KR101473572B1 - 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법에 관한 것으로, 복잡한 계산 과정으로 클러치 마찰판의 온도를 추정하는 방법을 회피하기 위해, 마찰판의 슬립 에너지와 온도 변화 관계를 선형관계로 구성하여 마찰판의 온도를 쉽게 추정하고 또한, 슬립 에너지 그리고 마찰판 온도가 일정 범위를 벗어나는 상황에 대해서 클러치 연결을 해제시켜 클러치 파손을 방지하며, 슬립에너지가 존재하지 않는 경우에는 에너지 및 온도를 각 온도 간격마다 감소율을 다르게 하여 그 영향을 고려하여 더욱 정확한 데이터를 획득할 수 있다.

Description

에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법{Method for clutch protection using the energy-based temperature estimation}

본 발명은 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰판의 슬립 에너지와 온도 변화 관계를 선형관계로 구성하여 마찰판의 온도를 쉽게 추정하도록 한 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 휠들 간의 토크 배분을 제어하는 전자 제어 클러치가 채용된다. 클러치를 통하여 전달된 토크가 크고, 오랫동안 지속한다면, 클러치는 과열될 것이다. 이 과열 문제점에 대처하기 위하여, 정상 클러치 제어를 보호 클러치 제어로 스위칭하여 클러치를 해제시키고 클러치 온도를 감소시키는 기술이 존재한다.

예컨대, 스포츠용 차량(SUV)에 장착된 소형 경량의 4륜 구동 시스템은 모래길 또는 눈길과 같은 저마찰 길의 주행시, 최대 토크를 전달하도록 종종 클러치를 사용해야 한다. 이 경우, 보호 클러치 제어는 클러치의 온도를 제어하기 위하여 채용되어야 한다. 보호 클러치 제어는 데이터로서 클러치 온도를 필요로 한다. 클러치 온도는, 예컨대 클러치에 부착된 온도 센서에 의하여 제공된다.

대한민국 공개실용신안공보 제20-1997-30743호 (1997.07.24)에는 자동차의 클러치 온도 감지장치가 개시되어 있다.

개시된 자동차의 클러치 온도 감지장치는 온도 감지부로부터 클러치의 온도를 감지하여 과열 상태를 운전자에게 경고함으로써 무리한 운행을 방지하게 함으로써 클러치를 보호할 수 있다.

그러나 이와 같은 종래의 온도 센서로부터 클러치 온도를 획득하는 보호 클러치 제어는 전자 제어 클러치와 같은 클러치 상에 온도 센서를 장착해야 하며, 온도 센서는 클러치의 동작시 심한 열 및 진동을 견딜 수 있어야 한다. 부가하여, 온도 센서는 파손 또는 단락으로부터 보호되어야 하므로, 이들 필요성은 클러치 제어의 비용을 증가시키는 문제점이 있었다.

또한, 클러치의 온도를 추정하기 위한 오일이나 기타 손실을 고려하기 위한 여러 변수들이 필요로 하는데, 이와 관련된 부분이 고려되지 않기 때문에 온도 추정 결과 오차가 매우 심해져서 보호 기능이 제대로 작동되지 않을 수 있는 문제점도 있다.

대한민국 공개실용신안공보 제20-1997-30743호 (1997.07.24)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 마찰판의 슬립 에너지와 온도 변화 관계를 선형관계로 구성하여 마찰판의 온도를 쉽게 추정하도록 한 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 슬립 에너지 그리고 마찰판 온도가 일정 범위를 벗어나는 상황에 대해서 클러치 연결을 해제시켜 클러치 파손을 방지하도록 한 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

또한, 슬립에너지가 존재하지 않는 경우에는 에너지 및 온도를 각 온도 간격마다 감소율을 다르게 하여 그 영향을 고려한 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법을 제공하는 데에 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법은, 클러치 슬립 속도와 제어 토크 값을 이용해 마찰판의 단위 면적당 슬립 일률을 계산하는 단계; 상기 단계에서 계산된 슬립 일률이 미리 설정된 특정 임계값 미만인 경우 냉각 상황을 고려하고, 상기 임계값 이상일 경우에는 슬립에너지가 축적되는 상황으로 판단하는 단계; 상기 판단에 따라 클러치 마찰판에 대해 냉각 상황을 고려할 경우, 마찰판 온도에 따른 일률 감소량을 재설정하는 단계; 상기 판단에 따라 임계값 이상일 경우에는 슬립에너지가 축적되는 상황으로 판단하여, 이를 통해 연산 또는 추정된 일률과 샘플링 시간을 이용해 단위 면적당 에너지 변화량 및 이 에너지 변화량을 축적하여 에너지량(슬립 에너지)을 계산하는 단계; 상기 에너지 변화량을 바탕으로 마찰판 온도를 선형 변수를 이용해 추정하는 단계; 및 상기 단계에서 추정된 마찰판 에너지량과 온도가 일정 범위를 벗어난다고 판단되면, 클러치 파손 범위로 파악하여 클러치 연결을 해제하고, 일정 범위 안에 있다고 판단되면, 클러치 연결 상태를 유지하는 단계를 포함한다.

상기 슬립 일률은, 수학식 “W = Torque*Slip/AREA“에 의하여 계산된다. 여기서, Slip은 클러치 슬립 속도, Torque는 제어 토크, AREA는 마찰판의 단위 면적, W는 슬립 일률이다.

상기 단위 면적당 에너지 변화량은, 수학식 “E = E + W*Dt ”에 의하여 계산된다. 여기서, E는 단위 면적당 에너지 변화량, W는 일률, Dt는 샘플링 시간이고, 상기 에너지량은 항상 0보다 크거나 같다.

상기 마찰판 온도는, 수학식 “T = T + C* W*Dt ”에 의하여 계산된다. 여기서, T는 마찰판 온도, C는 선형 변수, Dt는 샘플링 시간이고, 초기 온도는 외기 온도로 설정한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법에 의하면, 복잡한 계산 과정으로 클러치 마찰판의 온도를 추정하는 방법을 회피하기 위해, 마찰판의 슬립 에너지와 온도 변화 관계를 선형관계로 구성하여 마찰판의 온도를 쉽게 추정하도록 하는 효과가 있다.

또한, 슬립 에너지 그리고 마찰판 온도가 일정 범위를 벗어나는 상황에 대해서 클러치 연결을 해제시켜 클러치 파손을 방지하도록 하는 효과도 있다.

또한, 슬립에너지가 존재하지 않는 경우에는 에너지 및 온도를 각 온도 간격마다 감소율을 다르게 하여 그 영향을 고려하여 더욱 정확한 데이터를 획득할 수 있는 효과도 있다.

이에 따라 습식 다판 클러치 제어에 적용되거나, 변속기 클러치에 적용되어 기계 부품인 클러치의 수명 및 성능을 지속 유지 및 확보하여 대상 부품의 내구 수명을 만족시킬 수 있다. 또한, 마찰판에 대한 에너지와 온도 모두 고려하게 되므로, 클러치를 보호하는 기준이 상호 보완되어 보호 기능에 대한 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법에 따른 에너지 및 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예의 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법에 따른 에너지 및 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법은, 클러치 슬립 속도와 제어 토크 값을 이용해 마찰판의 단위 면적당 슬립 일률을 계산하는 단계; 상기 단계에서 계산된 슬립 일률이 미리 설정된 특정 임계값 미만인 경우 냉각 상황을 고려하고, 상기 임계값 이상일 경우에는 슬립에너지가 축적되는 상황으로 판단하는 단계; 상기 판단에 따라 클러치 마찰판에 대해 냉각 상황을 고려할 경우, 마찰판 온도에 따른 일률 감소량을 재설정하는 단계; 상기 판단에 따라 임계값 이상일 경우에는 슬립에너지가 축적되는 상황으로 판단하여, 이를 통해 연산 또는 추정된 일률과 샘플링 시간을 이용해 단위 면적당 에너지 변화량 및 이 에너지 변화량을 축적하여 에너지량(슬립 에너지)을 계산하는 단계; 상기 에너지 변화량을 바탕으로 마찰판 온도를 선형 변수를 이용해 추정하는 단계; 및 상기 단계에서 추정된 마찰판 에너지량과 온도가 일정 범위를 벗어난다고 판단되면, 클러치 파손 범위로 파악하여 클러치 연결을 해제하고, 일정 범위 안에 있다고 판단되면, 클러치 연결 상태를 유지하는 단계를 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법을 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 클러치 슬립 속도(Slip)와 제어 토크(Torque) 값을 이용해 마찰판의 단위 면적(AREA)당 슬립 일률(W)을 계산한다(S110).

이때, 슬립 일률의 계산식은 다음의 수학식 1과 같다.

여기서, Slip은 클러치 슬립 속도, Torque는 제어 토크, AREA는 마찰판의 단위 면적, W는 슬립 일률이다.

상기 단계에서 계산된 슬립 일률(W)이 미리 설정된 특정 임계값(A)보다 작은 경우에는, 즉 임계값 미만인 경우 냉각 상황을 고려하여 판단하고, 이외 상황에서는 즉, 임계값 이상일 경우에는 슬립에너지가 축적되는 상황으로 판단한다(S120).

상기 판단에 따른 일예로, 클러치 마찰판에 대해 냉각 상황으로 고려되면, 마찰판 온도(T)에 따른 일률 감소량을 재설정한다(S130).

한편, 상기 판단에 따라 임계값 이상일 경우에는 슬립 에너지가 축적되는 상황으로 판단하여, 이를 통해 연산 혹은 추정된 일률(W)과 샘플링 시간(Dt)을 이용해 단위 면적당 에너지 변화량을 축적하여 슬립 에너지를 계산한다. 이때, 상기 슬립 에너지는 항상 0보다 크거나 같다(S140).

상기 슬립 에너지(E)의 계산식은 다음의 수학식 2와 같다.

여기서, E(n+1)는 축적된 슬립 에너지, E(n)는 현재의 슬립 에너지, W는 일률, Dt는 샘플링 시간이다.

다음 단계로 축적된 슬립 에너지 E(n+1)을 바탕으로 선형 변수(C)를 이용해 마찰판 온도(T)를 추정한다. 단, 초기 온도(To)는 외기 온도로 설정하고, 추후 냉각이 되는 상황에서도 최저 온도는 외기 온도가 되도록 한다(S150).

이때, 마찰판 온도(T)를 선형 변수(C)를 이용해 추정하는 계산식은 다음의 수학식 3과 같다.

여기서, T(n+1)는 축적된 마찰판 온도, T(n)는 현재의 마찰판 온도, C는 선형 변수, Dt는 샘플링 시간이다.

상기와 같은 과정을 통해 축적된 슬립 에너지 E(n+1)와, 이에 따라 추정하는 축적된 마찰판 온도 T(n+1)가 도 2에서와 같이 일정 범위(T_lim, E_lim)을 벗어난다고 판단되면, 클러치 파손 범위로 파악하여 클러치 연결을 해제한다(S160~S170).

한편, 상기 축적된 슬립 에너지 E(n+1)와, 이에 따라 추정하는 축적된 마찰판 온도 T(n+1)가 일정 범위(T_lim, E_lim)를 벗어나지 않고 범위 안에 있다면, 클러치 파손 범위가 아닌 것으로 파악하여 클러치 연결 상태를 유지한다(S180).

도 2는 본 발명의 슬립 에너지와 마찰판 온도에 대한 전체 흐름을 표현한 것으로, 전체적으로 슬립 에너지(E)가 증가함에 따라 마찰판 온도(T)도 초기 외기 온도(To)에서부터 증가한다. 하지만, 냉각 상황이 되면, (a)(b)에서와 같이 축적된 슬립 에너지와 마찰판 온도가 감소하게 된다.

이때, 마찰판 온도에 따라 일률 감소량이 달라지므로(S130), 슬립 에너지 변화량에 따른 마찰판 온도 변화량도 달라진다.

따라서, 본 발명에 의하면, 복잡한 계산 과정으로 클러치 마찰판의 온도를 추정하는 방법을 회피하기 위해, 마찰판의 슬립 에너지와 온도 변화 관계를 선형관계로 구성하여 마찰판의 온도를 쉽게 추정하도록 할 수 있다.

또한, 슬립 에너지 그리고 마찰판 온도가 일정 범위를 벗어나는 상황에 대해서 클러치 연결을 해제시켜 클러치 파손을 방지하도록 하는 효과도 있다.

또한, 슬립에너지가 존재하지 않는 경우에는 에너지 및 온도를 각 온도 간격마다 감소율을 다르게 하여 그 영향을 고려하여 더욱 정확한 데이터를 획득할 수 있는 효과도 있다.

이에 따라 습식 다판 클러치 제어에 적용되거나, 변속기 클러치에 적용되어 기계 부품인 클러치의 수명 및 성능을 지속 유지 및 확보하여 대상 부품의 내구 수명을 만족시킬 수 있다. 또한, 마찰판에 대한 에너지와 온도 모두 고려하게 되므로, 클러치를 보호하는 기준이 상호 보완되어 보호 기능에 대한 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 비교적 간단하고 단순한 변수와 로직을 사용하므로, 고성능의 제어기 성능을 필요치 않으며, 이에 따라 클러치가 포함된 여러 시스템에 대해 비교적 쉽게 적용 가능하며 로직 추가에 따른 제어기 변경이 필요가 없어서, 클러치 시스템에 대한 원가 상승은 피하고 상품성은 높일 수 있다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

Claims (4)

1. 클러치 슬립 속도와 제어 토크 값을 이용해 마찰판의 단위 면적당 슬립 일률을 계산하는 단계;
   상기 단계에서 계산된 단위 면적당 슬립 일률이 미리 설정된 특정 임계값 미만인 경우 냉각 상황을 고려하고, 상기 임계값 이상일 경우에는 슬립에너지가 축적되는 상황으로 판단하는 단계;
   상기 판단에 따라 클러치 마찰판에 대해 냉각 상황을 고려할 경우, 마찰판 온도에 따른 일률 감소량을 재설정하는 단계;
   상기 판단에 따라 임계값 이상일 경우에는 슬립 에너지가 축적되는 상황으로 판단하여, 이를 통해 연산 또는 추정된 일률과 샘플링 시간을 이용해 단위 면적당 에너지 변화량을 축적하여 상기 슬립 에너지를 계산하는 단계;
   상기 슬립 에너지를 바탕으로 선형 변수를 이용해 마찰판 온도를 추정하는 단계; 및
   상기 단계에서 추정된 상기 마찰판 온도가 일정 범위를 벗어난다고 판단되면, 클러치 파손 범위로 파악하여 클러치 연결을 해제하고, 일정 범위 안에 있다고 판단되면, 클러치 연결 상태를 유지하는 단계를 포함하는 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 단위 면적당 슬립 일률은
   수학식 “W = Torque*Slip/AREA“에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법.
   여기서, Slip은 클러치 슬립 속도, Torque는 제어 토크, AREA는 마찰판의 단위 면적, W는 단위 면적당 슬립 일률이다.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 단위 면적당 에너지 변화량을 축적한 슬립 에너지는,
   수학식

   

   에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법.
   여기서, E(n+1)는 축적된 슬립 에너지, E(n)는 현재의 슬립 에너지, W는 일률, Dt는 샘플링 시간이고, 상기 축적된 슬립 에너지는 항상 0보다 크거나 같다.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 마찰판 온도는,
   수학식

   

   에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 에너지 기반 온도 추정을 이용한 클러치 보호 방법.
   여기서, T(n+1)는 축적된 마찰판 온도, T(n)는 현재의 마찰판 온도, C는 선형 변수, Dt는 샘플링 시간이고, 초기 온도는 외기 온도로 설정한다.

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