결과를 정리하면 다음과 같다.
1) 3차원 CFD를 이용하여 클러치 시스템의 온도예 측 모델을 개발하고, 클러치 하우징의 흡입구 및 방열구를 변경함으로써 클러치 부품의 온도를 낮출 수 있음을 보였다.
2) 클러치 부품의 온도를 운전 조건을 고려하여 시 간 상에서 예측할 수 있는 프로세스를 여러 가지 해석 기법을 적용하여 정립하였다.
3) 개발된 프로세스 및 시뮬레이터를 이용하여 가 상 내페이드 시험 및 힐스타트 시험을 수행하여, 내페이드 시험에서는 약 0.1 ~ 4.2%, 힐스타스 시 험에서는 최대 약 3%의 오차로 시험과 잘 일치 하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 가상 힐스타스 시험에서의 등판 불가조건을 마찰계수 한계온 도로 설정하여 실차시험에서의 판정과 같은 결 과를 얻을 수 있었다.
향후 설계 단계에서 가상 시험방법은 클러치 열 용량 설계가 제대로 되었는지 또는 클러치 하우징 방열 설계가 완전한지를 확인하고 설계하는 데 유 용하게 이용할 수 있을 것이다. 또한 더 많은 시험과 의 상호 검증이 이루어진다면, 개발된 프로세스는 설계 프로세스의 변화뿐만 아니라 시험 프로세스의 변화에도 기여할 것으로 판단된다.
References
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