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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

본 연구 대상인 대형 AMT 내부에는 평균 12.0~13.0리터의 변속기유가 전체 사용량으로 채워져 있으며 변속기 하우징(Housing) 하부에서부터 모여진 후 오일 펌프에 의해 윤활회로를 따라 변속기 내부 전체를 순환하며 각 영역으로 적절한 양의 윤활유를 분배한다. 윤활유의 유동 경로는 아래와 순서와 같으며 Fig. 1에 경로를 표기 해놓았다.

• 1) 하우징 하부에서 Drain
• 2) 하우징 유로를 따라 이동
• 3) 오일 펌프측 유로를 따라 이동
• 4) 프론트 커버(Front cover) 유로를 따라 이동
• 5) 주축, 부축 및 T/M Brake로 이동
• 6) 다시 하우징 하부로 Drain

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

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

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

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)