[논문]고속열차용 전기기계식 제동장치의 동력전달 기구물에 대한 구조해석

오혁근; 백승구; 전창성

doi:10.5762/kais.2019.20.12.237

고속열차용 전기기계식 제동장치의 동력전달 기구물에 대한 구조해석
Structural Analysis of Power Transmission Mechanism of Electro-Mechanical Brake Device for High Speed Train 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.12, 2019년, pp.237 - 246

오혁근 (한국철도기술연구원 고속철도연구팀) , 백승구 (한국철도기술연구원 고속철도연구팀) , 전창성 (한국철도기술연구원 고속철도연구팀)

초록
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전기기계식 제동장치(EMB : Electro Mechanical Brake)는 자동차 및 철도차량의 차세대 제동장치로서 현재 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재의 고속열차용 제동장치는 공압 실린더를 이용하여 제동 압부력을 발생시키나 전기기계식 제동장치 (EMB)에서는 전기 모터 및 기어와의 조합을 통하여 압부력을 발생시킨다. 본 연구에서는 고압부력 발생이 가능한 EMB 구동 메커니즘을 제안하고, 해당 메커니즘을 만드는 기구장치 중 핵심부품인 기어 및 샤프트 부품들에 대한 구조 및 진동해석을 수행하였다. 한편 모델에 대한 동적 진동해석 결과 압부력이 가해진 상태에서 외부가진이 주어졌을 때 부재의 최대 응력이 항복강도 이내임이 확인되었다. 또한, 구조해석 결과 모터샤프트의 축 직경을 최대한 크게하는 설계가 강도 상 유리함을 확인하였으며, 기어와 편심샤프트를 고정하는 볼트에서 큰 전단응력이 발생할 수 있음을 확인하였다. 한편 해석모델의 메커니즘을 재현할 수 있는 시험장치를 제작하여 가장 취약한 부위인 고정 볼트부의 변형률을 구동 토크가 가해진 상태에서 측정하였다. 변형률 측정결과는 해석결과와 오차가 10% 이내로서, 해석모델의 정확도를 검증할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Electro-Mechanical Brake (EMB) is the next generation braking system for automobiles and railway vehicles. Current brake systems for high-speed trains generate a braking force using a pneumatic cylinder, but EMB systems produce that force through a combination of an electric motor and a gear. In this study, an EMB operation mechanism capable of generating a high braking force was proposed, and structural and vibration analyses of the gears and shafts, which are the core parts of the mechanisms, were performed. Dynamic structural analysis confirmed that the maximum stress in the analysis model was within the yield strength of the material. In addition, the design that maximizes the diameter of the motor shaft was found to be advantageous in strength, and large shear stress could be generated in the bolt fixing the gear and eccentric shaft. In addition, a test apparatus that can reproduce the mechanism of the analytical model was fabricated to measure the strain of the fixed bolt part, which is the most vulnerable part. The strain measurement results showed that the error between the analysis and measurement was within 10%, which could verify the accuracy of the analytical model.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig.1. Operation Mechanism of EMB
그림 Fig. 2. 3D models of EMB Power Transmission assembly
그림 Fig. 3. 3D element mesh for structural analysis
그림 Fig. 4. Tie condition for shaft bolt and bolt hole
표 Table 1. Material properties for structural analysis
그림 Fig. 5. Constraints of Gear 1 & Motor Shaft
표 Table 2. Boundary & Load conditions
표 Table 3. Analysis condition for each load case
그림 Fig. 6. The location of maximum stress in model A
그림 Fig. 7. The location of maximum stress in model B
그림 Fig. 8. Comparison of maximum stress in motor shaft
그림 Fig. 9. Change of maximum stress over time for each part in case 1 (Model A)
그림 Fig. 10. Change of maximum stress over time for each part in case 4 (Model B)
그림 Fig. 11. Prototype of EMB Power-Transmission system
그림 Fig. 12. Installation of strain gauge at Bolt surface
표 Table 4. Maximum stress in Dynamic Analysis
그림 Fig. 13. Installation of Torque sensor at Motor Shaft
그림 Fig. 14. Comparison between experiment and analysis for strain at bolt

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 해석을 통하여 현재 구동 메커니즘에서 구조적으로 취약한 부위를 확인하고자 한다.

가설 설정

HEMU-430X의 차량의 윤축 흔들림 측정치는 0.28 mm였으며, 여기에 안전계수 2를 고려하여 0.56 mm의 흔들림이 있다고 가정하였다.
구속조건의 경우 편심샤프트의 Bolt와 기어 2의 홀은 볼트 체결조건을 모사하기 위하여 Fig. 4와 같이 Tie 조건을 부여하였으며, 일반적인 contact의 경우는 Frictionless로 가정하고 ABAQUS의 general contact 조건을 부여하였다.
또한 가진 주파수는 300km/h 주행 시는 92.2 Hz, 110km/h 주행 시는 34.0 Hz로 가정하여 해석을 진행하였다.
안전설계를 위해 비상제동을 가정하여 검토하였으며, 응하중 감속도 제어로서 차량 하중 조건 및 필요 감속도를 확인하여 계산하였다.
이때 동적 가진 조건은 편심샤프트가 제동체결 상태에서 일정 각도의 진폭을 가진 정현파로 가진 된다고 가정하였으며, 이때 해석은 1 cycle로 정적해석을 수행하는 경우와 3 cycle의 동적해석을 수행하는 두 가지로 나누었다.

제안 방법

마지막으로 해석모델의 메커니즘을 재현할 수 있는 시험 장치를 제작하여 구조적 취약부의 변형률을 측정하고 이를 해석 결과와 비교하여, 해석모델의 적정성을 검증하고자 하였다.
각각의 해석 모델에 대하여 정적해석 즉 step-2까지 해석이 진행된 상태에서 각 부재에 가해지는 응력특성을 분석하였다.
다만 해석과의 차이점은 해석에서는 핵심 동력전달부만 반영하였지만, 샘 플에서는 회전축을 고정할 수 있는 하우징 및 Fig. 1의 Lever 2에 연결되는 회전축을 포함하여 제작하였다.
따라서 현재 HEMU차량에 설치되는 공압식 제동 캘리퍼의 하우징 내에 들어갈 수 있는 한계 내에서 편심축에 연결된 기어와 모터에 연결된 기어 사이의 감속비(r1)를 3.5로 설정하고 설계를 진행하였다.
또한, 기어의 효과적인 모델링을 위하여 Abaqus/ CAE 2016내 Gear Builder Plug-in을 사용하여 기어 설계변수(기어 잇수, PCD, 내경, 두께 등) 만으로 간편하게 구성할 수 있게 하였다.
또한, 스트레인 게이지는 볼트의 표면에서 볼트의 축방향 변형률을 측정할 수 있도록 배치하였으며, 스트레인 게이지의 설치를 위하여 볼 트표면을 평평하게 가공하였다.
모델에서 기어1은 모터의 샤프트가 조립되는 기어로서 가공 용이성 및 조립성 등을 고려하여 내경을 20mm와 32mm 두 가지 모델을 구성하여 각각 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 고압 부력 발생이 가능한 편심 축 기반 EMB 구동 메커니즘을 제안하고, 해당 메커니즘을 만드는 기구 장치 중 핵심부품인 기어 및 샤프트 부품들에 대한 구조 및 진동 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 고압부력 발생이 가능한 편심축 기반 EMB 구동 메커니즘을 제안하고, 해당 메커니즘을 만드는 기구 장치 중 핵심부품인 기어와 샤프트 부품들에 대한 구조 및 진동 해석을 수행하였다.
실제 제동 메커니즘과 동작 기어 설계를 위해 현재 고속열차 제동시스템의 필요 제동력 및 캘리퍼 압부력을 계산하여 검토하였다.
앞에서 설계한 EMB 동력전달 기구물의 구조해석 결과를 검증하기 위하여 해석에서 사용하였던 동일한 모델 (Model A)로 실험 샘플을 제작하였다.
요구 압부력인 52 kN을 달성하기 위하여, 위에서 제시한 메커니즘을 기본으로 하여 EMB의 구동부를 설계하였다.
우선 각각의 모델에 대하여 최악의 조건인 Case 1의 가진 해석 결과(Model A, 152 Nm, 92.2 Hz 동적가진)와 Case 4의 가진 해석 결과 (Model B, 152 Nm, 92.2 Hz 동적 가진)를 비교하였다.
이를 통하여 부재의 최대 응력이 항복강도 이내임을 확인하고자 하였으며, 모터샤프트의 축 직경에 따른 모델의 응력 특성을 정량적으로 분석하였다.
첫 번째, 정적해석 조건에서는 이미 제동이 체결된 상태로 가정하여, 기어 1에 연결된 샤프트에 모터가 토크를 가하고 있고, 편심 샤프트는 회전하지 않고 고정된 상태 (제동이 체결되어 움직이지 않는 상태)에서 기어 등 각 구성품에 가해지는 응력 등을 확인했다.
한편 상기 Mesh 된 모델을 Model A 및 Model B 각각에 대하여 Assembly 작업을 수행하였다.
한편 해석 결과를 검증하기 위하여 가장 큰 응력이 걸리는 부위인 편심샤프트와 기어 2를 결합해주는 볼트부에 스트레인 게이지를 다음의 Fig. 12와 같이 설치하여, 모터 축의 토크에 따라 변형률(strain)을 측정하고, 그 결과를 해석 결과와 비교하고자 하였다.
해석조건은 크게 정적해석과 동적해석으로 구분하였다.

대상 데이터

대상 차량은 국내 유일의 동력분산형 고속열차 시험 차량인 6량 1편성의 HEMU-430X으로 하였다.
사용된 스트레인 게이지는 독일 HBM사의 3/350 CLY 41-4L-2M였으며 저항값은 350Ω±0.35%이고 게이지 팩터는 2.00±1.0%였다.
특히 큰 하중을 받는 샤프트 및 볼트류는 고장력강인 SCM 440을 사용하였으며, Gear의 경우는 일반 재질인 SM45C를 적용하여 해석을 수행하였다.

이론/모형

해석모델은 앞에서 설계한 메커니즘을 기반으로 3D 모델링을 수행하여 작업하였으며 사용된 S/W는 범용 유한 요소 프로그램인 ABAQUS/CAE 2016이다.

성능/효과

Table에 나타낸 바와 같이 각각의 부품별 최대 응력 값은 모두 허용응력(항복 강도) 이하임을 확인하였으며, 이를 통하여 EMB 기구품 의 구조적 특성이 실제 사용조건에서도 충분히 안전성을 가지고 있음을 확인하였다.
또한, 구조해석을 통하여 모터샤프트의 축 직경에 따른 모델의 응력 특성을 정량적으로 분석하였고 그 결과 축 직경이 클수록 모터샤프트 홈에 가해지는 최대 응력은 작아짐을 알 수 있었다.
5를 고려한 모터축의 토크는 150 Nm이 됨을 알 수 있다. 또한, 현재 500W급 모터가 낼 수 있는 정지상태 토크의 수준은 2 Nm이므로 모터에 약 80:1 정도의 감속비를 가지는 감속기가 설치되어야 함을 알 수 있었다.
마지막으로 해석모델의 메커니즘을 재현할 수 있는 시 험장치를 제작하여 구조적 취약부의 변형률을 측정하고 이를 구조해석 결과와 비교한 결과 오차가 10% 이내로서 해석모델의 적정성을 검증할 수 있었으며, 설계된 EMB의 동력전달 기구물이 구조적으로 안전함을 확인할 수 있었다.
14의 결과에서 알 수 있듯이, 실제 변형률 측정 결과와 해석결과가 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 변형률 측정결과는 해석결과와 오차가 10% 이내(최대 9%)로서, 해석모델의 정확도를 검증할 수 있었으며, 이를 바탕으로 설계된 EMB의 구조적 특성이 충분히 확보되었음을 확인할 수 있었다.
이를 통하여 부재의 최대 응력이 항복강도 이내임을 확인하였으며, 가장 구조적으로 취약한 부위는 편심 축과 기어2를 연결하는 볼트 부임을 확인하였다.

후속연구

다만 볼트 부의 경우는 추후 내구해석 및 가진을 통한 내구시험을 통하여 장기수명 안정성을 평가할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기기계식 제동장치의 특징은?	전기기계식 제동장치(EMB : Electro Mechanical Brake)는 자동차 및 철도차량의 차세대 제동장치로서 현재 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재의 고속열차용 제동장치는 공압 실린더를 이용하여 제동 압부력을 발생시키나 전기기계식 제동장치 (EMB)에서는 전기 모터 및 기어와의 조합을 통하여 압부력을 발생시킨다. 본 연구에서는 고압부력 발생이 가능한 EMB 구동 메커니즘을 제안하고, 해당 메커니즘을 만드는 기구장치 중 핵심부품인 기어 및 샤프트 부품들에 대한 구조 및 진동해석을 수행하였다.
	고속철도용 EMB 시스템의 실용화 제품이 현재 전무한 이유는?	그러나 이 경우는 자동차용 EMB에서 주로 활용되는 볼스크류 메커니즘을 적용하여 고속철도에서 요구하는 고압부력 특성을 달성하는 데는 한계가 있었다. 즉, 고속철도용 EMB 시스템은 현재 실용화 제품이 전무한 상태이며 그 이유는 고속철도 제동시스템은 고출력, 고압부력의 EMB 제동 캘리퍼의 개발이 필요하기 때문이다.
	전기기계식 제동장치가 고속열차용으로 적합한 이유는?	한편 자동차 제동시스템으로는 개발이 많이 진행된 전기기계식 제동장치(EMB: Electro-Mechanical-Brake) [3,4] 의 경우 제동공기통, 제동 제어장치 (BOU: Brake Operation Unit) 등을 제거할 수 있어 Compact화가 가능하며 이를 통해 좌석 및 기기 배치 자유도의 확대가 가능하다. 또한, 빠른 응답속도로 고정밀 제동 제어 및 제동거리 단축이 가능하여 고속열차용으로 적합한 제동시스템이다.

참고문헌 (8)

CER, EMI and UIC, Challenge 2050-The Rail Sector Vision, International Union of Railways (UIC), 2013.
European Railway Sector, Shift2Rail Joint Undertaking Multi-Annual Action Plan, European Union Funding for Research & Innovation, 2015.
R. T. Bannatyne, "Advances and challenges in electronic braking control technology", SAE Technical Papers, 1998.
M. Sundar, D. Plunkett, "Brake-by-Wire Motivation and Engineering-GM Sequel", SAE Technical Papers, 2006.
S-K. Baek, H. K. OH, M-h Kwak, S-W. Kim, "A Design Method of Three-phase IPMSM and Clamping Force Control of EMB for High-speed Train", Journal of The Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.19, No.4, pp.578-585, Apr. 2018. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.4.578
M. S. Kim, S. C. OH, S. J. Kwon, "Characteristic Test of the Electro Mechanical Brake Actuator for Urban Railway Vehicles", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol.33, No.7, pp.535-540, Jul. 2016. DOI: https://doi.org/10.7736/KSPE.2016.33.7.535

원문보기 상세보기
BS EN 13260:2009+A1:2010 Railway Applications - Wheelsets and bogies - Wheelsets - Product requirements, April 2009.
ABAQUS/CAE User's Guide, ABAQUS 2016.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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