High Efficiency Clutch Design with Power Piston Module

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드라이브 · 컨트롤 2015. 12

83 파워 피스톤 모듈을 이용한 고효율 클러치 설계

High Efficiency Clutch Design with Power Piston Module

최해규 · 박동훈

Hae Kyu Choi and Dong Hoon Park

1. 서 론

자동변속기에서 클러치는 기어변속과 전 · 후진 전 환을 수행하는 매우 중요한 요소이다. 클러치의 기본 적인 기능은 변속기어에 엔진의 토크를 전달하는 것 이지만 클러치의 동기화 과정에서 슬립에 의해 발생 되는 열을 흡수하기 위한 충분한 열용량도 가지고 있어야 한다. 습식다판 클러치에서는 디스크 팩의 열 을 소산시키고 마찰면의 온도를 낮추기 위해 냉각오 일이 공급되는데, 클러치가 작동하지 않을 때 냉각오 일의 점성에 의해 드래그 토크가 발생하고 이로 인 해 변속기 효율은 저하된다.

클러치의 작동유압은 오일펌프에서 생성되는데, 고단화 변속기가 출현하면서 클러치 작동유압이 상 승하여 오일펌프에서의 동력손실도 비례하여 커지게 되었다. 변속기의 효율을 증가시키기 위해서는 드래 그 손실을 줄이고 오일펌프에서의 동력손실도 감소 시킬 필요가 있으나 기존의 클러치 구조나 설계방법 으로는 한계가 있다^1-2).

본 논문에서는 제한된 클러치 패키징 공간에서 토 크 및 열용량을 증가시킴과 동시에 드래그 손실 및 오일펌프의 동력손실을 최소화 할 수 있는 파워 피 스톤 모듈에 대해 소개한다.

2. 파워 피스톤 모듈 2.1 파워 피스톤 모듈의 구조

Fig. 2.1과 같이 파워 피스톤은 두 개의 피스톤을 축 방향으로 결합하여 하나의 모듈로 만든 제품이다.

또한 기존에 피스톤과 별도로 설치되는 리턴 스프링 과 발란스 댐이 파워 피스톤 모듈 안에 구비된다. 파 워 피스톤 모듈은 피스톤과 관련된 모든 부품을 하 나로 결합한 제품으로 약간의 설계변경 만으로 기존 의 피스톤 설치 공간에 장착되어 피스톤 면적증가의 효과를 얻을 수 있다.

Fig. 2.2는 파워 피스톤 모듈의 작동원리를 나타낸 다. 클러치 실린더에 작동유압이 공급되면 제1피스톤 챔버와 제2피스톤 챔버에 동시에 유압이 작용한다.

Fig. 2.1 Structure of power piston module

이 작동유압에 의해 피스톤의 축 방향 힘이 발생되 고 디스크 팩을 가압하게 된다. 제1피스톤과 제2피스 톤은 하나로 결합되어 있으므로 마치 하나의 피스톤 처럼 작동한다. 이때 피스톤에 작용하는 하중은 제1 피스톤 면적과 제2피스톤 면적에 비례하므로 피스톤 의 가압력은 증가하게 된다.

작동유압이 해제되면 제1피스톤과 허브 사이에 설 치된 리턴 스프링에 의해 피스톤이 원래의 위치로 되돌려진다. 한편 허브와 제1피스톤 사이에 구비된 공간에 윤활유로를 연결해주면 발란스 챔버의 기능

Fig. 2.2 Operation of power piston module

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Specifications Advanced design (1) Dimensions B 59.0 mm

D Ø 122.5 mm Torque capacity 799.5 N-m (35.7%↑) Heat sink mass 143.67 cm³(45.3%↑)

Piston pressure 1.60 MPa (0 %) Drag torque@1000rpm 0.38 N-m (15.6%↓)

Piston area 120.73 cm³ Unit pressure 2.85 MPa No. of friction facing 10 을 수행하게 되어 리턴 스프링의 설계 하중을 경감

시켜준다. 즉, 별도의 발란스 댐을 설치하지 않고도 발란스 챔버의 효과를 얻을 수 있게 된다.

2.2 파워 피스톤 모듈의 적용 예

파워 피스톤 모듈을 트랙터 변속기의 파워 셔틀 클러치나 파워 쉬프트 클러치에 적용하면 클러치의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다. Fig. 2.3은 기 존의 셔틀 클러치에 파워 피스톤 모듈을 적용한 예 를 나타낸다. 그림의 좌측은 기존 클러치 사양이며, 우측은 파워 피스톤이 적용된 모습이다. 그림에서와 같이 파워 피스톤 모듈은 기존의 피스톤 설치 공간 을 그대로 사용하였으며, 리턴 스프링이 피스톤 모듈 내에 삽입되었으므로 기존의 리턴 스프링 공간을 활 용하였다. Table 2.1은 기존의 클러치 사양의 특성을 나타낸다.

Fig. 2.3 Application of power piston module for shuttle clutch

Table 2.1 Conventional clutch design

Specifications Conventional design Dimensions A 59.0 mm

C Ø 122.5 mm Torque capacity 589.2 N-m Heat sink mass 98.86 cm³ Piston pressure 1.60 MPa Drag torque@1000rpm 0.45 N-m Piston area 72.74 cm³ Unit pressure 2.13 MPa No. of friction facing 12

파워 피스톤은 다양한 목적으로 사용될 수 있는데 본 논문에서는 세 가지의 경우에 대해서 설명한다.

첫 번째 경우는 기존과 동일한 작동유압을 사용하 여 피스톤의 가압력을 증가시킨 경우로써 Table 2.2 에 그 결과를 나타내었다. 파워 피스톤의 증가된 가 압력에 의해 마찰 디스크의 마찰면 수를 12면에서 10면으로 줄여도 토크 용량은 약 36%가 증가하는 것 을 알 수 있다. 또한 Heat sink mass는 약 45% 증가 되며, 드래그 손실은 약 16% 감소된다.

Table 2.2 Clutch design with power piston (1)

두 번째 경우는 토크 용량을 동일하게 유지하면서 작동 유압을 낮춘 경우로서, Table 2.3에 특성을 나타 내었다. 그 결과로 유압을 약 24%정도 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 오일펌프의 용량을 감소시킬 수 있고, 변속기의 효율 증가에 기여할 수 있다. 이 경 우에도 Heat sink mass는 약 45% 증가하고, 드래그 손실은 약 16% 감소된다.

Table 2.3 Clutch design with power piston (2) Specifications Advanced design (2)

Dimensions B 59.0 mm D Ø 122.5 mm Torque capacity 589.2 N-m (0%) Heat sink mass 143.67 cm³(45.3%↑)

Piston pressure 1.22 MPa (23.8%↓) Drag torque@1000rpm 0.38 N-m (15.6%↓)

Piston area 120.73 cm³ Unit pressure 2.10 MPa No. of friction facing 10

한편, 파워 피스톤을 사용함으로써 클러치의 사이 즈를 줄일 수 있는데, 세 번째 경우는 마찰 디스크의

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마찰면을 12면에서 8면으로 줄이면서 클러치의 전장 을 단축시킨 경우이다. Table 2.4와 같이 전장이 약 9% 단축되는 동시에, 마찰면 감소에 의한 드래그 토 크는 약 33% 감소하며, 토크 용량과 Heat sink mass 는 각각 약 9%, 16%씩 증가한다.

Table 2.4 Clutch design with power piston (3) Specifications Advanced design (3)

Dimensions B 53.1 mm (9%↓) D Ø 122.5 mm Torque capacity 639.6 N-m (8.6%↑) Heat sink mass 114.94 cm³(16.3%↑)

Piston pressure 1.60 MPa (0%) Drag torque@1000rpm 0.30 N-m (33.3%↓)

Piston area 120.73 cm³ Unit pressure 2.10 MPa No. of friction facing 10

Fig. 2.4는 파워 피스톤 모듈이 적용된 셔틀 클러치 를 보여준다. 그림에서 보는 바와 같이 파워 피스톤 모듈을 적용함으로써 드래그 토크를 저감시키기 위 한 세퍼레이팅 스프링의 장착도 가능해진다.

Fig. 2.4 Advance shuttle clutch with power piston

이와 같이 파워 피스톤 모듈은 설계 목적에 따라 다양하게 사용될 수 있는데, 이것은 설계자에게 고성 능, 고효율의 클러치를 설계할 수 있는 매우 유용한 수단을 제공한다.

3. 파워 피스톤 응답 시간

파워 피스톤 모듈이 적용된 클러치의 응답성을 확 인하기 위하여 종래의 피스톤과 파워 피스톤을 실험 하였으며, 실험 조건은 양 피스톤 모두 1.6 MPa의 작

동 유압을 동일하게 공급하는 방식으로 진행하였다.

Fig. 3.1은 실험 결과의 그래프이다. 그래프에서 실 선은 압력을, 점선은 피스톤의 하중을 나타내며, 파 란색 선은 기존의 피스톤, 빨간색 선은 파워 피스톤 의 특성을 나타낸다.

파워 피스톤이 적용된 클러치는 마찰 디스크의 수 를 감소시킬 수 있기 때문에 피스톤의 스트로크를 기존의 2.4 mm에서 1.5 mm까지 줄일 수 있었다.

실험 결과 파워 피스톤이 적용된 경우의 응답 시 간이 약 10 ms정도 빠른 것으로 나타났다. 기존 피스 톤의 압력 그래프에서 약 1 MPa 이후 처짐 현상이 발생하는 이유는 피스톤이 이동하는 동안 압력의 상 승이 지연되기 때문이다. 또한 파워 피스톤의 가압력 이 기존의 피스톤 보다 현저하게 증가한 모습을 볼 수 있다.

Fig. 3.1 Comparison of piston response time and operating load

한편 피스톤의 스트로크가 큰 경우 약간의 지연현 상이 나타날 수 있는데, 이 경우에는 클러치의 압력 제어 프로파일을 변경함으로써 보완할 수 있다. Fig.

3.2는 클러치의 압력 프로파일을 제어하기 위해서

Fig. 3.2 Modification of clutch pressure profile

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PWM 솔레노이드 밸브에 인가되는 전류를 나타내며, 전류가 약 0.6 A에 도달되는 포인트의 시간을 단계 적으로 0.1초씩 변경하여 총 5가지 경우를 비교한 것 이다.

Fig. 3.3은 클러치 압력 제어 프로파일 수정 실험을 수행한 후 압력의 결과를 보여준다. 그림과 같이 압 력 제어 프로파일을 수정함으로써 파워 피스톤의 응 답성을 개선하거나 더 빠르게도 할 수 있는 것으로 나타났다.

Fig. 3.3 Improvement of power piston responsiveness

4. 결 론

파워 피스톤 모듈은 설계자에게 고성능, 고효율의 클러치를 설계할 수 있는 유용한 솔루션을 제공한다.

파워 피스톤 모듈을 적용한 클러치의 특성을 분석한 결과는 다음과 같다.

1. 파워 피스톤 모듈을 사용하면 상승된 피스톤 하 중과 비례하게 마찰 디스크의 수를 줄일 수 있으므 로 자동적으로 드래그 손실을 줄일 수 있다. 또한 줄 어든 마찰 디스크의 수만큼 클러치의 전장을 단축시 키는 효과를 얻을 수 있다. 한편 디스크의 수를 줄이 는 대신 디스크의 크기를 감소시킬 수 있어 변속기 의 소형 경량화를 가능하게 한다.

2. 동일한 토크용량이 요구되는 경우 피스톤 작동 유압을 낮출 수 있으므로 오일펌프의 크기와 동력 손실을 줄일 수 있다. 특히 고 유압 시스템의 변속기 에 효과적일 것으로 판단된다.

3. 마찰 디스크의 수를 줄이면서 스틸 플레이트의 두께를 증가시켜 열용량을 증가시킬 수 있다. 또한

리턴 스프링이 피스톤 모듈 내에 설치되므로 기존의 리턴 스프링 공간을 활용할 수 있으므로 열용량 증 대에 효과적이다.

4. 파워 피스톤을 사용하면 마찰 디스크의 수가 줄 어들어 피스톤의 스트로크가 감소하므로 클러치의 응답성이 향상될 수 있다. 또한 피스톤의 스트로크가 큰 경우에는 유압 프로파일의 수정을 통해 응답성을 향상시킬 수 있다.

5. 리턴 스프링을 포함한 모든 부품이 하나의 모듈 로 미리 조립되어 공급되므로 클러치의 조립시간이 단축되며, 리턴 스프링을 가압하기 위한 공정이 변속 기 조립라인에서 삭제될 수 있다. 결과적으로 변속기 의 조립 시간도 단축시키는 효과가 있다.

참고 문헌

1) 박동훈, “두 개 이상의 피스톤이 구비된 동력전달 장치”, 특허출원번호10-2015-0113997, 2015.

2) D. H. Park, “Power transmission device provided with more than two piston and method of determining return spring force in the same”, US Patent Application No. 14/450460, 2014.

[저자 소개]

최해규

E-mail : [email protected] Tel : 031-888-5131

2013년 공주대학교 기계공학과 석사 졸 업. 2013년～현재 씨스톤 테크놀로지스 연구원.

박동훈 (책임저자)

E-mail : [email protected] Tel : 031-888-5132

1982년 한국항공대학교 기계과졸업. 1984 년 한국항공대학교 대학원 항공공학과 졸업, 2004년 경희대학교 기계공학과 박 사과정 졸업.

1985～1997년 현대자동차. 1999～2008년 MUBEA Korea 대 표이사. 2008～현재 씨스톤 테크놀로지스 대표