2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S155

철도차량의 AAR E Coupler-Knuckle 강도성능 검증 방안에 대한 연구 A study on the AAR E Coupler-Knuckle Strength Performance Verification

According to EN 12663

정규진*†, 박경봉*, 전시현*

Gyu-Jin Jung*†, Keong-Bong Park*, Si-Hyun Jeon*

Abstract A study is aimed at applied to bodies of a railway vehicle design specifications of EN

12663:2010(Railway application-Structural requirements of railway vehicle bodies) to verify the strength of the connection due to AAR E Coupler-Knuckle of railway vehicles. Knuckle is the tensile force acting on the resistance to the vehicle weight, by performing a finite element

analysis of the P-Ⅱ(1500 kN) condition EN 12663, AAR E Coupler-Knuckle part of the evaluation of the

strength, evaluated the safety and traction. Keywords : AAR E Coupler - Knuckle, Tensile force, Safety, Traction

초 록 본 논문에서는 철도차량의 연결기인 AAR E Coupler 의 Knuckle 강도를 검증하기

위하여 철도차량의 차체설계 규격인 EN 12663:2010 (Railway applications-Structural

requirements of railway vehicle bodies)를 적용하였다. Knuckle 에 작용하는 인장력은

차량중량에 대한 저항력으로 EN 12663:2010 의 Category P-II 조건(1500 kN)으로 유한

요소해석을 실시하여 AAR E Coupler 의 Knuckle 부에 대한 강도평가, 안전성 및 견인력을

검토하고자 한다. 주요어 : AAR E 커플러-너클, 인장력, 안전성, 견인력

1. 서 론

철도차량의 커플러는 철도차량의 안전 운행을을 위해서는 매우 중요한 부품 가운데 하나

이다. 철도차량의 사고는 자주 발생하지는 않으나, 매우 큰 충돌에너지를 지니므로 막대한

재산 손해뿐만 아니라, 수많은 인명피해를 야기한다. 또한 철도차량의 고속화와 대형화가

추진되면서 더욱 큰 사고에 의한 위험성을 내포하게 되었다. 철도차량의 충돌시, 차량의 무

게중심은 커플러보다 높이 존재하므로, 충돌시 최대 하중을 견디지 못하는 커플러는, 차량

이 다른 차량을 타고 넘는 오버 라이드(override)가 발생하여 탈선(derailment) 및 전복사

고(rollover)가 발생 된다. 본 연구에서는, 철도차량의 차체의 구조물을 영구변형으로부터

보호 할 수 있는 에너지 흡수 구조물의 충돌특성을 향상 시키는 커플러을 설계하는데 있어,

유한 해석을 통해 적절한 해석 방안을 마련하고자 한다.

† 교신저자: 현대로템(주), 기술연구소 철차연구5팀(gjjung@hyundai-rotem.co.kr)

* 현대로템(주), 기술연구소 철차연구5팀

2. 본 론

2.1 Knuckle의 연결 형상

Knuckle의 경우 상호 인접한 연결기와는 [그림 1]과 같이 연결되며, Knuckle의 회전중심

은 연결기의 중심에서 약 95mm 정도 편위 되어 있다.

그림 1 연결기 Knuckle 의 연결

2.2 재질의 물성치

2.2.1 기계적 성질

재질 인장강도(N/mm2) 항복점(N/mm2) 연 신 율 단면수축율

M-201 GRADE“E”

824 MPa 686 MPa 14 % 이상 30 % 이상

2.22 화학적 성질(%)

순서 재질 C Si Mn P S V Cr

1 M-201

GRADE“E” 0.32 Max.

1.5 Max.

1.85 Max

0.04 Max

0.04 Max

- -

2.3 강도 해석

AAR E type 연결기의 형상은 [그림 2]와 같으며, 강도 해석은 연결기의 Knuckle에 대해서

실시한다. 강도해석의 대상인 Knuckle 형상은 [그림 2]와 같다.

그림 2 연결기 Knuckle 형상

재질의 응력 거동은 탄성영역 내에서 탄성계수(E)에 비례하는 선형적 특성을 보이므로, 응

력 (σ)은 항복응력을 넘어서기 전까지 다음과 같은 관계를 만족한다.

σ : 응력

E : 탄성계수(Elastic Modulus)

ε : 변형률

안전계수는 다음과 같은 식을 통해 구해진다.

S.F : 안전계수(Safety Factor)

σ : 응력

σy : 항복응력

2.3.1 응력 분포 및 변위

응력 분포는 [그림 ]과 같으며, 최대응력은 내측의 곡면구간에서 314.3N/mm2 이 발생한다.

Grade E 재질의 Knuckle의 항복강도(100,000 psi=690 N/mm2)를 고려하면, 안전율은 약 2.2

이다. 하중 조건은, 70 ton 인장하중이다.

그림 3 응력 분포(단위: N/mm2 = MPa)

변위 변화량은 [그림 ]과 같고, 연결된 상태에서 두 연결기 몸체의 최대 변위량은 0.54

mm이다.

그림 4 변위(단위: mm)

2.4 견인력 안전성 검토(90 ton, 150 ton) 2.4.1 내측 응력 분포

[그림 5]는 90 ton 의 견인력으로 인하여 체결측 연결기의 Knuckle 과의 접촉으로 발생되

는 응력 분포도를 나타내고 있다. 이때 발생하는 Knuckle 체결측의 각 절점 응력 평균은

329 MPa 이며, 최대 약 411 MPa 의 응력이 나타나고 있다.

#100003   #76605   #9164   #75822   #76874   #75819   #77024   #9336   #75961

Data 그래프 응력 분포

그림 5 Knuckle 내측 응력 분포 (90 ton)

[그림 6]는 150 ton 의 견인력으로 인하여 체결측 연결기의 Knuckle 과의 접촉으로 발생

되는 응력분포를 나타나고 있으며, Knuckle 의 상/하측으로 옮겨 갈수록 응력이 높아지고

있으나 모두 AAR "Grade E" 의 항복점 이내에서 발생되고 있음을 볼 수 있으며, 각 절점

의 응력 평균은 464 MPa 이며, 최대 약 591 MPa 의 응력이 발생하고 있다.

#15745   #76616   #75952   #76209   #76834   #77056   #9168   #9283   #75996

Data 그래프 응력 분포

그림 6 Knuckle 내측 응력 분포 (150 ton)

2.4.2 회전부 응력 분포

AAR E Type 연결기의 경우 견인력의 경우 Pivot pin 이 아닌 Knuckle 의 기계적인 구속체

결 방식으로 모든 외력을 받게 되며, [그림 7]은 90 ton 의 견인력으로 인하여 발생하는

응력분포를 나타내고 있으며, 각 절점의 평균은 315 MPa 이며, 최대 약 411 MPa 응력이

발생하고 있다.

#99296   #99549   #15738   #52939   #100003   #3490   #3481

Data 그래프 응력 분포

그림 7 Knuckle 회전부 응력 분포 (90 ton)

[그림 8]은 150 ton 의 견인력으로 인하여 발생하는 응력분포를 나타내고 있으며, 각 절

점의 응력 분포 평균은 499 MPa 이며, 최대 약 560 MPa 의 응력이 발생하고 있다.

#15739 #99520 #15737 #56638 #52980 #3483 #100008

Data 그래프 응력 분포

그림 8 Knuckle 회전부 응력 분포 (150 ton)

3. 결 론

철도차량을 연결하여 견인할 경우, 철도차량의 중량이 모두 연결기에 인장력으로 작용하

는 것이 아니므로, 실제로 얼마의 인장력이 작용 할지 예상하는 것은 여러가지 변수에 대

한 가정이 있어야 한다. 여기서는 knuckle에 작용하는 인장력은 차량 중량에 대한 저항이

37.87 kgf/ton 일 경우, 75ton 철도차량인 경우 약 3.8%의 힘(2,835kgf)이 저항력으로 작

용한다고 예상할 수 있으며, Knuckle의 항복강도를 기준으로 할 경우 77,835kgf의 인장력

에서 안전율이 2.2 이므로 총 171,237kgf의 인장력을 견딜 수 있을 것으로 예상된다.

또한, Knuckle 의 경우 90 ton, 150 ton 의 견인력을 견디고 있으면, 안전률의 경우 평균

응력 기준 90 ton 에서 2.0, 150 ton 에서 1.3 이상을 가지며, 최대응력 기준 90 ton 에

서 1.6, 150 ton 에서 1.15 이상의 안전률을 가지고 있다.

참고문헌

[1] EN 12663:2010, " Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies."