등속조인트의 일종인 트리포드 축은 동력전달용으로 고속열차의 KTX와 KTX-산천에 모두 적용되고 있으며, 동력대차에서 모터 감속장치(MRU)와 차축 감속장치(ARU)를 연결해 고속회전동력을 전달하는 핵심 요소이다. 축 방향의 미끄럼 운동이 가능한 트리포드 축은 열차 구동을 위한 토크를 전달하며, 동력전달 시스템에 과토크 발생 시 축의 퓨즈부가 절단되어 동력을 차단한다. 본 연구에서는 리니어액추에이터를 이용한 대용량 비틀림 시험장치의 개발과 이를 이용한 트리포드 축의 정적 비틀림 강도와 피로수명을 확인하고자 하였다. 또한 구조해석을 통해 축의 취약부를 파악하고 비틀림 피로해석 결과와 실제 피로시험의 결과를 비교분석하여 비틀림 성능 개선을 위한 설계안을 제시하고자 하였다. 한편 트리포드 축의 피로에 따른 열화를 파악하기 위해 히스테리시스 곡선을 이용하였으며, 히스테리시스 곡선의 기울기 변화를 통해 피로고장 시점을 확인하였다.
등속조인트의 일종인 트리포드 축은 동력전달용으로 고속열차의 KTX와 KTX-산천에 모두 적용되고 있으며, 동력대차에서 모터 감속장치(MRU)와 차축 감속장치(ARU)를 연결해 고속회전동력을 전달하는 핵심 요소이다. 축 방향의 미끄럼 운동이 가능한 트리포드 축은 열차 구동을 위한 토크를 전달하며, 동력전달 시스템에 과토크 발생 시 축의 퓨즈부가 절단되어 동력을 차단한다. 본 연구에서는 리니어 액추에이터를 이용한 대용량 비틀림 시험장치의 개발과 이를 이용한 트리포드 축의 정적 비틀림 강도와 피로수명을 확인하고자 하였다. 또한 구조해석을 통해 축의 취약부를 파악하고 비틀림 피로해석 결과와 실제 피로시험의 결과를 비교분석하여 비틀림 성능 개선을 위한 설계안을 제시하고자 하였다. 한편 트리포드 축의 피로에 따른 열화를 파악하기 위해 히스테리시스 곡선을 이용하였으며, 히스테리시스 곡선의 기울기 변화를 통해 피로고장 시점을 확인하였다.
The tripod shafts of constant-velocity joint are used in both the trains KTX and KTX-sanchon. It is an important component that connects the motor reduction unit and the axle reduction unit in a power bogie. The tripod shaft not only transmits drive and brake torque in the rotational direction, but ...
The tripod shafts of constant-velocity joint are used in both the trains KTX and KTX-sanchon. It is an important component that connects the motor reduction unit and the axle reduction unit in a power bogie. The tripod shaft not only transmits drive and brake torque in the rotational direction, but also slides in the axial direction. If the drive system is loaded with an excessive torque, the fuse part of the shaft will be fractured firstly to protect the other important components. In this study, a rig was developed for conducting torsion tests on the tripod shaft, which is a type of mechanical fuse. The tripod shafts were subjected to torsional fracture test and torsional fatigue test on the rig. The weak zone of the tripod shaft was identified, and its fatigue life was predicted using finite element analysis (FEA). After analyzing the FEA results, design solutions were proposed to improve the strength and fatigue life of the tripod shaft. Furthermore, the deterioration trend and time for failure of the tripod shaft were verified using the hysteresis loops which had been changed with the advancement of the torsional fatigue test.
The tripod shafts of constant-velocity joint are used in both the trains KTX and KTX-sanchon. It is an important component that connects the motor reduction unit and the axle reduction unit in a power bogie. The tripod shaft not only transmits drive and brake torque in the rotational direction, but also slides in the axial direction. If the drive system is loaded with an excessive torque, the fuse part of the shaft will be fractured firstly to protect the other important components. In this study, a rig was developed for conducting torsion tests on the tripod shaft, which is a type of mechanical fuse. The tripod shafts were subjected to torsional fracture test and torsional fatigue test on the rig. The weak zone of the tripod shaft was identified, and its fatigue life was predicted using finite element analysis (FEA). After analyzing the FEA results, design solutions were proposed to improve the strength and fatigue life of the tripod shaft. Furthermore, the deterioration trend and time for failure of the tripod shaft were verified using the hysteresis loops which had been changed with the advancement of the torsional fatigue test.
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문제 정의
본 연구에서는 대용량의 비틀림 시험장치를 개발하고, 이를 이용하여 소재 등이 변경(AISI 4340 → AISI4140)된 신규 트리포드 축의 비틀림 파단 및 피로시험에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 또한 구조해석을 통해 얻은 결과와 실제 비틀림 시험결과를 이용해 고속열차용 트리포드 축의 설계 요구사항을 만족하는 설계안을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 고속열차에서 회전동력을 전달하는 트리포드 구동축의 비틀림 시험을 위한 시험장치를 개발하였고, 이를 이용하여 AISI 4140 재질의 트리포드 축을 정적 비틀림 파단 및 피로 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 대용량의 비틀림 시험장치를 개발하고, 이를 이용하여 소재 등이 변경(AISI 4340 → AISI4140)된 신규 트리포드 축의 비틀림 파단 및 피로시험에 대한 실험적 연구를 수행하였다.
(2) 또한, 트리포드 축에 과토크가 전달되면 모터 블록 등을 보호하기 위해 주축의 퓨즈부가 단락되어 동력이 차단되며,(6) 그 설계 요구사양을 Table 1에 나타내었다. 트리포드 축은 동력을 차단하는 방식에 따라 KTX에 사용되는 축의 퓨즈부를 이용한 기계식 차단방식과 KTX-산천의 유압식 차단방식으로 나눌 수 있으며, 본 논문에서는 기계식 차단방식의 트리포드 축의 비틀림 파단 및 피로에 대하여 다루고자 하였다.
제안 방법
245 m로 설정하였다. 따라서 비틀림 시험장치의 최대 인가가능 토크는 48.02 kNm로 트리포드 축의 파단 토크 이상을 만족하도록 설계하였다.
정적 비틀림 파단 시험 결과, 퓨즈부 Ф62 mm와 Ф66 mm의 축 모두 고속열차의 파단 요구조건을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 파단 시험결과를 통해 얻은 축의 비틀림 파단 응력을 활용해 추가 구조해석을 하였다. 퓨즈부의 파단 설계요구 조건인 43.
그림에서와 같이 트리포드 축의 고정 카단 조인트 부를 토크메터와 고정치구 사이에 연결하였으며, 시험에 사용된 토크메터의 사양을 Table 3에 나타내었다. 또한, 미끄럼 카단 조인트 부는 외팔보 형태의 플랜지와 회전이 자유로운 베어링 블록에 조립하였고, 외팔보의 끝을 서보 액추에이터와 핀으로 연결하여 서보 액추에이터의 인장-압축력이 트리포드 축에 비틀림 응력을 발생시키도록 하였다.
5 kNm의 토크를 인가한다. 부하는 완전 양진(fully reversed)의 반복 부하를 인가하고, 피로수명은 등가응력을 이용하여 계산한다. 한편, 평균 응력 이론식은 Goodman 식을 적용하며 식(3)으로 표현할 수 있다.
비틀림 피로 시험은 퓨즈부가 Ф62 mm와 Ф66mm인 2종류의 트리포드 축에 대해 진행하였다. 시험방법은 실내 환경에서 비틀림 토크 13.5 kNm를 양진의 정현파 형태로 인가하여 파괴 될 때까지 진행하였으며, 이때의 비틀림 반복 속도는 2Hz로 시험하였다.
트리포드 축의 정적 비틀림 시험은 실내 환경에서 축의 비틀림 속도를 360°/min 이하로 시험하였으며, 퓨즈부의 직경이 다른 3개의 제품에 대하여 각각 진행하였다.
본 논문의 연구대상인 트리포드 주축 재료는 AISI 4140이고, 기존 KTX에서 사용 중인 축의재질은 AISI 4340으로 주요 기계적 물성치를 Table 2에 나타내었다. 표에서와 같이 AISI 4140의 기계적 강도를 증가시키기 위해 축의 원재료를 단조가공 후 담금질과 뜨임처리 했으며, 스플라인 치저부의 표면경도와 피로강도를 높이기 위하여 Fig. 3에서와 같이 고주파 열처리(7)하였다.
퓨즈부의 크기 별로 각각 비틀림 피로 해석을 진행하였으며, 해석결과를 Fig. 5에 나타내었다. 해석결과 퓨즈부가 Ф62 mm인 축의 비틀림 피로 수명은 7.
트리포드 축의 3D 모델링과 유한요소해석을 위해 ANSYS Workbench를 이용하였으며, 트리포드 축의 퓨즈부가 있는 주축만을 이용하여 비틀림 해석을 하였다. 퓨즈부의 크기는 Ф62 mm와 Ф66 mm로 각각 모델링하여 정적 비틀림 해석과 피로수명 해석을 진행하였다.
따라서 파단 시험결과를 통해 얻은 축의 비틀림 파단 응력을 활용해 추가 구조해석을 하였다. 퓨즈부의 파단 설계요구 조건인 43.5 kNm를 만족하기 위해 3.1절과 동일한 해석조건을 적용하였으며, 퓨즈부의 직경을 바꿔가면서 해석을 하였다. 그 결과, 퓨즈부의 직경이 63.
대상 데이터
본 논문의 연구대상인 트리포드 주축 재료는 AISI 4140이고, 기존 KTX에서 사용 중인 축의재질은 AISI 4340으로 주요 기계적 물성치를 Table 2에 나타내었다. 표에서와 같이 AISI 4140의 기계적 강도를 증가시키기 위해 축의 원재료를 단조가공 후 담금질과 뜨임처리 했으며, 스플라인 치저부의 표면경도와 피로강도를 높이기 위하여 Fig.
비틀림 피로 시험은 퓨즈부가 Ф62 mm와 Ф66mm인 2종류의 트리포드 축에 대해 진행하였다. 시험방법은 실내 환경에서 비틀림 토크 13.
비틀림 피로 시험의 사이클 주기 2 Hz의 반복 속도를 만족하기 위해 직선형 서보 액추에이터를 이용하였다. 서보 액추에이터는 유압식으로 최대인장-압축력은 196 kN이며, 트리포드 축 중심에서 서보 액추에이터 중심까지의 거리는 0.
정적 비틀림 해석을 위해 주축 홀의 안쪽 면을 구속하고 스플라인 면에 정적 비틀림 토크인 43.5kNm를 인가하였다. 이때 트리포드 축에 걸리는 비틀림 응력은 식 (1)로부터 계산할 수 있다.
데이터처리
트리포드 축의 3D 모델링과 유한요소해석을 위해 ANSYS Workbench를 이용하였으며, 트리포드 축의 퓨즈부가 있는 주축만을 이용하여 비틀림 해석을 하였다. 퓨즈부의 크기는 Ф62 mm와 Ф66 mm로 각각 모델링하여 정적 비틀림 해석과 피로수명 해석을 진행하였다.
이론/모형
부하는 완전 양진(fully reversed)의 반복 부하를 인가하고, 피로수명은 등가응력을 이용하여 계산한다. 한편, 평균 응력 이론식은 Goodman 식을 적용하며 식(3)으로 표현할 수 있다.
성능/효과
(1) 고속열차용 트리포드 구동축의 비틀림 시험을 위해 서보 액추에이터를 이용한 비틀림 파단과 피로 시험이 가능한 시험장치를 개발하였고, 이를 이용해 비틀림 피로시험을 한 결과, 트리포드 축의 경우 토크와 변위가 크기 때문에 1 Hz 이하의 속도가 적당하다.
(2) 트리포드 축의 비틀림 해석결과와 정적 비틀림 파단 시험결과, 퓨즈부가 Ф62 mm 이하의 축은 파단토크가 고속철도용 트리포드 축의 요구 조건인 43.5 kNm를 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 따라서 이를 만족하기 위해서는 퓨즈부가 최소 Ф63.
(3) 비틀림 피로 시험 결과, 퓨즈부가 Ф62 mm인 제품은 7.5만 사이클에서, 퓨즈부가 Ф66 mm 제품은 31.5만 사이클에서 고장이 발생하였다. 따라서 해당 재질의 트리포드 축은 비틀림 피로 강도를 높이기 위해 표면 연마와 숏 피닝을 통한 후처리 보완을 할 필요가 있다.
1절과 동일한 해석조건을 적용하였으며, 퓨즈부의 직경을 바꿔가면서 해석을 하였다. 그 결과, 퓨즈부의 직경이 63.5 mm에서 안전율이 0.99로 계산되었고, 따라서 퓨즈부의 직경으로 적정함을 확인하였다. 이에 대한 추가 해석 결과를 Fig.
12~13에 각각 나타내었다. 비틀림 피로 시험이 진행됨에 따라 변화하는 트리포드 축의 히스테리시스 곡선 기울기는 그림에서와 같이 축의 직경과 상관없이 초기에는 기울기가 완만하게 증가 및 감소하다가 파단직전에 급격히 감소하는 경향을 보였다. 이는 피로시험 초기에는 반복경화에 의해 히스테리시스 곡선의 기울기가 커지다가, 이후 반복연화 또는 크랙의 진전 등으로 기울기가 작아진 것으로 보이며, 또한 파단직전에는 균열성장에 의해 급격히 기울기가 떨어진 것으로 판단된다.
(10) 따라서 트리포드 축의 비틀림 피로에 의한 고장은 히스테리시스 곡선 기울기가 초기 기울기 값의 50 % 이하가 되는 시점을 고장판단 기준으로 하였다. 이를 토대로 트리포드 축의 비틀림 피로시험의 결과를 정리하면, 퓨즈부가 Ф62 mm인 제품은 7.5만 사이클에서 고장이 발생하였고, 퓨즈부가 Ф66 mm인 제품은 31.5만 사이클에서 고장이 발생하였다. 한편, 트리포드 주축의 유한요소해석을 이용한 비틀림 피로해석 결과와 시험을 통해 얻은 비틀림 피로수명 사이클을 Table 5에 정리하였다.
이는 스플라인 치저 홈 부위에 응력집중이 1차 원인이고 재료의 강도부족과 같은 복합적인 원인에 의한 것으로 결론 났다. 이후 스플라인 잇수를 늘리는 방안 등으로 응력 집중을 해소시켰으며, 이로인해 축의 파단사례를 줄일 수 있었다.(8,9)
정적 비틀림 파단 시험 결과, 퓨즈부 Ф62 mm와 Ф66 mm의 축 모두 고속열차의 파단 요구조건을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 파단 시험결과를 통해 얻은 축의 비틀림 파단 응력을 활용해 추가 구조해석을 하였다.
피로 시험 후 트리포드 축의 파단면을 육안 검사한 결과, 퓨즈면의 원주를 따라 다수의 균열이 발견되었고, 이들 균열에서 시작해 크랙이 내부로 전파된 것으로 여겨진다. 또한 피로파손의 대표적 모양인 Beach mark가 육안으로 발견되었으며 이를 Fig.
해석결과 퓨즈부가 Ф62 mm인 축의 비틀림 피로 수명은 7.8×104 사이클, 퓨즈부가 Ф66 mm인 축은 3.2×105 사이클로 계산되었고, 비틀림 피로 역시 퓨즈부에서 파단이 일어날 것이라는 것을 알 수 있다.
후속연구
철도 시스템은 다른 육상교통수단에 비해 정시성, 대량성, 신속성 및 고효율 등의 장점을 가지며, 300 km/h가 넘는 속도로 여객을 실어나르는 KTX와 KTX-산천은 우리의 생활패턴을 변화시키고 있다. 또한, 최고 속도 430 km/h인 차세대 고속열차 개발이 진행 중에 있으며 머지않아 상용화될 예정이다.
본 연구를 토대로 퓨즈부의 변경 및 표면처리공정의 보완 등을 통한 개선된 트리포드 주축의 추가적인 연구를 할 예정이며, 이를 통해 대체 가능한 KTX 트리포드 축의 개발과 나아가 KTX산천용 유압식 축의 개발을 위한 기초 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
트리포드 축이 동력대차에서 어떤 역할을 하는가?
등속조인트의 일종인 트리포드 축은 동력전달용으로 고속열차의 KTX와 KTX-산천에 모두 적용되고 있으며, 동력대차에서 모터 감속장치(MRU)와 차축 감속장치(ARU)를 연결해 고속회전동력을 전달하는 핵심 요소이다. 축 방향의 미끄럼 운동이 가능한 트리포드 축은 열차 구동을 위한 토크를 전달하며, 동력전달 시스템에 과토크 발생 시 축의 퓨즈부가 절단되어 동력을 차단한다.
트리포드 축이 축 방향의 미끄럼 운동이 가능하기 때문에 가능한 역할은 무엇인가?
등속조인트의 일종인 트리포드 축은 동력전달용으로 고속열차의 KTX와 KTX-산천에 모두 적용되고 있으며, 동력대차에서 모터 감속장치(MRU)와 차축 감속장치(ARU)를 연결해 고속회전동력을 전달하는 핵심 요소이다. 축 방향의 미끄럼 운동이 가능한 트리포드 축은 열차 구동을 위한 토크를 전달하며, 동력전달 시스템에 과토크 발생 시 축의 퓨즈부가 절단되어 동력을 차단한다. 본 연구에서는 리니어 액추에이터를 이용한 대용량 비틀림 시험장치의 개발과 이를 이용한 트리포드 축의 정적 비틀림 강도와 피로수명을 확인하고자 하였다.
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