The engineering technology of automotive system is currently edging toward improving fuel economy. Transmission is the one of the major parts to maintain overall energy efficiency. The goal of this paper is to investigate the feasibility of a new clutch actuator in order to increase fuel efficiency incorporating design of a mechanical actuator with gearshift control.
A clutch actuator using self-energizing effect is suggested to amplify the normal force applied on the surface between friction disks for the engagement of the clutch. The dynamic model of the mechanical actuator coupled with a DC motor is introduced to capture the essential dynamics. A simplified model is also presented to design a simplified model-based controller.
A model-based normal force tracking controller is developed for the engagement and disengagement control of the clutch. However, the parametric uncertainty of plate friction coefficient due to sevaral operating conditions makes the performance of the designed controller undesirable. To solve this problem, an adaptation algorithm for the estimation of a friction coefficient is proposed using Lyapunov synthesis method.
Also, a powertrain model is developed to evaluate the performance of the clutch actuator suggested in this research. It considers engine, transmission, propeller shaft, final differential, and external load. Speed and torsion control strategies are developed to test vehicle launch control which is the clutch engagement operation at a standing start. To solve such a problem, a multiple surface sliding control algorithm is developed: the upper surface is the vehicle driveline level, and the lower one is the clutch actuator level. The simulation result shows that a smooth engagement is achieved satisfying driver comfort and fast engagement at the same time.
파워트레인은 엔진의 출력을 차륜에 전달하기 위한 시스템으로서, 단순한 동력전달과 더불어, 차량의 특성에 알맞은 성능을 확보하기 위하여 여러장치들이 사용된다. 그 중에서도 변속기는 엔진출력을 연결 및 차단하고 회전 수를 변환하는 역할을 하므로 전체 차량의 에너지효율에 큰 영향을 미치게 된다. 최근에는 변속동작의 자동화를 통해 편의성을 높이고, 구조개선 및 제어기 개발을 통해 성능을 높인 자동화 수동변속기 및 듀얼클러치변속기 등이 개발되고 있다. 여기서 클러치 액추에이터는 운전자의 조작이 아닌 전자제어장치 및 변속알고리즘을 통해 제어되는 자동화 방식을 취하고 있다. 그러나 현재 활용되고 있는 액추에이터의 경우, 기존의 유압구동방식에 적합하도록 구성되어있다. 따라서 소형모터 등을 활용하는 Clutch by Wire 시스템에 최적화하기에는 부적합하다고 볼 수 있다.
본 연구에서는 차량용 변속기의 연비효율 향상을 위하여, 새로운 구조를 가지는 액추에이터를 제안하여, 적절한 작동을 위한 가능성을 확인하는데 그 목적이 있다. 제안된 클러치 액추에이터 시스템은 베벨기어 형상을 경사면에 배치되도록 하여, 자기강화원리를 활용하는 것이 주된 특징이다. 다시 말해, 클러치 체결을 위해 작용하는 수직력 및 디스크 표면의 마찰력이, 경사면에 걸리는 힘과 결합할 때, DC모터로부터 적용된 이을 증폭되는 효과를 얻을 수 있다. 결과적으로 적은 에너지를 가지고도, 클러치 체결에 필요한 힘을 얻을 수 있는 장점이 된다.
그러나 적용된 힘이 급격히 증폭되는 경우, 제어가 어려워지는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 제안된 시스템의 동적 모델을 생성하고, 액추에이터의 작동을 위한 비선형 제어 기법을 개발하였다. 클러치 체결제어 시에 마찰계수를 불확실성으로 간주하여, 이에 대한 추정알고리즘을 제안하였다.
또한, 제안된 액추에이터를 활용한 클러치 체결제어를 위하여, 차량의 구동계에 대한 모델을 제안하였으며, 차량 출발 시에 필요한 체결 제어기법을 제안하였다. 이때, 다중 슬라이딩 모드 제어 구조를 활용하여, 상위 슬라이딩표면에서 원하는 클러치 수직력을 계산하면, 하위 슬라이딩 표면에서 액추에이터가 원하는 값을 추종하도록 하였다.
결론적으로, 본 연구에서는 회전 중에 클러치 체결이 가능하도록 새로운 형태의 액추에이터를 제안하였으며, 자기강화원리를 활용하여 에너지 효율을 높이도록 하였다. 또한 시스템 모델의 개발과 제어기 성능이 시뮬레이션 결과를 통하여 확인되었다.
