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문제 정의
- 본 연구는 궤도차량 변속기 출력하우징의 구조건전성을 평가하기 위하여 구조해석 및 실제 장비를 대상으로 진동시험을 수행하여 얻어진 데이터를 기반으로 진동해석을 수행하였으며 이에 얻어진 결과는 다음과 같다.
- 따라서, 출력 하우징의 진동에 대한 구조적 안전성을 확인하여야 한다. 진동시험은 진동해석에 필요한 주파수 및 가속도를 확보하기 위해 수행하였다. 진동시험은 변속기 성능시험을 시행하는 다이나모 장치에서 실제 변속기를 사용하여 수행하였으며, 출력속도(rpm)에 따른 주파수와 가속도 값을 측정하였다.
제안 방법
- 가진 입력조건으로는 진동시험에서 획득된 수집 데이터의 임의 진동수 영역 범위 내의 최대 응답치에 대해 PSD 곡선을 이용하여 랜덤 진동 해석을 진행하였다. PSD 곡선은 진동시험에서 얻어진 주파수-가속도 데이터를 활용하였다.
- 구속조건은 구조해석과 같이 메인 하우징과 출력 하우징이 고정되는 결합부의 모든 변위를 구속하였다.
- 그리고 메인 하우징과 출력 하우징이 결합되는 부분은 볼트로 고정되어 결합된다. 따라서 메인 하우징과 출력 하우징이 고정되는 결합부의 모든 변위를 구속하였다. 하중조건 및 경계조건은 Fig.
- 변속기의 출력하우징은 전체 변속기를 지지하는 기능이외에 브레이크 작동부를 지지하는 역할도 수행한다. 따라서, 정적 구조해석에서는 하우징 내부에 작용하는 유압의 영향을 검토 하였고, 진동해석에서는 변속기 운행시에 발생하는 진동에 대한 영향을 살펴 보았다.
- 유한요소 해석의 절차는 전처리(Pre-process), 해석(Solve), 후처리(Post-process)로 나뉘는데 전처리(Preprocess)에서는 해석할 모델의 형상으로부터 절점과 요소를 생성하고 재료의 물성치 입력 및 해석 조건을 설정하였다. 또한 후처리는 해석결과를 출력하여 등가응력과 전체 변형량을 확인하여 해석 결과를 분석하였다[2].
- 변속기 동작에 따른 가진력에 의한 응력을 확인하기 위해 모달해석 후 랜덤진동해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 궤도차량의 핵심 부품인 변속기의 출력 하우징에 대하여 해석 프로그램을 이용하여 구조해석을 실시하였으며, 변속기 다이나모 시험을 통하여 측정한 데이터를 기반으로 진동해석을 실시하여 진동발생에 대한 출력 하우징의 구조건전성 평가를 수행하였다.
- 1과 같은 시편을 이용하여 인장시험을 실시하였다. 시험 규격은 KS B 0802[1]를 따라 실시하였으며, 시험 속도는 0.3 mm/min으로 시편에서 인장강도, 항복강도, 탄성계수를 측정하였다.
- 유한요소 해석의 절차는 전처리(Pre-process), 해석(Solve), 후처리(Post-process)로 나뉘는데 전처리(Preprocess)에서는 해석할 모델의 형상으로부터 절점과 요소를 생성하고 재료의 물성치 입력 및 해석 조건을 설정하였다. 또한 후처리는 해석결과를 출력하여 등가응력과 전체 변형량을 확인하여 해석 결과를 분석하였다[2].
- 변속기의 출력하우징은 브레이크 작동부를 지지하는 구조로 되어 있어, 브레이크 작동시에 하우징 내부에 높은 유압을 받게 된다. 이 때, 유압이 작용하는 부위에 KDS 3010-1014 규격을 참고하여 최대 작용력인 2.55 MPa을 하중조건으로 적용하였다[3].
- 재료의 역학적인 특성을 기초자료로 얻을 목적으로 Fig. 1과 같은 시편을 이용하여 인장시험을 실시하였다. 시험 규격은 KS B 0802[1]를 따라 실시하였으며, 시험 속도는 0.
- 진동시험 조건은 출력속도 200 rpm에서 100 rpm씩 증가시켜 1,700 rpm까지의 X, Y, Z축 각 각의 주파수와 가속도의 크기를 측정하였다.
- 진동시험은 진동해석에 필요한 주파수 및 가속도를 확보하기 위해 수행하였다. 진동시험은 변속기 성능시험을 시행하는 다이나모 장치에서 실제 변속기를 사용하여 수행하였으며, 출력속도(rpm)에 따른 주파수와 가속도 값을 측정하였다.
- 5에 나타내었다. 출력 하우징의 모델은 기하학적 형상, 질량과 관성모멘트를 정확하게 반영할 수 있도록 하기 위해 3D CAD를 이용하여 모델링하였다. 2차원 모델링과는 달리 브래킷의 세부적인 형상까지도 표현을 할 수 있으며 해석의 정확도를 높일 수 있다.
- 출력하우징의 고유진동수를 확인하기 위하여 모달 해석을 수행하였다. 유한요소해석 모델은 구조해석과 같은 모델을 사용하였다.
대상 데이터
- 가진 입력조건으로는 진동시험에서 획득된 수집 데이터의 임의 진동수 영역 범위 내의 최대 응답치에 대해 PSD 곡선을 이용하여 랜덤 진동 해석을 진행하였다. PSD 곡선은 진동시험에서 얻어진 주파수-가속도 데이터를 활용하였다. 해석에 이용한 PSD 그래프를 Fig.
- 본 연구의 궤도차량 변속기는 다양한 기어와 유체 장치로 이루어져 있고, 알루미늄 합금주물인 하우징에 의해 지지되어 진다. 변속기의 전체 형상은 Fig.
- 해석에 사용된 절점의 수는 약 234,047개, 요소의 수는 48,216개이다. 이 해석에서 사용된 주재료는 알루미늄 합금강인 A206.0-T71이며, 재료의 물성치는 재료시험에서 얻은 값을 사용하였다.
- 6과 같다. 해석에 사용된 절점의 수는 약 234,047개, 요소의 수는 48,216개이다. 이 해석에서 사용된 주재료는 알루미늄 합금강인 A206.
데이터처리
- ANSYS WB(Ver. 14.5)를 사용하여 정적 구조해석 및 진동해석을 수행하였다.
- 유한요소해석을 위해 모델링을 범용유한요소 해석 프로그램인 ANSYS WB(Ver. 14.5)를 이용하여 구조해석과 진동해석을 수행하였다.
이론/모형
- 출력하우징의 고유진동수를 확인하기 위하여 모달 해석을 수행하였다. 유한요소해석 모델은 구조해석과 같은 모델을 사용하였다.
- 유한요소해석 모델은 구조해석과 모달해석에서 사용한 모델을 사용하였다. 경계조건은 모달해석과 같이 메인 하우징과 출력 하우징이 고정되는 결합부의 모든 변위를 구속하고, 가진 데이터를 입력하였다.
성능/효과
- (1) 출력하우징의 재질인 A206.0-T71의 재료시험을 통하여 인장강도, 항복강도, 탄성계수를 측정하였고, 변속기 성능시험을 시행하는 다이나모 장치에서 실제 변속기를 사용한 진동시험을 통하여 출력속도(rpm)에 따른 주파수와 가속도 값을 측정하여 진동해석을 수행하였고 출력하우징의 구조건전성은 안전한 것으로 판단되었다.
- (2) 출력하우징의 설계목적 값으로 얻어진 등가응력은 183MPa이며, 구조해석을 통해 얻어진 최대응력은 87MPa으로 안전율이 2.1인 것으로 분석되었다.
- (3) 모달해석을 통하여 총 50개 모드의 고유치 해석을 수행하였으며, 800～4500Hz 구간의 고유진동수와 진동모드 형상을 확인할 수 있었다.
- (4) 랜덤진동해석 결과 출력 하우징의 안쪽 라운드 부위에서 최대응력이 발생하였고, 해석결과를 통해 진동 영향에 대한 출력 하우징의 구조건전성은 매우 안전한 것으로 판단된다.
- Table 1과 같이 인장시험 결과 인장강도는 429 MPa, 탄성계수는 68 GPa, 항복강도는 366 MPa의 결과를 확인할 수 있었다.
- 본 연구에 적용한 궤도차량 출력하우징은 소재의 물성해석과 구조해석 및 진동해석을 통하여 구조건전성과 설계상 안전성을 확인하였다.
- 출력 하우징의 랜덤진동 해석 결과, 출력 하우징의 안쪽 라운드 부위에서 최대 응력이 발생하였고, 폰-미제스(Von-Mises) 등가응력으로 5.7 MPa 정도가 발생하였고, 출력 하우징의 최대 변형량은 0.03 mm 정도였다. 랜덤진동 해석 결과인 최대 변형량을 Fig.
- 출력하우징의 정적 유한요소해석 결과, 출력 하우징의 안쪽 라운드 부위에서 최대 응력이 발생하였고, 폰-미제스(Von-Mises) 등가응력으로 87 MPa이 발생하였다. 이는 안전율이 설계목적인 183 MPa 대비 2.
- 14에 각 각 표시 하였다. 해석결과를 통해 진동 영향에 대한 출력 하우징의 구조건전성은 매우 안전한 것으로 판단된다.
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