DOI http://dx.doi.org/10.9725/kstle.2013.29.5.291
하이브리드 상용차용 경량 비상조향장치 유압방향제어밸브의 성능특성 연구
박 경 민†
(재)전북자동차기술원 사업기획팀
Characteristics of Lightweight Hydraulic Directional Control Valve for Emergency Steering in Hybrid Electric Commercial Vehicles
Kyungmin Park†
Project Planning Team, Jeonbuk Institute of Automotive Technology, 1641-4, Soryong-dong, Gunsan-si, Jeollabuk-do 573-879, Korea
(Received June 11, 2013 ; Revised August 15, 2013 ; Accepted August 21, 2013)
Abstract − Hydraulic directional control valves actuated by solenoid are used to control emergency steering in general or hybrid electric commercial vehicles. In this study, a new lightweight hydraulic directional control valve was designed by flow and structural simulation, and was fabricated; the basic operation, pressure differentials, and inner leakage flow were evaluated experimentally. In the results, the new model showed comparable performance with an existing imported valve. New valve was 80% the weight of the existing valve and had few components. Installing this valve on a truck body is easier because of its compactness and small size.
Keywords − hydraulic directional control valve(유압방향제어밸브), lightweight(경량), emergency steering (비상조향), solenoid(솔레노이드), hybrid electric commercial vehicle(하이브리드 상용차)
1. 서 론
승용차용 조향장치는 만도, 현대모비스 등이 세계적 인 기업과 대등한 기술력을 가지고 있는 반면, 상용차용 은 독일 ZF Lenksysteme사나 미국 TRW Automotive 사, 일본 JTEKT사가 주도하고 있는 실정이다. 특히, 중대형 트럭에는 승용차와는 달리 비상조향장치가 부가 적으로 장착되어 있다. 이는 지난 2003년에 개정된 ‘자 동차 안전기준에 관한 규칙’ 제 14조 및 89조에 의거 하여 고장에 의해 조향장치가 작동하지 않는 경우에 비 상조향장치를 통해서 일정 거리 동안은 움직일 수 있 도록 조향기능을 갖아야 한다는 것을 의무화 했기 때 문으로 반드시 장착되어야 하는 핵심부품이 되었다. 따
라서, 상용차용 조향장치는 2개의 유압펌프가 장착되어 이중회로의 유압조향시스템으로 구성되어 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이 하이브리드 상용차량이 개발되 면 엔진구동은 물론, 전기모터 구동도 이루어질 때, 순 간적으로 전기모터가 고장이 발생하거나, 또는 하이브 리드 시스템에서 장점을 활용한 전자식 조향장치가 갑 작스런 고장이 발생할 때에도 비상으로 조향기능을 갖 도록 응용할 수 있는 핵심부품으로도 활용될 수 있다.
유압식 방향제어밸브는 그동안 설계나 동특성 연구[1]
를 비롯한 내부 실린더 운동제어 등에 연구[2] 뿐만 아 니라, 적용된 솔레노이드 코일 특성이나 설계, 시뮬레 이션은 물론 변속기, 연료전지 등 다양한 응용 연구도 활발히 진행되었다[3-5].
본 연구에서는 하이브리드 상용차에 적용 가능한 비 상조향장치로 조향방향을 조절하기 위한 방향제어밸브
†Corresponding author : [email protected]
를 대상으로 기존 수입품을 국산화 개발을 목표로 하 면서 무게를 저감하고, 컴팩트한 형상으로 차량 Layout 설계에 유리할 뿐 아니라 고압의 사용조건에서 안전하도록 경량화 몸체 설계와 이에 대한 유동 및 구 조해석을 수행하고, 제작한 시제품에 대한 방향제어밸 브의 기본 작동과 누설유량 등의 기본성능을 실험적으 로 검증하고자 하였다. 제작한 방향제어밸브에 적용한 솔레노이드밸브 코일 성능과 솔레노이드 스풀 및 슬리 브의 거동 관련은 본 연구에서는 다루지 않았다.
2. 비상조향 방향제어밸브
2-1. 비상조향장치의 기능 및 구조
비상조향장치는 일반적인 유압식 조향장치와 작동원 리가 유사하며, 주조향장치의 고장 발생으로 인해 조 향력이 상실될 경우에 비상조향장치가 작동하여 운전 자가 스티어링 휠의 조작이 가능하도록 하여 짧은 시 간 내 차량을 원하는 방향으로 이동시킬 수 있는 역할 을 한다. 장치 구성은 필요시 차량 내 배터리로 구동 되는 BLDC 모터와 일체형으로 구동되는 보조 유압펌 프, 조향 방향을 결정하기 위한 분리형 유압방향제어 밸브로 이뤄지며, 차체에 별도 브라켓으로 고정되어 있 다. 일반적으로 비상조향장치의 작동은 ECU(엔진컨트 롤유닛)를 통해 차속이 1 km/h 이하인 경우와 주조향 장치의 유량이 5 L/min 이하인 경우에 비상상태로 판 단하여 작동하게 된다.
Fig. 1은 상용차량에 장착되는 비상 보조조향장치를 보여주고 있으며, Fig. 2는 상용차 조향장치의 유압회 로 개념도를 보여주고 있다.
방향제어밸브는 기본적으로 3개의 솔레노이드 밸브 와 2개 몸체(Body), 그리고 이를 연결해주는 브라켓으 로 구성되어 있다. 기본적으로 솔레노이드 밸브 A, B
는 조향 실린더로 유입되는 A포트, B포트를 On/Off하 여 조향방향을 결정하는 역할을 하고, 솔레노이드 C는 오일탱크로 리턴되는 오일의 방향을 정해주는 역할을 한다. Fig. 3은 수입장착품인 기존 비상조향 방향제어 밸브를 보여주고 있으며, 그림과 같이 솔레노이드 A, B 및 C가 분리된 전체 무게는 15 kg이다.
2-2. 방향제어밸브 시뮬레이션 해석 및 제작 2-2-1. 방향제어밸브 유동 시뮬레이션
본 연구에서는 대상 밸브의 경량화를 위한 방안으로 작동성능은 그대로 이면서, 구조를 분리형에서 일체형 으로 변경하고자 하였으며, 내부 유로(Oil passage)와 강성해석 검토를 통해 몸체(Body)의 경량화 설계를 수 행하였다.
일반적으로 솔레노이드 밸브를 통과시 압력 강화를 고려하여 유로 직경이나 길이를 설계할 필요가 있다.
Fig. 1. Emergency steering system in commercial truck.
Fig. 2. Hydraulic circuit of full steering system in commercial vehicles.
Fig. 3. Existing hydraulic directional control valve of emergency steering.
본 연구에서는 상용 유동해석 소프트웨어인 ANSYS- CFD를 이용하여 유동 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 상 격자 생성이 용이하도록 유동장을 별도로 추출하고 결과에 영향이 없는 요소들은 제거하고, 계산상 수렴 성을 높이기 위해 작동유의 입출구 거리는 연장하였다.
격자는 소프트웨어 자체 기능인 Patch conforming기법을 이용하여 4면체로 생성하였다. 작동유 물성치는 Dexron II 상당유로서 밀도 0.85 g/cc, 점도 32.6centipoise를 적 용하였으며, 본 해석에서는 비교적 낮은 압력조건으로 수행하여 압력변화에 따른 밀도변화는 고려하지 않았 다. 유로 직경은 요구하는 유량과 벤치마킹을 토대로 3 mm 및 3.3 mm의 2 case에 대해 고려하였으며 이 때 유량은 25L로 설정하였다. 비정상 압축성 난류 유 동 해석을 위해 지배 방정식은 식 (1)의 연속방정식과 식 (2)의 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다.
(1)
(2) 여기에서, u : 속도, f : 단위체적당 부가되는 외력, ρ : 밀도, p : 압력, ν : 점성계수를 나타낸다.
난류 모델은 k-Epsilon을 기반으로 하였으며, 격자의
y+에 대한 의존성 처리를 위하여 wall function은 scalable을 사용하였다.
Fig. 4는 방향제어밸브 유로와 솔레노이드 밸브의 압 력강화 특성을 위한 유동해석 조건을 나타내고 있다.
유동해석을 통해 솔레노이드 밸브 A, B, C의 Vector velocity, Streamlines 및 압력분포에 대하여 다 음과 같이 각각 나타내었다. 유로직경은 Case 1은 3 mm, Case 2로 3.3 mm으로 선정하였고, 압력 18 MPa로 고정하고, 유입유량은 15 L, 20 L, 25 L로 설정하였다. Fig. 5에서 가장 속도에 영향이 큰 Case 2인 직경 3.3 mm, 유량 25 L의 조건에 있어서 각 포트별 Vector velocity를 보여주고 있다. 솔레노이드 밸브를 통과하는 부위가 약 12~15 m/s의 속도로 높은 수치를 보이나, 각 유량과 유로직경에 크게 차이는 없
∂ρ∂t --- ∂
∂x---ρux ∂
∂y---ρvg ∂
∂z---ρuz
+ +
⎝ ⎠
⎛ ⎞
–
=
∂u
---∂t+(u ∇⋅ )u f 1 ρ---∇p – +ν∆u
=
Fig. 4. CFD simulation of oil passage in new hydraulic directional control valve.
Fig. 5. Result of simulation of flow vector velocity (ϕ = 3.3 mm, Q = 25 L).
Fig. 6. Result of simulation of inner pressure (ϕ = 3.3 mm, Q = 25 L)
었으며, 단지 솔레노이드 C의 중앙에서 17.4 m/s로 다 소 높게 나오는 경향을 보이고 있다.
Fig. 6에서 압력의 경우, 솔레노이드 전단에 비교적 높게 형성되나, 솔레노이드를 거친 이후 압력이 대기 압 수준으로 작아져 유로를 빠져나가게 됨을 확인할 수 있다.
일반적으로, 작동유가 좁은 면적의 밸브를 통과하는 동안 유로의 저항 및 작동유의 점성으로 인한 교축작 용에 의해 압력 강하가 발생되게 되며, 본 해석에서도 밸브의 압력강하가 발생함을 확인 할 수 있었다.
작동유가 밸브를 통과하는 동안의 압력 강하 특성을 Fig. 7~8에 나타냈다. Fig. 7은 솔레노이드 A에서 각 유량에 따른 압력 강하 특성을 보여주고 있다. 먼저 유량이 증가할수록 압력 강하는 역시 비례적으로 증가 하였으며, 직경이 3.3 mm인 case 2의 경우가 오히려
∆P는 크게 나왔으나 전체적으로 기준 목표인 0.5
MPa 이내로 기준치를 만족하였다.
Fig. 8은 각 솔레노이드별 압력강하 특성에 대비 비 교한 그래프로서, 동일한 Case 2 조건시 압력강하는 유사한 특성을 보였으나, 솔레노이드 C 값이 6~8%
정도 높은 값을 보였다.
2-2-2. 방향제어밸브 구조 시뮬레이션
몸체의 강성설계와 경량화를 위해서 2가지 형상모델 에 대해 유동유체에 의한 발생응력과 변형량을 예측하 기 위해 구조해석 프로그램 ANSYS를 이용하여 수행 하였다. 사용압력은 기본 압력인 18 MPa과 최대 압력 인 30 MPa이 사용조건에서 영향성을 파악하고자 하였 으며, 목표 안전율은 1.2 이상으로 설정하였다. Fig. 9는 2개 형상모델의 밸브 몸체의 구조해석을 위한 단순화한 3D 형상과 경계조건을 보여주고 있으며, Table 1은 본 구조해석을 위해 적용한 주요 물성치를 나타낸다.
Fig. 11은 내압 30 MPa 조건시에 두 모델에 최대 변형량을 보여주고 있으며 첫 번째 모델은 0.012 mm,
Fig. 7. Comparison of pressure differentials(P) on Solenoid A at case 1 and case 2 condition.
Fig. 8. Comparison of pressure differentials(P) on Solenoid A, B and C at case 2 condition.
Fig. 9. Boundary condition of structural simulation of 2 body models.
Table 1. Properties of structural simulation of body Properties Data Note Mass Density (kg/m3) 7,850
Structural Steel Young's Modulus (MPa) 2E+5
Poisson's Ratio 0.3 Tensile stress (MPa) 460
두 번째 모델은 0.004 mm로써 내압에 따른 변형량은 큰 문제는 없는 것을 판단된다. 그리고, 경량화 설계안 인 두 번째 모델도 설계적으로 적정함을 판단하였다.
Fig. 12는 해석 결과와 경량화는 물론, 가공비용을 고려하며 변경한 과정을 보여주고 있다. 첫 번째 모델 을 기본을 하여 해석결과와 가공과정을 검토 후 유로 위치와 홀 사이즈를 변경하였으며. 내압에 대한 강성 이 확보되는 범위에서 일부 부위를 제거하는 과정을 걸쳐 최종적으로 3번째 모델을 선정하였다. Fig. 13은 경량 설계한 방향제어밸브의 형상과 제작된 사진을 보
여주고 있다.
Table 2는 최종 제품과 기존 제품의 비교 데이터를 표기했다. 일체형으로 변경하면서 크기와 부품수가 줄 었고, 몸체 경량화 설계를 통해 무게도 3 kg을 경량화 하였다.
3. 실험장치 및 방법
유압방향제어밸브의 기본 성능시험을 위한 실험장치 를 구성하였으며, 주요 대상인 각 입출구 포트(port)에 장착된 솔레노이드 밸브의 작동시험, 압력강하시험 뿐 만 아니라, 비상시에만 작동되기 때문에 압력 인가시 에도 누설이 거의 없어야 하므로 이를 확인하기 위한 누설시험 등을 수행하였다.
Fig. 14는 시험 및 계측에 관한 개략도를 나타내고 있다. 그림에서처럼 전체 명령은 PC를 이용하여 테스 트 밸브의 3개의 솔레노이드 밸브(A, B, C)를 각각 작동하여 On/Off 제어하고, 최대압력 35 MPa, 정격유 량 50LPM의 사양을 가진 유압 테스트벤치와 제어기 를 통해 압력과 유량을 제어하였으며, 입력측에는 솔 레노이드 밸브 입구단의 압력을 측정하였다. 각 밸브 Fig. 10. Result of stress analysis.
Fig. 11. Result of total deformation.
Fig. 12. Change of body shape for new hydraulic directional control valve.
Fig. 13. Design and prototype of new hydraulic directional control valve.
Table 2. Comparison of data of existing and new product Contents Unit Existing Model New Model
Type - Separate all-in-one Size (L×W×H) mm 260×128×294 240×96×172
Weight kg 15 12
Parts number EA Body 2, Bracket
1 Body 1
Fig. 14. Diagram of test for hydraulic directional control valve.
의 작동 후 결과값으로 압력, 유량, 온도를 각각 측정 하였다. 특히, 솔레노이드 밸브 C에는 유량센서를 장 착하여 누설유량을 측정하였다. Fig. 15는 본 연구에 사용한 시험장치의 모습을 보여준다.
전체 시험은 3개의 시험샘플을 가지고 기본 작동검 사, 압력강하시험 및 누설유량 시험을 수행하였다. 사 용한 작동유는 ISO VG 46으로 작동유 온도는 45±5oC를 유지하며 압력은 18 MPa을 기본으로 하고 내압시험에서는 30 MPa으로 세팅하였으며, 유량은 본 장치의 사용유량인 25LPM으로 수행하였다. 기본 작동 시험은 솔레노이드 A/B포트에 유압원을 인가하면서 On/off시 인가유압인 18 MPa을 보이는지 확인하는 것 으로 수행하였으며, 압력강하시험은 각 솔레노이드 A, B, C포트에 전후에서의 유량을 조정하며 포트 전후단 의 압력을 측정하였다. 비상조향밸브 중 중요 성능 중 의 하나인 내부 누유시험은 솔레노이드 밸브에 18 MPa를 인가 후 1분간의 누유량이 측정하고, 기준량인 82 cc/min 미만임을 확인하였다.
4. 연구결과 및 고찰
기본 작동시험은 솔레노이드 A, B 포트에 압유를 인가 후 10회 이상 절환하여 작동 이상이나 외부누유 를 측정하였으며, 각 솔레노이드 밸브는 압력을 유지 하면서 정상 작동함을 확인하였다.
Fig. 16은 각 포트에서는 압력강하량을 측정한 시험 결과이다. 앞서 Fig. 4에서 해석한 결과값과 거의 유사 하며, 역시 솔레노이드 C가 25 L/min 조건에서 ∆P가 0.33 MPa로 가장 높았으나, 기준값이 0.5 MPa 이내 로 들어와 있어서 각 포트에서 압력강화 특성이 우수
함을 알 수 있다.
Fig. 17은 솔레노이드 A, B에 18 MPa의 각각 압 유를 인가한 후 1분간 내부로 누설된 양을 측정한 시 험결과이다. 기준값이 82 cc 대비하여 각 솔레노이드 Fig. 15. Apparatus of performance test for hydraulic
valve.
Fig. 16. Comparison of pressure differentials(P) on Solenoid A, B and C by experiment.
Fig. 17. Result of inner leakage flowrate on solenoid A, B by experiment.
는 최대 12 cc로서 14.6% 수준에 불과하여 정상적인 성능을 보였다.
5. 결 론
본 논문은 하이브리드 상용차용 비상조향장치의 방 향제어밸브를 일체형이며 경량화를 이루기 위해 설계 와 유동 및 구조해석을 수행하여 도출한 최종설계안으 로 시제품을 제작 후 기본 특성시험을 수행한 결과 다 음의 결과를 얻었다.
1) 솔레노이드 밸브와 몸체의 조립 및 포트 내 압력 강하 특성을 고려한 유로를 설계하였으며, 직경은 3.3 mm가 유리하였다.
2) 전체 형상과 무게를 차지하는 몸체 설계는 유동 해석 및 구조해석을 통한 응력 및 변형량을 검증한 결 과, 경량화 설계모델이 타당함을 확인하였다.
3) 최종 설계안으로 시제품을 제작하여 작동시험, 압 력강하시험, 내부누설시험의 기본성능을 측정한 결과, 제안한 설계안은 경량화는 물론 기본 성능상으로 이상 없음을 확인하였으며, 추후 다양한 신뢰성시험 및 실
차장착시험 등의 추가적인 검증시험에 만족하는 성능이 나온다면 국산화 개발이 될 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌
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