[논문]편심회전축 기반의 전기기계식 제동장치의 피로수명 해석

오혁근; 백승구; 전창성

doi:10.5762/kais.2020.21.9.596

편심회전축 기반의 전기기계식 제동장치의 피로수명 해석
Fatigue Analysis for Electro-Mechanical Brake Caliper based on Eccentric Rotating Shaft 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.9, 2020년, pp.596 - 603

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 철도차량용 제동장치는 공압 실린더를 이용하여 제동 압부력을 발생시키나 전기기계식 제동장치 (EMB)에서는 전기 모터 및 기어와의 조합을 통하여 압부력을 발생시킨다. 본 연구에서는 고압부력 발생이 가능한 편심회전축 기반의 전기기계식 제동장치에 대한 유한요소 모델링 및 내구 수명해석을 통하여 국내 기준에 부합하는 전기기계식 제동장치의 설계를 진행하였다. 이때 내구수명해석의 정확도를 향상하기 위하여 시제품에 사용되는 소재와 동일한 열처리 등을 거친 피로시험 시편을 3종을 제작하여 소재별로 피로시험을 진행하였다. 각각의 소재에 대한 피로시험 결과로부터 피로물성치(응력-수명 선도)를 획득하여 해석모델에 반영하였다. 피로해석 결과로부터 EMB 시제품의 설계가 국내 철도차량용 내구수명 조건인 상용최대 제동/완해 53 만회를 만족할 수 있음을 확인하였다. 또한, 이 설계를 바탕으로 시제품을 제작하고 내구시험을 완료하여 개발된 시제품의 내구성 특성을 입증할 계획이다.

Abstract ▼ AI-Helper

'Electro-Mechanical Brake (EMB) is a novel braking system for automobiles and railway vehicles, and research in this area is actively underway. The current braking system for railway vehicles generates a braking force using a pneumatic cylinder, but the EMB system generates the force through a combination of an electric motor and gears. In this study, the design of an EMB system that meets the domestic standards was conducted through the finite element modeling and fatigue analysis of an eccentric rotating shaft-based EMB system capable of generating a high clamping force. At this time, to improve the accuracy of fatigue analysis, three types of fatigue test specimens, which were subjected to the same heat treatment as the materials used in the prototype, were produced, and the fatigue tests were performed for each material. The fatigue properties (S-N curves) were obtained from the fatigue test results for each material and reflected in the analysis model. The results of fatigue analysis confirmed that the design of the EMB prototype could satisfy the maximum commercial braking/relaxation of 530,000 times, which was the endurance life condition for domestic railway vehicles. In addition, based on this design, a prototype will be manufactured, and endurance testing will be completed to demonstrate the durability characteristics of the developed prototype.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Drawing for Specimen based on ASTM E8
그림 Fig. 2. Test Specimens for fatigue test
표 Table 1. Tensile test results for each material
표 Table 2. Fatigue test results for each material
그림 Fig. 3. 3D FEM Model and Boundary Conditions for fatigue test specimen
그림 Fig. 4. Comparison between experiment results and analysis results by fatigue S/W(fe-safe)
그림 Fig. 5. Comparison between fatigue failure location and distribution of log life for specimen
그림 Fig. 6. Analysis Model and each component of EMB Caliper
그림 Fig. 7. Meshing Results of EMB model for Structrural and Fatigue Analysis
표 Table 3. Fatigue test results for each material
표 Table 4. Fatigue Analysis results for EMB at Commercial Maximum Braking Force
그림 Fig. 8. Stress & Fatigue Analysis results for Cam Shaft at Commercial Maximum Braking Force
그림 Fig. 9. Stress & Fatigue Analysis results for Cam Shaft at Emergency Braking Force
표 Table 5. Fatigue Analysis results for EMB at Emergency Braking Force
그림 Fig. 10. Stress & Fatigue Analysis results for Motor Shaft at Emergency Braking Force
그림 Fig. 11. Stress & Fatigue Analysis results for Gear-1 at Emergency Braking Force

AI 본문요약
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문제 정의

통상적으로 대차제동장치의 경우는 상용최대제동 53만회 시행 후 외형 및 기능 이상이 없어야 한다고 명시되어 있다[9]. 따라서 본 연구에서는 EMB 시제품 설계안의 구조해석을 통한 압부력 인가시 하우징 및 동력 전달 축의 강도 및 피로해석을 수행하고자 하였다. 이를 위하여 시제품에 적용된 동일한 소재(열처리 및 표면처리까지 동일)에 대하여 시편을 제작하고 해당 시편의 피로물성치를 측정하여 해석에 반영하였다.
따라서 새롭게 제안된 편심회전축 기반의 고속열차용 EMB 장치에 대한 내구 특성에 대한 연구 및 검증이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 고속철도차량용 전기기계식 제동 장치에 대한 유한요소 모델링 및 구조해석을 기반으로 한 내구해석을 수행하여 편심회전축 기반의 고속열차용 전기기계식 제동장치의 설계를 진행하였다.
본 논문에서는 기존의 연구에서 제안된 편심회전축 기반 EMB 해석모델[7]을 바탕으로 내구해석을 진행하였다. 다만, 내구해석의 신뢰도를 높이기 위하여 EMB 시제품 제작 시 사용된 소재들(SCM440, SM45C, SM490A)과 동일한 열처리 방법 및 표면처리 방법을 적용하여 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 본 연구에서는 고압부력 발생이 가능한 편심회전축 기반의 전기기계식 제동장치에 대한 유한요소 모델링 및 내구 수명해석을 통하여 국내 기준에 부합하는 전기기계식 제동장치의 설계를 진행하였다.

가설 설정

1, 응력구간은 4단계로 구분하였고, 시편이 완전히 2개의 조각으로 분리될 때를 종료 조건으로 설정하였다. 무한수명은 10⁶Cycle이라 가정하였다. 시험장비는 MTS사의 고속피로 시험기를 이용하였다.

제안 방법

EMB 시제품에 대한 피로해석 수행 전에 피로해석 S/W의 적합성을 검증하기 위하여, 앞서 실시한 피로시험 시편과 동일한 FEM 모델을 만들어서 피로해석을 수행하였다. 피로해석을 위한 구조해석은 범용 구조해석 S/W인 ABAQUS/CAE 2016을 사용해서 진행하였으며, 피로해석 S/W는 ABAQUS 해석모델과 연동이 편리한 fe-safe 2016을 사용하였다.
한편, 구조 및 피로해석 방법은 다음과 같다. 구조해석을 통하여 각 부재별로 가해지는 응력을 계산하고, 응력 계산 결과를 바탕으로 피로해석 S/W에서 앞서 피로시험 시편 해석과 동일한 알고리즘(Principal Stress, None)으로 피로해석을 수행하였다. 이때 적용되는 피로해석 물성치는 앞서 시험을 통하여 추출된 물성치를 사용하였다.
본 논문에서는 기존의 연구에서 제안된 편심회전축 기반 EMB 해석모델[7]을 바탕으로 내구해석을 진행하였다. 다만, 내구해석의 신뢰도를 높이기 위하여 EMB 시제품 제작 시 사용된 소재들(SCM440, SM45C, SM490A)과 동일한 열처리 방법 및 표면처리 방법을 적용하여 시편을 제작하였다. 이 소재들은 모두 금속 소재로서 국제 피로시험 시편 규격인 ASTM E8 규격[11]에 따라 제작하고자 하였으며, 1개 재료에 대하여 4개의 응력구간 및 5회의 반복시험을 수행하고자 하였다.
그림에서 보이는 바와 같이 총 9개의 부품으로 구성되어 있으며, 각각의 구성품에 대하여 모델링을 하고 Assembly작업을 통하여 해석모델을 완성하였다. 또한, 구조 및 피로해석을 위하여 위의 모델의 각 파트별 Mesh를 진행하였다. Mesh는 정확한 구조해석을 위하여 3차원 육면체 요소(C3D8R)로 구성하였고, 총 요소의 개수는 469,159개이며, Fig.
마지막으로 EMB 시제품 모델에 대하여 구조해석 및 피로해석을 진행하였다. 이때 사용된 피로물성치 및 피로해석 모델은 앞서 시편을 통하여 검증된 수치를 반영하였다.
소재별로 피로 물성치 측정을 외부 공인기관에서 진행하였다. 시험은 인장시험 및 피로시험을 진행하였으며 ASTM E8규격에 따라 시험을 시행하였다.
앞에서 설명한 내구해석 모델을 이용하여 구조해석을 수행하고, 그 결과를 바탕으로 내구해석을 수행하여 각 부재의 내구수명을 평가하였다. 우선 상용최대제동 조건의 경우 국내 규정에서는 53만회의 제동/완해 시 문제가 없어야 한다고 요구하고 있다.
다만, 내구해석의 신뢰도를 높이기 위하여 EMB 시제품 제작 시 사용된 소재들(SCM440, SM45C, SM490A)과 동일한 열처리 방법 및 표면처리 방법을 적용하여 시편을 제작하였다. 이 소재들은 모두 금속 소재로서 국제 피로시험 시편 규격인 ASTM E8 규격[11]에 따라 제작하고자 하였으며, 1개 재료에 대하여 4개의 응력구간 및 5회의 반복시험을 수행하고자 하였다. 또한, 무한 수명 측정을 위한 2개의 추가 시편이 필요하므로, 1개 소재에 대한 총 피로시험 시편은 22개가 된다.
이때 내구수명해석의 정확도를 향상하기 위하여 시제품에 사용되는 소재와 동일한 열처리 등을 거친 피로시험 시편 3종(SCM440, SM45C, SM490A)을 제작하여 소재별로 ASTM E8규격에 따라 피로시험을 진행하였다. 각각의 소재에 대한 피로시험 결과로부터 피로물성치(응력-수명 선도)를 획득하여 피로시험 시편 해석모델에 반영하였으며, 피로해석 결과와 실제 피로시험 결과가 최대 오차 3% 이내로 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 EMB 시제품 설계안의 구조해석을 통한 압부력 인가시 하우징 및 동력 전달 축의 강도 및 피로해석을 수행하고자 하였다. 이를 위하여 시제품에 적용된 동일한 소재(열처리 및 표면처리까지 동일)에 대하여 시편을 제작하고 해당 시편의 피로물성치를 측정하여 해석에 반영하였다.
시험은 인장시험 및 피로시험을 진행하였으며 ASTM E8규격에 따라 시험을 시행하였다. 특히 피로시험의 경우는 시험속도는 7Hz, 응력비는 0.1, 응력구간은 4단계로 구분하였고, 시편이 완전히 2개의 조각으로 분리될 때를 종료 조건으로 설정하였다. 무한수명은 10⁶Cycle이라 가정하였다.
한편 위의 설계안과 동일한 상태에서 비상제동 상태로 가하는 하중을 변경하여 구조해석 및 피로해석을 수행하였다. 비상제동 상태에서는 하중값이 증가하여 각 Part의 최대응력은 증가한다.
해석방법은 경계조건의 경우 Fig. 3에서 보이는 바와 같이 x방향 상면 전체에 대하여 0.5mm 강제 변위, 하면 전체의 x방향 변위는 0으로 고정하고, 하면에서 고정 클램프가 물리는 포인트 A와 B에 대하여 y,z 방향의 구속 조건을 부여하였다. fe-safe의 피로해석 알고리즘은 Principal stress, None을 적용하고 Load History는 실제시험과 똑같이 1,0 반복 하중 조건을 부여하였다.

대상 데이터

6은 EMB 시제품에 대한 3D 모델링 결과이다. 그림에서 보이는 바와 같이 총 9개의 부품으로 구성되어 있으며, 각각의 구성품에 대하여 모델링을 하고 Assembly작업을 통하여 해석모델을 완성하였다. 또한, 구조 및 피로해석을 위하여 위의 모델의 각 파트별 Mesh를 진행하였다.
이 소재들은 모두 금속 소재로서 국제 피로시험 시편 규격인 ASTM E8 규격[11]에 따라 제작하고자 하였으며, 1개 재료에 대하여 4개의 응력구간 및 5회의 반복시험을 수행하고자 하였다. 또한, 무한 수명 측정을 위한 2개의 추가 시편이 필요하므로, 1개 소재에 대한 총 피로시험 시편은 22개가 된다. 위에서 언급한 바와 같이 사용하는 소재는 3종류로서 총 제작 수량은 66개가 된다.
무한수명은 10⁶Cycle이라 가정하였다. 시험장비는 MTS사의 고속피로 시험기를 이용하였다.

이론/모형

EMB의 구조해석을 위한 3D 모델링 및 요소망(Mesh) 작업은 앞서와 동일하게 Abaqus/CAE 2016를 사용하였다. 다음의 Fig.
구조해석은 경계조건 및 하중조건을 부여하여 Abaqus /CAE 2016의 Implicit Solver를 이용하여 수행하였다. 경계조건의 경우 기존의 연구[7]와 유사하게 부여하였다.
소재별로 피로 물성치 측정을 외부 공인기관에서 진행하였다. 시험은 인장시험 및 피로시험을 진행하였으며 ASTM E8규격에 따라 시험을 시행하였다. 특히 피로시험의 경우는 시험속도는 7Hz, 응력비는 0.
EMB 시제품에 대한 피로해석 수행 전에 피로해석 S/W의 적합성을 검증하기 위하여, 앞서 실시한 피로시험 시편과 동일한 FEM 모델을 만들어서 피로해석을 수행하였다. 피로해석을 위한 구조해석은 범용 구조해석 S/W인 ABAQUS/CAE 2016을 사용해서 진행하였으며, 피로해석 S/W는 ABAQUS 해석모델과 연동이 편리한 fe-safe 2016을 사용하였다. 아래의 Fig.

성능/효과

이때 사용된 피로물성치 및 피로해석 모델은 앞서 시편을 통하여 검증된 수치를 반영하였다. EMB 시제품 모델에 대한 구조 및 피로해석 결과로부터, 제안된 편심축기반 고속철도용 EMB 설계가 국내 철도차량용 내구수명 조건인 상용최대 제동/완해 53 만회를 만족할 수 있음을 확인하였다. 또한, 해석결과로부터 편심 회전축과 기어-2를 결합하는 볼트부에서 최대 응력이 발생하고 그 부위가 최소수명 위치가 됨을 알 수 있었다.
이때 내구수명해석의 정확도를 향상하기 위하여 시제품에 사용되는 소재와 동일한 열처리 등을 거친 피로시험 시편 3종(SCM440, SM45C, SM490A)을 제작하여 소재별로 ASTM E8규격에 따라 피로시험을 진행하였다. 각각의 소재에 대한 피로시험 결과로부터 피로물성치(응력-수명 선도)를 획득하여 피로시험 시편 해석모델에 반영하였으며, 피로해석 결과와 실제 피로시험 결과가 최대 오차 3% 이내로 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
4는 시편 모델에 시험에서 측정한 피로물성치를 적용한 후 해석하여 얻은 결과와 실제 피로시험 결과를 비교한 그래프이다. 그림에서 보이는 바와 같이, 피로해석 결과와 실제 피로시험 결과가 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있으며, 최대 오차는 3%였다. 따라서 본 피로해석 S/W 및 모델(알고리즘)이 적합함을 알 수 있다.
그림에서 보이는 바와 같이, 피로해석 결과와 실제 피로시험 결과가 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있으며, 최대 오차는 3%였다. 따라서 본 피로해석 S/W 및 모델(알고리즘)이 적합함을 알 수 있다.
5MPa)이 작용했던 Motor 축이 아닌 편심 회전축에서 가장 작은 수명인 571만회의 수명이 예측되었고, 나머지 부품은 모두 무한수명(100만회 이상)이 예측되었다. 따라서 전체 부품의 수명이 모두 53만회 이상으로서 충분한 내구수명이 확보되었음을 알 수 있다. 아래의 Fig.
EMB 시제품 모델에 대한 구조 및 피로해석 결과로부터, 제안된 편심축기반 고속철도용 EMB 설계가 국내 철도차량용 내구수명 조건인 상용최대 제동/완해 53 만회를 만족할 수 있음을 확인하였다. 또한, 해석결과로부터 편심 회전축과 기어-2를 결합하는 볼트부에서 최대 응력이 발생하고 그 부위가 최소수명 위치가 됨을 알 수 있었다.
우선 상용최대제동 조건의 경우 국내 규정에서는 53만회의 제동/완해 시 문제가 없어야 한다고 요구하고 있다. 실제 내구해석 결과 Table 4와 같이 구조해석에서 최대 응력(242.5MPa)이 작용했던 Motor 축이 아닌 편심 회전축에서 가장 작은 수명인 571만회의 수명이 예측되었고, 나머지 부품은 모두 무한수명(100만회 이상)이 예측되었다. 따라서 전체 부품의 수명이 모두 53만회 이상으로서 충분한 내구수명이 확보되었음을 알 수 있다.

후속연구

본 연구를 통하여 고속철도차량용 전기기계식 제동장치에 대한 시제품 설계의 구조적 안전성을 확보하였으며, 이 설계를 바탕으로 시제품을 제작하고 53만회 내구시험을 실시하여 개발된 시제품의 내구성 특성을 입증할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기기계식 제동장치는 어떤 장점이 있는가?	특히, 자동차용으로 연구된 전기기계식 제동장치 [4,5]의 경우 제동공기통, 제동제어장치(BOU: Brake Operation Unit) 등을 제거할 수 있어 Compact화가 가능하다. 또한, 빠른 응답속도로 공주거리 단축에 따른 제동거리 단축이 가능하여 철도 운행 안전성의 향상도 가능하다는 장점이 있다.
	전기기계식 제동장치는 어떤 장치인가?	전기기계식 제동장치(EMB : Electro-Mechanical Brake)는 자동차 및 철도차량의 차세대 제동장치로서 현재 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재의 철도차량용 제동장치는 공압 실린더를 이용하여 제동 압부력을 발생시키나 전기기계식 제동장치 (EMB)에서는 전기 모터 및 기어와의 조합을 통하여 압부력을 발생시킨다.
	현재 철도차량용 제동장치는 어떤 방식으로 압부력을 발생시키는가?	전기기계식 제동장치(EMB : Electro-Mechanical Brake)는 자동차 및 철도차량의 차세대 제동장치로서 현재 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재의 철도차량용 제동장치는 공압 실린더를 이용하여 제동 압부력을 발생시키나 전기기계식 제동장치 (EMB)에서는 전기 모터 및 기어와의 조합을 통하여 압부력을 발생시킨다. 본 연구에서는 고압부력 발생이 가능한 편심회전축 기반의 전기기계식 제동장치에 대한 유한요소 모델링 및 내구 수명해석을 통하여 국내 기준에 부합하는 전기기계식 제동장치의 설계를 진행하였다.

참고문헌 (11)

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H. K. Oh, S-K. Beak, C-S. Jeon, "Structural Analysis of Power Transmission Mechanism of Electro -Mechanical Brake Device for High Speed Train", Journal of The Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 20, No. 12, pp. 237-246, Dec. 2019. DOI : https://doi.org/10.5762/KAIS.2019.20.12.237
S-K. Baek, H. K. Oh, S-W. Kim, S-I. Seo "A Clamping Force Performance Evaluation of the Electro Mechanical Brake Using PMSM", Energies, Vol. 11, 2876, Oct. 2018. DOI : https://doi.org/10.3390/en11112876

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S-K. Beak, H. K. Oh, J-H. Park, S-W. Kim, S-S. Kim, "A Evaluation of Emergency Braking Performance for Electro Mechanical Brake using Interior Permanent Magnet Synchronous Motor", Journal of The Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 21, No. 6, pp. 170-177, Jun. 2020. DOI : https://doi.org/10.5762/KAIS.2020.21.6.170
Korean Railway Standards, "Brake Cylinder Unit for Electrical Multiple Unit", KRS BR 0018-16, 2016.
ASTM International, "Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials", ASTM E8, West Conshohocken, PA, 2016.

저자의 다른 논문 :

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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