변속제어 알고리즘을 적용한

휠로더 파워트레인 시스템 해석

윤 웅 권

Analysis of the Wheel Loader PowertrainSystem Applied by Shift Control Algorithm

2

Wheel Loader Transmission

ContentsAnalysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm.

Introduction / Research Background


Shift Control Algorithm

MSC.EASY5 Modeling / Simulation Result

Conclusion

1

2

3

5

6

Experimental / Experimental Result4

3

Wheel Loader

Introduction – Construction Machine

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion

Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm.

Fork Lift Truck Wheel Loader

Excavator Dozer

Crain

Roller

www.kocema.org

4

Research Background

- 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

- Vehicle Power : 260 Kw (350 hp)

- Max Input Torque : 2,500 N.m

- Max. Input Speed : 2,500 rpm

- Shift Type : Forward 4 stage, Reverse 3

stage

- 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

자동변속기 비교기술 개발 필요성

Wheel Loader AT Spec.

Transmission

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion

Wheel Loader Analysis of the Wheel Loader Powertrain System Applied by Shift Control Algorithm.

5

Research Substance

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion

Wheel Loader

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


6


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

< Clutch Engagement in AT >

K1

IN

K3

K2

K4 KR

KV

OUT

< Geartrain 3D Modeling >

IN

K4

KR

KV

K2

K1

K3

out

E

ZOUT

ZK3_OUT_C

ZK1_OUTZK1_IN_C

ZKV_OUT_2

ZK4_OUT

ZKR_OUT

ZKV_OUT_1

ZK2_IN_C

ZK2_OUT

ZKV_IN_C

ZKR_IN_C

ZIN

ZK4_IN_C

ZK3_IN

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion

Wheel Loader

Helical Gear : 15 ea Wet Clutch Pack : 6 ea


KV KR K4 K1 K2 K3N - - - - - -

F

1 ○ ○2 ○ ○3 ○ ○4 ○ ○

R1 ○ ○2 ○ ○3 ○ ○

7

Wheel Loader Transmission (cont.)

C n mT F n R 클러치 토크 용량

n P SF F F

클러치팩에 작용하는 하중

2 2( )P OP IP LF R R P

피스톤에 작용하는 하중

3 3

2 2

2 ( )3 ( )

O Im

O I

R RRR R

디스크의 유효 반경

< 클러치 전달 토크 용량 >

< Wet Multi Disc Clutch Pack >

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


Theoretical Result[N.m]

Simulated Result[N.m]

KV4268.47 ~ 4919.31 4300.59KR

K1K2 2561.47 ~

2951.15 2673.48K3

K4 1922.25 ~ 2295.59 2079.3

8


일반 승용차용 변속맵은 스로틀개도와 출력속도에 의해 변속 시점이 결정됨 . 휠로더의 변속맵은 변속기 입력 토크와 변속기 출력 속도에 의해 변속 시점이 결정됨 . 자동변속기 내부의 4 개의 회전축 ( 엔진축 , 터빈축 , 내부기어축 , 출력축 ) 에 장착된 속도센서의

출력신호로부터 속도를

연산하여 변속제어에 이용

Ne-Nt vs No 에 대한 변속맵은 선진제품 변속기에 장착된 TCU 에서 얻었으며 , 속도에 대한 변속맵을

토크에 대한

변속맵으로 변환하여 TCU 에 적용해야 함 .

< Wheel Loader Shift Map >

< Wheel Loader Shift Map >

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


9

MSC.EASY5 Modeling – Shift Control Algorithm

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion

Wheel Loader 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

Gear Ratio

TM Input RPM

Engine Speed – TM Input RPM

Engine Speed

TC Speed Ratio(TM Input RPM / Engine Speed)

TC Input Torque

TC Torque Ratio

TM Input Torque

TM Input Torque vs TM Otput RPMShift Map

Interpolation

Engine Map


10

MSC.EASY5 Modeling – TM_Forward

KR

K4

K3

K2

K1

KV

Input Shaft IN[Z10] K4 ShaftK4_1 [Z14]

KR_1 [Z15]

KV_1 [Z9]

K2_1 [Z11]

K1_1 [Z3]

K3_1 [Z2] Output [Z1] Output ShaftK3_2 [Z13]

K1_2 [Z4]

K2_2 [Z12]

KV_2 [Z8]

KV_3 [Z5]

KR_2 [Z7]

K4_2 [Z6]

Transmission OilProperties

KV Shaft

KR Shaft

KV Shaft

K1 Shaft

K3 Shaft

K2 Shaft

DF2

Wet Clutch Pack

KR

FO

Wet Clutch Pack

K4 FO

Wet Clutch Pack

Wet Clutch Pack

Wet Clutch Pack

Wet Clutch Pack

TC

K2

FO

K3

FO

KV

FO

K1

FO

NtNt

NoNo

Wheel LoaderTransmission

Forward 1

Forward 2

Forward 3

Forward 4

In/Out

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


11

MSC.EASY5 Modeling – TM (cont.)_Reverse

KR

K4

K3

K2

K1

KV

Input Shaft IN[Z10] K4 ShaftK4_1 [Z14]

KR_1 [Z15]

KV_1 [Z9]

K2_1 [Z11]

K1_1 [Z3]

K3_1 [Z2] Output [Z1] Output ShaftK3_2 [Z13]

K1_2 [Z4]

K2_2 [Z12]

KV_2 [Z8]

KV_3 [Z5]

KR_2 [Z7]

K4_2 [Z6]

Transmission OilProperties

KV Shaft

KR Shaft

KV Shaft

K1 Shaft

K3 Shaft

K2 Shaft

DF2

Wet Clutch Pack

KR

FO

Wet Clutch Pack

K4 FOWet Clutch Pack

Wet Clutch Pack

Wet Clutch Pack

Wet Clutch Pack

TC

K2

FO

K3

FO

KV

FO

K1

FO

NtNt

NoNo

Wheel LoaderTransmission

Reverse 1

Reverse 2

Reverse 3

In/Out

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


12

FortranPressure Profile

Sub

Shift Map

Sub

-1

Derivative

1s

FO_out

S_out

SubmodelTQ_CAL

Sub

K2_PCP2

TM TQ

NoNo

KR_PCP6

signal_output

Engine SpeedEngine Speed

S_Out_GN

Turbine SpeedTurbine SpeedK1_P CP

KV_P

CP5

Turbine Speed

Turbine Speed

K3_PCP3

S_Out_GN

K4_P

CP4

Engine Speed

Engine Speed

Shift Control

Algorithm

Shift Control

Algorithm

MSC.EASY5 Modeling – Shift Control Algorithm

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion

Wheel Loader

Speed Ratio

S_Out_GN3OM2_TC

TM_In_TQ

OMG_HG4

OM2_TC

S_Out_FVFO3

Speed Ratio

Engine SpeedEngine Speed

OM2_TCTC

Ne-Nt

-1Gain Block

S_Out_GN3

Turbine Speed

Turbine Speed

OMG_HG4

HG4

Torque Conversion

각각의 속도 센서에서 속도 신호를 피드백 받아 토크 vs 변속기 출력 속도로 이루어진

변속맵에 의해 변속이 이루어지도록 속도를 토크로 변환하는 로직 구현


13

MSC.EASY5 Modeling – Vehicle Modeling

Mapped Engine Torque Converter Differential

Shaft ShaftPlanetary

Reduction Gearset Simple Tire

Shaft Shaft

Wheel Loader Mass

Simple TirePlanetary

Reduction Gearset

OMG_VM

Control Logic

ThrottleCPU times

Strip Chart KR

Strip Chart

OUT_FG

OMG_ME

K3K4K1K2

OMG_ME

OM1_TC

KV

VE_InputS2_PR2

WheelLoader

TransmissionShift Control Algorithm

엔진에서부터 자동변속기와 변속제어알고리즘 (TCU)를 포함한 휠로더 파워트레인 모델링함 .

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


Item Unit ValueEngine Power hp 350Vehicle Mass kg 29,300Engine Speed

(max.) rpm 2,500

Tire Radius m 0.85Gear Helix

Angle deg 20

14


Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


Engine Speed / Torque Transmission Speed / TorqueWheel loader Simulation

0 10 20 30 40 50-200

0

200

400

600

800

0 10 20 30 40 50600

900

1200

1500

1800

2100

2400

2700

UNTITLED

TIME

Speed [RPM]

Engine Speed

TIME

Torque [kg.m]

Engine Torque

Wheel loader Simulation

0 10 20 30 40 50-2000

-1000

0

1000

2000

3000

0 10 20 30 40 50-500

0

500

1000

1500

2000

2500

Model: Wheel_Loader_Forward_by_yun, Runid: simulation, Case: 1, Display: 3. 07-DEC-2006, 09:49:08

TIME

Velocity [RPM]

Transmission Velocity

TIMETorque [N.m]

Transmission Torque

Output VelocityInput Velocity

Output TorqueInput Torque

Wheel loader SpeedWheel loader Simulation

0 10 20 30 40 500

10

20

30

40

50

Model: Wheel_Loader_Forward_by_yun, Runid: simulation, Case: 1, Display: 4. 07-DEC-2006, 09:49:08

TIME

Velocity [MPH]

First -> Second Shift

Second->Third Shift

Third->Fourth Shift

시뮬레이션

결 과

■ 전진 1 단 → 2 단 → 3 단 → 4 단으로 변속

■ 엔진의 속도와 토크 변화를 시뮬레이션으로 확인

■ 트랜스미션의 입 . 출력 속도 및 토크 변화 확인

■ 차량 속도 증가 및 각각의 특성 결과를 이용하

여 ,

휠로더 트랜스미션의 설계 변수를 반영할 수 있음

15


Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


16

Test Video

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


17

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion

Experimental Equipment

[ 실험 프로그램 ]

파워팩은 모터 , 펌프 , 탱크로 구성되어 있으며 , 펌프에

릴리프 밸브가 장착되어 압력을 수동으로 조절할 수 있음 . 펌프는 가변 유량형 펌프이며 정격출력은 3.7kW 이고 ,

40LPM@1,720rpm 의 유량을 배출

[ 유압회로도 ][ 실험장비 ]


18

Experimental Result

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 ]

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


19

Simulation Result about Case 1

변속시 차량 속도가 1 MPH 정도 감소함을 볼 수 있음 . 최대 차량 Jerk : 17.5 m/s3

1->2 단 변속시 Jerk : 17.5 1 단에서 2 단 변속시 TM 의

Output Torque 의 변화가

크므로 , 차량 Jerk 가 높게

나타남 .

좋은 변속 성능 아님 .

S 사 A 모델 Jerk : 7.0 m/s3

H 사 S 모델 Jerk : 6.5 m/s3

지하철 : 1.5 이하 m/s3

KTX : 0.7 이하 m/s3

UNTITLED

0 4 8 12 16 200

4

8

12

16

20

24

Model: Wheel_Loader_pressure_profile_10, Runid: simulation_copy, Case: 1, Display: 1. 08-MAY-2008, 16:36:53

TIME

Vehi

cle

Spee

d [M

PH]

UNTITLED

0 4 8 12 16 20750

1000

1250

1500

1750

2000

2250


TIME

Engine Speed [RPM]

UNTITLED

0 4 8 12 16 20-800

-240

320

880

1440

2000


TIME [s]

Transmission I/O Torque [N.m]

Input TorqueOutput Torque

UNTITLED

0 4 8 12 16 20-15

-10

-5

0

5

10

15

20


TIME [s]

Vehicle Jerk [m/s^3]

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


20


UNTITLED

0 4 8 12 16 200

4

8

12

16

20

24


TIME [s]

Vehicle Speed [MPH]

UNTITLED

0 4 8 12 16 20750

1000

1250

1500

1750

2000

2250


TIME [s]

Engine Speed [rpm]

UNTITLED

0 4 8 12 16 20-800

-240

320

880

1440

2000


TIME [s]

Transmission I/O Torque

Case 2


UNTITLED

0 4 8 12 16 20-15

-8

-1

6

13

20


TIME [s]


Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion

Wheel Loader

변속시 차량 속도가 0.5 MPH

정도 감소함을 볼 수 있음 . 최대 차량 Jerk : 22.3 m/s3

1->2 단 변속시 Jerk : 22.3 1 단에서 2 단 변속시 TM

Input Torque 의 변화가 큼

좋은 변속 성능 아님 .


21


UNTITLED

0 4 8 12 16 200

4

8

12

16

20

24


TIME [s]

Vehicle Speed [MPH]

Case 3

UNTITLED

0 4 8 12 16 20750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500


TIME [s]

Engine Speed [rpm]

Case 3

UNTITLED

0 4 8 12 16 20-800

-240

320

880

1440

2000


TIME [s]

Transmission I/O Torque [N.m]

Case 3


Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

SimulationResult

Conclusion

Wheel Loader

대체적으로 원활한 변속

최대 차량 Jerk : 13.4 m/s3

1->2 단 변속시 Jerk : 11.4 다른 Case 에 비해 Jerk 가

상대적으로 낮고 , TM Input Torque 의 변화 또한 낮게

나타남 .

좋은 변속 성능


UNTITLED

0 4 8 12 16 20-15

-10

-5

0

5

10

15

20


TIME [s]


Case 3

22

Conclusion

1. 휠로더의 차량모델과 자동변속기 , 변속제어알고리즘의 해석을 위한 모델링을 상용 소프트웨어인

MSC.EASY5 를 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 Speed 의 성능을 조합하여 , 적절한 변속맵 (Shit Map) 을 TCU 에 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 .

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


MSC.EASY5 Modeling

Experimental

Simulation Result

Conclusion


23

Reference

[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/T 차량의 가 /감속시 운전성 향상에 관한 연구”,

한국자동차공학회 논문집 제 14 권 제 2 호 , 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 , “4 륜 구동 및 4 방식 조향장치를 적용한 로더 개발”, 한국기계가공학회지 제 3 권 제 3 호 , 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

Introduction

Research Background

Wheel Loader TM


MSC.EASY5 Modeling

Simulation Result

Conclusion


24

윤 웅 권한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부 구조연구팀

042-868-7978010-9418-9411

[email protected], [email protected]

Date post:	13-Mar-2016
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