2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A194

구동장치에 의한 회전토크와 상대변위의 영향을 받는 연결샤프트

내구시험 평가

Evaluation for endurance test of the shaft is affected the rotational torque and relative

displacement by driving gear unit

김우진*†, 송시엽*

Woo-Jin Kim*†, See-Yeob Song*

Abstract Driving gear unit for rolling stock is driven by a high-speed rotation from motor and generates the rotational torque simultaneously. The rotational torque from traction motor are transmitted to the motor reduction unit at first and then to the axle reduction unit through the shaft. In case of the domestic high-speed train the motor reduction unit is mounted to the carbody, and the axle reduction unit is connected to the axle of the bogie frame and this condition makes relative displacement by dynamic behavior during train running. The relative displacement is able to be taken from the spring stiffness(k) of the primary, the secondary spring. Therefore, the shaft is effected the resistance due to the rotational torque and relative displacement. We investigated the methods of the appropriate endurance test for the shaft to reflect this condition in this paper. Keywords : Shaft, Motor reduction unit, Axle reduction unit, Endurance test

초 록 철도차량의 구동장치는 구동모터에 의해서 고속회전하며 이로인한 회전토크가 발생하게 된다. 모터감속기와 차축감속기가 각각 별도로 있는 구동장치는 모터로부터 받는 회전토크를 1차로 모터감속기에 전달을 하며, 모터감속기에서 나오는 회전력과 회전토크를 연결샤프트를 통하여 2차로 차축감속기에 전달하게 된다. 국내 고속철도의 경우 모터감속기는 차체에 취부되어 있고, 차축감속기는 대차프레임의 차축 연결이 되어 있어 주행 중 동적거동에 의해 상대변위가 발생하게 되며, 이 변위는 1차, 2차 스프링의 스프링강성(k)에 의해서 변위량이 결정된다. 따라서 연결샤프트는 차축감속기로부터 받는 회전토크와 상대변위에 의한 저항력을 받게 된다. 이에 본 논문에서는 이러한 조건을 반영하여 연결샤프트의 적절한 내구시험의 방법을 고찰하고자 한다.

주요어 : 연결샤프트, 모터감속기, 차축감속기, 내구시험

1. 서 론

동력집중식을 적용한 고속전철의 구동장치의 모터감속장치(Motor Reduction Unit : MRU)와

차축감속장치(Axle Reduction Unit : ARU)의 사이에서 동력을 전달하는 연결샤프트(Shaft)가

있다. 이 샤프트는 고속으로 회전하면서 구동모터에서 발생된 회전토크를 받고 있으며 또한

† 교신저자: 현대로템주식회사 응용기술연구팀(kwj@hyundai-rotem.co.kr)

* 현대로템 기술연구소 응용기술연구팀

1, 2차 스프링의 영향으로 동적거동이 발생한다.

본 논문은 이러한 실차 운행조건 및 동적거동을 고려한 적절한 연결샤프트의 내구시험 방

법을 제시하고자 한다.

2. 본 론

2.1 구동장치의 동적거동

차체의 언더프레임과 연결된 MRU와 대차의 차축에 연결된 ARU는 2차 스프링의 영향으

로 운행중 동적거동(Rolling effect, Bouncing effect)에 의한 수직방향의 상대변위와 1차 스프링

의 영향으로 운행중 레일의 불균형에 의한 수직방향의 상대변위가 발생하고, 곡선구간 주행

시 차체의 원심력에 의해서 발생되는 횡방향의 상대변위가 발생하게 되며 그에 대한 개략도

는 Fig. 1과 Fig. 2에 각각 나타내었다.

Fig. 1 Movements of Driving Gear Unit

Fig. 2 Dynamic Behavior from Carbody Movements

위와 같은 영향으로 인해 구동장치에 대한 동적거동이 그림 Fig. 3과 같이 발생하게 된다.

Fig. 3 Dynamic Behavior of Driving Gear Unit

2.2 구동장치의 상대변위

2.2.1 차량 제원

본 논문에 사용된 차량의 제원은 KTX-산천을 인용하였으며 Table 1과 같이 정리하였다.

Table 1 Specification of Design Components

Weight of Carbody (KTX Power Car) 659,232 N

Vertical load on 2nd spring one side of power bogie (Fz) 164.81 kN

Spring stiffness of 2nd spring (k) 1,319.2 N/mm

Dynamic effect of Carbody Rolling effect (α)= 0.1

Bouncing effect (β)= 0.2 (acc. to UIC 615-4 standard)

2.2.2 상대변위 계산

고속 곡선구간(7000R)을 주행할 때 MRU와 ARU 간 상대적인 횡방향 움직임으로 인하여 최

대 61.6mm의 발생할 수 있다. 이는 연결샤프트 부품이 슬라이드(Slide)될 수 있는 구조로 되어

있으며, 이 값은 부품 설계자로부터 확인할 수 있었다. 따라서 연결샤프트의 상대변위는

±30.8mm로 결정된다.

대차프레임의 2차 스프링에서 받는 수직하중에 대하여 동적효과를 고려한 하중을 아래와 같

이 구할 수 있다.

Fzqs (Quasi-static components) = ±α x 164.81 kN = ±16.48 kN (1)

Fzd (Dynamic components) = ± β x 164.81 kN = ±32.96 kN (2)

하중을 발생되는 변위로 변환을 하면,

Dzqs = Fzqs / 1.3192 = ±12.49 mm (3)

Dzd = Fzd / 1.3192 = ±24.98 mm (4)

여기서, 식(3)과 (4)는 2차 스프링에서의 변위이다. 이를 MRU 취부 위치에서 발생되는 변위

로 보간하여 계산을 하면 식(5)와 같다.

Dzqs(MRU) = ±12.49 x 542/1176.5 = ±5.754 mm (5)

또한 운행중 레일 조건에 의해 차축에서 발생되는 변위는 아래와 같다.

Dzrc = ±15 mm (5‰ of distance between to Axles) (6)

위의 식을 이용하여 구동장치에서 발생되는 상대 변위를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4 Calculated Displacement at each position

2.3 연결샤프트 내구시험

2.3.1 내구시험 제안

연결샤프트의 내구시험은 앞에서 구한 변위와 거동을 고려하여 Fig. 5와 같이 시험을 실시하

도록 하였다. 연결샤프트의 시험 시나리오는 Fig. 6과 같이 대차프레임 피로시험에 사용되는 하

중 이력을 응용하여 변위 이력의 그래프를 구하였고, 구동모터에서 발생되는 회전속도와 발생

토크를 연결샤프트의 적용하였다.

Fig. 5 Schematic of Simulation Test

Fig. 6 Test Scenario for Shaft

시험은 Fig. 6의 그래프와 같이 아래 절차에 따라서 진행한다.

(1) 600 RPM으로 샤프트를 회전시키며, 11380 Nm의 토크를 발생시킨다.

(2) 수직방향에 대해서 0 mm → 30.73 mm → -19.23 mm → 0 mm 변위를 부가하고, 동시에 횡방

향에 대해서 0 mm → 30.8mm → 0 mm 변위를 부가한다. (1 cycle)

(3) (2)과 같은 변위로 10cycle 진행하는 동안 1cycle은 식(6) Dzrc의 영향에 대한 변위를 더해

준다.

(4) 10cycle 후에는 반대방향으로 변위를 부가한다.

(5) 60분 동안 위와 같이 샤프트에 회전토크와 속도를 주면서 변위를 계속해서 부가한다.

(6) 60분 후에, 회전방향을 반대로 하여 (1) ~ (4)를 반복한다.

(7) 반대방향에 대해서 60분동안 시험이 진행되고 나면, Fig. 6과 같이 다음 회전토크와 속도

에 맞게 계속해서 시험을 진행을 한다.

2.3.2 내구시험 실시

위에서 제안한 내구시험 방안으로 Fig. 7에서와 같이 내구시험을 실시하였다. DYNO 1에서 회

전토크를 제어 하고, DYNO 5에서 회전 속도를 제어 하였다. 그리고 연결샤프트 두개를 이어

그 중간에 Hydraulic Actuator를 이용하여 수직방향과 좌우방향의 변위를 제어하였다.

Fig. 7 Schematic for Endurance Test of Shaft

시험을 실시한 장소는 독일 Aachen – RWTH Aachen University IME 이며, 시험 조건은 Test

speed = 1Hz, Total cycle = 1,728,000 cycles으로 진행하였다. 시험 전경 사진은 Fig. 8과 같다.

Fig. 8 Photo for Endurance Test of Shaft

3. 결 론

본 구동장치에 의한 회전토크와 상대변위의 영향을 받는 연결샤프트 내구시험 평가 연구

를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 본 연구를 통해 구동장치 및 샤프트의 차량 운행시 동적거동을 고려하였으며, 이 거동

의 영향으로 발생되는 상대변위를 연결샤프트의 내구시험에 적용하였다.

2) 구동모터로부터 발생하는 회전속도와 회전토크를 연결샤프트의 내구시험에 적용하였다.

3) 위와 같은 운행조건을 적용한 연결샤프트의 내구시험을 통하여 향후 샤프트의 내구평

가 기준을 마련할 수 있으며, 유사한 동적거동을 일으키는 부품들에 대해서도 상대변위를

구하여 내구평가의 기준 마련과 타 부품과 발생될 수 있는 간섭 유무를 사전에 체크에 활용

되도록 기대할 수 있다.

참고문헌

[1] UIC CODE 615-4 Motive power units – Bogies and running gear – Bogie frame structure strength tests

2nd edition, February 2003