트랙터용 전후진 자동변속기의 변속 품질 향상을 위한 클러치 제어 압력 프로파일 최적화

Abstract

트랙터를 이용한 농작업은 부하 변동이 심하므로 잦은 변속이 요구되며, 작업 조건에 따라 작업 속도가 모두 다르므로 많은 변속 단수가 요구된다. 수동변속기가 장착된 트랙터의 경우, 작업 중 변속을 위해서는 트랙터를 정지해야 하므로 변속 시 동력 단절이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 정지하여 변속할 필요가 없는 자동변속기가 장착된 트랙터가 개발되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 전후진 자동변속기가 장착된 트랙터의 변속 품질 향상을 위해 클러치 제어 압력 프로파일 최적화를 연구하였다. 비례제어밸브를 사용한 전후진 자동변속기가 장착된 트랙터의 변속 충격을 모사할 수 있는 트랙터 시뮬레이션 모델과 클러치 압력 제어를 위한 비례제어밸브의 전류 제어 모델을 개발하였고, 개발된 모델을 이용하여 우수한 변속 품질을 위한 클러치 압력 프로파일 최적화를 수행하였다. 트랙터 시뮬레이션 모델은 동력 전달에 필요한 요소들로 구성된 기계시스템 모델과 클러치에 압력을 인가하는데 필요한 요소들로 구성된 유압시스템 모델로 구성하였다. 트랙터 시뮬레이션 모델 검증은 트랙터 주행시험을 수행하여 시뮬레이션과 실제 시험에 대한 클러치 압력과 변속기축 회전속도를 엔진축 회전속도로 나눈 비율인 속도 전달률(transfer rate)을 비교하였다. 비례제어밸브의 전류 제어 모델은 TCU로부터 클러치 압력 명령을 받으면 밸브의 전류-압력 선도에 의해 목표 전류가 도출되고 PID 제어기를 통해 펄스폭변조 신호로 변환되어 비례제어밸브에 입력되도록 구성하였다. 비례제어밸브 전류 제어 모델 검증은 동일한 압력 명령을 인가하여 밸브에 입력되는 전류특성을 비례제어밸브의 전류 제어 모델과 트랙터에 연결된 제어기의 시험 결과를 비교하였다. 검증된 시뮬레이션 모델을 이용하여 우수한 변속 품질을 위한 클러치 압력 프로파일 최적화를 수행하였다. 클러치 압력 프로파일 최적화는 초기 채움 영역과 동력 전달 영역에 대해서 진행하였다. 초기 채움 영역은 높은 압력을 인가하여 변속 응답시간을 감소시키는 방향으로, 동력 전달 영역에서는 부드러운 가속도 변화를 발생시키면서 변속 시간을 줄이는 방향으로 최적화를 진행하였다. 초기 채움 영역의 최적화 목적 함수는 변속 응답 시간으로, 최적화 파라미터는 초기 채움 영역의 클러치 압력 명령으로 설정하였다. 동력 전달 영역의 목적 함수는 트랙터의 속도의 그래프 개형이 전 상승 사이클로이드 선도가 되도록 설정하였다. 최적화 전과 후에 대한 변속 응답 시간, 최대 가속도, 변속 시간을 비교하면, 최적화 결과 변속 응답 시간은 0.23초 감소하였고, 최대 가속도는 1.33 m/s2 증가하였으며 변속 시간은 0.88초 감소하였다.

Field operation using agricultural tractor requires frequent shifting due to heavy load fluctuations, and a large number of shifting stages are required because the operating speed is different depending on the operating conditions. The tractor equipped with manual transmission has to stop the tractor for shifting during operation, so power disconnection occurs during shifting. To solve this problem, the tractor equipped with automatic transmission that does not need to stop and shift is developed. In this study, the optimization of the clutch pressure profile was studied for improved the shift quality of tractor with powershuttle transmission. The tractor model for simulating the shift impact of tractor with powershuttle transmission and the current control model of proportional control valve for clutch pressure control were developed, and the optimization of the clutch pressure profile was conducted for improved the shift quality using the developed model. The tractor model consisted of a mechanical system model and a hydraulic system model. The transfer rate and the clutch pressure in tractor driving test were measured and compared to the simulation results to validate the tractor model. In the current control model of the proportional control valve, when the clutch pressure command is received from the TCU, the target current is derived by the I-P curve of the proportional control valve, and the target current is converted into pulse width modulation signal through the PID controller and injected into the proportional control valve. Current characteristics of the proportional control valve by clutch pressure command in tractor controller was measured and compared to the simulation results to validate the current control model of the proportional control valve. Using this validated simulation model, the clutch pressure profile was optimized to improve shift quality. Clutch pressure profile optimization was performed for the fill phase and slip phase. The fill phase was optimized for the purpose of reducing the shift response time by applying high fill pressure command, and in the slip phase, optimization was made to reduce the shift time while generating smooth rate of acceleration change. The optimization objective function of the fill phase was set to the shift response time, and the optimization parameter was set to the clutch pressure command of the fill phase. The objective function of the slip phase was set to the curve where the speed of the tractor became the full-rise cycloid curve. When comparing the shift response time, the maximum acceleration, and the shift time before and after optimization, the optimization result showed that the shift response time decreased by 0.23 seconds, the maximum acceleration increased by 1.33 m/s2, and the shift time decreased by 0.88 seconds.