고무부싱의 강성에 따른 복합소재 대차프레임의 차량동역학 해석에 관한 연구 :

김일겸

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김일겸 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 김정석

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

고무부싱의 강성에 따른 복합소재 대차의 동적거동 평가

김일겸 , 김정석 , 이우근 대한기계학회 논문집 A권 2015.03 학술저널

2014

고무부싱의 강성에 따른 복합소재 대차프레임의 차량동역학 해석에 관한 연구

김일겸 대학교 2014.01 학위논문

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최근 철도차량은 최고속도 300km/h 이상의 고속화 및 대용량화를 지향하는 추세이다. 특히, 2007년 프랑스 고속열차인 TGV는 최고시속 570km/h 이상에 도달하였으며 국내에서도 400km/h 급 차세대 고속열차 및 최고 운행속도 300km/h 급의 2층 고속열차 등에 대한 개발이 추진 중이다. 이와 같은 철도차량의 고속화 및 대용량화를 실현하기 위해서 차량경량화는 필수적인 요구조건이다. 대차의 경우 전체 차량무게의 약 35% ~ 40%를 차지하는 고중량 부품이다. 이러한, 대차의 무게 중 대차프레임의 경우 대차 전체 무게의 약 20% 정도를 차지한다. 대차프레임의 경량화는 에너지 비용 및 선로 유지보수비용 절감에 기여하는 기술(Rail-friendly technology)이다.
현재 한국철도연구원에서는 유리섬유/에폭시 복합소재를 이용하여 도시철도용 경량 복합소재 대차프레임을 개발 중이다. 특히, 복합소재 대차프레임의 경우 경량화 뿐만 아니라 프레임 자체가 현가장치 역할을 감당하게 된다. 따라서, 복합소재 대차프레임에 적용되는 복합소재에 대한 진동 및 감쇠특성의 규명은 필수적이다. 정하중 및 피로시험을 통해 복합소재 대차프레임의 신뢰성은 확인한 바 있으며, 1000만 cycle의 피로하중에도 미세균열이 발생하지 않을 만큼 내구성이 우수한 것을 확인하였다.
복합소재 대차프레임은 1차 현가장치가 없는 대신 축상박스와 윤축 사이에 가이드 역할을 수행하는 고무부싱이 체결된다. 본 논문에서는 고무부싱의 강성에 따라서 복합소재 대차프레임을 체결한 철도차량의 주행성능을 분석하였으며, 최적화된 고무부싱의 강성을 제안하였다. 아울러 모드중첩(modal superposition) 이론을 이용하여 시스템의 동적특성을 규명하였으며, 롤러리그 테스트에서 나타난 피크 고유치와 관련된
고유모드를 확인하였다. 피크 고유치 성분은 견인링크와 축상박스의 고무부싱에 의한 효과임을 발견하고, 이에 대한 대책을 제시하였다.

#복합소재 대차프레임 #모드해석 #고무부싱 #차량동역학

1. 서 론 ················································· 1
1.1 연구 동향················································ 1
1.2 연구 목적················································ 3
2. 복합소재 대차프레임의 모달 시험··················· 4
2.1 복합소재 대차프레임의 구조 ························ 4
2.2 동강성 계측 위치 및 환경···························· 7
2.3 수직방향 동특성········································ 8
2.4 수평방향 동특성········································ 12
2.5 복합소재 대차의 유한요소해석······················· 14
3. 차량 동역학 해석····································· 16
3.1 고무부싱 제작 및 물성평가···························· 16
3.2 실험결과·················································· 17
3.3 고무부싱의 횡방향 강성 계산························· 21
3.4 복합소재 대차의 유연체 모델링······················· 26
3.5 다물체 동역학 해석결과································ 30
3.6 주행 안정성 해석······································· 32
3.7 승차감 해석·············································· 34
3.8 곡선 주행성능 해석····································· 38
3.8.1 동적 탈선계수····································· 39
3.8.2 동적 윤중감소율·································· 41
3.8.3 차륜 마모해석····································· 44
3.9 고무부싱 최적화를 위한 고무의 두께 제어········· 45
- vi -
4. 복합소재 대차의 주행 동특성 평가 ·················· 46
4.1 선로 불규칙도에 따른 주행 동특성 평가············ 46
4.2 복합소재 적용 대차프레임의 시스템 해석··········· 50
5. 결 론··················································· 61
참고문헌 ···················································· 63
APPENDIX··················································· 65

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