[논문]TRIZ/CAE를 활용한 철도차량 윤축용 캡의 창의적 설계

허용정; 김재민; 홍성도

doi:10.5762/kais.2013.14.6.2581

초록
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철도차량의 안전성을 위해 사용되는 윤축은 차량 전체 중량의 16%를 차지하는 요소로서, 철도차량의 경량화에 있어 필수적으로 연구되는 대상이다. 본 연구는 기존 윤축의 중량을 요구강도에 만족시킴과 경량화를 목적으로 창의적 문제해결이론인 TRIZ의 6SC를 적용하여 중공구조의 윤축 내부에 사용될 수 있는 캡을 설계하였고, 설계에 대한 검증을 위해 해석 툴인 ANSYS를 활용하였다. 본 연구에서 제안한 캡의 재질은 SM45C이며 중공구조이다. 또한, 윤축에 요구되는 강도를 만족하기 위해 중공 윤축의 베어링 시트 부 내부에 위치한다. 본 연구를 통해 설계 및 해석된 캡을 삽입한 윤축은 전동차의 윤축에 요구되는 기준을 만족하였으며 무게는 중실축과 비교하였을 때, 약 6.75%를 감소시켰다. 윤축 강도에 대한 평가 기준은 EN13103 및 EN13104의 규격을 적용하였다. 또한, 캡을 장착한 윤축의 최대응력 및 중량에 대해 기존의 중실축, 중공축과 비교함으로써 설계에 대한 효과를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper aims at the design of wheel and axle with cap. The cap is conceptually designed by using TRIZ/CAE. Wheel axle is used at railway vehicle to safety and it is always investigated to reduce the railway vehicle weight. The cap has hollow shaft with the material of SM45C. Cap is located in the...

This paper aims at the design of wheel and axle with cap. The cap is conceptually designed by using TRIZ/CAE. Wheel axle is used at railway vehicle to safety and it is always investigated to reduce the railway vehicle weight. The cap has hollow shaft with the material of SM45C. Cap is located in the bearing seat of wheel and axle. The cap becomes durable within the allowable stress of EN13103, 13104 standard. In this study, the strength of wheel and axle with cap becomes higher than that of hollow shaft. The weight of wheel and axle with cap becomes lower by about 6.75 percent than that of solid shaft. The confidence of wheel and axle with cap can be improved by comparing with solid and hollow shafts.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구의 이상해결책은 차체의 하중 및 제동력이 차축에 가해져도, 차축의 응력이 EN규격 이하로 감소하는 것이다.
본 연구는 철도차량에서 쓰이는 윤축의 경량화에 대한 연구로서 창의적 문제 해결 이론인 TRIZ를 활용하여 윤축에 삽입 가능한 캡을 설계하였다. 또한, 설계된 캡의 성능 검증을 위해 ANSYS를 활용하여 기존의 축과 비교 해석하였다.

제안 방법

트리즈의 특징은 기술문제에 존재하는 모순(시스템이 요구 받는 상호 배타적 특성)을 타협하지 않고 추가적인 시스템의 도입 없이 문제를 해결하는데 있다. 또한 기존의 방법론에서 흔히 사용하는 시행 착오법을 지양하고 문제해결 프로세스를 통하여 문제해결의 가이드라인을 제공한다.
본 연구에서 설계한 캡이 적용된 윤축에 작용하는 응력과 중량에 대하여 기존의 중실구조 및 중공구조 윤축과 비교 해석하였다.
본 연구에서는 TRIZ의 6SC기법을 활용하여 기존 윤축이 가지는 문제점을 명확히 정의하였고 윤축 내부를 이루는 캡(Cap) 구조를 설계하였다. 이에 대한 검증으로서 유한요소법 상용 소프트웨어인 ANSYS Workbench를 활용하여 캡 구조를 가진 윤축에 걸리는 응력을 해석하였고 기존 윤축과 비교함으로써 설계의 신뢰성을 검증하였다.
시스템 기능분석을 통해 윤축의 시스템 및 환경 요소들을 명확히 파악하였고, 문제를 유발하는 유해한 요소를 도출하였다[7].
윤축에 대한 물리적 모순을 해결하기 위한 분리 원리는 공간에 의한 분리를 적용하였다.
차축과 캡의 접합은 마찰을 무시한 Bonded를 사용하였으며 매쉬의 크기는 5mm로 하여 해석하였다.

대상 데이터

윤축 모델링의 매쉬(mesh)는 크기 10mm, 요소 수 118951개, 노드 수 253960개로 정의하였다. 이는 [Fig.
윤축의 해석에 사용된 재질은 STEEL R7 UIC812-3이며 탄성계수 205Gpa, 푸아송 비(Poisson’s ratio) 0.3의 물성치가 사용되었다[8].
캡의 해석에 사용된 재질은 SM45C이며 탄성계수는 205Gpa, 푸아송비 0.29의 물성치가 사용되었다.

데이터처리

본 연구는 철도차량에서 쓰이는 윤축의 경량화에 대한 연구로서 창의적 문제 해결 이론인 TRIZ를 활용하여 윤축에 삽입 가능한 캡을 설계하였다. 또한, 설계된 캡의 성능 검증을 위해 ANSYS를 활용하여 기존의 축과 비교 해석하였다.
본 연구에서는 TRIZ의 6SC기법을 활용하여 기존 윤축이 가지는 문제점을 명확히 정의하였고 윤축 내부를 이루는 캡(Cap) 구조를 설계하였다. 이에 대한 검증으로서 유한요소법 상용 소프트웨어인 ANSYS Workbench를 활용하여 캡 구조를 가진 윤축에 걸리는 응력을 해석하였고 기존 윤축과 비교함으로써 설계의 신뢰성을 검증하였다.

이론/모형

본 논문에서 활용한 트리즈의 문제해결기법은 6SC이다.
본 연구에서 수행한 차축 설계 및 강도 평가에 대해 국제적으로 철도차량의 축에 사용되고 있는 EN13103 및 EN13104의 규격을 설계의 기준으로 적용하고 차축 응력 평가를 하였으며 이를 한국형 표준 철도차량(K-EMU)에 적용하였다[2,3].
일반적인 형태의 차축을 설계하는 경우에는 국제적으로 통용되는 기준을 사용하기 때문에 본 연구에서 수행한 차축의 응력 평가 및 설계는 EU( EN1310)에서 규정한 기준을 적용하였다.

성능/효과

1) 캡을 삽입한 축은 중실축에 비해 작용하는 응력을 11.3%, 중량은 6.75%를 감소시켰다.
2) 캡을 삽입한 축은 중공축에 비해 중량은 1.5% 증가시켰지만, 작용하는 응력은 32를 감소시켰다.
3) 캡의 필렛에 작용하는 최대응력은 SM45C 항복응력의 55.91로서 강도에 대한 안전성을 만족한다.
결론적으로 캡을 삽입한 축은 중실축에 비해 중량을 감소시켰고, 중공축에 비해 중량증가 대비 강도증가량이 높아 효율적인 윤축 구조임을 알 수 있다.
내경 90mm인 중공축의 해석결과, 축의 몸체 및 필렛 부의 최대 응력 92.807Mpa, 베어링 시트부의 최대 응력 111.91Mpa, 중량 12.399kN이 도출되었다.
또한 중실축에 비해, 베어링 시트 부 응력은 11.30% 감소하였고, 중량은 6.75% 감소하였다.
중공축의 몸체 및 필렛 부에 작용하는 응력은 중실축에 비해 약 40.12%가 증가하였으며, 베어링 시트 부에 작용하는 응력은 약 27.03%가 증가하였다. 또한, 중량은 약 8.
중실축의 해석결과, 축의 몸체 및 필렛(fillets) 부의 최대 응력 66.237Mpa, 베어링 시트부의 최대 응력 88.093Mpa, 중량 13.505kN로 도출되었다.
캡을 삽입한 축은 중공축에 비해, 베어링 시트 부에 작용하는 응력이 32% 감소되었지만, 중량은 1.5% 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도차량의 윤축의 구성은 어떠하며 어떤 역할을 수행하는가?	철도차량의 윤축(Wheel and Axle)은 차륜과 차축으로 구성되어 있으며 차체를 지지하는 기능을 수행한다. 차축의 지지기능이 불충분하여 이의 파손이 발생할 경우, 탈선으로 인한 중대 사고를 유발하며 이는 인명 피해 및 재산 피해 등으로 연결된다.
	철도차량의 윤축은 무엇이 고려되어 설계되어야 하는가?	윤축은 상술된 힘을 지지하기 위해 각 하중에 의한 비틀림, 굽힘 및 전단 응력, 반복 응력으로 인한 피로 등을 고려하여 설계되어야 한다.
	철도차량의 윤축이 요구되는 강도를 만족해야하는 이유는 무엇인가?	철도차량의 윤축(Wheel and Axle)은 차륜과 차축으로 구성되어 있으며 차체를 지지하는 기능을 수행한다. 차축의 지지기능이 불충분하여 이의 파손이 발생할 경우, 탈선으로 인한 중대 사고를 유발하며 이는 인명 피해 및 재산 피해 등으로 연결된다. 따라서 철도차량의 윤축은 상기 지지기능을 수행하기 위해 요구되는 강도를 만족해야 한다.

참고문헌 (9)

D. W. Lee, J. N. Kim, S. S. Cho, "A Study on Safety Estimation of Railroad Wheel", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 11, No. 4, pp.1178-1185, 2010.

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S. W. Han, S. W. Son, H. S. Jung, "Weight Reduction of an Urban Railway Axle Based on EN Standard", Transactions of KSME A, Vol. 36, No.5, pp.579-590, 2012.

원문보기 상세보기
S. W. Son, H. S. Jung, S. W. Han, J. S. Kim, T. S. Kwon, "Structural Analysis of Hollow Railway Axle Design", KSAE 2012 Annual Conference, pp.1764-1768, 2012.
J. C. Lee, Y. J. Huh, "A Study on Supplementary Features of Injection-Molded Parts Using TRIZ and Axiomatic Design", The Korea Academia-Industrial cooperation Society 2010 Semiannual, pp.1145-1148, 2010.
O. W. Jeon, I. K. Jang, H. J. Kim, S. H. Ji, "Developing DoorTrim Design for Crash Absorption Using The TRIZ method", KSAE 2007 Annual Fall Conference, pp.54-60, 2007.
H. G. Kim, "The basic theory and application of the finite element method", Transaction of the KSAE, Vol.16, No.4, pp.339-344, 1976.
Y. J. Huh, S. D. Hong, "A Study on TRIZ Applied Design for Photovoltaic System with Reversal Tracking Reflecto", Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol.11, No.3, pp.27-31, 2012.
E. S. Jeon, Y. S. Haam, H. M. Hur, B. B. Kang, "Structural Strength Analysis and Static Load Test of a Wheelset of Korean High Speed Rail for Measuring Wheel/Rail Force", Transactions of Spring Conference of Korean Society for Railway(2), pp.898-903, 2002.
Y. B. Lee, "Characteristics of Fatigue Behavior and Fracture Surfaces by Rotary Bending Test in SM45C Welding Zone", Journal of the Korean Society of Machine Tool Engineers, pp.26-32, 2010.

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