2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S057

AMESim을 활용한 철도차량 구동계의 진동해석

Vibration Analysis of Railway Drivetrain Using AMESim

조연호*†, 이원상*, 김상우**

Yon-Ho Cho*†,Won-Sang Lee*†, Sang-Woo Kim* *

Traction torque which generated by motor of electric railway vehicle is transferred through motor reduction unit (MRU), tripod and axle reduction unit (ARU). Transport system like automobile which use main traction power with internal combustion engine has gearbox and clutch in driveline. But electric railway vehicle doesn’t have any damping mechanism that reduces the rotational torque vibration in the driveline. When resonance occurs with the natural frequency of driveline and external excite source, the vibration does not disappear and has a bad effect on the system. On the concept design stage of this system, vibration mode analysis of driveline and comparative study running condition with external disturbance are accomplished. The resonance avoidance is very import thing to the driveline system. In this paper rotation torque vibration reducing method is suggested based on the vibration analysis and sensitivity test using AMESim. Keywords : Railway Vehicle, Drivetrain, Vibration Analysis, AMESim, Sensitivity 전기모터를 주 동력원으로 활용하고 있는 전기철도차량은 전기모터에서 발생된 구동 토

크가 모터 측 감속장치 (MRU: Motor Reduction Unit)와 구동력 전달 축 (Tripod) 그리고, 휠 측 감속장치 (ARU: Axle Reduction Unit)을 거쳐 전달된다. 전기철도차량의 구동계는 내연기관을 주 동력원으로 하는 자동차 등과 같이 변속기와 클러치가 구동계에 존재하여 회전 토크의 진동성분을 감쇄시켜주는 별도의 장치가 없어서 구동계의 고유모드와 외부 가진 주파수가 유사하여 공진이 발생된 경우에 진동이 감쇠되지 않고 시스템에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 이러한 시스템의 설계에 있어서 구동계의 진동모드를 분석하고 운행 조건과 외부 가진 조건을 분석하여 공진을 사전에 회피할 수 있도록 설계하는 것이 무엇보다 중요하다. 본 논문에서는 이러한 구동계의 진동 특성을 AMESim을 활용하여 분석하고 설계변수의 민감도해석을 수행함으로써 토크 진동저감 방안을 제시하였다.

주요어: 철도차량, 구동계, 진동해석, AMESim, 민감도분석

1. 서 론

최근 환경 및 에너지 문제의 해결안으로 철도차량의 수송용량 증대에 대하여 자주 거론되

고 있다. 철도의 교통 분담율 증대를 위해 철도 노선 증대와 더불어 전철화율을 점차 증대

시켜가며 이러한 기대에 부응하고 있으며 국내에서는 제2차 국가철도망 구축계획에 따라

2020년까지 전철화율을 85%까지 높일 계획이다.

본 논문에서는 이러한 전기철도 차량의 구동계에 대한 해석 모델을 개발하여 토크진동 특

성해석과 진동현상을 모사해 진동발생 특성인자를 찾기 위한 민감도 해석을 수행하였다.

† 교신저자: ㈜ 현대로템 주행장치개발팀 (ycho@hyundai-rotem.co.kr)

* ㈜현대로템 주행장치개발팀

** 신호시스템 M&S Team

2. 구동 토크 진동 해석

2.1 해석모델 개발

전기철도 차량을 구동시키는 구동계의 진동해석을 수행하기 위해 모델 간략화를 통해 시

스템을 정의하였고, 토크 진동에 국한된 해석을 수행하기 위해 1D시뮬레이션 툴인 AMESim을

활용하도록 하였다.

2.1.1 단품 해석 모델 개발

효율적인 구동계의 진동해석 수행을 위해 구동축의 비틀림과 관련된 자유도에 집중하여

모델링을 수행하였다. 회전 자유도를 기준으로 시스템 각 부분을 모델링하기 위해 회전 관

성과 회전 강성을 이용하였다. Fig. 1은 회전 관성과 강성으로 구성된 전기 철도 차량의

구동계를 간략화한 그림이다.

Fig. 1 Modeling Scheme of Electric Railway Vehicle (Rotational inertia and stiffness)

AMESim은 각 요소들의 조합을 통해 전체 시스템을 구성할 수 있도록 표준 라이브러리를

제공하지만 경우에 따라 사용자가 해석 목적에 맞는 블록들을 생성하여 사용할 수 있다. 구

동계 해석을 수행하기 위해 단품에 대한 해석 모델을 개발하고 검증하는 단계를 거친 후 전

체 시스템으로 확장하기로 한다.

Fig. 2 Component modeling using AMESim (MRU, Tripod, ARU)

Fig. 1의 구성에서와 같이 구동계는 10개의 회전 관성과 8개의 회전 강성을 가지는 시스

템으로 간략화 하였으며, Fig. 2와 같이 각 요소들을 AMESim에서 제공하는 표준요소를 조합

하여 모델링을 수행한다.

자동차 해석에서 타이어 모델이 중요한 역할을 하듯이 철도차량 구동계의 해석에서도 휠/

레일 접촉 요소가 매우 중요한 역할을 수행한다. 12버전 이전에는 휠/레일 요소가 제공되지

않아 서브루틴으로 작성한 요소를 사용하였으며, 경우에 따라 AMESet을 통해 사용자가 직접

요소를 생성하여 해석을 수행하였다. 12버전에서는 Polach이론을 적용한 주행방향 접촉력을

계산하는 요소를 제공한다. Fig. 3은 윤축과 접촉 요소를 정의한 AMESim 모델이다.

Fig.3 Wheelset model and Parameters

Fig. 4 Wheel-Rail contact characteristic curves

모터는 구동계에 구동토크를 제공하며 차량의 종 방향 움직임을 제어한다. 해석은 대상

차량의 정출력 곡선을 사용하여 모터속도에 따른 모터 출력토크를 도출하여 주행 모델을 생

성한다. 실제 차량 특성을 고려하기 위해 최대토크와 최소토크, 속도에 대한 출력손실을 입

력하고 모터 동특성은 1차 시간지연 모델을 사용하였다. 생성된 단품 요소들은 검증을 위해

정해진 시나리오대로 해석을 수행한 후 실제 차량 특성과 비교하여 검토하였다.

2.1.2 시스템 해석 모델 개발

전기철도 차량의 토크진동 시스템 해석 모델을 이용하여 토크진동현상을 구현하고 시험결

과와의 correlation을 위해 시스템 모델 검증을 수행한다. 모델검증은 모터 토크 입력에 대

한 진행 해석과 모터 입력 속도 PID제어를 통한 모터 출력토크를 비교하는 방법을 사용하였

다.

Fig. 5 Electric Railway Vehicle’s Torque Vibration Analysis Model

2.2 토크 진동 해석

2.2.1 해석모델 검증

전기철도차량은 구동토크 발생시키는 모터가 속도증가에 따라 출력 가능한 토크 한계치가

낮아지는 모터 정출력 특성을 구현한다.

Fig. 6 motor traction model test and simulation result correlation

수행한 해석결과를 FFT와 Spectral map을 이용하여 분석함으로써 휠 속도 증가에 따른 시스

템의 resonance및 order특성을 확인하였다.

Fig. 7 Spectral map of test data and simulation results

시험 결과 분석을 통해 20Hz대역에서 지속적인 진동이 발생함을 확인 할 수 있었다. 가장

큰 진동이 발생되는 2.22차 오더와 2.27차 오더가 유사하였으며 시뮬레이션을 통해 30Hz대역

과 50Hz대역에서의 공진현상을 확인할 수 있었다. AMESim에서 구현한 고유주파수 대역과 진동

특성으로는 시험 결과에서와 같은 20Hz대역의 공진 특성발생이 없었으며, 3D로 확장하여 해석

한 결과 구동계가 대각선 방향으로 틀어지는 고유 모드가 20Hz대역에서 형성되어있으며, 이러

한 특성을 통해 진동 특성 확인이 가능하였다.

2.2.2 파라미터 민감도 해석

검증이 완료된 구동계 진동해석 모델을 이용하여 파라미터 민감도해석을 수행하였다. 시험

결과는 spectral map으로 plotting하여 비교 분석을 수행하였다. 대상 파라미터는 이상진동에

영향을 클 것으로 예상되는 인자를 선정하여 수행하였다. 민감도 해석 결과 U-조인트 각도와

수직 하중에 대한 변동이 해석결과에 민감하게 반응함을 확인하였다.

3. 결론

AMESim을 이용한 해석 모델을 이용하여 토크 진동 해석을 수행하였으며, 시험결과와의 검

증을 통해 해석모델에 대한 평가를 수행하였다. 검증된 모델을 활용한 민감도 해석 결과 수

직하중 및 변위와 조인트 각도가 주파수 변동에 큰 영향이 있음을 확인하였으며, 3D모델로

확장한 후 Simpack을 활용하여 최적설계를 수행한 결과 구동계 마운팅의 수직 강성과 감쇠

를 각각 25%, 1200%로 적용하였을 때 Fig. 8과 같이 20Hz대역의 토크진동이 완전히 사라짐

을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 Torque vibration reduction method (Cz, Dz varied)

참고문헌

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Reduction Gearbox for the KTX and Electric motor coach, Proceedings of Precision Engineering and Manufacturing, pp. 1273-1274.

[3] J.H.Han, T.M.Kim and J.T.Kim (2013) Analysis of the Vibration Characteristics of a High-Speed Train

using a Scale Model, Journal of the Korean Society for Railway, 13(2), pp. 7-13.

[4] B.H.Lee and Y.S.Choi (1998) Dynamic Characteristics of Electric Train Driving System Proceedings of the Korean Society for Railway, 1998(3), pp. 329-336.