초록 ▼

3. 개발결과 요약

□ 최종목표
능동/반능동 현가시스템용 대차 개량 설계 및 제작
능동/반능동 현가시스템용 인터페이스 볼스터 설계 및 제작
능동/반능동 현가시스템용 개량대차 조립 및 시험차량 구성
(2세부과제는 1세부와 3세부에서 개발하는 능동형/반능동형 현가장치의 성능을 검증할 수 있는 차량을 구성하고 성능검증 가능한 시험환경을 구축하는 지원과제임)

□ 개발내용 및 결과
인터페이스 볼스터 모듈은 기존 부품들을 그대로 사용하며 대차의 개조를 최소화하면서 능동형현가장치를 적용할 수

3. 개발결과 요약

□ 최종목표
능동/반능동 현가시스템용 대차 개량 설계 및 제작
능동/반능동 현가시스템용 인터페이스 볼스터 설계 및 제작
능동/반능동 현가시스템용 개량대차 조립 및 시험차량 구성
(2세부과제는 1세부와 3세부에서 개발하는 능동형/반능동형 현가장치의 성능을 검증할 수 있는 차량을 구성하고 성능검증 가능한 시험환경을 구축하는 지원과제임)

□ 개발내용 및 결과
인터페이스 볼스터 모듈은 기존 부품들을 그대로 사용하며 대차의 개조를 최소화하면서 능동형현가장치를 적용할 수 있는 장점이 있다. 기존의 차량 설계는 차체 하면이 하나의 볼스터로 되어있어서 능동현가를 바로 적용할 수 없는 단점이 있다. 특히 능동현가의 최적성능을 확보하기 위해 대차 중심에 위치시켜야 하므로 인터페이스 볼스터를 적용함으로 인해 능동현가의 사이즈를 줄이면서 최적의 제어성능을 확보할 수 있다.
또한 능동현가를 기존차량에 적용할 경우 차체 및 대차의 개조작업을 수행하기 위해 기계가공 및 용접 등의 작업성의 문제점이 발생하지만, 인터페이스 볼스터를 활용하여 능동현가를 적용한 대차 모듈을 제작할 경우 차체의 개조를 최소화하며 능동현가를 적용할 수 있다. 따라서 능동형 현가를 적용한 신규차량 제작뿐 아니라 기존차량의 성능 향상을 위한 업그레이드를 위해서도 개발된 기술의 적용이 가능하므로 능동현가의 적용성을 높일 수 있다.

- 1차년도 개발 내용 및 결과
능동현가시스템용 대차 인터페이스 기본설계, 반능동 현가시스템용 대차 개량설계, 대상차량 인터페이스 개량 설계를 목표로 연구 개발을 수행하였다. 능동현가장치의 적용차량 선정을 위해 적용 가능한 차량 정보를 조사하고 본 과제에 가장 적합한 차량을 선정하였다. 개발 완료된 TTX(한빛200, 틸팅차량)과 HEMU 430(동력 분산 식 차세데 고속열차) 및 영업 운행 중인 경춘선 전동차(좌석 급행 형)을 조사 대상으로 비교평가를 수행하였다.
적용 대상차량에 대한 공간배치 검토를 수행하기 위해 대차/차체 간 상대변위를 확인하였으며, 능동현가 장치 배치가 가능한 공간 확보를 위한 대차와 볼스터 모듈 배치 개념을 확정하였다.능동현가를 적용한 신규 개발 대차의 성능 확인을 위하여 개발대차 프레임의 구조해석을 위한 기존 대차의 구조해석 절차 및 경계조건을 분석하였으며, 능동현가 적용 시 추가로 검토 되어야 할 해석 조건을 산정하였다.
신규 개발 차종에 적용될 인터페이스 볼스터는 대차/차체간 인터페이스 관련된 모든 장치들을 인터페이스 볼스터에 설치할 수 있으므로 대차를 쉽고 빠르게 차입, 분리가 가능하여 유지보수가 용이해진다. 개발된 인터페이스 볼스터의 적용성을 검토하기 위해 목업을 제작하여 평가하였다.

- 2차년도 개발 내용 및 결과
능동현가 시스템용 대차 상세설계와 반능동현가 시스템용 대차 개량 설계를 수행하였으며, 대상차량을 개조하여 시험을 수행하기 위한 인터페이스 개량 설계를 수행하였다. 1차년도에 확정된 대상차종에 대한 보다 면밀한 검토를 위해 경춘선 좌석형과의 비교 평가를 수행하였다.
능동형 현가장치를 적용하기 위한 대차프레임과 인터페이스 볼스터를 새로 설계하였으며, 대차 완성은 기존 틸팅대차의 주요 부품을 분해 후 재사용함으로써 제작비용을 절감하도록 하였다.신규 대차 프레임은 기존 부품과 완벽한 호환이 가능하도록 설계되었다.
능동현가의 최대 작용하중 및 능동현가 자체 자중에 대하여 충분한 강도를 갖도록 설계되었고 구조해석을 통해 설계안을 검증하였다. 반능동현가를 적용한 대차의 적용 시 능동형 대차와 호환이 가능하도록 동일 대차에 능동형 현가용 브라켓과 반능동형현가용 브라켓을 동시에 설치하여 선택적으로 조립하여 시험이 가능하도록 설계하였으며, 설계된 프레임 및 볼스터에 대한 평가를 위해 반능동현가장치의 최대 작용력 작동상태를 고려한 해석을 추가하였다.

- 3차년도 개발 내용 및 결과
반능동 및 능동형 현가시스템 대차 개조를 수행하기 위해 능동/반능동 현가시스템용 대차 프레임을 제작 및 개조 수행하였으며,능동/반능동 현가시스템용 볼스터를 제작하였다. 제작된 프레임과 볼스터에 대상 차량에서 분리한 주요 부품들을 조합하여 능동형 현가시스템용 대차 및 볼스터 모듈을 최종 설계완료 하였다.
대상 차량의 대차를 분해한 후 주요부품을 재사용하여 능동형 현가장치를 완성해야 하므로 대상 대차의 부품에 대한 인터페이스 검토 및 성능 확인을 위해 부품별 도면을 재 작성하였다. 또한 대상 차량의 사양서 및 부품 설명서를 확보하여 분해 후 부품별로 성능확인을 거쳐 재사용 여부를 판단하고, 재사용 불가할 경우에 신규부품을 구매하여 대체하기로 하였다.
인터페이스 볼스터의 구조해석결과 횡버퍼 브라켓에 과도한 응력 집중이 발생하여 이를 개선하기 위한 설계변경을 실시하였다. 틸팅열차의 언더프레임에 인터페이스 볼스터를 활용한 능동형 현가적용 대차 모듈을 결합하기 위해 3D모델을 활용한 인터페이스 검토를 실시하였다. 기존에는 공기스프링이 직접 언더프레임에 결합되는 방식이었으나 인터페이스 볼스터는 좌우 공기스프링이 미리 결합되어 있는 상태로 대차 모듈전체가 일체로 결합하게 되므로 가공 오차 및 배관등과의 간섭을 사전에 검토해야한다. 1세부에서 설계 확정한 능동현가의 3D모델을 전달 받아 개발 중인 대차에 배치하여 공간 확보 및 간섭을 확인하였다.인터페이스 확인 후 브라켓의 형상을 변경하고 중량의 능동형 현가의 하중을 지지하기 위해 연결 브라켓의 강도를 높이기 위한 보강작업을 수행하였다.
능동형 액츄에이터 설계사양 기준인 자중 200kg을 적용하여 브라켓 최적 설계를 수행하였다. 대차의 주행 중 발생하는 최대 가속도 5g와 안전율을 고려했을 때 10g기준에 대한 강도 평가를 수행하였다. 브라켓에는 자중에 의해 최대 20kN이상의 변동 하중이 발생하게 된다. 능동형현가의 최대 추력은 10kN이므로 횡방향 하중 외에 수직하중에 대한 고려가 필요하다.
설계된 대차 프레임과 인터페이스 볼스터는 최종적으로 피로해석을 수행하여 건전성을 평가하였다.
피로해석용 하중조건은 UIC규격을 기준으로 하였다. 대차프레임의 피로해석 하중조건은 수직하중, 좌우하중, 액츄에이터 하중의 3가지를 적용하였다.
인터페이스 볼스터의 피로해석 하중조건은 수직하중, 좌우하중 2가지를 적용하였다. 액츄에이터 하중은 좌우 하중에 중첩하였다.대차프레임의 피로해석결과 UIC기준 내구시험조건을 만족하고 안전율 1.4이상의 충분한 내구성을 가지고 있음을 확인 할 수 있었다. 인터페이스 볼스터 피로해석결과 UIC기준 내구시험 조건을 만족하지 못하고, 안전율 1.4이하로 나타났다.
능동현가장치용 대차프레임과 인터페이스 볼스터의 내구성능평가를 위해 피로해석을 수행한 결과 대차프레임은 UIC기준을 만족하였으나 인터페이스 볼스터의 경우 횡버퍼 브라켓 내측의 피로수명이 UIC기준을 만족하지 못할 것으로 예상된다. 횡버퍼브라켓 하단부의 단면 및 곡률 증대, 재질 변경 등을 통해 설계안을 개선하였다.
대상 차량에서 개조 대상 대차를 드롭테이블을 이용하여 분리하였고 공장으로 운반하여 대차와 볼스터를 분리하고 각종 부품을 분해하였다.
분리된 대차는 능동현가용 대차로 개조하기 위해 공장으로 이송하여 작업을 수행하였다.
대차프레임과 달리 인터페이스 볼스터는 신규 제작을 수행하였다. 제작 착수 전 설계모델을 점검한 후 가공성 및 조립성을 확인할 수 있도록 작업 지침서를 작성하였다.
인터페이스 볼스터는 일체형 구조를 갖춰 대차를 모듈화 시키는 장점과 함께 내부공간을 보조공기통으로 활용가능하다. 따라서 볼스터 제작 시 기밀용접이 될 수 있도록 용접에 주의해야 한다. 또한 구조적으로 강성을 유지할 수 있도록 내부에 충분한 보강판을 확보하도록 하였다.
MR댐퍼를 활용한 반능동 현가 시제품은 수동 댐퍼보다 약간 길이가 길기 때문에 수동댐퍼 브라켓을 바로 사용할 수 없으므로 수동댐퍼 브라켓과 간섭이 발생하지 않도록 대각선 위치에 반능동형 댐퍼 브라켓을 용접하여 부착하였다.

- 4차년도 개발 내용 및 결과
능동/반능동형 대차 프레임 상세 설계 도면은 3차년도 개발 기간 중 완료되었으며 일부 제작과정에서 필요한 수정 관련하여 4차년도에 개조설계를 수행하였다.
능동/반능동형 인터페이스 볼스터는 제작을 담당한 우신이엠시에서 상세 도면을 작성하였고 인터페이스 시트를 추가하기 위해 볼스터 상판에 시트 결합용 볼트 홀을 추가하였다. 차체 언더프레임 결합방식은 공기 배관의 닛블을 이용한 결합이 가능하도록 기존 차체의 언더프레임 내부에 설치된 공기 배관을 이용하는 구조로 설계되었다.
시험차량은 차체 언더프레임에 공기스프링이 직접 연결되는 방식이었으나 능동형 현가장치 결합을 위해 대차는 언더프레임에 인터페이스 볼스터를 결합하고 인터페이스 볼스터에 공기스프링을 연결하여 대차프레임과 결합된다.
4차년도에는 3차년도에 완성된 대차를 이용한 주행시험대 시험과 실 노선 시험을 위한 차량 조립 작업을 수행하였다. 완성대차는 인터페이스 시트를 이용하여 시험차량 언더프레임에 볼트 결합방식으로 연결된다. 해당 부품과 볼트 강도는 구조해석을 이용하여 설계된 형상을 검증하였으며 해석과정에서 문제가 되는 부분을 사전에 발견하여 설계 변경함으로써 보다 강건한 대차를 완성 할 수 있었다.
인터페이스 볼스터는 차체와 대차를 연결하는 핵심부품으로써 다양한 하중조건이 적용되므로 강도평가가 매우 중요하다. 설계된 모델은 구조해석 및 피로해석을 통해 건전성을 평가하여 취약부에 대한 보강작업을 수행하였으며, 인터페이스 시트와 볼스터를 연결하기 위한 볼트에 대한 하중해석을 통해 볼트의 치수와 개수 및 결합 위치에 대한 평가를 실시하였다.
대차프레임과 브라켓에 대한 구조해석 및 피로해석은 3차년도에 완료되었으며, 4차년도에는 차체연결을 위한 인터페이스 볼스터의 강도해석 및 연결에 필요한 볼트의 강도 해석을 수행하였다.
3차년도에 완성된 대차 프레임에 대하여 2차 현가장치 연결시트와 능동형 현가장치용 브라켓, 그리고 안전바 등을 추가 설치하여 프레임을 일부 개조하였다.
인터페이스 검토를 위해 완성된 인터페이스 볼스터를 대차프레임에 가조립하여 간섭 및 조립성을 확인하였다. 윤축 및 제동시스템, 볼스터와 대차프레임 등의 부품은 대차 조립을 위해 공장으로 이동하여 조립작업을 수행하였다.
완성된 대차에 능동형 현가장치와 반능동형 현가장치를 결합하여 롤러리그 시험을 수행하였다.
주행대에서 제어 특성 확인 시험을 마친 후 실차 주행 시험을 위해 완성 대차를 오송 차량 기지로 이동하여 틸팅열차와 결합작업을 수행하였다.
가대차와 연결되어 보관 중인 시험차량에 능동형 현가장치를 탑재한 개조 대차와 반능동형 현가장치를 탑재한 개조 대차를 각각 연결하여 시험차량을 구성하였다.
완성된 시험차량을 입환 기관차로 견인하여 38번 선로기 부근에서 곡선을 통과시켜 차량 각부의 간섭여부를 확인하였다.
곡선 통과 시험을 마친 대차는 다시 분리하여 공장에서 원복작업을 거친 후 틸팅열차의 원래 차량 상태로 복원하도록 하였다.
능동형 현가장치의 간섭 확인 및 대차 기능 시험을 수행하기 위해 차량기지내의 곡선 구간 통과 시험을 수행하였다. 곡선구간은 선로 분기점의 300R구간에서 실시하였다.
곡선통과 시험 시 간섭이 우려되는 부분에 대하여 카메라를 설치하여 곡선통과 중의 거동을 기록한 후 검토하였다.
300R의 구내 최소 곡선에서 통과시험을 수행한 결과 간섭 부위는 없었으며 능동형현가장치의 거동에도 전혀 문제가 없음을 확인하였다.

- 5차년도 개발 내용 및 결과
능동현가적용 개조대차의 주행성능 개선 확인을 위한 주행시험은 틸팅열차 대신 무궁화호 객차로 변경되었다.
변경된 시험차량에 개발된 능동현가 시스템을 탑재하기 위해 대차 개조가 필요하며 최소한의 개조범위로 제한하며 능동현가의 성능을 극대화시키기 위한 설계 작업에 착수하였다.
설계된 브라켓은 센터피봇 하부에 세레이션을 이용한 자리고정과 볼트로 결합하는 방식으로 체결된다. 하지만, 1축 시험기에는 센터피봇과는 다른 방식으로 연결해야 하므로 시험기에 브라켓을 고정하기 위한 고정 지그를 별도로 설계하여 제작하였다.
해석을 통해 최대 응력 발생 위치가 내부 보강판의 목 부위임을 확인하였고, 실제 시험을 위해 해당 위치에 스트레인 게이지를 부착하여 비교 시험을 수행하였다.
스트레인 게이지가 부착된 브라켓을 시험기에 장착한 후 미리 설정된 하중 값으로 시험을 수행하였다. 능동형현가장치의 최대작용력 10kN을 기중으로 (1.0, 2.0, 5.0, 10, 15, 20kN) 6가지 하중을 부가 한 후 응력 값을 비교 평가하였다.
CATIA V5 해석기능을 이용하여 응력해석 결과를 확인하였다.아래 표는 1축 강도시험기에 개조부품을 결합한 상태에서 능동현가 작용하중을 브라켓에 부가한 후 시험한 결과와 동일하중에 대한 해석 결과를 비교한 표이다. 스트레인 게이지의 위치와 해석 모델의 부정확성을 감안하더라고 비교적 시험결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었으며 시험과 해석 모두 재질의 허용응력 이내에 있음을 확인하였다.
개조된 브라켓에 대한 시험과 해석을 통해 실차 주행 시험 전 제작된 부품의 강도를 평가하여 차량 주행시험에 처음 적용하는 능동형 현가시스템용 개조 대차에 대한 안정성을 검증하였다. 다음으로는 실차 주행 상태에서 개조 부품에 작용하는 주행 중 발생 작용력을 측정하여 개조부품을 해석, 시험 평가하였던 하중조건 범위 이내임을 확인하였다.
시험차량은 무궁화호 객차를 화물형 전기기관차로 견인하는 편성으로 시험차량이 구성되었다.
볼트형 로드셀은 시험실에서 교정시험기를 이용하여 교정 상수를 계산하여 사용하지만, 현장에 적용 시 교정 값이 달라진다. 따라서 시험차량에서 측정한 기준 값을 활용하여 볼트형 로드셀에서 취득한 시험데이터의 교정을 추가로 실시하여 보다 정확한 작용력을 확인할 수 있다.
수동댐퍼의 작용력은 속도정보에 댐퍼의 댐핑계수를 곱하여 댐핑력으로 환산하였다. 아래 그림은 속도정보에 댐핑계수를 곱하여 구한 수동댐퍼의 힘이다.
유추한 수동댐퍼의 작용력은 100N 미만으로 200N과 400N의 피크파형들이 존재한다. 볼트형 로드셀에서 취득한 수동댐퍼의 힘도 100N미만의 데이터가 대부분이며 200N고 400N수준의 피크진동을 수반하고 있음을 확인 할 수 있었다.
반능동댐퍼는 전류의 크기에 따른 힘-변위 선도와 힘-속도 선도를 생성한 후 3D참조 테이블을 활용하여 실시간 취득한 속도데이터와 전류데이터의 조합을 이용하여 힘을 유추하였다.
실차 주행시험 중 볼트형 로드셀로 측정한 능동현가 작용력이 1축 시험기를 통해 개조부품 강도평가 시 적용한 최대하중 20kN이하임을 확인하였으며 설계된 개조 부품은 안정하게 설계되었음을 확인하였다.

□ 기술개발 배경
승차감 개선 등 고객의 고급화 수요에 대응하기 위해 능동형 현가장치를 철도차량에 적극적으로 적용하고 있는 추세임. 능동형 현가장치를 적용한 대차를 설계하기 위한 기초연구로써 기존차량에 능동형 현가를 적용하기 위한 방법과 능동형 현가장치성능을 극대화하기 위한 전용 대차의 설계에 대한 기술 확보와 설계안에 대한 성능검증을 위한 환경 구축이 필요함. 본 연구에서는 인터페이스 볼스터 개념을 도입하여 2가지 목적을 모두 만족할 수 있는 능동형 현가장치 적용 대차 기술을 개발하였고 개조부품에 대한 성능검증을 위한 1축 시험환경을 구축함.

□ 핵심개발 기술의 의의
본 연구의 주요 핵심 기술인 인터페이스 볼스터를 적용한 능동형현가 적용 대차 모듈 기술은 능동형 현가장치를 대차에 모듈형으로 삽입하여 차체에 대차를 차입하거나 분리가 용이한 구조임. 해외에서는 인터페이스 볼스터를 적용한 대차 실적이 다수있으나 국내에는 적용 사례 없음. 능동형 현가의 성능을 극대화하기 위해 대차 중심에 능동형 현가를 배치할 수 있도록 새로운 구조의 대차를 설계함. 대차 설계는 독일의 로고모티브사로부터 관련 기술에 대한 자문을 통해 개발함. 능동형 현가를 적용한 인터페이스 볼스터 타입 대차는 유럽 등 선진 철도 국가에서 향후 도입가능성이 높으며 관련하여 수주기회가 발생할 경우 적극적으로 수출되도록 대응할 예정임. 국내에서도 향후 준 고속차량시장이 확대될 경우 인터페이스 볼스터를 이용한 대차 설계 제안할 예정임. 설계안에 대한 성능검증은 구축된 시험실 시험화경에서 부품단위 시험을 거친 후 실차 시험을 통해 신뢰성 확보 예정임.

□ 적용 분야
준 고속형 철도차량, 고속철도차량, 도심간 통근열차 등 주로 150km/h급 이상의 장거리 이동 차량에 적합한 기술로서 승객에게 보다 개선된 안락한 승차감을 제공하여 차량 고급화 가능함.기술개발 과정에서 구축된 개조 부품 성능 검증용 1축 시험기는 향후 능동형 현가 시스템의 평가뿐 아니라 대차에 적용되는 각종 현가시스템의 평가에도 유용하게 적용될 예정임.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 37
• 목차 ... 41
• 제 1 장 서론 ... 42
• 제 1 절 기술개발의 필요성과 관련 현황 ... 42
• 제 2 절 개발 대상 기술․제품의 중요성과 파급 효과 ... 43
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 45
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 45
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 46
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 46
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 54
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 54
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 55
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 55
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 192
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망(당초 기술개발 시작 시점의 조사와 변화된 것 위주로 기술) ... 196
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 200
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 200
• 제 4 장 결론 ... 201
• 부록 ... 203
• 끝페이지 ... 332