VPD 기반 고속철도차량용 2차 현가장치의 강성 및 승차감 평가에 관한 연구 = A Study on the Stiffness and Ride Comfort Evaluation of Secondary Suspension Systems for High-Speed Rail Vehicles Based on Virtual Product Development

국문 초록 (Abstract)

고속철도차량의 고속화 기술이 발전함에 따라 승차감과 주행안정성 향 상에 대한 요구가 증가하고 있다. 2차 현가장치인 공기스프링은 철도차 량의 고속 주행 시 발생하는 복잡한 하중 조건에서 진동과 충격을 완화 하는 역할을 한다. 그러나 250km/h의 속도를 초과하는 국내 고속 철도 차량에 적용되는 공기스프링의 기존 연구는 축대칭 2차원 모델이나 경 험적 보정에 의존하여 실제 차량에서 발생하는 비대칭 하중과 거동을 충 분히 반영하지 못했으며, 카카스 코드 각도, 재료 두께, 고무 배합 등 3 차원 설계 인자의 영향 분석은 부족한 실정이다. 이를 해결하기 위해서 는 공기스프링의 형상, 재료 비선형성 및 강성 특성을 정량적으로 평가 하고, 이를 설계와 검증 과정에 연계할 수 있는 가상과 시험 통합 기반 의 설계 절차가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 고속철도차량용 공기스 프링에 대하여 이론적 강성 특성식 평가, 초탄성 재료 거동 평가, 비선형 유한요소 해석을 통한 가상제품 분석과 초탄성 물성치 최적화, 그리고 정 적 시험과 동역학 시뮬레이션 및 현차시험의 과정을 포함한 검증 단계로 구성된 VPD 기반의 체계적인 설계·검증 방법론을 제시한다. 본 연구에서는 3차원 스캔 기반 형상변수를 통해 이론적 수직과 횡방 향 강성 값을 요구사항의 오차범위 내에 충족하여, 3차원 형상의 정합성 을 입증하였다. 등 2축 변위 제어 시험을 통한 응력-변형률 선도와 초탄 성 모델의 상관계수와 제곱 잔차의 합을 이용하여 평가한 결과 Ogden 모델의 재료 상수를 도출하였다. 이의 재료상수를 사용하여 3축 강성을 동시에 만족하기 위한 3차원 비선형 유한요소 해석을 수행하였다. 그리 고 유한요소 해석을 기반으로 에어벨로우 두께, 카카스 코드 직경 및 각 도, 간극과 보조스프링 특성의 기하하적 변수에 대한 수직과 횡 및 비틀 림 강성에 대한 영향성을 분석하였다. 실험계획법 기반의 초탄성 재료 상수의 최적화를 수행하여 5.2bar 압력에서 수직방향 강성 871N/mm, 횡방향 강성 77.7N/mm, 비틀림 방향 강성 123.7Nm/deg이 도출되었다. 설계안을 바탕으로 제작된 시제품 공기스프링은 EN-13597 규격의 조 건하에서 하중 시험을 수행한 결과, 수직강성은 평균값 약 872N/mm, 횡강성은 86N/mm, 비틀림 강성은 118Nm/deg으로 요구사항 강성의 허 용 오차범위 내에 기준을 만족하였다. 검증된 강성 특성을 사용하여 동 역학 시뮬레이션을 수행한 결과, 승차감 지수는 TC1에서 1.21, M’1에서 1.40, M1에서 1.54, M2에서 1.43, M’2에서 1.38 및 TC2에서 1.38로 기준값인 2.5 이하에 만족하였다. 또한, 현차 시험을 수행한 결과, 시제 품이 장착된 TC1 차량에서 상행에서 1.22, 하행에서 1.86, M’1 차량 상행에서 1.74, 하행에서 1.70으로 기준값 이내 범위 수준에서 승차감을 확보함으로써 제안된 설계 방법론의 실효성을 입증하였다. 결론적으로, 본 연구에서 제안한 공기스프링 설계·검증 과정은 이론 모 델 수립, 가상제품 기반 비선형 유한요소 해석, 시험 및 동역학 시뮬레 이션으로 구성된 VPD 절차를 통합적으로 적용하여 목표 강성 구현 가 능성을 실험적으로 입증하였다. 시제품 시험과 동역학 및 현차 검증 결 과를 통해 제안한 공기스프링이 요구성능을 만족함을 확인하였으며, 이 는 고속철도차량용 공기스프링 개발에 있어 가상과 물리 연계 기반의 체 계적인 설계 및 성능 검증 방법론을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 목적 및 필요성 1
• 1.2 연구 동향 4
• 1.3 논문의 구성 8
• Ⅱ. 이론적 해석 10
• 2.1 2차 현가장치 공기스프링 10
• 2.2 이론적 강성 특성식 13
• 2.3 초탄성 거동 모델 및 재료 시편 시험 16
• 2.4 고무해석 및 최적화 20
• Ⅲ. 가상제품 기반 비선형 유한요소 해석 및 최적화 27
• 3.1 이론적 강성 특성식 기반 형상 설계변수 27
• 3.2 기계적 특성 평가 31
• 3.3 비선형 유한요소 해석 34
• 3.4 공기스프링 설계변수 검토 50
• 3.5 공기스프링 초탄성 물성치 최적화 68
• Ⅳ. 시험적 검증 및 시스템 동역학 시뮬레이션 78
• 4.1 공기스프링 시험 결과 검증 78
• 4.2 동역학 시뮬레이션 85
• 4.3 현차시험 93
• Ⅴ. 결론 96