Experimental Research on the Power Saving Effect Evaluation of a Variable Displacement Vane Pump for an Automatic Transmission

Copyright

2014 KSAE / 133-01 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.7.001 Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 7, pp.1-7 (2014)

자동변속기용 가변 용량 베인 펌프의 파워 절감 효과 평가에 대한 실험적 연구

김 철 수^*1)․배 철 용¹⁾․김 찬 중¹⁾․김 규 식¹⁾․손 태 관²⁾

자동차부품연구원 대구경북본부¹⁾․계명대학교 기계자동차과²⁾

Experimental Research on the Power Saving Effect Evaluation of a Variable Displacement Vane Pump for an Automatic Transmission

Chulsoo Kim^*1)․Chulyong Bae¹⁾․Chanjung Kim¹⁾․Kyusik Kim¹⁾․Taekwan Son²⁾

1)

Daegu-Gyeongbuk Division, Korea Automotive Technology Institute, 62 Seongseogongdan-ro 11-gil, Dalseo-gu, Daegu 704-948, Korea

2)

Department of Mechanical & Automotive Engineering, Keimyung University, Daegu 704-701, Korea (Received 26 November 2013 / Revised 29 April 2014 / Accepted 18 June 2014)

Abstract : A variable displacement vane pump is possible to improve the fuel economy by varying the pump capacity with a vane mechanism according to the engine operating speed range and reducing its driving torque. In general the experimental evaluation of the vane pump for the transmission has been performed mainly not with the vehicle or dynamometer test rig but with component test rig due to the implementation and safety problems. In this paper, in order to evaluate the performance of the developed vane pump as well as the compatibility with other rotary and hydraulic components of the target transmission, the transmission dynamometer based test rig is implemented where the developed pump is built into it and then the variable pump capacity and effect of power reduction are investigated experimentally.

Key words : Lubrication(윤활), Vane pump(베인 펌프), Variable displacement(가변용량), Automatic transmission (자동 변속기), Transmission dynamometer test(변속기 다이나모미터 평가), Discharge flow rate control(토출 유량 제어)

Nomenclature ¹⁾

I : moment of inertia of the outer ring, kgm

θ : angle of the outer ring with respect to the point

P, rad

D : damping coefficient of the used oil

F : resultant forces due to the inner pressure of the outer ring, N

L : each resultant force’s moment arm of the outer ring with respect to the pivot point P, m

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

Subscripts s : return spring

i, c : inner and control chambers of the outer ring, respectively

1. 서 론

자동차에서 자동변속기용 오일펌프는 엔진 회전 력을 활용하여 회전체의 체적변화에 따라 변속기 오일팬의 ATF(Auto Transmission Fluid)를 흡입하여 변속기 내의 윤활에 필요한 유량을 공급하면서, 변 속에 필요한 작동 유압을 유지시키는 역할을 한다.

실제적으로 자동차 연비와 자동변속기의 전달효율

김철수․배철용․김찬중․김규식․손태관

은 밀접한 관계가 있고, 자동변속기 전달 효율의 중 요한 파라미터인 손실 토크에서 오일펌프의 손실 토크는 매우 큰 비중을 차지한다.

자동변속기용 고정 용량 오일펌프는 요구 저속영 역에서 요구 유압을 만족하도록 펌프 용량이 고정 되기 때문에 고속 영역에서 과잉 펌프 토출 유량이 발생한다. 이는 오일펌프 구동 토크 증가와 윤활부 품 내구성 저하를 초래하고 있다. 이에 반하여 가변 용량형 펌프는 엔진 운전 영역에 따라 펌프 용량 가 변을 통해 고속 영역에서 오일펌프의 구동 토크 및 구동 파워 절감으로 연비 개선에 기여할 수 있다.

현재까지 고정 용량 오일펌프가 자동변속기에 주 로 적용되고 있으나, 최근에는 오일펌프의 고효율 화를 위하여 가변 용량 오일펌프가 활발하게 연구 되고 있다. 가변 용량을 구현하기 위한 방법으로는 다음과 같이 세 가지 기계적인 방법으로 연구가 진 행되고 있다. 첫 번째로, 내접 기어(Inner rotor)와 외 접 기어(Outer rotor)의 편심 거리를 조절하며, 오일 흡입량을 제어하는 IRP(Internal Regulating Pump)이 다.

두 번째로, 두 개의 축방향으로 독립적인 기어 열이 맞물려 회전하고, 축방향 쉬프트를 통하여 토 출 유량을 조절하는 EGRP(External Gear Regulated Pump)이다.

마지막으로, 슬라이딩 베인 기구를 이 용하여 펌프 내부의 캠링(Cam ring) 혹은 아우터링 (Outer ring)의 편심거리 조절을 통하여 토출 유량을 제어하는 SVVP(Sliding Vane Variable Pump)이다.

편심거리는 토출 유량 제어용 보조 챔버의 유압력 과 리턴 스프링의 복원력의 영향을 받는 캠링 혹은 아우터링의 편심에 의해 조절된다.

이 방법은 위 두 방법과 다르게, 토출 유량 제어용 보조 챔버가 펌 프 내부에 있고 외부 구동 기구가 필요하지 않기 때 문에, 기존 엔진 혹은 변속기에 쉽게 장착이 가능하 고, 가격 대비 성능이 우수한 장점이 있다.

자동변속기용 가변 용량 오일펌프를 실험적으로 평가하기 위해서는 크게 세 가지의 방법이 있다. 전 용 시험기를 활용한 대상 부품 평가, 변속기 다이나 모미터를 활용한 벤치시험 평가와 개발 대상 차량 에 장착하여 실차 상태에서 평가를 수행하는 방법 이 있다.

이 중 변속기 다이나모미터를 활용한 벤

치시험 방식은 개발 오일펌프가 적용 대상 변속기 에 장착되어 오일펌프 외에 주변의 회전 혹은 유압 기구들과의 호환성을 포함하여 성능을 평가할 수 있고, 실차 상태의 시험과 비슷한 조건에서 안전하 게 평가가 가능하다.

본 논문에서는 개발된 자동변속기용 SVVP 방식 의 가변 용량 베인 펌프의 성능 평가를 위하여, 단품 상태의 전용 시험기를 이용한 오일펌프 성능 평가 뿐만 아니라 다이나모미터를 이용한 대상 변속기 장착 상태 오일펌프 성능 시험을 통하여, 가변 용량 성능 및 개발된 오일펌프 구동 파워 절감 효과를 검 증하였다.

2. 개발 오일펌프의 성능 평가를 위한

2.1 개발 가변 용량형 베인 펌프

Fig. 1은 개발된 자동변속기용 SVVP 방식의 가변 용량 베인 펌프와 적용 대상 변속기를 보여준다. 대 상 변속기는 5,000cc급 GDi 가솔린 엔진에 장착되고 후륜구동 방식으로 자동 8단으로 변속된다. 일반적 으로, 엔진용 오일펌프에 비하여, 변속기용 오일펌 프는 고압의 작동 유압으로 인한 누유를 방지하기 위하여, Sealing land가 두 배 이상 크고, Clearance는 가능한 최소가 되도록 설계된다. 개발된 오일펌프 는 기존 양산 차량의 변속기에 기구적 변경 없이 장 착될 수 있도록 기존 오일펌프와 비교할 때 외형 및 체결 방법이 동일하게 설계되었다.

2.1.1 구조

Fig. 2는 개발된 가변 용량형 베인 펌프의 펌프 하 우징 어셈블리와 커버를 보여준다.

Table 1은 개발된 가변 용량형 베인 펌프 각 부분

명칭을 보여준다. 가변 용량 구현은 변속기 밸브 바

디의 리턴 오일이 ⑥가변 피드백 포트를 통하여 유

입되면, ⑫토출 유량 제어 챔버 내에서 형성된 유압

이 ②아우터링의 외접 면적에 작용하고, ④베인의

회전에 따른 펌핑 내압이 아우터링의 내접면적에

작용하고, ⑨리턴 스프링의 복원력에 의해 ⑬아우

터링 피봇점 P를 중심으로 ②아우터링의 회전에 따

라 편심거리의 조절로 이루어진다.

자동변속기용 가변 용량 베인 펌프의 파워 절감 효과 평가에 대한 실험적 연구

Fig. 1 Developed vane pump (upper) and target auto-trans- mission (lower)

Fig. 2 Pump housing assembly (Upper) and cover (Lower) of the developed variable displacement vane pump for the application to the automatic transmission

Table 1 Descriptions of the developed variable displacement vane pump

Descriptions Descriptions

① Pump housing ⑧ Inlet

② Outer ring ⑨ Return spring

③ Vain ring ⑩ Low pressure chamber

④ Vane ⑪ High pressure chamber

⑤ Rotor ⑫ Discharge flow rate control chamber

⑥ Variable feedback port ⑬ Outer ring pivot

⑦ Outlet

2.1.2 작동 원리

가변 용량형 베인 펌프의 용량 설계를 위해서 아 우터링의 회전 및 편심거리의 거동에 따른 운동방 정식 해석 과정이 필요하다. 아우터링에 대한 자유 물체도와 운동방정식은 Fig. 3과 식 (1)과 같이 나타 내진다. 아우터링에 작용하는 외력은 내접면적에 작용하는 펌핑 내압에 의한 작용력 

, 리턴 스프링 의 반력 

과 토출 유량 챔버 내에서 형성된 유압에 의한 작용력 

가 있다. 단, 각 마찰 부위의 마찰력 은 충분한 오일 공급에 의한 윤활이 된다고 가정하 고 무시할 수 있다.

 _

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

  _

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  

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 



 



(1)

오일의 온도, 점도, 유량 및 펌프의 회전속도에 따라 피봇점 P에서 F

와 F

및 외력의 모멘트 암인 L

와 L

가 변하기 때문에, 식 (1)에서 표현된 주요 파라미터 값을 예측하고 설계하기가 쉽지 않다.

일반적으로 수치해석적인 방법인 CFD tool을 이 용한 유동장 해석을 통한 설계 방법이 주로 사용 되고 있다.

Fig. 3 Free body diagram of the outer ring

Chulsoo Kim․Chulyong Bae․Chanjung Kim․Kyusik Kim․Taekwan Son

2.2 오일펌프 성능 시험 조건

대상 변속기의 변속에 필요한 작동 유압은 5.1, 5.5, 21.5, 16bar 등의 4가지 중에서 주행 중 필요한 작동 유압은 16bar이고 사용된 ATF는 변속기의 정 상상태에서 85°C의 온도를 유지하기 때문에, 개발 된 오일펌프의 성능 평가의 시험 조건은 오일 온도 85°C와 토출 유압 16bar로 설정했다.

2.2.1 단품 상태 시험 셋업 및 방법

Fig. 4는 자동변속기용으로 개발된 가변 용량형 베인 펌프의 단품 시험 셋업을 보여준다. 속도 제어 가 가능한 모터를 이용하여 펌프를 회전시킴에 따 라서, 오일은 흡입구를 통하여 펌프에 흡입되고, 토 출구로부터 토출되어, 토출 유압 제어 밸브와 오일 온도 제어기로 순차적으로 유입되어 다시 오일팬으 로 토출 및 복귀된다. 가변 용량 구현은 토출 유압 제어가 가능한 보조 펌프(Auxiliary pump)의 토출 오 일을 가변 피드백 포트(Variable feedback port)로 흡 입시켜 오일펌프 내의 아우터링의 편심에 의해 토 출 유량(Discharge flow rate) 제어를 통하여 이루어 진다.

펌프의 회전수를 500rpm부터 최대 4,000rpm까지 500rpm씩 단계적으로 증가 및 유지시킨 후, 펌프의 토출 유압은 16bar로 제어시키고, 토출 유량과 구동 토크(Driving torque) 측정을 통하여 구동 파워(Drive Power)를 검증하였다. 이 방법은 토출 유량 제어의 유무에 따라 각각 수행되었고, 그 결과 식 (2)와 같이

Fig. 4 Component experimental setup for the evaluation of the developed vane pump

토출 유량 제어를 하지 않을 경우의 구동 파워

(P

)와 토출 유량제어를 할 경우의 구동 파워

(P

)의 비교를 통하여 구동 파워 절감 효과를

검증하였다.

   

  

 

 

×  (2)

Fig. 5는 다이나모미터를 이용한 대상 변속기 장 착 상태 오일펌프 성능 시험 장치이다. 개발된 베인 펌프를 기존의 대상 변속기에 장착시키기 위해서 는, 펌프의 실장 후 변속기 하우징부터 Variable feedback port까지 삽관이 추가적으로 필요하다. 또 한 변속기 하우징의 추가적인 홀 가공 후 누유를 막 기 위해 관 삽입 후 정확한 실링 작업이 필요하다.

펌프의 토출 유량은 Outlet을 통하여 Valve body로 유입되고 Valve body 내의 다수의 VFS(Variable Force Solenoid)의 Regulation valve control에 의해 형 성된 특정 변속 작동 유압(Transmission operational pressure) 상태의 유량은 다시 변속기에 공급된다.

실제 차량에서는 TCU(Transmission Control Unit)가 직접 Valve body를 제어하는 역할을 하지만, 본 실험 에서는 시험의 편의를 위해, 총 10개의 VFS 독립적 인 전류제어가 가능하고, 대상 변속기의 통전맵에 따라서 총 10단까지 변속이 가능한 별도의 범용 Valve body controller가 사용되었다. 보조 오일펌프 및 밸브로 가변 피드백 포트의 압력 조절을 통하여 시험 펌프의 가변 용량을 구현하고 토출 유량을 조 절한다. 단품상태 시험과 동일하게 유량제어 성능 및 파워절감 효과 분석을 위하여, 오일 온도, 구동 토 크, 구동 회전수 및 토출 유량 및 유압을 측정하였다.

펌프의 회전수를 100rpm부터 최대 2,000rpm까지

100rpm씩 단계적으로 증가 및 유지시킨 후, 펌프의

토출 유압은 16bar로 제어시키고, 단품 상태 시험과

동일하게 토출 유량과 구동 토크 측정을 통하여 구

동 파워를 검증하였다. 이 방법은 단품 상태 시험과

동일하게 토출 유량 제어의 유무에 따라 각각 수행

되었고, 그 결과 토출 유량 제어를 하지 않을 경우의

구동 파워와 토출 유량제어를 할 경우의 구동 파워

의 비교를 통하여 구동 파워 절감 효과를 검증하였

다. 앞선 단품 상태의 오일펌프 성능 시험과 다르게

Experimental Research on the Power Saving Effect Evaluation of a Variable Displacement Vane Pump for an Automatic Transmission

Fig. 5 Performance test setup of the vane pump built in the target transmission using an dynamometer

2,000rpm 이하에서 시험을 수행하였으나, 2,000rpm 이하가 일반적인 차량의 주 운전 속도 영역이기 때 문에 좀 더 세밀하게 검토할 필요가 있었다.

3. 시험 결과

Fig. 6은 개발된 가변 용량형 베인 펌프의 와 단품 상태 성능 시험 결과를 보여준다. Fig. 6(a)와 같이 개발된 베인 펌프는 대상 변속기 사양에 따라 2,000rpm부터 36LPM(Liter Per Minute)으로 유량 제 어된다. Fig. 6(b)와 같이 유량제어가 시작되는 2,000rpm 이후부터는 구동 토크 절감 효과가 나타남 을 알 수 있다. Fig. 6(c)와 같이 계산된 구동 파워 및 파워 절감 효과는 4,000rpm에서 약 7%까지 증가됨 을 확인할 수 있다. 이 때 사용된 파워 절감효과 계 산식은 식 (2)와 같다.

(a) Discharge flow rate vs. Pump speed

(b) Driving torque vs. Pump speed

(c) Driving power and power saving effect vs. Pump speed

3.2 변속기 장착 상태 시험 결과

Fig. 7은 다이나모미터를 이용한 대상 변속기 장 착 상태 개발 베인 펌프 성능 시험 결과를 보여준다.

Fig. 7(a)와 같이 Valve body controller로 펌프의 토출

유압은 요구 작동 유압인 16bar로 제어됨을 확인할

수 있고, 여기에서 보조 펌프에 의해 가변 유량 포트

에 흡입되는 유량의 유압은 4.5bar로 제어됨을 확인

할 수 있다. Fig. 7(b)와 같이 보조 펌프를 이용하여

가변 용량 구현, 즉 토출 유량제어를 통하여 대상 변

속기의 요구 토출 유량인 1,200rpm 이후로 15LPM

김철수․배철용․김찬중․김규식․손태관

(a) Discharge and auxiliary pump pressures vs. Pump speed (b) Discharge flow rate vs. Pump speed

(c) Driving torque vs. Pump speed (d) Driving power and power saving effect vs. Pump speed

으로 제어됨을 확인할 수 있다. Fig. 7(c)와 같이 측 정된 구동 회전수와 구동 토크로부터 토출 유량 제 어 유무에 따른 각각의 펌프의 입력 파워가 계산된 다. Fig. 7(d)와 같이 유량 제어가 시작되는 1,200rpm 이후부터 2,000rpm까지 파워절감 효과는 약 4.3%까 지 증가되는 경향을 확인할 수 있다.

또한 실차 상태에 준하는 변속기 장착 상태에서 정상적인 시험 결과는 가변 용량형 베인 펌프의 다 이나모 평가 시스템 구성을 통한 성능 검증뿐만 아 니라, 변속기 내의 여러 회전 및 유압 부품간의 호환 성의 검증에 큰 의미가 있다고 사료된다.

4. 결 론

개발된 8속 자동변속기용 가변 용량 베인펌프의 성능 평가를 위하여, 단품 상태의 전용 시험기를 이 용한 오일펌프 성능평가와 다이나모미터를 이용한 대상 변속기 장착 상태 오일펌프 성능 평가를 통하 여, 단품 상태뿐만 아니라 실차 상태에 준하는 변속

기 장착 상태에서 구동 파워 절감 효과를 검증했다.

1) 단품 상태 전용 시험기를 이용한 개발된 오일펌 프 성능평가를 통하여, 펌프의 구동 회전수가 증 가할수록 4,000rpm에서 약 7%까지 구동 파워를 절감할 수 있다는 것을 확인했다.

2) 다이나모미터를 이용한 대상 변속기 장착 상태 오일펌프 성능 평가를 통하여, 변속기의 주 운전 구간인 2,000rpm 이하에서 최대 4.3%의 파워 절 감 효과 있음을 확인했다. 또한 실차 상태에 준하 는 변속기 장착 상태에서 시험 수행을 통하여 개 발된 오일펌프는 변속기 내의 다른 회전 혹은 유 압 부품과 이상 없이 호환됨을 확인했다.

3) 본 연구에서, 비록 다이나모미터를 이용한 대상

변속기 장착 상태 오일펌프 성능 평가는 개발품

의 가변 용량 구현, 즉 토출 유량 제어 유무에 대

한 파워 절감 효과만을 확인했으나, 기존에 단품

상태의 벤치 시험 방식의 제한적인 시험 방법의

한계를 극복하고, 실차 상태에 준하는 변속기 장

자동변속기용 가변 용량 베인 펌프의 파워 절감 효과 평가에 대한 실험적 연구

착 상태에서 정상적인 시험 결과는 변속기 내의 여러 회전 및 유압 부품간의 호환성의 검증에 큰 의미가 있다고 사료된다.

4) 향후 2,000rpm 이상에서 다이나모미터를 이용한 대상 변속기 장착 상태의 개발 베인 펌프 성능 평 가를 통하여 단품 상태의 전용 시험기를 이용한 평가 결과와 상호 비교가 가능할 것이다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부에서 주관하는 “글로 벌 해외 연계가 가능한 전기동력차량 1.2kV급 소비 전력 10%이상 저감 전력저감형 인버터 핵심부품 개 발(과제번호: 10042566)” 사업의 지원 하에 수행되 었습니다.

References

1) W. Sung and J. Oh, “Improvement of the Line Pressure Drop of Automatic Transmission at High ATF Temperature and Low Engine Speed Condition through Performance Improvement of the Oil Pump,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.618-622, 2005.

2) S. Loganathan, S. Govindarajan, J. Suresh Kumar, K. Vijayakumar and K. Srinivasan,

“Design and Development of Van Type Variable

Flow Oil Pump for Automotive Application,”

SAE 2011-28-0102, 2011.

3) H. Neukirchner, M. Kramer and T. Ohnesorge,

“The Controlled Vane-type Oil Pump for Oil Supply on Demand for Passenger Car Engines,”

SAE 2002-01-1319, 2002.

4) D. Staley, B. Pryor and K. Gilgenbach, “Adap- tation of a Variable Displacement Vane Pump to Engine Lube Oil Application,” SAE 2007- 01-1567, 2007.

5) T. Kim and K. Moon, “Numerical Approaches of a Variable Displacement Vane Pump to Improve Fuel Economy,” KSAE Spring Con- ference Proceedings, pp.463-471, 2013.

6) C. Kim, H. Ju, D. Lee, B. Lee and C. Bae,

“Experimental Estimation of a Variable Oil Pump Using an Engine Dynamometer,” KSNVE Spring Conference Proceedings, pp.379-380, 2011.

7) S. Manco, N. Nervegna, M. Rundo and G.

Armenio, “Displacement vs Flow Control in IC Engines Lubricating Pump,” SAE 2004-01-1602, 2004.

8) Y. Inaguma and N. Yoshida, “Mathematical Analysis of Influence of Oil Temperature on Efficiencies in Hydraulic Pumps for Automatic Transmissions,” SAE 2013-01-0820, 2013.