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Introduction / Research Background. Wheel Loader Transmission. Shift Control Algorithm. MSC.EASY5 Modeling / Simulation Result. Experimental / Experimental Result. Conclusion. Contents. Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

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Presentation Transcript

  1. Introduction / Research Background Wheel Loader Transmission Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling / Simulation Result Experimental / Experimental Result Conclusion Contents Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. 1 2 3 4 5 6

  2. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Introduction – Construction Machine Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. Fork Lift Truck Wheel Loader Crain Excavator Dozer Roller www.kocema.org

  3. Research Background Wheel Loader AT Spec. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion 자동변속기 비교 기술 개발 필요성 Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. - 일반 승용차용 자동변속기는 클러치 및 브레이크가 유성기어의 선기어, 캐리어, 링기어와 연결되어 변속비를 구현 - 휠로더용 자동변속기는 기어트레인과 클러치팩으로 구성되어 있으며, 각 단의 클러치가 작동하여 변속비를 구현 • - 국내 개발수준 미흡으로 전량 수입에 의존 • - 최근 건설기계 국제경쟁력 향상을 위한 국산화 개발 연구가 • 수행되고 있음. • 환경관련 규제강화로 저소음, 저진동, 고효율 장비개발 • 위한 핵심부품 신기술 개발 필요 • 선진 제품 및 중국 업체와 기술력 차별화를 위한 첨단 • 제품 설계 및 생산 기술 확보 필요 - Vehicle Power : 260 Kw (350 hp) - Max Input Torque : 2,500 N.m - Max. Input Speed: 2,500 rpm - Shift Type : Forward 4 stage, Reverse3 stage Transmission

  4. Research Substance Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 휠로더의 자동변속기와 변속제어알고리즘 (TCU)를 포함한 파워트레인 시스템 해석 • 휠로더 자동변속기의 유압시스템을 시험장비로 구축하여 시뮬레이션에 적용시킴으로써 차량 모델링을 실차의 특성에 맞게 구현 • 차량 성능과 승차감에 큰 영향을 미치는 변속 클러치 압력 프로파일을 실험을 통해 변경시키고, 시뮬레이션에 적용시키면서 차량 성능과 효율을 향상시킬 수 있도록 해석 • 차량 저크 (Vehicle Jerk)는 가속도의 변화량으로써, 저크가 높다는 것은 그만큼 변속기 입출력 토크의 변화가 큰 것을 의미하므로 차량의 저크가 작을수록 안정적인 변속과 좋은 승차감을 의미함 • 차량 저크 (Vehicle Jerk)와 변속기 입출력 토크의 값을 시뮬레이션 결과를 통해 분석하여, 안정적인 변속과 좋은 승차감의 클러치 작동 압력 궤적을 구현

  5. Wheel Loader Transmission IN K4 KR Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion KV K2 K3 K1 OUT Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. < Clutch Engagement in AT > < Geartrain 3D Modeling > • 카운터 샤프트 (Counter Shaft) 방식 - 상시 맞물려 회전하는 기어에 의해 동력 전달 • 클러치 대 클러치 변속 (Clutch-to-Clutch Shift) - 작동과 해제되는 클러치 압력을 제어하여 변속 • Helical Gear : 15 ea • Wet Clutch Pack : 6 ea

  6. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Wheel Loader Transmission (cont.) Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. 클러치 토크 용량 클러치팩에 작용하는 하중 < Wet Multi Disc Clutch Pack > < 클러치 전달 토크 용량 > 피스톤에 작용하는 하중 디스크의 유효 반경

  7. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Shift Control Algorithm Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 일반 승용차용 변속맵은 스로틀개도와 출력속도에 의해 변속 시점이 결정됨. • 휠로더의 변속맵은 변속기 입력 토크와 변속기 출력 속도에 의해 변속 시점이 결정됨. • 자동변속기 내부의 4개의 회전축(엔진축, 터빈축, 내부기어축, 출력축)에 장착된 속도센서의 출력신호로부터 속도를 연산하여 변속제어에 이용 • Ne-Nt vs No에 대한 변속맵은 선진제품 변속기에 장착된 TCU에서 얻었으며, 속도에 대한 변속맵을 토크에 대한 변속맵으로 변환하여 TCU에 적용해야 함. < Wheel Loader Shift Map > < Wheel Loader Shift Map >

  8. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion MSC.EASY5 Modeling – Shift Control Algorithm Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • Known : TM Output RPM, TM Speed Ratio, Engine Speed – Turbine speed(=TM Input RPM), TC Torque Ratio, Engine performance Curve • Unknown : Engine Speed, TM Input RPM, TM Input Torque TM Output RPM Engine Map Engine Speed – TM Input RPM Gear Ratio TC Input Torque TM Input RPM TC Torque Ratio Engine Speed TM Input Torque TC Speed Ratio (TM Input RPM / Engine Speed) Interpolation TM Input Torque vs TM Otput RPM Shift Map

  9. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion MSC.EASY5 Modeling – TM_Forward Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. Forward 1 Forward 2 Forward 3 Forward 4 In/Out

  10. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion MSC.EASY5 Modeling – TM (cont.)_Reverse Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. Reverse 1 Reverse 2 Reverse 3 In/Out

  11. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion MSC.EASY5 Modeling – Shift Control Algorithm Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 각각의 속도 센서에서 속도 신호를 피드백 받아 토크 vs 변속기 출력 속도로 이루어진 변속맵에 의해 변속이 이루어지도록 속도를 토크로 변환하는 로직 구현

  12. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion MSC.EASY5 Modeling – Vehicle Modeling Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. Transmission Shift Control Algorithm • 엔진에서부터 자동변속기와 변속제어알고리즘(TCU)를 포함한 휠로더 파워트레인 모델링함.

  13. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion MSC.EASY5 Modeling – Vehicle Modeling Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. Engine Speed / Torque Transmission Speed / Torque Wheel loader Speed

  14. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion MSC.EASY5 Modeling – Vehicle Modeling Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. MCS.EASY5

  15. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Test Video Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm.

  16. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Experimental Equipment Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 파워팩은 모터, 펌프, 탱크로 구성되어 있으며, 펌프에 릴리프 밸브가 장착되어 압력을 수동으로 조절할 수 있음. • 펌프는 가변 유량형 펌프이며 정격출력은 3.7kW이고 , 40LPM@1,720rpm의 유량을 배출 [ 유압회로도 ] [ 실험장비 ] [ 실험 프로그램]

  17. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Experimental Result Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 밸브의 듀티 궤적에 대한 최적화된 압력 프로파일을 계산하는 기술은 매우 중요하며 어려운 단계이므로 실험과 시뮬레이션 해석을 통해 압력 프로파일을 분석하는 방법으로 실험을 진앵함. • 최적화된 듀티 궤적에 대한 압력 프로파일을 얻기 위해 듀티 궤적을 변경시키면서 각각의 압력 프로파일을 얻음. [ Case 1 ] [ Case 2 ] [ Case 3 ]

  18. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Simulation Result about Case 1 Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 변속시 차량 속도가 1 MPH 정도 감소함을 볼 수 있음. • 최대 차량 Jerk : 17.5 m/s3 • 1->2단 변속시 Jerk : 17.5 • 1단에서 2단 변속시 TM의 Output Torque의 변화가 크므로, 차량 Jerk가 높게 나타남. • 좋은 변속 성능 아님. • S사 A 모델 Jerk : 7.0 m/s3 • H사 S 모델 Jerk : 6.5 m/s3 • 지하철 : 1.5 이하 m/s3 • KTX : 0.7 이하 m/s3

  19. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Simulation Result about Case 2 Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 변속시 차량 속도가 0.5 MPH 정도 감소함을 볼 수 있음. • 최대 차량 Jerk : 22.3 m/s3 • 1->2단 변속시 Jerk : 22.3 • 1단에서 2단 변속시 TM Input Torque의 변화가 큼 • 좋은 변속 성능 아님.

  20. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Simulation Result about Case 3 Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 대체적으로 원활한 변속 • 최대 차량 Jerk : 13.4 m/s3 • 1->2단 변속시 Jerk : 11.4 • 다른 Case에 비해 Jerk가 상대적으로 낮고, TM Input Torque의 변화 또한 낮게 나타남. • 좋은 변속 성능

  21. 본 연구에서는 휠로더의 엔진에서부터 자동변속기를 포함한 파워트레인 시스템을 모델링하였고, 변속제어 알고리즘(TCU)을 적용한 차량 해석 연구를 수행함. 유압시스템을 시험장비로 구축하여 실험을 통해 얻은 데이터를 이용함으로써 실차의 특성을 적용한 모델링을 구현하였으며, 다음과 같은 결론을 얻음. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Experimental Simulation Result Conclusion Conclusion Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. • 휠로더의 차량모델과 자동변속기, 변속제어알고리즘의 해석을 위한 모델링을 상용 소프트웨어인 • MSC.EASY5를 이용한 동적 모델을 제시 • 2. 변속 클러치에 작용하는 압력 프로파일을 변경시킴으로써 전체 차량의 변속 성능과 효율이 • 변화되는 것을 확인. • 3. 본 연구의 모델링을 이용하여 자동변속기 외에 엔진, TC, TCU 등의 해석에 응용할 수 있으며, • 휠로더 차량의 성능 향상을 위한 단위부품 해석도 가능함. • 4. 안정적인 변속과 변속 효율을 높이기 위해 압력 프로파일 뿐만이 아니라, 변속맵 또한 Engine, • TC, Output Speed의 성능을 조합하여, 적절한 변속맵 (Shit Map)을 TCU에 적용시켜야 함. • 5. 최적화된 클러치의 압력 프로파일을 구현하기 위해 많은 실험을 통해 해석 결과에 대한 분석이 • 필요하며, 차량속도, 변속기 입출력 토크, 차량 저크 등의 특성을 확인하여 변속품질과 차량 성능 • 향상에 필요한 압력 프로파일의 분석이 요구됨.

  22. Introduction Research Background Wheel Loader TM Shift Control Algorithm MSC.EASY5 Modeling Simulation Result Conclusion Reference Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm. [1] 현대자동차, “자동변속기 설계 이론”, 현대자동차, 1995 [2] 현대중공업, “휠로더 자동변속기의 지능제어 시스템 개발”, 현대중공업, 1998 [3] 박문식, 이건상, 주석재, “컴퓨터통합 기계설계”, 인터비젼, 2002 [4] 오주영, “지게차 클러치 직접제어 방식 자동변속기의 유압 시스템 모델링 및 해석에 관한 연구”, 한양대학교 대학원 석사학위논문, 2006 [5] 박경석, 이종화, 박진일, “스로틀 전자제어 방식 M/T차량의 가/감속시 운전성 향상에 관한 연구”, 한국자동차공학회 논문집 제 14권 제 2호, pp.151-157, 2006 [6] 정규홍, 신상호, 이승일, 김형준, “휠로더 자동변속기용 TCU 성능분석기 개발”, 한국자동차공학회 추계학술대회 논문집, pp.1405-1410, 2006 [7] 허재웅, 이교일, 정규홍, 김관수, “건설차량용 자동변속기의 변속제어기 설계”, 한국자동차공학회 춘계학술대회 논문집, pp.945-950, 2002 [8] 조현덕, “4륜 구동 및 4방식 조향장치를 적용한 로더 개발”, 한국기계가공학회지 제 3권 제 3호, pp.71-78, 2004 [9] MSC.EASY5, “MSC.EASY5TM 2005 User Guide", MSC.Software, 2005 [10] Darle W. Dudley, “Hanbook of Pratical Gear Design", McGraw-Hill Book Company, 1983 [11] 고현배, 박광암, 손길상, 이재경 “新 건설기계공학”, 골든벨, 2005 [12] 윤웅권, 이근호, 김도식, 이준혁, 정규홍, 송창섭, “휠로더 자동변속기 변속제어 알고리즘 모델링 및 해석”, 한국정밀공학회 춘계학술대회논문집, pp.131-132, 2007 [13] 윤웅권, 이근호, 정규홍, 송창섭, “변속제어 알고리즘을 적용한 휠로더 자동변속기의 모델링 및 해석”, 유공압시스템학회 춘계학술대회논문집, pp131-135, 2007 [14] 윤웅권, 이근호, 정규홍, 송창섭, “휠로더의 자동변속 파워트레인 시스템 해석”, 유공압시스템학회 추계학술대회논문집, pp.158-164, 2007

  23. Thank you for your attention! 윤 웅 권 한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부 구조연구팀 042-868-7978 010-9418-9411 yunever@kimm.re.kr, yunever@paran.com

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