Compared to friction clutches, which were mainly used in vehicle transmission, dog clutches can provide better transfer efficiency and constitute a more compact transmission. Besides, speed synchronization of dog clutches is a simple problem for electrified vehicles because motors can derive positive or negative torque freely. Therefore, dog clutches are a good substitute for friction clutches in electrified vehicles. The only problem of a dog clutch is the “torque hole” phenomenon during the shift, which is a disconnection of power during the synchronization of speed and engagement, and it critically harms the comfort of the driver. However, there is no sufficient precedent research about fundamental dynamics and control strategy of dog clutch. In this research, high-fidelity modeling of dog clutch is introduced, and every collision during the engagement is considered in modeling. A spring-damper model with deflection depth models contact force, and this depth is determined by the current state of engagement, which is determined by axial displacement and the relative angle between dogs at that time. With high-fidelity modeling, statistical analysis for proper engagement conditions based on various simulations is studied to guarantee better shift performance. Then, these proper engagement conditions are used as criteria of the proposed control algorithm. The proposed modeling and control algorithm is expected to be the theoretical foundation of dog clutch which is an essential component in electrified vehicles.
마찰 클러치는 동력을 매끄럽게 전달하여 변속기에서 주로 사용되었으나, 장치와 동력 손실이 크다. 이에 비해 도그 클러치는 장치가 간단하고 동력 손실이 적으며 변속을 신속하게 할 수 있다. 따라서 도그 클러치를 전동화변속기에 사용한다면 변속기의 무게를 줄이고, 동력 전달 효율을 높일 것으로 기대된다. 그러나, 도그 클러치는 체결하는 과정에서 운전자의 변속감에 치명적인 토크홀이 발생한다. 본 논문에서는, 도그 클러치의 모델링 및 제어 기법 연구를 통해 토크 홀 발생 시간과 충격을 최소화하였다. 체결 과정에서 발생하는 모든 충격을 스프링-댐퍼 모델로 표현하고, 이 때의 체결 상태를 고려하여 기하학적 형상에 따라 충격력을 구하였다. 또한, 모델링을 기반으로 체결 직전 상대 각도를 고려한 확률적 접근을 통해 적정 체결 조건을 탐색하고 이를 바탕으로 제어 기법을 개발하였다. 본 연구에서 제안하는 내용은 전동화 시대에 핵심 부품으로 사용될 도그 클러치의 이론적인 바탕이 될 것으로 기대된다.
