1. 서 론
철도차량 주행 시 휠 레일에서 발생된 진동은, - 윤축 대차를 통하여 차체로 전달된다 철도차량, . 의 승차감은 2차 현가장치와 센터피봇(center 을 거쳐 승객에게 전달된 차체진동에 인체 pivot)
의 진동 민감도를 고려하여 결정된다 일반적으. 로 철도차량의 승차감은 차량의 현가장치 특성이 중요한 변수이다 고속철도 개발을 위하여는 고. 속주행 시 정확한 승차감 예측이 요구되고 있다.
고속철도차량의 승차감 예측 및 평가를 위하여
김영국
(1,2)
은 한국형 고속열차(HSR-350X)의 시험평가를 결과를 바탕으로 300 km/h 이상 고속주행 에서 한국형 고속열차의 승차감을 예측하였으며, 다양한 시험평가 결과를 분석하여 주행환경 변화 에 따른 한국형 고속열차의 승차감을 평가하였 다 김상섭.
(3)
은 자동차 차체의 유연체 특성을 고 려하여 자동차의 조정 안정성 및 승차감을 예측 하였다 성재호.(4)
는 철도차량을 대상으로 유연체 차체의 승차감 연구를 하였으며 차체의, 1차 굽 힘모드가 승차감의 주요 영향인자임을 확인하였 다 그러나 이전 연구의 경우 시험 속도가 제한. 되며 시험 속도 이상의 영역에 대한 승차감은, 추리 통계적 기법을 통하여 예측하였으며 해석, 학술논문< >
DOI:10.3795/KSME-A.2011.35.4.341
ISSN 1226-4873차체의 유연성을 고려한 고속철도 차량 승차감 해석
신범식 최연선 구자춘 이상원 이승일
성균관대학교 기계공학부 한국철도대학 철도차량기계과
* , **
Ride Comfort Analysis of High-Speed Train with Flexible Car Bodies
Bum-Sik Shin * , Yeon-Sun Choi * , Ja-Choon Koo * , Sang-Won Lee * and Sung-Il Lee **
* Dept. of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan Univ.,
** Dept. of Rolling Stick Mechanical Engineering, Korea Nat’l Railroad College Univ.
(Received January 18, 2010 ; Revised January 24, 2011 ; Accepted January 25, 2011)
Key Words: Ride Comfort(승차감), High-Speed Train(고속철도), Flexible Car-Body(유연체 차체), Rail Irregularity 레일 불균일
( )
초록: 고속철도 개발에 있어 승차감은 차량의 품질을 결정하는 중요한 요소이다 본 논문에서는 고속철도 차. 량의 강체 및 유연체 모델 각각에 대해 속도증가에 따른 고속철도 차량의 승차감을 평가하였다 가진원은 휠. / 레일 불균일에 의한 상하 진동만을 고려하였다 속도 증가에 따른 차체의 진동을 계산하기 위해 강체 및 유연. 체 모델의 고유진동수와 모드형상을 계산하였다 복잡한 형상의 압출재로 구성된 차체를 유연체로 모델링하. 기 위해 등가 물성치를 산출하여 등가 쉘로 모델링하였다 계산된 차량의 진동으로 승차감을 평가한 결과 강. , 체 모델로 예측된 고속철도의 승차감은 고속에서 오히려 좋아지는 불합리한 결과가 도출 되었다 반면 차량의. 유연체 모드까지 고려하여 평가한 고속철도의 승차감은 속도 증가에 따라 승차감이 나빠지는 당연한 결과를 보여 주었다 따라서 고속에서의 철도차량 개발은 차체의 유연체 특성을 고려해야함을 확인하였다. .
Abstract: In the development of high-speed trains, ride comfort is an important factor that determines the quality of the train. In this study, the ride comforts of high-speed trains with rigid and flexible car bodies were evaluated. The rail irregularity is used as an exciting source of the car-body bounce motion. The complex extruded structures of the car-body are modeled as shell structures using the calculated equivalent stiffness of the flexible model. The numerical results show that the ride of the rigid-body model improves as the speed increases, which is unreasonable. In contrast, the relationship between ride comfort and speed in the case of flexible-body model is reasonable. Thus, it is confirmed that the flexibility of the car body needs to be taken into consideration while fabricating a high-speed train.
§ 이 논문은 대한기계학회 2009 년도 추계학술대회
용평리조트 발표논문임 (2009. 11. 4.-6., )
Corresponding Author, [email protected] 2011 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
을 통한 예측 시 강체모델로 해석함으로써 유연 체 차체에 대한 영향을 확인하는데 한계가 있었 다 또한 유연체 차량 해석 시 차량의. 1차 굽힘 모드 특성만을 반영하여 정확한 차량 승차감 예 측에는 한계가 있었다.
본 연구에서는 철도차량 승차감 평가에 사용하 는 UIC 513R
(6)
을 기준으로 승차감을 예측하기 위 해 강체 및 유연체 차량 각각에 대해 수치해석, 을 하였고 해석조건에 따른 고속전철의 승차감, 을 평가하였다.철도차량 차체진동 2.
차량 모델링 2.1 ADAMS/RAIL
철도차량의 진동은 주행 중 휠 레일 접촉에서/ 발생한 진동이 윤축과 대차 사이의 1차 현가장치 와 대차와 차량사이의 2차 현가장치 및 센터피봇 을 통해 차체의 진동으로 나타난다 차량 주행. 시 발생하는 진동을 해석하고자 Fig. 1과 같이 한 국형 고속열차 동력차를 ADAMS/RAIL로 모델링 하였다.
은 한국형 고속열차의 주요 설계변수이 Table 1
다 차체의 탄성진동 유무에 따른 승차감 영향도. 를 검토하기 위해 강체와 유연체 모델을 구성하 였다 강체모델은 차량의 질량관성모멘트 스프링. ,
Table 1 Specifications of HSR-350X
[kgf] 53319
(roll) [kgm
2
] 58660 (pitch) [kgm2
] 1160450 (yaw) [kgm2
] 1143300[kgf] 2447
(roll) [kgm
2
] 1309 (pitch) [kgm2
] 2128 (yaw) [kgm2
] 3227[kgf] 2184
(roll), (yaw) [kgm
2
] 1285 (pitch) [kgm2
] 179[m] 0.46
2 , [N/m] 581300
[N/m] 741000
1 , [N/m] 151600
[N/m] 616000
계수 감쇄계수 등을 반영하였으며 유연체 모델, , 은 차체의 탄성을 반영하기 위해 차체를 유한요 소로 모델링하였다 외란은. Fig. 2(a)의 ADAMS
에서 제공하는 레
/RAIL 일불균일 특성을 사용하였다.
철도차량은 Fig. 3(a)와 같이 알루미늄 압출재 로 구성되어 있다 복잡한 형상의 압출재를 유한. 요소로 모델링하는 경우 메쉬(mesh) 크기 및 해 석시간의 증대로 인하여 한계가 있다 이를 극복. 하기 위해 본 연구에서는 알루미늄 압출재의 등 가 물성치를 산출하여 등가 쉘, (shell)로 모델링하
(a) HSR-350X
(b) ADAMS/RAIL model Fig. 1 Modeling of HSR-350X
(a) Irregularity
(b) Waterfall diagram Fig. 2 Rail irregularity
였다 이방성을 갖는 알루미늄 압출재의 등가 물. 성치는 굽힘 비틀림 해석을 통하여 산출하였다, . 나타낸 Fig. 3(b)에서 x, y 좌표축은 기준좌표계이 다.
압출재 방향별 등가강성 산출을 위해 Fig. 4와 같이 굽힘 비틀림 방향으로 선형 범위에서 하중, 을 가하여 변형을 계산하여 식, (1), (2), (3)을 이 용하여 등가강성을 산출하였다 각 식에서. 는 가해지는 힘과 지지점 사이의 거리, 는 가해 지는 힘, 는 지지점 사이의 거리, 는 알루미늄 압출재 시편의 폭, 는 압출재의 두께, 는 압출 재의 처짐, 는 압출재의 너비이다 각 해석을 통. 하여 도출한 등가강성은 Table 2와 같다.
(1)
(2)
(a) (b)
Fig. 3 Al car-body and structure panel
(a) Bending (b) Bending(core)
(c) Torsion (d) Ttorsion
Fig. 4 Load condition of Al plate
(3)
유연체 철도차량 해석을 위하여 ADAMS/RAIL 유연체 차량모델을 구성하였다. Fig. 5는 ADAMS
유연체 해석모델이다
/RAIL .
차량 모드 2.2
차량 모드는 강체와 유연체 모드로 구분되며, 일반적으로 철도차량 설계 시 강체모드를 이용하 여 안정성과 승차감을 판별한다 그러나 휠 레일. / 접촉 및 기타 외부 가진원은 속도에 비례하여 가 진주파수가 증가하게 되며 기존 저속 철도차량, 의 설계상에서 고려하는 강체모드만으로는 고속 철도차량의 응답을 계산하기에는 한계가 있다.
따라서 차량의 주요 응답의 원인을 분석하기 위 해 차량의 강체 유연체 각각에 대해 모드해석을, 하였다.
강체차량의 경우 Fig. 6과 같이 차량의 주요 모 드 형상을 알 수 있으며 유연체의 경우, Fig. 7과 같은 모드형상을 알 수 있다 강체. 1차 모드는
Table 2 Equivalent material
Equivalent material
18
21
6
0.34
Fig. 5 ADAMS/RAIL flexible model
상하 병진모드, 2 ~ 4차는 회전 모드, 5 ~ 7차 모드는 대차 병진모드이며 유연체 모드의 경우, 차체의 굽힘모드가 나타났다. 각 모드주파수와 차량의 가진원인 휠 레일의 속도별 가진주파수를/ 과 같이 비교하면 강체모드는 차 유
Fig. 8 , 1 ~ 10 ,
연체모드는 1 ~ 6차 모드까지 Fig. 2(b)에 표시한 주행속도별 휠 레일 가진주파수와 공진가능성이/ 있음을 알 수 있다 불균일에 의한 모드주파수. 공진의 가능성을 의미하며, 감쇄계수는 압출재 시편에 대한 충격시험을 이용하여 측정된 점성감 성계수를 이용하였다.
강체 유연체 차체 진동 2.3 /
을 이용하여 강체와 유연체 모델 ADAMS/RAIL
각각에 대해 주행해석을 하였다 강체 모델은 질.
(a) 1st (b) 2nd (c) 3rd (d) 4th
(e) 5th (f) 6th (g) 7th Fig. 6 Mode shapes of the rigid model
(a) 1st (b) 2nd
(c) 3rd (d) 4th
Fig. 7 Mode shapes of the flexible model
량중심에 유연체 모델은 차량바닥, 10개 위치에 축 가속도 값을 측정하여 평균을 구했 x, y, z 3
다 속도 증가에 따른 강체해석과 유연체 해석으. 로 계산한 진동레벨은 Fig. 9와 같다. Fig. 9의 가 속도는 차체 상하방향 가속도이며 강체 차체, 1 차 상하 병진모드의 경우 100 km/h 주행속도의 레일 가진주파수와 일치하여 공진이 발생하였다.
에서 가진주파수와 강체 차체모드 사이 200 km/h
공진현상이 발생하지 않아 가속도 응답이 낮아짐 을 알 수 있다 강체해석의 경우. 300 km/h 이상 고속주행 시 차량의 진동이 낮아지는 경향을 보, 이며 유연체 해석의 경우, 200 km/h 이상에서 진 동이 커짐을 알 수 있다 이러한 차이를 분석하. 기 위하여 400 km/h 주행 중 발생한 진동신호를 주파수 분석하여 Fig. 10에 그렸다 강체 해석에. 대한 주요 주파수응답이 저주파 영역에 있으며, 이상의 고주파 응답은 낮음을 알 수 있다
10 Hz .
유연체 해석에서는 10 ~ 20 Hz에서 응답이 크게 나타남을 확인할 수 있다 이는. Fig. 8에서 강체 모델의 주요 모드가 저주파 영역에 있으나 유연, 체 모델에서는 10 Hz 이상에 있기 때문에다 따. 라서 300 km/h 이상에서 보다 정확한 차체의 진
Fig. 8 Mode frequencies of HSR-350X
5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4
S p e e d ( k m / h ) Acceleration(m/s2)
R i g i d c a r - b o d y F l e x i b l e c a r - b o d y
Fig. 9 Acceleration responses of the car-body
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 0
0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9
F r e q u e n c y ( H z ) Acceleration(m/s2)
R i g i d c a r - b o d y F l e x i b l e c a r - b o d y
Fig. 10 Frequency responses of the car-body(400 km/h)
Fig. 11 Weighting curve of UIC 513R 동을 산출하기 위해서는 유연체 해석이 필요함을 알 수 있다.
승차감 평가 3.
승차감 평가 방법 3.1
국내 고속철도의 승차감 평가 기준은 국제철도 협회(UIC, International Union of Railways)의 UIC 513R
(6)
을 적용하도록 되어있다 한국형 고속전철. 및 동력분산형 고속전철은 UIC 513R 기준 승차감 지수 를 만족하“Deluxe rolling stock"( : 2) 도록 요구하고 있다.
철도차량 해석결과를 통한 승차감 평가방법으 로 5분 동안의 주행 중 차량의 바닥에서 측정한 진동신호 초 간격 진동신호(5 60개 에 대하여) 0.4 주파수 범위에서 각 주파수에 대한 진
~ 100 Hz
동가속도 파워를 산출하고, Fig. 11의 인체민감도 를 고려한 UIC 513R 가중함수를 적용하여 각 방 향에 대한 진동가속도 실효값을 산출한다 계산. 된 실효값 중 누적빈도가 95 %인 실효값을 이용 하여 승차감 지수
을 구하며 평가 방법에, 따라 3가지로 구분되며 본 연구에서는 차량바닥, 진동에 대한 약식법(simplified method)을 적용하 였다. Table 3은 승차감 평가기준이다.Table 3 Ride comfort grade Ride comfort grade Ride comfort
- 1 very good comfort 1 - 2 good comfort 2 - 4 moderate comfort 4 - 5 poor comfort
5 - very poor comfort
Fig. 12 Flexible car-body model using SAMCEF
100 150 200 250 300 350 400
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6
Speed(km/h)
R id e c o m fo rt (N m v )
Rigid car-body Flexible car-body Flexible car-body using samcef
Fig. 13 Ride comfort of the high-speed train 고속철도 승차감 평가
3.2
을 기반으로 강체 및 유연체 차체에 UIC 513R
대하여 승차감 평가하였다. 해석 시 ADAMS 강체 유연체 모델 각각에 대해 계산하였 /RAIL ,
다. ADAMS/RAIL 유연체 해석의 정확성을 검토 하기 위해 Fig. 12의 SAMCEF
(5)
차체해석과 비교 하였다. SAMCEF 해석에서는 차체는 주행하지 않고 단지 2차 현가장치에서 주행속도에 따라 차 체를 가진시키는 것으로 해석하였다. Fig. 13은 속도별 승차감 해석결과이다 해석결과. SAMCEF 차체모델과 ADAMS/RAIL 유연체 모델과의 유사 함을 확인할 수 있으며 유연체 해석의 결과가,고속주행에서 승차감이 저하됨을 알 수 있다 이. 는 10 ~ 20 Hz 영역의 진동이 Fig. 10에서와 같 이 승차감에 크게 영향을 미치기 때문이다 따라. 서 10 Hz 이상의 모드를 고려할 수 있으므로 유, 연체 해석이 중요해짐을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 철도차량의 고속주행 시 유연체 모드가 승차감에 미치는 영향을 확인하고자 차체 에 대한 강체 모델 및 유연체 모델 해석을 통하 여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
고속철도 차량의 강체 주요 모드는 이
- 10 Hz
내에 있으나 유연체 주요 모드는, 10 ~ 20 Hz 영 역에 있다.
고속전철은 고속 주행 시 레일불균일에 의해 -
이상의 가진 주파수가 발생한다
10 Hz .
강체 모델은 이하 속도에서의 승
- 350 km/h
차감 해석에 유용하나 그 이상 속도에서의 승차 감은 저속에서의 승차감 보다 오히려 좋아지는 불합리한 결과가 나타난다.
따라서 이상 주행하는 고속전철의
- 350 km/h
보다 정확한 승차감 해석을 위해서는 차체에 대 한 유연체 모델이 사용되어야 한다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 미래철도기술개발사업의 연구비지원 과제번호( 07차세대고속철도A01)에 의 해 수행되었습니다.
참고문헌
(1) Kim, Y. G., Kim, S. W., Mok J. Y. and Kim S.
S., 2006, "Prediction and Evaluation of Ride Comfort at High Speed above 310 ㎞/h for Korean High Speed Train," Conference of KSR, pp. 7~12.
(2) Kim, Y. G, Park, C. K., Ahn, S. K. and Kim, K.
H., 2008, "Application of Statistical Method for Ride Evaluation of High Speed Train," Conference of KSR, pp. 2159~2164.
(3) Kim, S. S., Lee, S. B., Jung, H. K. and Son, H. S., 2002, “Vehicle Ride and Handling Simulation with Flexible Car Body,” Conference of KSAE, pp. 805~812.
(4) Seong, J. H., Lee, K. W., Park, G. B. and Yang, H. J., 2007, "Study on the Ride Quality of Vehicle with Carbody Flexibility," Conference of KSR, pp. 269~274.
(5) SAMCEF
field. SAMTECH. 2002.
(6) International Union of Railways, 1994, UIC Code 513R.
