KR102066639B1

KR102066639B1 - 전동기를 이용한 기어 시험 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102066639B1
Application number: KR1020180083017A
Authority: KR
Inventors: 유승진; 남용윤; 이근호; 김수철
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2038-07-17

Abstract

본 발명은 기어를 시험하기 위한 기어 시험 장치로서, 일 실시예에 따르면, 시험대상인 시험용 기어를 구동하기 위한 전동기; 상기 전동기의 구동을 제어하는 구동 드라이버; 및 소정 사양의 엔진의 동작을 모사하여 이 엔진에서 발생하는 토크 리플을 포함하는 토크 제어신호를 생성하고 이 토크 제어신호를 상기 구동 드라이버에 인가하는 토크 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 시험 장치를 개시한다.

Description

전동기를 이용한 기어 시험 장치 및 방법 {Apparatus and method for testing gear by using motor}

본 발명은 기어를 시험하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전동기를 이용하여 기어의 소음을 측정하거나 기어 특성을 측정할 수 있는 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관 기반의 차량은 내연기관 엔진, 기어(변속기), 액슬(차축)로 구성된 동력전달 장치를 필수적으로 구비한다. 내연기관 엔진은 연료 연소에 의한 폭발력으로 구동력을 생성하는데 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축 등의 엔진 구조상 토크 리플(ripple)이 존재하고 이로 인해 기어의 래틀(rattle) 소음이 발생한다.

따라서 기어의 소음이나 진동 등의 기어 성능 특성을 정확히 측정하고 이를 설계에 반영하기 위해서는 엔진의 토크 리플을 정확히 재현할 수 있는 실제의 내연기관 엔진이 적용된 다이나모미터가 요구된다.

그러나 실제 엔진이 적용된 다이나모미터를 실내 시험공간에서 운용하기 위해서는 엔진 ECU, 연료공급 및 배기가스 처리를 위한 장치를 필요로 하므로 장치 부피가 커지고 복잡할 뿐만 아니라 엔진 사양이 변경될 때마다 이를 교체해야 하므로 운용 비용도 증가한다. 또한 엔진 자체의 소음이 발생하므로 기어 소음 등의 성능 특성을 측정하는데 방해가 된다.

이를 해결하기 위해 특허문헌1이나 특허문헌2는 실제의 엔진 대신 전동기(모터)를 사용하는 구성을 개시하였지만, 전동기는 실제 엔진의 토크 리플이 없기 때문에 기어에 실제 엔진이 연결되었을 때 발생하는 기어의 성능 특성을 정확히 파악할 수 없다는 문제가 있다.

특허문헌1: 한국특허공개 제2017-0109956호 (2017년 10월 10일 공개) 특허문헌2: 한국특허공개 제2009-0104565호 (2009년 10월 06일 공개)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 전동기를 이용하되 실제 엔진을 모사하여 실제 엔진에서 발생하는 토크 리플을 재현해낼 수 있는 기어 시험 장치 및 시험 방법을 제시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기어를 시험하기 위한 기어 시험 장치로서, 시험대상인 시험용 기어를 구동하기 위한 전동기; 상기 전동기의 구동을 제어하는 구동 드라이버; 및 소정 사양의 엔진의 동작을 모사하여 이 엔진에서 발생하는 토크 리플을 포함하는 토크 제어신호를 생성하고 이 토크 제어신호를 상기 구동 드라이버에 인가하는 토크 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 시험 장치를 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기어를 시험하기 위해 기어를 구동하는 방법으로서, 소정 사양의 엔진의 동작을 모사하여 이 엔진에서 발생하는 토크 리플을 포함하는 토크 제어신호를 생성하는 단계; 시험용 기어에 연결된 전동기를 구동하는 구동 드라이버에 상기 토크 제어신호를 인가하는 단계; 및 상기 구동 드라이버가 상기 토크 제어신호에 기초하여 상기 전동기를 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 기어 구동 방법을 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 실제 엔진을 사용하지 않는 대신 전동기가 실제 엔진을 모사할 수 있는 기어 시험 장치를 구현함으로써, 실제 엔진에서 발생하는 매연이나 소음 없이 실내 시험공간에서도 기어를 시험할 수 있고 또한 엔진 파라미터나 제어 알고리즘의 변경에 의해 다양한 사양의 엔진을 모사하여 시험할 수 있으며 시험 장치가 차지하는 공간을 줄이고 운용 비용을 절감할 수 있는 기술적 효과를 가진다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 시험 장치를 설명하기 위한 도면,
도2는 엔진 구조를 도식적으로 설명하기 위한 도면,
도3은 일 실시예에 따른 토크 제어기의 동작을 설명하기 위한 도면,
도4는 일 실시예에 따른 토크 제어기의 예시적 구성을 설명하기 위한 도면,
도5는 단일 실린더의 경우 일 실시예에 따른 토크 제어기에 의해 발생되는 토크를 나타내는 그래프,
도6은 4기통 엔진의 경우 일 실시예에 따른 토크 제어기에 의해 발생되는 토크를 나타내는 그래프,
도7은 일 실시예에 따라 시험용 기어를 구동하는 방법을 설명하는 흐름도,
도8은 일 실시예에 따라 토크 제어신호를 생성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 시험 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 기어 시험 장치는 토크 제어기(10), 주 제어부(20), 구동 드라이버(30), 전원(40), 및 전동기(50)를 포함할 수 있다.

전동기(모터)(50)는 시험대상인 시험용 기어(변속기)(80)를 구동하기 위한 구동 장치이다. 일 실시예에서 전동기(50)는 교류 전동기 또는 직류 전동기 중 하나일 수 있다.

시험용 기어(80)는 커플링(70) 등의 연결 수단에 의해 전동기(50)에 체결될 수 있다. 전동기(50)의 구동축 상의 임의의 위치에 토크 미터(60)가 배치될 수 있고, 토크 미터(60)는 전동기(50)의 구동축의 토크를 측정할 수 있다.

구동 드라이버(30)는 전동기(50)의 구동을 제어할 수 있다. 일 실시예에서 구동 드라이버(30)는 전원(40)으로부터 전원을 공급받아 전동기(50)를 구동하기 위한 구동신호를 생성하여 전동기(50)에 인가한다. 구동신호는 예컨대 전동기에 인가할 속도 및/또는 토크를 나타내는 전압 또는 전류 신호일 수 있다. 일 실시예에서 구동 드라이버(30)는 토크 제어기(10)로부터 토크 제어신호를 수신하고 이에 기초하여 구동신호를 생성하여 전동기(50)에 인가할 수 있다. 본 발명의 구체적 실시 형태에 따라 구동 드라이버(30), 전원(40), 및 전동기(50)의 구체적 종류나 동작 방식이 달라질 수 있으며 특정 종류나 구동 방식에 제한되지 않는다.

토크 제어기(10)는 토크 제어신호를 생성하여 구동 드라이버(30)에 전달한다. 본 발명의 일 실시예에서, 시험용 기어(80)가 실제의 내연기관 엔진에 연결되어 구동되는 것을 모사(emulate 또는 simulate)하기 위해, 토크 제어기(10)는 기설정된 소정 사양의 실제 엔진에서 발생하는 토크 리플을 포함하는 토크 제어신호를 생성한다. 토크 제어기(10)는 이 토크 제어신호를 구동 드라이버(30)에 인가하며, 따라서 구동 드라이버(30)에 의해 구동되는 전동기(50)가 실제 엔진과 유사한 토크 리플 특성을 나타낼 수 있다.

위와 같이 토크 제어기(10)가 실제 엔진의 토크 리플을 포함한 토크 제어신호를 생성하기 위해, 일 실시예에서 토크 제어기(10)는 주 제어부(20)로부터 전동기의 속도지령과 소정 사양의 엔진 파라미터를 수신하고 구동 드라이버(30)로부터 모터 속도를 수신한다. 여기서 '속도지령'은 전동기(50) 구동축의 목표 속도를 의미할 수 있다.

'엔진 파라미터'는 모사하고자 하는 소정 엔진의 기통수, 각 기통의 실린더 체적, 피스톤 크기, 크랭크 회전관성 등 엔진의 주요 구성부품의 치수와 운동 특성에 관한 데이터를 포함할 수 있다. 이와 관련하여 도2는 모사하고자 하는 내연기관 엔진을 도식적으로 나타내었다. 엔진은 연료의 연소 폭발에 의해 실린더(1) 내에서 상하 왕복운동하는 피스톤(2)을 구비한다. 커넥팅 로드(3)가 피스톤(2)과 크랭크축(4)을 연결하며, 구체적으로, 커넥팅 로드(3)의 하단부가 크랭크축(4)의 커넥팅 핀(5)에 결합되어 있다.

도면에서 알 수 있듯이 엔진의 실린더(1) 체적, 피스톤(2)의 크기와 길이, 커넥팅 로드(3)의 길이, 크랭크축(4)의 중심에서 커넥팅 핀(5)까지의 거리(r), 및 이러한 구성요소들의 질량이나 회전 관성 등과 같이 엔진 구성부품의 치수와 특성 등을 알고 있으면 엔진에서 생성하는 토크를 계산할 수 있다.

'모터 속도'는 전동기(50)의 구동축의 실제 회전 속도이다. 토크 제어기(10)는 주 제어부(20)로부터 수신한 속도지령과 엔진 파라미터 및 구동 드라이버(30)로부터 수신한 모터 속도에 기초하여 토크 제어신호를 생성하여 구동 드라이버(30)로 전달할 수 있다.

도3은 일 실시예에 따른 토크 제어기(10)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 토크 제어기(10)는 하나 이상의 기준토크 산출부(100)를 포함한다. 기준토크 산출부(100)는 엔진의 각 기통마다 하나씩 대응하여 존재할 수 있다. 즉 도3에 도시한 기준토크 산출부(100)는 하나의 기통에 대한 기준 토크를 생성하는 방법을 나타낸다.

도시한 일 실시예에서 기준토크 산출부(100)는 구동토크 산출 모듈(110)과 관성토크 산출 모듈(120)을 포함할 수 있다. 구동토크 산출 모듈(110)은 모사하고자 하는 소정 사양의 엔진에서 출력되는 토크인 구동 토크(τ_P)를 계산하는 모듈이다. 즉 모사하고자 하는 실제 엔진의 엔진 파라미터에 기초하여 이 엔진의 연료 연소에 의해 생성되는 토크를 계산에 의해 산출한다.

구동 토크를 산출하기 위해, 구동토크 산출 모듈(110)은 엔진의 엔진 파라미터, 전동기의 목표속도(속도지령), 및 전동기의 속도 피드백을 수신하고 이에 기초하여 구동 토크를 산출한다.

'속도지령'은 전동기(50) 구동축의 목표 속도를 의미할 수 있으며, 예컨대 시험용 기어(80)를 시험하려는 시험자가 설정할 수 있는 값이다.

'엔진 파라미터'는 도2를 참조하여 설명한 것처럼, 모사하고자 하는 엔진의 구성부품의 치수와 운동 특성에 관한 데이터를 포함할 수 있다.

'위치 피드백'은 모사하고자 하는 엔진의 크랭크축(4) 상의 임의의 기설정된 지점(예컨대, 크랭크 핀(5)의 위치로서, X축으로부터의 회전각(θ))을 의미할 수 있고, '속도 피드백'은 크랭크축(4)의 실제 회전 속도로서, 예컨대 상기 임의의 지점(크랭크 핀(5))의 각속도(

)를 의미할 수 있다. 다만 실제의 엔진 대신 이를 모사한 전동기(50)가 사용되고 있으므로, 일 실시예에서 전동기(50)의 구동축 상의 기설정된 임의의 지점의 위치(회전 각도)를 위치 피드백으로 사용하거나 또는 속도 피드백을 적분한 값을 위치 피드백으로 사용할 수 있으며, 전동기(50) 구동축의 회전 속도를 속도 피드백으로 사용할 수 있다. 따라서 예컨대 구동 드라이버(30)가 전동기(50)의 현재 속도(속도 피드백)를 토크 제어기(10)로 전달하면, 토크 제어기(10)가 이 속도값 및 이를 적분한 값을 각각 속도 피드백 및 위치 피드백으로 사용할 수 있다.

관성토크 산출 모듈(120)은 모사하는 소정 엔진의 크랭크 기구부에 의한 관성 토크(τ_L)를 산출하는 모듈이다. 일 실시예에서 관성토크 산출 모듈(120)은 엔진 파라미터 및 전동기의 속도 피드백을 수신하고 이에 기초하여 관성 토크를 산출할 수 있다.

그 후 기준토크 산출부(100)는 구동토크 산출 모듈(110)과 관성토크 산출 모듈(120)에서 각각 산출된 구동 토크(τ_P)에서 관성 토크(τ_L)를 뺀 값을 계산하여 이를 기준 토크로서 산출한다.

기준 토크는 엔진의 해당 기통에서 생성될 수 있는 순(net) 토크이며, 이와 같이 각 기통마다 산출된 기준 토크를 합산한 값이 도1에서의 토크 제어신호가 된다. 즉 도4를 참조하여 후술하겠지만, 만일 4기통 엔진의 경우 토크 제어부(10)는 각 기통마다 해당 기통의 기준 토크를 산출하는 기준토크 산출부(100, 200, 300, 400)를 포함하며, 각 기준토크 산출부(100, 200, 300, 400)에서 산출되는 기준 토크를 합산한 값을 토크 제어신호로서 출력한다.

한편 기준토크 산출부(100)는 엔진 파라미터, 속도지령, 및 전동기 구동축의 속도 피드백과 위치 피드백에 기초하여 기준 토크를 산출하도록 프로그램된 알고리즘(소프트웨어) 및 이 알고리즘을 실행하기 위한 프로세서, 메모리 등의 하드웨어로 구현될 수 있고, 이러한 하드웨어는 예컨대 마이크로컨트롤러나 FPGA 등으로 구현될 수 있다.

도4는 일 실시예에 따른 토크 제어기(10)의 예시적 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도시한 실시예에서 토크 제어기(10)가 4기통 엔진에 적용된다고 가정하여 4개의 기준토크 산출부(100, 200, 300, 400)를 구비하고 있다.

각각의 기준토크 산출부(100, 200, 300, 400)는 동일한 구성을 가질 수 있으며 이하에서는 첫번째 기준토크 산출부(100)를 위주로 설명하기로 한다. 기준토크 산출부(100)는 엔진 파라미터, 속도지령, 및 전동기 구동축의 속도 피드백과 위치 피드백에 기초하여 기준 토크를 산출한다.

기준토크 산출부(100)는 구동토크 산출 모듈(110)과 관성토크 산출 모듈(120)을 포함할 수 있다. 구동토크 산출 모듈(110)은 모사하고자 하는 엔진의 연료 연소에 의해 생성되는 구동 토크(τ_P)를 산출하도록 구성되며, 도4의 실시예에서 연료량 산출부(111), 압력 산출부(113), 및 구동토크 산출부(115)를 포함할 수 있다.

연료량 산출부(111)는 속도지령(목표속도)과 속도 피드백의 차이를 보상하기 위해 필요한 토크에 기초하여 엔진에 주입할 연료량을 산출한다. 예를 들어 연료량 산출부(111)는 목표 속도와 현재 속도의 차이를 보상하여 현재 속도를 목표 속도로 올리기 위해 필요한 토크를 계산하고, 그 후 엔진 파라미터에 기초하여 해당 엔진에서 이 토크를 발생시키기 위한 연료량을 계산할 수 있다.

압력 산출부(113)는 실린더 내부의 압력을 산출한다. 예를 들어 엔진이 4행정 사이클(흡입-압축-폭발-배기) 사이에서 운동할 때 전동기(50) 구동축의 회전 각도(위치 피드백)에 따라 엔진의 실린더 내부 공간의 체적 변화가 발생한다. 따라서 압력 산출부(113)는 연료량 산출부(111)에서 산출된 연료량 및 위치 피드백에 기초하여, 실린더 내부의 체적 변화에 따른 실린더의 압력 변화를 연산할 수 있다.

한편 도4에 도시한 것처럼 위치 피드백(θ)이 압력 산출부(113)에 입력되기 전에 가산부(130)에서 위치 옵셋이 위치 피드백에 가산될 수 있다. 위치 옵셋은 예컨대 4기통 엔진의 경우 각 기통마다 기설정된 지점(예컨대 크랭크 핀(5))의 위치가 상이한 것을 반영하기 위한 것이다. 예를 들어 4기통 엔진에서 제1 기통에서의 크랭크 핀(5)의 위치를 기준 위치로 할 경우 제2 내지 제4 기통에서의 크랭크 핀(5)의 각각의 상대적 위치(회전 각도)가 각 기준토크 산출부(200, 300, 400)에서의 위치 옵셋이 될 수 있다.

구동토크 산출부(115)는 엔진의 각 기통에서의 구동 토크(τ_P)를 산출한다. 일 실시예에서 구동토크 산출부(115)는 압력 산출부(113)에서 산출된 실린더 내부 압력에 및 위치 피드백에 기초하여 구동 토크를 산출할 수 있다. 즉 위치 피드백으로부터 크랭크 핀(5)의 위치 및 이에 따른 피스톤(2)의 위치 등을 알 수 있고 이 때의 실린더 내부 압력은 압력 산출부(113)에서 산출하여 알 수 있으므로, 실린더 내부의 압력에 의해 엔진의 크랭크축(4)에 가해지는 구동 토크(τ_P)를 계산할 수 있다.

관성토크 산출 모듈(120)은 모사하고자 하는 엔진의 크랭크 기구부에 의한 관성 토크(τ_L)를 산출하도록 구성되며, 도4의 실시예에서 필터부(121), 크랭크 기구 연산부(123), 및 관성토크 산출부(125)를 포함할 수 있다.

필터부(121)는 속도 피드백에서 노이즈를 제거하기 위해 선택적으로 부가될 수 있다. 일 실시예에서 필터부(121)로서 저역 통과(low-pass) 필터가 사용될 수 있다.

크랭크 기구 연산부(123)는 모사하고자 하는 엔진의 크랭크 기구부의 구동 변위를 연산한다. 여기서 '크랭크 기구부'는 엔진의 관성 토크에 영향을 주는 엔진 구성부품(예컨대 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크 축 등)을 의미할 수 있고, 크랭크 기구 연산부(123)는 이러한 엔진 구성부품들 간의 기구학적 관계식을 통해 전동기(50)의 회전 각도에 따른 엔진 구성부품들의 변위를 연산할 수 있다.

관성토크 산출부(125)는 크랭크 기구 연산부(123)에서 연산된 크랭크 기구부의 구동에 필요한 토크를 산출한다. 일 실시예에서 관성토크 산출부(125)는 역동역학(inverse dynamics) 기법에 의해 토크를 산출한다. 일반적으로 구동계를 해석할 때 외부로부터 힘이 가해질 때 힘에 의하여 발생하는 물체의 운동을 해석하는 것을 정동역학(forward dynamics)이라 하고, 반대로 물체가 주어진 경로나 궤적을 따라 운동하도록 하기 위해 구동계에 가해주어야 할 힘을 구하는 것을 역동역학이라 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 크랭크 기구 연산부(123)를 통해 크랭크 기구부의 변위(예컨대 크랭크 축의 회전 속도)를 알게 되었으므로, 관성토크 산출부(125)는 역동역학 방식에 의해 이 주어진 회전 속도로 크랭크 축을 회전시키기 위한 토크를 산출할 수 있고, 이렇게 산출된 토크가 관성 토크(τ_L)로서 출력된다.

그 후 기준토크 산출부(100)는 구동 토크(τ_P)에서 관성 토크(τ_L)를 뺀 순(net) 토크를 기준 토크로서 출력한다. 기준 토크는 엔진의 해당 기통에서 생성되는 순 토크이며, 도4에 도시한 것처럼 4기통 엔진의 경우 각 기통의 기준토크 산출부(100, 200, 300, 400)마다 기준 토크를 산출한다. 토크 제어기(10)는 각 기준토크 산출부에서 산출되는 기준 토크들을 합산하여 토크 제어신호를 생성하고, 도1에 도시한 것처럼 이 토크 제어신호를 구동 드라이버(30)에 인가할 수 있다.

도5와 도6은 속도지령(목표 속도)을 2000 rpm으로 설정한 경우의 토크 제어기(10)에서 생성되는 토크를 나타내는 그래프로서, 도5는 하나의 기통에 대한 기준토크 산출부(100)에서 생성되는 기준 토크를 나타내고 도6은 4기통 엔진에서의 4개의 기준토크 산출부(100,200,300,400)에서 생성되는 기준 토크를 합산한 토크를 나타낸다.

우선 도5를 참조하면, 빨간색 그래프가 예컨대 도3의 구동토크 산출 모듈(110)에서 산출된 구동 토크(τ_P)이고 파란색 그래프가 관성토크 산출 모듈(120)에서 산출된 관성 토크(τ_L)이며, 검은색 그래프가 구동 토크(τ_P)에서 관성 토크(τ_L)를 뺀 차이(τ_P-τ_L)로서 기준 토크를 의미한다.

도6을 참조하면, 파란색 그래프는 4기통 중 제1 기통(Cyl #1)에서 산출되는 기준 토크이고, 하늘색 그래프는 제2 기통(Cyl #2)의 기준 토크, 그리고 녹색과 노란색은 각각 제3 기통(Cyl #3)과 제4 기통(Cyl #4)에서 산출되는 기준 토크를 의미한다. 그리고 검은색 그래프가 이 4개의 기준 토크를 합산한 값으로서 4기통 엔진 전체에서 생성되는 순 토크이며, 도1에서 구동 드라이버(30)로 인가되는 토크 제어신호가 된다.

이와 같이 도5와 도6의 그래프에 따르면 본 발명의 토크 제어기(10)가 실제 엔진을 모사하여 실제 엔진에서 발생하는 토크 리플을 잘 재현해 내었음을 알 수 있다.

이제 도7과 도8을 참조하여 일 실시예에 따른 시험용 기어를 구동하는 방법을 간략히 설명하기로 한다.

도7은 일 실시예에 따른 도1의 기어 시험 장치를 이용하여 시험용 기어를 시험하는 방법의 흐름도이다. 우선 단계(S10)에서, 토크 제어기(10)에서 토크 제어신호를 생성한다. 이를 위해, 상술한 것처럼 토크 제어부(10)가 주 제어부(20)로부터 속도 지령과 엔진 파라미터를 입력받고 구동 드라이버(30)로부터 속도 피드백을 수신하여 이에 기초하여 토크 제어신호를 산출한다.

이와 관련하여 도8은 일 실시예에 따라 토크 제어신호를 산출하는 단계(S10)의 예시적 방법을 나타낸다. 토크 제어기(10) 내의 구동토크 산출 모듈(110)이 엔진의 연료 연소에 의해 생성되는 구동 토크를 산출하고(S110), 이와 동시에 또는 순차적으로, 관성토크 산출 모듈(120)이 엔진의 크랭크 기구부에 의한 관성 토크를 산출한다(S120). 그 후 구동 토크와 관성 토크의 차이를 계산하여 기준 토크를 산출하며(S130), 이러한 연산 동작을 엔진의 각 기통마다 수행하여 각 기통마다의 기준 토크를 산출한 뒤 산출된 기준 토크들을 합산하여 토크 제어신호를 생성한다(S140).

다시 도7을 참조하면, 단계(S10)에서 토크 제어신호를 산출한 후, 토크 제어기(10)는 이 토크 제어신호를 구동 드라이버(30)에 인가한다. 구동 드라이버(30)는 이 토크 제어신호에 기초하여 전동기(50)를 구동한다(S30). 전동기(50)의 구동에 의해 전동기(50)에 연결된 시험용 기어(80)가 구동하며, 시험용 기어(80)를 구동하는 상태에서 기어의 소음이나 진동, 내구성 등 기어(80)의 운동 특성을 측정하고 시험할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면 실제 엔진을 사용하지 않는 대신 전동기가 실제 엔진을 모사할 수 있도록 구성함으로써, 실제 엔진에서 발생하는 매연이나 소음 없이 실내 시험공간에서도 기어를 시험할 수 있고 또한 엔진 파라미터나 제어 알고리즘의 변경에 의해 다양한 사양의 엔진을 모사하여 시험할 수 있으며 시험 장치가 차지하는 공간을 줄이고 운용 비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.

본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 토크 제어기
20: 주 제어부
30: 구동 드라이버
40: 전원
50: 전동기
80: 시험용 기어
100, 200, 300, 400: 기준토크 산출부
110: 구동토크 산출 모듈
120: 관성토크 산출 모듈

Claims

기어를 시험하기 위한 기어 시험 장치로서,
시험대상인 시험용 기어를 구동하기 위한 전동기(50);
상기 전동기의 구동을 제어하는 구동 드라이버(30); 및
하나 이상의 기통으로 구성되는 소정 사양의 엔진의 동작을 모사하여 이 엔진에서 발생하는 토크 리플을 포함하는 토크 제어신호를 생성하고 이 토크 제어신호를 상기 구동 드라이버에 인가하는 토크 제어기(10);를 포함하고,
상기 토크 제어기(10)는, 상기 엔진의 기통마다 해당 기통에서 발생하는 토크 리플을 포함하는 기준 토크를 산출하는 기준토크 산출부(100,200,300,400)를 포함하고,
각각의 기준토크 산출부는, 상기 엔진의 연료 연소에 의해 생성되는 구동 토크(τP)를 산출하는 구동토크 산출 모듈(110)을 포함하며,
상기 구동토크 산출 모듈(110)이, 상기 엔진의 엔진 파라미터, 전동기 구동축의 목표속도, 및 전동기 구동축의 속도 피드백과 위치 피드백에 기초하여 상기 구동 토크를 산출하고,
각 기준토크 산출부는 이 구동 토크에 기초하여 기준 토크를 산출하고, 각 기준토크 산출부에서 산출된 기준 토크의 합을 상기 토크 제어신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 기어 시험 장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 각각의 기준토크 산출부는,
상기 엔진의 크랭크 기구부에 의한 관성 토크(τ_L)를 산출하는 관성토크 산출 모듈(120);을 더 포함하고,
상기 기준 토크는 상기 구동 토크와 관성 토크의 차이인 것을 특징으로 하는 기어 시험 장치.
삭제
제 3 항에 있어서, 상기 구동토크 산출 모듈(110)이,
상기 목표속도와 상기 속도 피드백의 차이를 보상하기 위해 필요한 토크에 기초하여 상기 엔진에 주입할 연료량을 산출하는 연료량 산출부(111);
상기 엔진의 실린더 내부의 압력을 산출하는 압력 산출부(113); 및
상기 실린더 내부의 압력에 의해 엔진의 크랭크축에 가해지는 토크를 산출하는 구동토크 산출부(115);를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 시험 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 관성토크 산출 모듈(120)이, 상기 엔진의 엔진 파라미터, 및 전동기 구동축의 속도 피드백과 위치 피드백에 기초하여 상기 관성토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 기어 시험 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 관성토크 산출 모듈(120)이,
상기 전동기의 회전에 따른 상기 엔진의 크랭크 기구부의 구동 변위를 연산하는 크랭크 기구 연산부(123); 및
연산된 상기 크랭크 기구부의 구동에 필요한 토크를 산출하는 관성토크 산출부(125);를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 시험 장치.
기어를 시험하기 위해 기어를 구동하는 방법으로서,
하나 이상의 기통으로 구성되는 소정 사양의 엔진의 동작을 모사하여 이 엔진에서 발생하는 토크 리플을 포함하는 토크 제어신호를 생성하는 단계;
시험용 기어에 연결된 전동기를 구동하는 구동 드라이버에 상기 토크 제어신호를 인가하는 단계; 및
상기 구동 드라이버가 상기 토크 제어신호에 기초하여 상기 전동기를 구동하는 단계;를 포함하고,
상기 토크 제어신호를 생성하는 단계가, 상기 엔진의 기통마다 해당 기통에서 발생하는 토크 리플을 포함하는 기준 토크를 산출하는 단계; 및 산출된 각각의 기준 토크를 합하는 단계;를 포함하고,
상기 기준 토크를 산출하는 단계에서, 상기 엔진의 엔진 파라미터, 전동기 구동축의 목표속도, 및 전동기 구동축의 속도 피드백과 위치 피드백에 기초하여 상기 엔진의 연료 연소에 의해 생성되는 구동 토크(τP)를 산출하고 이 구동 토크에 기초하여 기준 토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 시험용 기어 구동 방법.
삭제
제 8 항에 있어서, 상기 기준 토크를 산출하는 단계가,
상기 엔진의 크랭크 기구부에 의한 관성 토크(τL)를 산출하는 단계; 및
상기 구동 토크와 관성 토크의 차이를 계산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 기어 구동 방법.
삭제
제 10 항에 있어서, 상기 구동 토크를 산출하는 단계가,
상기 목표속도와 상기 속도 피드백의 차이를 보상하기 위해 필요한 토크에 기초하여 상기 엔진에 주입할 연료량을 산출하는 단계;
상기 엔진의 실린더 내부의 압력을 산출하는 단계; 및
상기 실린더 내부의 압력에 의해 엔진의 크랭크축에 가해지는 토크를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 기어 구동 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 관성토크를 산출하는 단계가, 상기 엔진의 엔진 파라미터, 및 전동기 구동축의 속도 피드백과 위치 피드백에 기초하여 관성토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 시험용 기어 구동 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 관성토크를 산출하는 단계가,
상기 전동기의 회전에 따른 상기 엔진의 크랭크 기구부의 구동 변위를 연산하는 단계; 및
연산된 상기 크랭크 기구부의 구동에 필요한 토크를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험용 기어 구동 방법.