테이퍼 롤러 베어링은 중량이 큰 승합차, 화물차, 열차에 사용되며, 큰 부하하중에서도 안정적으로 차량을 지지할 수 있다. 테이퍼 롤러 베어링 부품 중 케이지는 롤러 간 간격을 유지해 주며, 이를 통해서 마찰 방지 및 마모, 발열의 억제 등의 역할을 한다. 공진으로 인해 케이지가 심하게 변형되면 롤러가 구름을 하지 못하거나, 케이지를 이탈하는 경우가 발생하게 된다. 케이지는 경량화 추세에 따라 금속소재에서 플라스틱소재로 변화하고 있다. 본 논문에서는 "화물열차와 고속열차에 사용되는 테이퍼 롤러 베어링의 부품 중 하나인 케이지를 대상으로 연구하였으며" 케이지 재료에 따른 동특성 해석과 열차가 최고속도로 주행한다는 가정 하에, 최고속도에 해당하는 주파수의 고조파를 계산하고 공진범위를 피하기 위해 케이지의 설계 변수 중 가변이 쉬운 두께를 다르게 하여, 최적의 두께를 선정하고자 비교해석을 진행하였다. 재료에 따른 동특성 해석과 비교해석은 Abaqus 6.16을 사용하였다.
테이퍼 롤러 베어링은 중량이 큰 승합차, 화물차, 열차에 사용되며, 큰 부하하중에서도 안정적으로 차량을 지지할 수 있다. 테이퍼 롤러 베어링 부품 중 케이지는 롤러 간 간격을 유지해 주며, 이를 통해서 마찰 방지 및 마모, 발열의 억제 등의 역할을 한다. 공진으로 인해 케이지가 심하게 변형되면 롤러가 구름을 하지 못하거나, 케이지를 이탈하는 경우가 발생하게 된다. 케이지는 경량화 추세에 따라 금속소재에서 플라스틱소재로 변화하고 있다. 본 논문에서는 "화물열차와 고속열차에 사용되는 테이퍼 롤러 베어링의 부품 중 하나인 케이지를 대상으로 연구하였으며" 케이지 재료에 따른 동특성 해석과 열차가 최고속도로 주행한다는 가정 하에, 최고속도에 해당하는 주파수의 고조파를 계산하고 공진범위를 피하기 위해 케이지의 설계 변수 중 가변이 쉬운 두께를 다르게 하여, 최적의 두께를 선정하고자 비교해석을 진행하였다. 재료에 따른 동특성 해석과 비교해석은 Abaqus 6.16을 사용하였다.
The cage of a tapered roller bearing keeps the gap between the rollers, which prevents friction, wear and suppresses heating. The material of the cage is changing from metal to plastic for lightening the weight. If the cage is severely deformed due to resonance, the roller may not be able to roll an...
The cage of a tapered roller bearing keeps the gap between the rollers, which prevents friction, wear and suppresses heating. The material of the cage is changing from metal to plastic for lightening the weight. If the cage is severely deformed due to resonance, the roller may not be able to roll and even get off the cage. In this paper, the dynamic characteristics of the cage is analyzed according to the cage material. Under the assumption that a train runs at the highest speed, frequency harmonics of that speed is calculated, and the comparative analysis is carried out in order to select the optimum thickness of the cage, which is easy to change among the cage design variables for avoiding the resonance.
The cage of a tapered roller bearing keeps the gap between the rollers, which prevents friction, wear and suppresses heating. The material of the cage is changing from metal to plastic for lightening the weight. If the cage is severely deformed due to resonance, the roller may not be able to roll and even get off the cage. In this paper, the dynamic characteristics of the cage is analyzed according to the cage material. Under the assumption that a train runs at the highest speed, frequency harmonics of that speed is calculated, and the comparative analysis is carried out in order to select the optimum thickness of the cage, which is easy to change among the cage design variables for avoiding the resonance.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 화물열차와 고속열차에 사용되는 테이퍼 롤러 베어링의 부품 중 하나인 케이지를 고유진동수 해석을 통해 동특성을 파악하고, 케이지 재료에 따른 동특성 해석과 각 열차가 최고속도로 주행한다는 가정 하에 최고속도에 해당하는 주파수의 고조파(Harmonics)를 계산하여 케이지에 공진현상이 발생하는지 살펴보았다.
본 연구에서는 화물열차와 고속열차에 장착되는 테이퍼 롤러 베어링 케이지를 컴퓨터시뮬레이션을 이용해 고유진동수 해석을 통한 케이지의 동특성에 관한 연구를 진행하였다.
열차가 최고속도로 정속주행 한다는 가정하고, 변수들 중 현실적으로 치수변경이 쉬운 두께에 ±1t의 변화를 줘서 두께에 따른 케이지의 고유진동수를 측정하고 모드형상을 관찰하여 공진범위(±10%)를 피하기 위해 얼마큼의 두께를 선정하면 적당한지 파악하는 것을 연구목적으로 한다.
제안 방법
과거에 금속소재를 사용하던 베어링 케이지는 차량의 연비 개선 및 전기, 하이브리드 차량 등의 개발에 따라 경량화 추세에 있으며, 강도 및 내열성 등이 향상된 플라스틱이 이를 대체 하고 있다. 또한, 첨단 산업의 발달로 인해 가속도계 센서를 갖고 고유진동수를 측정하던 방식에서 컴퓨터와 컴퓨터 프로그램들의 기술 향상으로 인해 정확한 해석이 가능해져 컴퓨터를 사용하여 고유진동수를 측정하고 모드형상을 관찰할 수 있게 되었다. 케이지에 대한 동특성 해석의 중요성은 열차 운행 간 베어링에서 발생하는 주파수와 케이지의 고유진동수가 만나 공진을 형성해 케이지의 형태가 일그러져 전동체가 제대로 회전운동을 하지 못하거나, 전동체가 케이지를 이탈하여 자칫 화물 및 승객의 안전에 위협이 될 수 있는 상황을 사전 시뮬레이션을 통해 숙지하고 사고를 피할 수 있다는데 의미가 있다[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15].
케이지의 동특성 해석을 하여 고유진동수를 낮은 주파수부터 20개를 구하였고, 그 중 모드 형상이 3방향, 혹은 4방향으로 일그러져 각 롤러들이 균일하게 정렬되어 일관된 회전 운동을 하지 못하고 서로 상대적인 운동을 하게 되어 베어링의 내구수명에 악영향을 미치는 모드형상을 파악하였다[1]. 화물열차 Steel Cage와 Plastic Cage 에선 11, 13, 19mode에서 형상이 출력되고, 고속열차 Steel Cage와 Plastic Cage에선 11, 17, 19mode에서 형상이 출력되는 것을 볼 수 있다.
데이터처리
동특성 해석에 관한 케이지의 여러 모델에 대하여 HyperWorks 14를 이용해 모델링하였고, ABAQUS 6.16을 이용해 모드해석을 수행하였다.
성능/효과
영향분석 결과, 화물열차 Plastic cage의 경우 종합적으로 3t와 5t에서 공진범위를 벗어났고, 제품이 경량화 추세에 따라 Steel cage에서 Plastic cage로 변하고 있으므로 3t로 설계하는 것이 효율적이라 판단된다. 고속열차 Steel cage의 경우 5t에서 공진범위를 벗어난 것을 영향분석 결과로 알 수 있고, 고속열차 Plastic cage의 경우 11, 17mode를 종합하면 5t와 7t에서 공진범위를 벗어나며 화물열차 Plastic cage와 동일하게 경량화 추세에 따라 5t로 설계하는 것이 효율적이다. 내구수명에 악영향을 주는 형상에 속하는 19mode는 영향분석 결과 공진범위를 벗어나지 못했고 그에 따라 좀 더 세분화된 연구가 필요하다고 판단된다.
동특성 해석 결과, 베어링을 선정 할 때 가장 중요시되는 내구수명에 악영향을 주는 모드형상을 관찰할 수 있었고, 열차가 최고속도로 정속주행 한다는 가정 하에 가진 주파수의 성분을 계산하고 다른 설계변수보다 비교적 가변이 쉬운 두께를 변화시키며 고유진동수의 특성을 관찰하였다.
영향분석 결과, 화물열차 Plastic cage의 경우 종합적으로 3t와 5t에서 공진범위를 벗어났고, 제품이 경량화 추세에 따라 Steel cage에서 Plastic cage로 변하고 있으므로 3t로 설계하는 것이 효율적이라 판단된다. 고속열차 Steel cage의 경우 5t에서 공진범위를 벗어난 것을 영향분석 결과로 알 수 있고, 고속열차 Plastic cage의 경우 11, 17mode를 종합하면 5t와 7t에서 공진범위를 벗어나며 화물열차 Plastic cage와 동일하게 경량화 추세에 따라 5t로 설계하는 것이 효율적이다.
후속연구
고속열차 Steel cage의 경우 5t에서 공진범위를 벗어난 것을 영향분석 결과로 알 수 있고, 고속열차 Plastic cage의 경우 11, 17mode를 종합하면 5t와 7t에서 공진범위를 벗어나며 화물열차 Plastic cage와 동일하게 경량화 추세에 따라 5t로 설계하는 것이 효율적이다. 내구수명에 악영향을 주는 형상에 속하는 19mode는 영향분석 결과 공진범위를 벗어나지 못했고 그에 따라 좀 더 세분화된 연구가 필요하다고 판단된다.
[Table 10]은 고속열차 Plastic케이지의 영향분석 결과로 11, 17mode가 공진범위에 해당하고 11mode에서는 5t로, 17mode의 5t는 공진범위를 벗어나진 못했지만 모드형상이 내구수명에 악영향을 주지 않는 형상으로 변화한 것을 볼 수 있다. 표에 나타내어진 19mode는 영향분석 결과 공진범위를 벗어나지 못했고, 그에 따라 좀 더 세분화된 연구가 필요하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구름 베어링의 주요 구성요소는 무엇인가?
이는 미끄럼 베어링보다 구름 베어링이 마찰저항이 작고 유지가 편리하기 때문이다. 구름 베어링의 주요 구성요소는 외륜, 내륜, 볼 또는 롤러, 그리고 케이지로 구성되어 있다. 구름 베어링의 주요 구성요소 중 하나인 케이지는 전동체(롤러)간 간격을 유지해 주며, 이를 통해 마찰 방지 및 마모, 발열의 억제 등의 역할을 하고 윤활제를 사용하여 윤활 시 윤활을 위한 공간을 제공해주는 역할을 한다.
케이지의 역할은 무엇인가?
구름 베어링의 주요 구성요소는 외륜, 내륜, 볼 또는 롤러, 그리고 케이지로 구성되어 있다. 구름 베어링의 주요 구성요소 중 하나인 케이지는 전동체(롤러)간 간격을 유지해 주며, 이를 통해 마찰 방지 및 마모, 발열의 억제 등의 역할을 하고 윤활제를 사용하여 윤활 시 윤활을 위한 공간을 제공해주는 역할을 한다.
베어링 케이지가 첨단 산업의 발달로 달라진 점은 무엇인가?
과거에 금속소재를 사용하던 베어링 케이지는 차량의 연비 개선 및 전기, 하이브리드 차량 등의 개발에 따라 경량화 추세에 있으며, 강도 및 내열성 등이 향상된 플라스틱이 이를 대체 하고 있다. 또한, 첨단 산업의 발달로 인해 가속도계 센서를 갖고 고유진동수를 측정하던 방식에서 컴퓨터와 컴퓨터 프로그램들의 기술 향상으로 인해 정확한 해석이 가능해져 컴퓨터를 사용하여 고유진동수를 측정하고 모드형상을 관찰할 수 있게 되었다. 케이지에 대한 동특성 해석의 중요성은 열차 운행 간 베어링에서 발생하는 주파수와 케이지의 고유진동수가 만나 공진을 형성해 케이지의 형태가 일그러져 전동체가 제대로 회전운동을 하지 못하거나, 전동체가 케이지를 이탈하여 자칫 화물 및 승객의 안전에 위협이 될 수 있는 상황을 사전 시뮬레이션을 통해 숙지하고 사고를 피할 수 있다는데 의미가 있다[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15].
참고문헌 (15)
S. P. Lee, "Bearing Life Evaluation of Automotive Wheel Bearing Considering Operation Loading and Rotation Speed." Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, Vol. 40, No. 6, pp. 595-602, 2016.
V. C. Tong, "Characteristics of Tapered Roller Bearing Subjected to Combined Radial and Moments Loads", Int. J. of Precision Engineering and Manufacturing -Green Technology, Vol. 1, No. 4, pp. 323-328, 2014.
B. Warda, "Fatigue Life Prediction of the Radial Roller Bearing with the Correction of Roller Generators", Int. J. of Mechanical Sciences, Vol. 89, pp. 299-310, 2014.
A. Selvaraj, "Experimental Analysis of Factors Influencing the Cage Slip in Cylindrical Roller Bearing", Int. J. of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 53, pp. 635-644, 2011.
R. H. Jeong, "Study on Detection Technique for Outer-race Fault of the Ball Bearing in Rotary Machinery." Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 24, No.3, pp. 1-6, 2010.
I. Bercea, "Analysis of Double-Row Tapered Roller Bearings", Tribology Transactions, Vol. 46, No. 2, pp. 228-239, 2003.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.