자동화 수동 변속기 윤활회로상에서 주축 오일 홀 형상에 따른 윤활유 분배 최적화 설계 연구

1. 서 론

자동차의 고성능화 및 효율화를 위한 동력전달장치의 개발은 지속적으로 진행되고 있다. 이것과 더불어 배기가스 규제에 대응하기 위하여 HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle) 등 친환경 자동차에 적용되는 고효율 파워트레인 시스템 연구 개발에 힘쓰고 있다.¹⁾

그 중에서 대형 상용 차량은 동력원의 변경보다는 동력전달 장치의 효율화를 위하여 핵심 동력 전달 장치로 자동화 수동 변속기(Automated Manual Transmission, ATM)를 고성능화 하여 사용한다. 대형 상용차량은 고중량 화물의 중ㆍ장거리 운반을 목적으로 사용되기에 가혹한 주행 환경에 항상 노출되고 있으며, 이에 대응하기 위하여 AMT 구성 내부 모듈은 고신뢰성 고내구성을 요구하게 된다. 대형 상용차량의 핵심 동력 전달 장치인 자동화 수동 변속기는 내부 부품의 냉각 및 윤활 성능을 증대시켜 연비를 향상시키고 차량 전체의 구동 에너지 효율과 고내구성을 위한 연구가 필수적이다. 고효율성, 고신뢰성, 고내구성을 위한 변속기 설계는 AMT 내부 부품의 냉각 및 윤활 성능의 확보가 매우 중요하다. 이에 직접적인 연관성을 갖는 AMT 내부 윤활 회로에서의 유동해석 및 윤활회로에서의 윤활유 거동을 파악하여 AMT 각 영역 윤활유 공급량에 대해 규명하는 것이 필수적 설계 정보이다.²⁾

본 연구에서는 AMT 윤활회로내의 FLUENT를 이용한 CFD 유동해석을 통해 내부 유체 거동 특성을 파악하고³⁾ AMT 운전 조건에 따른 윤활회로 내에서 유동형태를 규명한다. 이를 근거로 AMT 내부 구성 모듈에 윤활유 공급을 위한 윤활회로 내에서 분포되어 있는 오일 홀에서의 배출되는 윤활유 공급 유량 비율을 확인한다. 특히, 본 논문에서는 AMT 주축에서 가혹한 조건에 장시간 노출되고 저속 고토크 영역에서 저단을 지속적으로 사용하는 스플리터(Splitter)로의 윤활유 배출 유량을 증대시켜 윤활 및 냉각 측면을 향상시키기 위해 윤활 회로 설계를 개선하고 유량 집중 분배 설계 기술을 적용한다. 그리고 목표 모듈인 스플리터 영역의 윤활회로 설계를 변경하여 윤활유 공급 유량을 증대시키고 기존 설계 모델과 배출 유량을 비교하여 해당 기술의 유효성을 확인한다.

2. 연구 방법

2.1 AMT 기본 구조

AMT는 Fig. 1과 같이 평행축 기어트레인(Geartrain) 구조로 주축(Main shaft) 양측에 2개의 부축(Counter shaft)이 평행한 상태로 설계되어 있다. 주축은 스플리터(Splitter), 메인(Main), 레인지(Range) 3개의 영역으로 나눌 수 있으며 각 영역에는 변속을 위해 동기화 장치인 싱크로나이저(Synchronizer) 및 도그 클러치(Dog clutch)가 존재한다. 부축 앞 단에는 변속 시 부축의 회전 속도 동기화를 위해 트랜스미션 브레이크 클러치(Transmission brake clutch)가 항시 체결되어 있으며, 또 다른 하나의 부축 앞 단에는 강제 윤활 방식의 오일 펌프(Oil pump)가 존재한다. 그리고 Fig. 1에서 AMT의 내구성 향상을 위한 주요 연구 대상인 스플리터를 표시하였다. Fig. 2는 본 연구에서 AMT 내부에 집중적으로 윤활유 공급 대상이 되고 있는 스플리터의 모듈을 상세히 나타내었다. 스플리터 영역은 지속적인 저속 고토크 영역 내에서 부하를 받기 때문에 전체 윤활회로상에서 대체적으로 윤활유 공급이 기존의 윤활유 공급체계보다 더 많이 공급 되게 하여야 하는 영역이다. 그리고 스플리터 영역에는 6개의 윤활유 공급 오일 홀이 존재한다.

Fig. 1

Structure of AMT geartrain and oil circuit

Fig. 2

Splitter part and oil hole number

2.3 윤활회로(Oil circuit) 형상 설계

Fig. 3에서는 본 연구에서 대상이 되고 있는 AMT의 오일 회로의 전체적인 형상, 각 오일 홀의 직경, 주축의 오일 홀 번호 및 오일 회로의 입구(Inlet) 및 출구(Outlet)의 영역을 나타내고 있다. 내부에서 AMT의 전체 윤활을 담당하고 있는 실제 윤활유 경로를 나타낸 것이며, AMT 내부의 윤활회로상에서 배출되는 윤활유의 출구는 주축에서 형성되고 있는 오일 홀뿐만 아니라 T/M Brake, 부축 끝단 등 여러 부분의 출구에서 윤활유 배출이 형성된다. 윤활회로상 주축 외 부축과 같은 다른 부분은 정지된 형상에서 윤활유가 배출이 되지만 주축의 오일 홀에서는 주축이 회전 되는 조건에서 오일 홀을 통하여 윤활유가 배출된다. 주축에서의 오일 홀은 모두 11개가 형성되고 있으며, 이를 통하여 AMT 내부의 스플리터, 메인, 레인지 3개의 영역에서 윤활유 공급이 축심 윤활을 하며 이루어진다.⁴⁾

Fig. 3

Oil circuit design criteria

2.4 오일 홀(Oil hole) 변경 모델 형상 설계

오일 홀 설계 변경을 통해 기존 모델과 대비 하여 더 많은 오일 유량을 배출 시켜 주행시 저속 고토크 영역에서 가혹한 조건의 부하를 받는 스플리터에 윤활성과 냉각성을 향상시키기 위해 변경 모델을 설계한다. 설계 변경 오일 홀은 스플리터에서 윤활유 공급을 담당하는 오일 홀 No.1, No.2, No.3, No.4, No.5, No.6에 해당 하며 배출되는 오일 유량을 크게 하기 위하여 오일 홀 유로상의 유로 저항을 줄여 원활한 유동이 이루어지도록 한다. 오일 홀 유로상에서의 설계 변경 내용은 축 방향 각도 변경을 도모하여 다른 부가 장치의 작동없이 배출 유량을 증대하는 것이 설계목표이다. 그리고 스플리터 영역의 오일 홀로 배출 되는 유량을 확인하고 배출 유량에 미치는 영향을 비교 분석한다.

주축에서 Fig. 4와 같이 수직으로 형성 되어있던 기존의 오일 홀을 Fig. 5와 같이 축 방향으로 오일 홀의 각도를 변경하여 유로 저항을 감소시키고 배출 유량을 증대시키는 방법으로 설계한다. 변경 모델의 형상 설계 방법으로는 Z축 방향으로 60 °를 적용하여 설계한 다음 다시 주축에 수직 방향으로 설계한다.⁵⁾ 이러한 설계 이유는 수직 형태의 오일 홀은 주축의 축 방향으로 유동이 일어나는 과정에서 오일 유동이 수직으로 진행하여 원활히 배출되기에는 유로 저항을 발생시키기 때문이다. 따라서, 발생하는 유로 저항을 감소시키기 위해 유체의 진로 방향인 Z축을 기준으로 θ_Z=60 °를 적용하여 유동의 유로 저항을 감소시키도록 설계하고 회전하는 주축에 수직방향으로 오일 홀을 설계하여 주축에 수직으로 작용하는 원심력을 손실없이 전달 받을 수 있도록 한다. 위와 같은 방법으로 기존 오일 홀 형상보다 더 많은 배출 유량이 나올 수 있도록 설계하고 이에 대한 유체 거동을 파악 하도록 한다.^6,7)

Fig. 4

Base model splitter part oil hole

Fig. 5

Changed model splitter part oil hole

3. 유동해석 조건 및 결과

3.1 유동해석 조건

유동해석을 위해 상용 해석 프로그램인 ANSYS FLUENT를 사용하였으며, 생성한 Tetrahedron mesh 개수는 3,902,294개이며 형상은 Fig. 6과 같다. 입력 유량은 일반적으로 운영되는 조건인 24.5 LPM이며, 주축의 경우 스플리터 영역의 Hole No.01~Hole No.06, 메인 영역의 Hole No.07~Hole No.09, 레인지 영역의 Hole No.10~Hole No.11 총 11개의 오일 홀에서 윤활유가 배출된다. 부축의 경우 Pump pipe hole No.01~Hole No.05, T/M Brake pipe hole No.01~Hole No.13 총 18개의 오일 홀에서 윤활유가 배출된다. 그 외 T/M Brake pack으로 유입되는 오일 홀과 부축 끝단에도 존재하는 1개의 오일 홀에서도 배출된다. 윤활회로 중 주축의 경우는 회전을 하지만 회로상 나머지 구성 부분은 정지상태에서 파이프 유동을 하는 유동 흐름이다. 전체 순환을 거치고 윤활회로의 구조상 가장 멀리까지 도달하게 되어 남은 윤활유는 파이프 끝 단에서 배출되게 된다. 그리고 모든 배출구의 조건은 대기압으로 설정하였다. 또한 해석의 신뢰성을 높이기 위해 다상 유동(Multi-phase flow) 및 중력 조건(Gravity consideration)을 적용 후 진행하였다. 주축의 운전 속도는 대형 상용 차량 구동 시 가혹한 조건에 해당되는 엔진 회전수 영역을 적용하여 1500 RPM 조건으로 설정하였다. 주축 부분에서의 작동 조건, 회전속도 및 변속기유 특성을 Table 1과 Table 2에 명시하였다.

Fig. 6

Mesh generation – oil circuit

Table 1

Analysis conditions

Table 2

Fluid properties

3.2 유동해석 결과

기존 AMT 윤활 회로 형상과 설계 변경 인자가 적용된 설계 변경 형상에 대하여 Table 1, Table 2에 명시되어 있는 동일한 운전 조건으로 유동해석을 진행하고 각 오일 홀에서 배출 유량 결과를 확인하였다. 가혹한 조건에 노출되는 부위의 윤활유 공급을 담당하는 스플리터 영역의 오일 홀에 대하여 본 연구에서 제안한 설계 변경 인자를 적용하여 윤활유 공급 유량 분배 결과에 대해 기존 모델과의 해석 결과를 비교하였다. 오일 홀의 설계 형상 변경에 따른 주축 내부 유체 거동을 파악하고, 공급 유량 분배 측면에서 효율을 증대시킬 수 있는 설계 변경 인자를 규명하였다.

3.2.1 기존 모델에 따른 윤활회로상 영역별 공급 분배 유량

Fig. 4와 같은 AMT 변속기의 기존 윤활회로를 모델링하여 각 오일 홀에서 배출되는 배출 유량을 계산하고, AMT 구성 영역별로 배출되는 AMT 전체 윤활 시스템의 배출 유량을 확인 한다.

해석 결과 기존 AMT 윤활회로에서 총 공급 유량 24.5 LPM(L/min) 중 주축의 총 배출 유량은 8.953 LPM으로 계산된다. 그리고 주축의 각 파트는 Fig. 7과 같이 Splitter: 4.207 LPM, Main: 1.836 LPM, Range: 2.910 LPM 로 배출 유량이 계산 되었다. 또한 주축 외에서는 Fig. 8과 같이 Pump pipe: 2.112 LPM, T/M Brake pipe: 3.779 LPM로 계산 되었다. 그리고 Fig. 9와 같이 Counter shaft bearing outlet: 4.176 LPM, T/M Brake outlet: 2.633 LPM, End point outlet: 2.840 LPM의 유량이 각각 배출 되는 것으로 해석되었다.

Fig. 7

Base model oil hole mass flow rate(Main shaft)

Fig. 8

Base model oil hole mass flow rate(Counter shaft)

Fig. 9

Oil hole mass flow rate according to the base model

3.2.2 변경 모델에 따른 윤활회로상 영역별 공급 분배 유량

Fig. 5와 같은 윤활회로 변경 모델의 각 오일 홀의 배출 유량을 계산하고, 각 영역별로 배출되는 AMT 전체 윤활 시스템의 배출 유량을 확인 한다.

주축 스플리터 영역 오일 홀 설계 변경 윤활회로에서 총 공급 유량 24.5 LPM 중 주축의 배출 유량은 9.08 LPM 이었다. 그리고 주축의 각 파트는 Fig. 10과 같이 Splitter: 4.545 LPM, Main: 1.854 LPM, Range: 2.681 LPM의 배출 유량이 확인 되었다. 또한 Fig. 11과 같이 주축 외에 Pump pipe: 2.124 LPM, T/M Brake pipe: 3.615 LPM로 계산 되었다. 그리고 Fig. 12와 같이 Counter shaft bearing outlet: 4.042 LPM, T/M Brake outlet: 2.581 LPM, End point outlet: 3.055 LPM의 유량이 각각 배출되는 것으로 해석되었다.

Fig. 10

Changed model oil hole mass flow rate(Main shaft)

Fig. 11

Changed model oil hole mass flow rate(Counter shaft)

Fig. 12

Oil hole mass flow rate according to the changed design

변경 모델 스플리터 영역과 기존 모델 스플리터 영역의 배출 유량을 비교하면 기존 모델 대비 유량이 0.338 LPM(8.04 %) 증가함을 확인하였다.

3.2.3 윤활회로 변경 모델의 유동해석 비교 결과

본 연구는 AMT 내부의 윤활회로에서 가혹한 조건에 노출되는 부위의 윤활유 공급을 담당하는 스플리터 영역의 오일 홀에서 배출되는 유량에 대해 오일 홀의 유로 설계변경을 통하여 설계 전후의 차이에 대하여 비교 해석하였다. 기존 모델 및 변경 모델에서 오일펌프에 의한 동일한 공급 유량 및 주축의 회전속도임에도 불구하고 설계 변경 기술이 적용된 오일 홀 모델의 경우 기존 모델보다 주축 스플리터 영역에서 Fig. 13과 같이 오일 배출 유량이 0.338 LPM 더 많이 배출 되었으며 기존 모델 대비 배출량이 8.04 % 증가하는 우세적 영향을 보였다. 또한, 기존 모델과 변경 모델의 유선(Streamline) 및 속도장(Velocity field) 확인을 통해 윤활유가 윤활회로 내에서 형성하고 있는 유동 형태의 차이를 파악할 수 있었고 Fig. 14와 같은 기존 모델에 비해 Fig. 15와 같은 변경 모델이 유로 저항이 줄어들어 유입 속도 및 배출 유량이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 AMT 주축의 중심에서 흘러 들어가는 유동이 단순히 원심력으로만 오일 홀로 배출되기에는 어려움이 있어 축 중심에서 유동의 진행방향에 유동이 자연스러운 형태로 진행되고 원심력 효과를 증대할 수 있는 형태로 개선하였다. 실제 이러한 유동 흐름이 원활하게 될 수 있다는 것을 Fig. 16 및 Fig. 17과 같은 속도장 해석 결과를 비교하면 뚜렷이 구분할 수 있다. 그리고 목표 오일 홀에서 배출되는 유량의 변화는 타 배출구의 유량과 유기적으로 관련되어 있기 때문에 집중 분배 측면뿐만 아니라 각 영역 별 공급량 측면에서도 활용이 가능하다. 설계 변경 모델을 기존 모델과 비교하였을 때 공급 유량 분배 측면에서 해당 기술의 유효성을 확인하였다.

Fig. 13

Splitter part oil flow rate result

Fig. 14

Streamline of base model(oil hole No.5)

Fig. 15

Streamline of changed model(oil hole No.5)

Fig. 16

Vector velocity of base model(oil hole No.5)

Fig. 17

Vector velocity of changed model(oil hole No.5)

4. 결 론

본 연구에서는 AMT 윤활회로의 형상을 파악하고, 유동해석을 진행하여 윤활회로 전체에서의 유동뿐만 아니라 각 세부 오일 홀에서 배출되는 유량을 확인하였다. 그리고 대형 상용 차량의 경우 가혹한 조건에 끊임없이 노출되는 특수한 목적으로 사용되기 때문에 변속 시 큰 윤활량을 필요로 하는 동기화 장치 부위로 원활한 유량 공급 방법을 찾기 위해 주축의 오일 홀에 대한 설계 변경을 적용하였다. 특히 저속 고토크 영역에서 부하를 받는 스플리터 영역에 배출 유량을 증대 시켜 윤활 냉각 능력을 향상시킬 수 있는 설계 변경 기술을 적용하여 배출 유량이 증대됨을 확인하였다.

• 1) 오일 홀 설계 변경을 통해 주축 스플리터 영역의 배출 유량이 기존 모델에 대비해 0.338 LPM(8.04 %) 증가함을 확인하였다.
• 2) 이를 통해 변속기의 동력손실을 줄이고 효율을 증대시키기 위한 방법으로 선행 연구되어야 할 기본 공급량에 대해 규명하고 적절한 유량 공급이 필요한 부위에 유량을 집중시킬 수 있는 설계가 필요함을 확인하였다.
• 3) 본 연구에서 제안한 오일 홀 설계 변경 방법으로 윤활회로상에서 집중적으로 필요한 배출 유량을 적절하게 분배할 수 있으며, 이를 위한 부가장치를 따로 두지 않아도 되는 장점이 있다.
• 4) 본 연구의 유동해석 결과를 통해 주축 유체의 진로 방향인 Z축을 기준으로 θ_Z=60°를 적용한 오일 홀 설계 인자가 배출 유량 및 유로 저항에 영향을 미치는 인자임을 확인하였다.

Acknowledgments

본 연구는 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 BK21사업(5199990814084)지원과 한국연구재단(NRF #2018R1D1A1B07043950)의 지원을 받아 수행한 연구입니다.

References

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