The Automatic Transmission (AT) consists of a torque converter and complex multi-planetary gears for transmitting power from the engine to the wheels. While the torque converter operates to export high torque at low speeds, multi-planetary gears with clutch packs are controlled by automated shift strategy to minimize shift shock. While such structures have been widely adopted in passenger/commercial vehicles, it is well suited for heavy-duty vehicles, especially for tracked vehicles: main battle tanks or infantry fighting vehicles mainly operated on offroad or mountainous terrain, which requires high torque of low speeds in operating environment. Heavy-duty vehicles use pilot-actuated hydraulic systems to cover a large piston volume and clutch, which centrifugal pressure affects; It shows slow dynamic response due to higher engine and vehicle inertia.
Recently, new types of transmission such as dual clutch transmission or continuously variable transmission have been introduced to catch up the vehicle development trends, which emphasizes the high fuel efficiency along with compact size. These trends also affect the heavy-duty automatic transmission market because it is developed to minimize the slip area of the torque converter. This reduces fuel consumption and eliminates the one-way clutch that occupies large volume, achieving high efficiency with compact size. Accordingly, the clutch-to-clutch shifting becomes necessary on the ATs. The shifting strategy requires precise shifting control as two clutches simultaneously go off and on in order to minimize shift shock, guaranteeing qualified shifting. Therefore, shifting control method is exceptionally crucial.
Previous control methods for the clutch-to-clutch shifting are mainly based on speed target, because of the only available information due to the absence of the torque sensors. The speed-based control, however, shows its limitation of inevitably using open-loop control in filling and torque phase due to the negligible acceleration change. The open-loop control requires heavy calibration on numerous parameters based on input torque and speed information in order to avoid unfavorable engine flare or tie-up. In order to overcome limitations of open-loop control including tedious calibration, torque-based control strategy with simplicity of utilizing torque from engine to the wheel axle has been introduced.
This study develops torque-based clutch control method to improve the gear shift performance (fast and smooth shift) of the automatic transmission for heavy-duty vehicles. Firstly, this study suggests the development of a torque estimator based on piston pressure, considering the absence of torque sensors. This leads to the price and volume saving issue for the mass-produced transmissions. The conventional torque estimators are mainly developed for a single gear shift using simplified single gear shift model. The proposed method, however, is suitable in estimating torque of the whole gear shift without additional signal processing based on modeling of an entire transmission. In fact, the adaptive technique is applied to compensate the variation of clutch parameters such as friction coefficient. In the next step, this study develops an identification of pressure characteristics between electric current from solenoid valve and pressure from clutch piston. It is necessary because most of the mass-produced transmissions lack piston pressure sensors while actual solenoid current can be measured from the shunt resistor connected to the solenoid valves. Previous modeling of the pilot-actuated hydraulic system cannot satisfy the real time performance due to their complexities of sub-components. The proposed method exploits a lumped modeling of the overall hydraulic system. This modeling, also, is a reduced order modeling that assures the real time performance with satisfying accuracy. These are identified based on the filling phase and non-filling phase, respectively. This is because the pressure characteristics of the filling phase is different from that of the non-filling phase, which is crucial for precise filling control. This method is implemented into real-time torque estimator based on the currents of solenoid valves.
Finally, the shift controller based on the torques is developed using the above torque estimator. This study distinctly suggests the clutch control method based on the target torque during the filling phase and the torque phase. In the filling phase, target torque offset makes on-coming clutch fill intentionally. Then the appropriate clutch filling time can be pinpointed from observing change of estimated clutch torque after completing the filling. In the torque phase, the torque transfer ratio, which is very complex to obtain due to the high complexity of AT, can be easily obtained even considering the inertia effect of drive line including the engine and vehicle. In addition, right torque phase time can be found from estimated off-going torque. In the inertia phase, cooperative control based-on speed target and torque target of engine and transmission respectively, guarantees fast engagement and minimum shift shock. The proposed method works correctly not only on the brake-type clutches but also on the clutch-type clutches, which have centrifugal effects. The performance of the proposed control method is evaluated both in simulations and experiments and the results demonstrate the proposed methods can make smooth and fast shift.
자동변속기는 토크컨버터와 다중의 유성기어를 사용하여 저속에서 큰 토크와 적은 변속 충격으로 자동화된 변속전략에 따라 엔진으로부터 차륜까지의 동력을 전달하는 역할을 한다. 이러한 특징으로 승용차와 상용차에서 광범위하게 적용되어 왔다. 또한 야지와 산악지형에서 운용되는 전차, 장갑차와 같은 궤도형 중부하 차량은 상대적으로 저속의 고토크를 요구하기 때문에 자동변속기와 더욱 부합된다. 중부하 차량은 민수용 차량대비 피스톤의 대용량 체적을 감당하기 위해 파일럿 타입의 액츄에이터를 사용하며, 원심압력 효과가 나타나는 클러치를 사용하며, 큰 회전관성으로 인한 느린 동적 특성이 나타나는 특징이 있다.
한편, 최근에는 변속기의 컴팩트화 및 연비절감을 특징으로 하는 듀얼클러치변속기나 무단변속기 등의 새로운 타입의 변속기도 확대되는 추세이다. 중부하 차량용 자동변속기도 이와 같은 추세에 맞추어 연비를 저하시키는 토크컨버터의 슬립영역을 최소화하고 큰 부피를 차지하는 원웨이 클러치를 삭제하여 고효율, 컴팩트화 되고 있으며, 이에 따라 필수적으로 클러치 대 클러치 변속 기법을 적용하고 있다. 클러치 대 클러치 변속에서는 변속 제어 방법에 따라 변속 충격에 매우 큰 영향을 미치게 된다.
기존의 제어 방법은 토크센서의 부재에 따라 변속기에서 얻을 수 있는 유일한 정보인 속도를 기반으로 한 제어를 수행하였다. 그러나 속도 제어 방법은 충전영역과 토크영역에서 입력 가속도의 변화가 작으므로, 개루프 제어를 수행할 수 밖에 없었으며, 이는 엔진 플레어 또는 타이업을 방지할 수 없는 한계가 있었다. 이를 방지하기 위해서는 입력 토크와 입력 토크 등에 따라 수많은 캘리브레이션을 수행하여야 했다. 따라서 이에 대한 대안으로 엔진에서 차축으로 전달되는 토크를 직접 제어하여 변속 성능을 개선하고자 하는 토크 기반의 제어가 연구되고 있다. 본 논문은 중부하 차량의 특징을 고려하여 이에 적용되는 습식 자동변속기의 변속 성능(빠르고 부드러운 변속)을 개선하기 위한 토크 기반 클러치 제어 방법을 제안하였다. 우선적으로, 양산 변속기에는 가격과 부피 등의 문제로 토크를 계측하는 센서가 장착되어 있지 않으므로 피스톤 압력을 기반으로 한 토크 추정기를 설계하였다. 기존의 토크 추정기는 간략화 된 단일 변속 모델을 사용하여 주로 하나의 변속단에 대해 토크추정을 입증하였다. 그러나 제안된 방법은 변속기 전체 모델링을 통하여 별도의 추가적인 신호처리 없이 전체단의 토크 추정이 가능하며 마찰계수와 같은 클러치 파라미터의 변동을 고려할 수 있는 적응기법을 적용하였다.
다음 단계로, 솔레노이드 밸브의 전류로부터 피스톤 압력까지의 압력 특성이 정의되었다. 대부분의 자동변속기에서는 압력 센서가 없으나, 솔레노이드 밸브와 연결된 션트 저항의 전압으로부터 전류는 계측이 가능하기 때문이다. 중부하 차량에 적용되는 파일럿 작동형 액추에이터는 그 복잡한 구성으로 인해 기존의 모델링 방법으로는 실시간 해석에 어려움이 있었다.
제안된 방법은 실시간 성능을 보장하기 위해 단위 구성품을 고려하지 않고 유압 시스템 전체를 모델링하는 방법과 감소 차수 모델링 방법을 적용하였다. 이는 충전영역과 비충전영역 각각의 특성에 따라 정의되었다. 이는 충전 영역의 압력 특성이 비충전 영역과 상이하며, 정교한 충전 제어를 위해서는 중요하기 때문이다. 이 방법은 솔레노이드 전류를 기반으로 한 실시간 토크 추정기에 적용되었다.
최종적으로 개발된 토크추정기를 이용하여 토크 기반 제어기를 개발하였다. 본 연구에서는 충전영역과 토크영역에서 목표 토크 기반의 변속제어 기법을 제안하였다. 충전 영역에서는 목표 토크에 오프셋을 둠으로써 어떠한 상황에서도 체결 클러치가 충전 되도록 하며, 클러치 토크 추정기를 통하여 정확한 충전 시간을 알 수 있다. 토크 영역에서는 자동변속기의 복잡한 구조로 인해 계산하기 어려운 토크 전달 계수를 엔진과 차량의 관성을 고려하여 쉽게 알 수 있다. 또한 해방 클러치 토크 추정기를 통하여 정확한 토크영역 시간을 알 수 있다. 관성영역에서는 빠른 체결과 부드러운 변속충격을 보장하기 위해 목표 속도 기반의 클러치 제어에 목표 토크 기반의 엔진 제어를 동시에 수행되도록 하였다. 제안된 방법은 브레이크 형태 뿐만 아니라 원심압력이 존재하는 클러치 형태의 클러치에서도 잘 작동하였다. 제안된 변속 제어 기법의 성능은 시뮬레이션과 실험을 통하여 수행되었고 부드럽고 빠른 변속이 수행되는 것을 입증하였다.
