철도차량의 주행안전성과 승차감을 결정하는데 있어서 현가장치는 중요한 요소이며, 현가장치 강성은 차량 설계 단계의 중요한 설계변수이다. 고속에서의 주행안전성을 위해 1차 현가장치에 강한 강성을 부여하는데 이는 곡선 주행성능을 감소시키는 단점이 있어 주행안전성과 곡선주행성능을 절충하면서 현가장치의 강성을 조절하고 있다. 본 연구에서는 철도차량의 현가장치 강성을 변화시켜 가면서 주행안전성 향상을 위한 현가장치를 최적화하는데 목적을 두고 있다. 현가장치 최적화를 위해 1, 2차 현가장치의 위치 및 길이, 폭, 강성, 감쇠력 등을 설계 변수로 하여 해석을 진행하였다. 현가장치 최적화 해석결과, 1, 2축 내 외측 차륜의 탈선계수 값이 초기 모델과 비교하여 감소한 결과를 확인할 수 있었다.
철도차량의 주행안전성과 승차감을 결정하는데 있어서 현가장치는 중요한 요소이며, 현가장치 강성은 차량 설계 단계의 중요한 설계변수이다. 고속에서의 주행안전성을 위해 1차 현가장치에 강한 강성을 부여하는데 이는 곡선 주행성능을 감소시키는 단점이 있어 주행안전성과 곡선주행성능을 절충하면서 현가장치의 강성을 조절하고 있다. 본 연구에서는 철도차량의 현가장치 강성을 변화시켜 가면서 주행안전성 향상을 위한 현가장치를 최적화하는데 목적을 두고 있다. 현가장치 최적화를 위해 1, 2차 현가장치의 위치 및 길이, 폭, 강성, 감쇠력 등을 설계 변수로 하여 해석을 진행하였다. 현가장치 최적화 해석결과, 1, 2축 내 외측 차륜의 탈선계수 값이 초기 모델과 비교하여 감소한 결과를 확인할 수 있었다.
A suspension is the most prior apparatus to decide vehicle's running safety and ride comfort, also the suspension stiffness is the most important parameter for the designing of the vehicle. Providing the strong stiffness with the primary suspension in order to improve the running safety with high sp...
A suspension is the most prior apparatus to decide vehicle's running safety and ride comfort, also the suspension stiffness is the most important parameter for the designing of the vehicle. Providing the strong stiffness with the primary suspension in order to improve the running safety with high speed, but it causes a problem with a curve running performance of a railway vehicle. Therefore, many studies deal with the optimal value of suspension stiffness. In this paper, we aim to optimize the suspension system to improve running safety by varying stiffness values of railway vehicle suspension. We have proceeded an analysis by design variables which are position, length, width, stiffness and damping coefficients of primary and secondary suspension to optimize the suspension characteristics. As a result of the optimization, we verified that the derailment coefficients of inside and outside of wheel are decreased in comparison with initial model.
A suspension is the most prior apparatus to decide vehicle's running safety and ride comfort, also the suspension stiffness is the most important parameter for the designing of the vehicle. Providing the strong stiffness with the primary suspension in order to improve the running safety with high speed, but it causes a problem with a curve running performance of a railway vehicle. Therefore, many studies deal with the optimal value of suspension stiffness. In this paper, we aim to optimize the suspension system to improve running safety by varying stiffness values of railway vehicle suspension. We have proceeded an analysis by design variables which are position, length, width, stiffness and damping coefficients of primary and secondary suspension to optimize the suspension characteristics. As a result of the optimization, we verified that the derailment coefficients of inside and outside of wheel are decreased in comparison with initial model.
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문제 정의
본 연구에서는 철도차량의 주행안전성 향상을 위한 최적화 연구로서 틸팅 링크 및 조향시스템으로 구성된 대차시스템의 동역학 해석과 그에 따른 현가장치 최적화 연구를 수행하기 위해 승차감, 주행안전성 해석을 수행하여 다음과 같은 결론은 얻었다.
본 연구에서는 철도차량의 현가장치 강성을 변화시켜 가면서 주행안전성 향상을 위한 현가장치를 최적화하는데 목적을 두고 있다. 현가장치 최적화를 위해 1, 2차 현가장치의 위치 및 길이, 폭, 강성, 감쇠력 등을 설계 변수로 하여 해석을 수행하였다.
제안 방법
Table 4와 같이 전방 대차 내·외측 차륜의 탈선계수를 목적함수로 정하였다. Table 5와 같이 1, 2차 현가장치의 위치, 길이, 폭, 강성, 댐핑값 등 다양한 탈선계수에 영향을 미치는 인자 중 주요 인자 18개를 설계변수로 선정하고 Monte Carlo 최적화 기법을 사용하여 해석을 수행하였다.
곡선부에서 철도차량의 주행안전성 향상을 위해 곡선반경 R250, 캔트 150mm, 속도 60km/h의 해석조건에서 일반대차와 틸팅대차의 동역학 해석을 수행하였다. 여기서 일반대차는 새마을호 객차에 사용되고 있는 볼스터리스 대차이다.
설계변수는 2차 현가장치의 강성 및 댐핑값으로 정하고 DOE Response Surface 기법을 사용하여 각각의 초기 대비 ±10% 이내에서 해석을 수행하였다.
주행안전성 해석은 곡선반경 R250, 캔트 150mm, 속도 66 km/h의 해석조건에서 수행하였다. Table 4와 같이 전방 대차 내·외측 차륜의 탈선계수를 목적함수로 정하였다.
철도차량의 주행안전성 향상을 위한 현가장치 최적화 연구는 승차감 및 주행안전성 해석을 통하여 수행하였다. 최적화 기법은 ADAMS/Insight를 사용하여 각 설계변수의 대한 영향도 및 최적화 값을 찾는 방법을 선택하였다[5].
본 연구에서는 철도차량의 현가장치 강성을 변화시켜 가면서 주행안전성 향상을 위한 현가장치를 최적화하는데 목적을 두고 있다. 현가장치 최적화를 위해 1, 2차 현가장치의 위치 및 길이, 폭, 강성, 감쇠력 등을 설계 변수로 하여 해석을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 철도차량 동특성 해석을 위한 상용 소프트웨어인 VI-Rail를 이용하였으며 새마을호 객차용 차체와 틸팅 링크 및 조향시스템으로 구성된 대차를 연결하여 Fig. 1과 같이 철도차량 1량을 모델링하였다[2].
이론/모형
철도차량의 주행안전성 향상을 위한 현가장치 최적화 연구는 승차감 및 주행안전성 해석을 통하여 수행하였다. 최적화 기법은 ADAMS/Insight를 사용하여 각 설계변수의 대한 영향도 및 최적화 값을 찾는 방법을 선택하였다[5].
성능/효과
1. 틸팅대차가 일반대차에 비해 공격각, 탈선계수, 횡가속도 모두 작은 값을 나타내고 있으며, 이는 대차에 틸팅 링크 및 조향 대차 시스템이 적절하게 설계되어 철도차량이 곡선부에서 안전하게 주행하는 것을 확인 할 수 있었다.
2. 현가장치의 댐핑값의 영향이 강성 대비 약 9.16%를 나타내므로 이는 승차감 개선을 위해 차체의 수직가속도 성분 감소가 필요하므로 2차 현가장치 강성 보다 댐핑 값을 조절하는 것이 최적화에 유리할 것으로 판단된다.
3. 틸팅대차의 경우 Steering Link Length 값이 주행안전성에 크게 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 또한 현가장치 최적화 결과에 따라 개선 전후 대비하여 약 15% 정도 탈선계수가 개선된 것을 확인할 수 있었다.
틸팅대차의 경우 Steering Link Length 값이 주행안전성에 크게 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 또한 현가장치 최적화 결과에 따라 개선 전후 대비하여 약 15% 정도 탈선계수가 개선된 것을 확인할 수 있었다.
전·후방대차의 횡가속도 경우 8초 이후 틸팅대차의 횡가속도가 0이 되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 대차에 틸팅 링크 및 조향 대차 시스템이 적절하게 설계되어 철도차량이 곡선부에서 안전하게 주행하는 것을 확인 할 수 있었다.
7은 현가장치 최적화 결과에 따른 차체의 수직가속도 결과값을 보여주고 있다. 차체의 수직가속도는 초기 대비하여 약 5% 정도 승차감 개선이 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
주행안전성 해석결과, Table 6은 설계변수에 따른 영향도 및 최적화 결과를 나타내고 있다. 특히 틸팅대차의 Steering Link Length 값이 크게 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
8은 현가장치 최적화 결과에 따른 전방대차 내·외측 차륜의 탈선계수 결과를 나타내고 있고, Table 7은 탈선계수의 해석 결과값을 수치적으로 정리하였다. 현가장치의 최적화 전후 대비하여 약 15% 정도 탈선계수가 작아진 것을 확인할 수 있다.
후속연구
16%를 나타내고 있다. 이는 승차감 개선을 위해 차량설계시에 차체의 수직가속도 성분 감소가 필요하므로 2차 현가장치 강성보다 댐핑값을 조절하는 것이 최적화에 유리할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
1차 현가장치에 강한 강성을 부여할 떄의 단점은 무엇인가?
고속에서의 주행안전성을 위해 1차 현가장치에 강한 강성 을 부여하는데 이는 곡선주행성능을 감소시키는 단점이 있어 주행안전성과 곡선주행성능을 절충하면서 현가장치의 강성을 조절하고 있다[1]. 따라서 곡선부에서의 속도 향상을 위하여 현가장치의 설계변수에 대한 검토가 필요할 뿐만 아니라 철도차량의 주행안전성 대한 연구가 필요하다.
철도차량의 주행안전성과 승차감을 결정한 중요한 설계변수는 무엇인가?
철도차량의 주행안전성과 승차감을 결정하는데 있어서 현가장치는 중요한 요소이며, 현가장치 강성은 차량 설계 단계의 중요한 설계변수이다. 고속에서의 주행안전성을 위해 1차 현가장치에 강한 강성을 부여하는데 이는 곡선 주행성능을 감소시키는 단점이 있어 주행안전성과 곡선주행성능을 절충하면서 현가장치의 강성을 조절하고 있다.
참고문헌 (10)
현석, 엄범규, 이희성(2008), “현가장치 강성변화에 따른 주행안전성 해석에 관한 연구,” 한국철도학회 추계학술대회 논문집, pp.1622-1627
VI grade(2008), “ADAMS/Rail 2005 R2. 11.0 documentation.”
Evert Andersson, Anneli Orvnaas, and Rickard Persson(2009), “On the optimization of a track-friendly bogie for high speed,” Proceedings of the 21st International Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks, IAVDS '09
Yohei Michitsuji and Yoshihiro Suda(2004), “Evaluation of running motion for railway vehicle with controlled single-axle bogies,” Preceeding of ACMD, pp.377-382
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