도시철도 차량의 차륜마모에 따른 횡가속도 패턴 분석

양칠식 서울産業大學校 鐵道專門大學院 2007 국내석사

철도 차량은 자체구동력과 전차선 및 레일의 상호작용에 의해서 움직인다. 특히 도시철도는 다른 철도에 비해 1량당 많은 승객을 운송하는 교통수단이다. 도시철도의 운행노선은 대부분의 도심을 통과하며 정거장 거리가 가깝다. 그로 인하여 급곡선 운행과 정지, 추진의 잦은 반복으로 차량과 레일의 상호작용을 정밀하게 분석이 요구된다. 차량의 차륜과 지상의 레일의 상호작용은 도시철도 차량의 차륜 유지보수와 주행안전성 유지에 매우 중요한 요소이다. 도시철도의 차륜이 소모되는 주원인은 차륜 직경의 마모량보다 후렌지 마모로 인한 답면 원형 복원을 위한 삭정량의 영향이 훨씬 더 크다. 차륜 후렌지 마모가 윤축의 움직임에 어떠한 영향을 미치는지를 차량 주행 시험과 프로그램 시뮬레이션으로 연구하였다. 전산해석 프로그램은 철도차량 동특성 분석에 널리 쓰이고 있는 VAMPIR를 사용 하였다. 본 연구에서는 윤축의 동특성을 확인하기 위하여 상업운행과 같은 조건으로 주행하면서 윤축의 축상(axle box)부에서 상하 및 좌우방향 진동 특성을 확인하였다. 차량주행시험은 두 가지 유형으로 나눠서 실시하였다. 마모되지 않는 원형차륜의 차량과 차륜 후렌지 두께가 수직으로 마모된 차량을 동일 시험구간에 동일한 속도로 운행하면서 측정하였다. 측정 데이타의 분석은 차축에서 측정된 가속도를 RMS, 최대값, PSD 3가지 방법으로 실시하였다. 그 결과 후렌지 두께가 수직 마모된 차륜은 등가 답면 구배, 구름반경, 레일과 접촉점등이 마모 되지 않는 원형차륜보다 변형이 많았다. 또한 횡가속도의 전산해석 결과와 차량주행시험 횡가속도의 패턴이 일치함을 확인 하였다. 곡선구간에서는 원형차륜의 횡가속도가 마모차륜보다 크고 직선구간에서는 마모차륜이 원형차륜보다 횡가속도 크기가 크게 나타났다. 이것은 곡선구간에서 원형차륜 마모가 빈번하게 일어나고 있음을 알 수 있었다. 곡선구간의 관리가 차륜마모에 지대한 영향을 미치고 있는 것을 확인할 수 있었다. A geometric contact conditions of wheel/rail affect the dynamic behavior of rolling stock. Mechanical force acted on the wheel/rail causes excessive wear and increase the maintenance cost. In this study, we have studied the dynamic behavior of the urban railway vehicle with new and worn wheel by VAMPIRE program. And we have tested the accelerations of wheelset on the conventional line. The results of simulation are compared with the measuring data of field test. It shows that the acceleration of worn wheel is greater than the acceleration of new wheel in the straight track line but on the contrary, the acceleration of new wheel is greater than the acceleration of worn wheel in curved track. That results explain that the new wheel is worn out greater than the worn wheel in curved track line and need to be maintained more seriously when running in curved track line.

PCTC 선박의 Racking 해석을 위한 횡동요각 및 횡가속도 추정식 개발

박우진 한국해양대학교 대학원 2021 국내석사

자동차 전용운반선인 PCTC에서는 Side Frame과 Deck Transverse가 만나는 위치, Pillar와 각 Deck가 만나는 위치 등과 같이 구조부재가 직교하여 만나는 위치에서 다양한 손상이 발생하고 있다. 이 손상들의 원인은 그 동안 각 선급 협회, 설계자, 선주들에 의하여 PCTC의 대표적인 선체거동인 Racking 변형에 의한 것으로 알려져 있다. DNV 선급에서는 PCTC의 Racking 변형을 쉽게 구현할 수 있는 규칙을 가지고 있으며, 조선소에서는 이 규칙을 PCTC의 구조강도 평가에 활용해 오고 있다. 그러나 이 규칙의 수식은 모든 선종에 공통으로 적용되는 가속도 수식을 사용하고 있으며, Racking과 관계된 손상 또한 지속적으로 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 DNV 선급 규칙의 Racking 구현컨셉을 벤치마킹하고, IACS Harmonized Common Structural Rules의 수식을 추정식의 기본 형태로 이용하여 PCTC에 적합한 횡요각 및 횡가속도 추정식을 개발하였다. 본 연구에서 PCTC의 운동해석 및 장기해석은 한국선급에서 직접 개발한 KR-3D 프로그램을 사용하였으며, 장기해석을 위한 파랑자료는 IACS Rec, No. 34 의 북대서양 해역에 대한 자료를 사용하였다. On the PCTCs, which are designed pure car and truck loading, various damages have occurred during operation at various locations, such as where the side frame meets the deck transverse, where the pillar meets each deck meet. The causes of these damages have been known to be due to racking deformation, the typical hull behavior of PCTC, by the Classification Societies, designers and owners. The classification society, DNV, already has rules that can easily implement racking deformation of PCTC, and shipyards have been using these rules for PCTC structural strength evaluation. However, the formula in this rule uses the acceleration formula that is common to all ship types, and damage related to racking is also occurring continuously. Therefore, in this study, the racking implementation concept of the DNV rules was benchmarked and the equations of the IACS Harmonized Common Structural Rules were used as the basic form to develop the roll angle and transverse acceleration estimation formulas suitable for PCTC. In addition, in this study, the KR-3D program developed by the Korean Register of Shipping was used for the motion analysis and long-term analysis of the PCTC, and the wave data for long-term analysis were used for North Atlantic of IACS Rec, No.34.

스테빌라이저 바의 유연성을 고려한 버스 조종 안정성에 관한 연구

임동진 전남대학교 대학원 2020 국내박사

차량의 조정 안정성 및 승차감은 현가장치의 기구학 및 컴플라이언스(K&C, Kinematics & Compliance) 특성에 의해 주로 지배 받으며 차량의 초기 개발단계에서 이와 관련된 CAE(Computer-Aided Engineering) 기술의 활용이 일반화 되고 있다. 특히 차량 샤시 시스템의 다물체 동역학 해석(Multi-body dynamic analysis)은 차량의 초기 개발단계인 설계과정에서 널리 사용되고 있다. 차량 샤시 시스템 해석은 현가장치의 준정적 해석(Quasi-static analysis)과 차량 동역학 해석(Vehicle dynamic analysis)으로 구분 할 수 있으며, 이들 해석을 통한 차량의 조종 안정성 및 승차감의 정확한 평가는 개발 차량의 기간 단축 및 비용 절감에 중요한 역할을 한다. 이후 실차 주행시험은 차량 샤시 시스템 해석 모델에 대한 평가 결과의 유효성을 검증하는 중요한 수단이다. 일반적으로 차량이 굽은 도로를 회전하거나 선회시 횡 방향 힘에 의하여 차체에는 롤(Roll)이 발생하여 선회력(Cornering force)을 감소시키며, 특히 차고가 높은 자동차인 경우에 급 선회시 롤 오버(Roll over)를 유발시켜 전복되는 경우가 있다. 이와 같이 과도한 롤이 생기는 경우에는 조종 안정성과 승차감에 악영향을 미치므로 롤을 줄이는 것은 매우 중요하다. 본 논문에서는 전방엔진-후륜구동(FR ; Front engine - Rear drive) 중형버스에 대하여 롤 레이트(Roll rate) 향상을 통한 만족스러운 조정 안정성을 얻기 위하여 스테빌라이저 바를 사용한다. 스테빌라이저 바는 안티롤바(Anti-roll bar)라고도 불리며, 차량 선회시 원심력에 의해 롤이 발생하는 경우나 도로 위 범프에 의해 한쪽 차륜만 높아지는 경우에 양 끝단에서 비틀림 각이 발생하게 된다. 이 때 생성된 토크는 양쪽 차륜이 같은 높이가 되도록 하여 차량의 과도한 롤을 억제시키며, 차량의 안정적 거동에 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 이러한 스테빌라이저 바의 롤 강성(Roll stiffness)을 정확하게 구현하기 위해 보 요소의 개수에 따른 4가지 보 요소 모델(이하 Beam model)을 고려하여, 스테빌라이저 바 단품의 롤 강성 시험결과와 각 Beam model의 롤 강성 해석 결과를 상호 비교하여 적절한 보 요소 모델링 방법을 제시하였다. 그리고 스테빌라이저 바 모델링에 대한 최적의 Beam model과 이전 연구자들에 의해 수행 되어왔던 모델링 방법인 회전 비틀림 스프링을 이용한 모델(이하 Kt model), 그리고 부싱 강성을 고려한 모델(이하 Bushing model)에 대하여 각각 전방 현가장치의 서브 해석모델을 구성한 후, 준정적 해석을 수행하여 현가 컴플라이언스 특성들을 고찰하였다. 이에 대한 결과 비교를 통해 Beam model이 Kt model 및 Bushing model과 비교하여, 보 요소 자체의 유연성(Flexibility)으로 인해 스테빌라이저 바의 비틀림과 굽힘 현상을 잘 반영함을 알 수 있었다. 마지막으로 Beam model은 112 자유도, Kt model은 73 자유도, 그리고 Bushing model은 77 자유도를 갖는 전체 차량 모델을 구성하였으며, 전체 차량의 동적 특성 검토를 위하여 차선변경 해석을 수행하여 이 결과를 실차 시험 결과와 비교하였다. 차량 동특성의 4가지 주요 평가 항목인 롤 각(Roll angle) 및 롤 레이트(Roll rate), 그리고 요 레이트(Yaw rate)와 횡 가속도(Lateral acceleration)에 대한 Beam model의 해석 결과 값이 모두 시험 결과에 근접한 경향을 보임을 알 수 있었다. 결론적으로 본 논문에 적용된 스테빌라이저 바의 보 요소 모델링 방법(Beam modeling method)은 그 해석의 타당성과 신뢰성을 바탕으로 다른 샤시 부품들에도 적용 가능함과 동시에 차량의 조종 안정성을 예측하는데 있어 보다 효과적일 것으로 판단된다. The vehicle's handling performance and ride comfort are mainly governed by the kinematics and compliance (K & C) characteristics of the vehicle, and the use of computer-aided engineering (CAE) technology is becoming common in the early stages of vehicle development. In particular, multi-body dynamic analysis of the vehicle is widely used in the design process, which is an early stage of vehicle development. Vehicle's system analysis can be divided into quasi-static analysis and vehicle dynamic analysis of the suspension system. It plays an important role in shortening development period and reducing costs. The real vehicle driving test is then an important means of validating the evaluation results for the vehicle's simulation model. In general, when the vehicle turns a curved road, rolling is occurred in the body due to lateral force, thereby reducing the cornering force. Especially in a high-vehicle garage, roll over may be occurred. In the case of such excessive rolling, it is very important to reduce the rolling because it adversely affects the handling performance and ride comfort. In this paper, a stabilizer bar is used to obtain satisfactory handling performance by improving the roll rate for the front engine-rear drive (FR) medium bus. The stabilizer bar is also called an anti-roll bar, and the torsion angle occurs at both ends when the roll is generated by centrifugal force during vehicle turning or when only one wheel is raised by bumps on the road. At this time, the generated torque keeps both wheels at the same height to suppress excessive roll of the vehicle and plays an important role in the stable behavior of the vehicle. In this paper, in order to accurately implement the roll stiffness of the stabilizer bar, we proposed an appropriate beam element modeling method considering the four beam element models (hereafter, Beam Model) according to the number of beam elements, by comparing the roll stiffness analysis results of the beam model. After constructing a sub-analysis model of the front suspension for the optimal beam model for stabilizer bar modeling and the model using rotating torsion springs (hereafter, Kt model), and the model considering bushing stiffness(hereafter, Bushing model), the suspension compliance characteristics were examined by quasi-static analysis. Compared with the results of the beam model, Kt model and the bushing model, it can be seen that in beam model the torsion and bending characteristics of the stabilizer bar are well reflected due to the flexibility of the beam element itself. Finally, the beam model consists of 112 degrees of freedom, the Kt model of 73 degrees of freedom, and the bushing model of 77 degrees of freedom, and the lane change analysis is carried out to examine the dynamic characteristics of the vehicle. With comparing the results, the beam model results for the four main evaluation items of the vehicle dynamics; roll angle, roll rate, yaw rate and lateral acceleration, have a tends to be close to test results. In conclusion, the beam modeling method of the stabilizer bar applied in this paper can be applied to other chassis parts and be more effective in predicting the handling performance of the vehicle based on the validity and reliability of the analysis.