도시철도차량 현가장치 강성변화가 진동승차감에 미치는 영향연구 :

박남철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박남철 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 구정서, 유원희

발행연도: 2015

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수14

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2016

도시철도차량 세브론 고무 특성 변화가 진동승차감 레벨에 미치는 영향 연구

박남철 , 구정서 한국기계가공학회지 2016.04 학술저널

2015

도시철도차량 현가장치 강성변화가 진동승차감에 미치는 영향연구

박남철 2015.01 학위논문

2014

철도차량 현가장치 강성변화가 주행중 진동에 미치는 영향연구

박남철 , 구정서 , 유원희 한국철도학회 학술발표대회논문집 2014.10 학술대회자료

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도시 공공교통 수단의 대표적인 도시철도는 환경 친화적인 이미지와 더불어 정시성, 신속성, 안전성 등 여러 가지의 이유로 이용 승객은 해마다 늘어가고 있다. 이에 따라 도시철도 운영자는 승객이 열차를 이용하는 동안 쾌적하고 안락한 승차감을 제공하여야 한다. 하지만 철제 차륜을 이용해서 레일 위를 주행하는 도시철도 운행 특성상 고무 바퀴를 이용해서 달리는 자동차보다 진동이 많이 느껴지는게 현실이다.
이러한 진동을 최소화하기 위해 레일과 차륜에 의해 발생되는 진동을 차축과 대차 사이에 1차 현가장치(1st. Suspesion)가 장착되어 있으며 대차와 승객이 탑승하는 차체 사이에 2차 현가장치(2nd. Suspension)인 공기스프링(Air Spring)이 취부되어 방진의 역할을 하고 있다.
도시철도 차량의 1차 현가장치에는 세브론 고무 스프링(Chevron Rubber Spring) 또는 롤 고무 스프링(Roll Rubber Spring)이 취부되어져 있으며 2차 현가장치인 공기스프링에는 압력공기가 사용된다.
1차 현가장치에 사용되고 있는 고무 스프링의 강성(Stiffness)은 시간이 경과함에 따라 철도차량 제작시 설계값에서 증가하게 되어 진동 증가에 영향을 더 줄 것이라 판단된다. 도시철도 차량에 취부된 1차 현가장치인 세브론 고무 스프링의 강성 변화가 진동(Vibration) 승차감(Ride Comfort)에 미치는 영향을 운동방정식과 동역학 다물체 해석프로그램인 ADAMS/Rail 프로그램을 이용하여 진동승차감의 변화여부를 해석하였으며, 실차에서의 강성변화에 따른 진동승차감의 변화량을 확인하였다.
세브론 고무 스프링을 1차 현가장치로 사용하고 있는 도시철도 차량의 1차 현가장치 강성이 설계 기준인 2.0kN/mm에서와 0.7kN/mm(약 35%) 증가된 2.7kN/mm에서의 진동가속도 시뮬레이션 해석결과 좌,우방향은 유사한 형태로 측정되어졌으나, 수직방향은 강성 증가시 반복피크가 발생되는 것을 확인하였다. 실차에서의 측정결과도 강성이 2.0kN/mm에서 0.7kN/mm(약 35%) 증가시 수직방향 진동가속도가 높게 나타났다.
승차감 지수 레벨 시뮬레이션 해석결과 좌우방향은 강성이 설계 기준인 2.0kN/mm에서와 0.7kN/mm(약 35%) 증가된 2.7kN/mm에서 약 70dB로서 로서 1차 현가장치의 강성 병화에 따른 영향은 낮은 수준으로 보이며, 수직방향 시뮬레이션에서는 강성이 2.0kN/mm에서 승차감 지수 레벨 평균은 86.918dB, 강성이 2.7kN/mm에서 승차감레벨이 평균은 86.974dB로서 강성 증가시 승차감 지수 레벨이 0.056dB가 증가하였으며, 실차에서 확인결과 강성이 2.0kN/mm에서 평균이 79.6dB에서 강성이 2.7kN/mm에서 82.1dB로 2.5dB가 증가되었으며, 피크치도 증가하였다.
1차 현가장치 강성증가는 횡방향에 비해 수직방향 진동의 증가가 확인되었으며 승차감 또한 수직방향에서 나쁜 승차감 레벨을 나타내는 것을 확인하였다. 1차 현가장치의 강성을 적정하게 유지시 수직방향 승차감 레벨의 향상과 피크진동에 있어서 감소를 가져올 수 있다.

A suspension system of subway vehicle is composed of 1st. and 2nd .springs. The suspension system has the most important parameters of the vibration ride comfort. If the 1st. suspension is designed as a spring with strong stiffness to improve the running stability at high speed, then it could become the causes of vehicle vibrations.
In this paper, it was studied that the 35% increased stiffness in the 1st .suspensions from the initial value (2.0 kN/mm±10%) of EMU (Seoul Metro Line5), Chevron rubber springs, could affect on the vibrations of the EMU vehicle.
First of all, we conducted simulations using ADAMS/Rail for the EMU vehicles. We obtained the repeated vertical acceleration peak values in the simulation results because of the 35% increased stiffness in the Chevron rubber Stiffness change (2.0 → 2.7 kN/mm, 35%).
In the case of the 2.7kN/mm exceeding by 35% (0.7kN/mm) to the initial vertical stiffness (2.0kN/mm), the maximum accelerations in the vertical and lateral directions increased by 0.045g (58%) and 0.008g (10%) respectively, through the field tests in this study. In particular, the vertical acceleration at the increased stiffness of 2.7 (kN/mm) and running speed of 25~30 km/h was found to rise up to the usual attention level.
On the other hand, due to the Chevron rubber stiffness change (2.0→2.7 kN/mm, 35%), the vertical vibration ride comfort index levels increased by 0.056dB (86.974→86.918dB) according to the simulation results. In addition, we obtained the vertical vibration ride comfort index levels of 79.6dB for the initial Chevron rubber stiffness (2.0 kN/mm), and 82.1dB for the worn Chevron rubber stiffness (2.7 kN/mm). There occurred the difference of 2.5dB between the two Chevron rubber stiffness.
Even though there were some differences between the simulated results and the measured values according to the Chevron rubber stiffness change, the increase in ride comfort index level in accordance with the stiffness increase was obtained in consistence.
If the stiffness of the Chevron rubber spring was changed from the initial design value of 2.0kN/mm to 2.7kN/mm, increased by 35%, then the height reduction was within the maintenance reference height. However, the vertical vibration ride comfort violated the related regulation for Seoul Metropolitan Rapid Transit.

#진동승차감 #강성 #현가장치

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구배경 1
2. 연구목적 2
Ⅱ. 도시철도 차량의 현가장치 3
1. 현가장치(대차포함) 3
2. 도시철도 차량의 진동승차감 이론 10
3. 진동승차감의 평가 16
Ⅲ. 도시철도 차량의 진동승차감 해석 22
1. 도시철도차량의 수학적 모델링 22
2. 도시철도차량 동특성 해석 모델링 33
3. 현가장치 특성 변화에 따른 도시철도차량 진동승차감 해석 42
Ⅳ. 실차 시험을 통한 도시철도 차량의 진동승차감 분석 46
1. 세브론 고무 스프링 강성 46
2. 도시철도차량의 진동측정(측정시스템, 측정구간) 52
3. 진동 가속도 측정결과 분석 57
4. 도시철도차량의 진동승차감 측정 61
5. 진동승차감 측정결과 분석 63
Ⅴ. 결 론 68
참고문헌 69
영문초록(Abstract) 70
감사의 글 72

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