급선회하는 도시철도차량의 능동조향 시스템 개발을 위한 다물체 동역학적 해석 방법
Numerical Analysis Method based on Multibody Dynamics for Development of an Active Steering System for Urban Trains
초록/요약
국내·외 도시집중화, 도심 인구 증가에 따라 교통 혼잡을 막기 위하여 선로 부설에 의한 차량 운영은 승객을 수송하는 중요한 교통수단으로 자리 잡고 있다. 이러한 차량의 관심은 신속성, 안전성, 쾌적성 등을 요구하며 개발되고 있다. 또한, 친환경 교통수단에 대한 관심이 최근 들어 부쩍 증가하고 있는 상황에서 도시철도 시스템은 친환경 교통수단의 하나로 인식되고 있다. 그러나 기존의 도시철도는 조향 기능의 부재로 곡선선로 주행에 취약하며 차륜과 레일 사이에는 공격각(angle of attack)이 발생하게 된다. 이러한 이유로 주행 환경과 유지보수 측면에서 도시철도 시스템은 많은 문제점을 지니게 된다. 도시철도 시스템 특성상 많은 곡선선로를 주행하게 되고, 이 때문에 차륜/레일의 극심한 마모를 유발하게 된다. 차륜/레일의 마모로 인해 분진이 발생하고 급곡선 선로를 주행 할 수록 차륜/레일의 접촉 소음이 증가한다. 또한, 운행 횟수 증가는 유지보수 측면에서 차륜 삭정(wheel turning)에 의한 분진발생, 분진에 의한 부속품 고장 유발, 유지보수 비용 증가로 이어진다. 기존의 철도시스템이 갖는 문제를 해결하기 위하여 철도선진국에서는 조향대차 개발이 오래 전부터 연구되어 왔다. 광역철도 시스템에서는 곡선부 주행 속도를 높이기 위하여 조향 기법을 이용한 틸팅 열차를 개발하여 운행하기도 한다. 그러나 국내의 철도기술은 지금까지 최고 속도의 관점에서 설계되고 따라서 주행안정성은 우수하지만 곡선 주행 성능은 취약한 상태이다. 최근에 틸팅열차에 조향메커니즘이 함께 적용되어 사용한 사례가 있지만 도시철도와 같은 급곡선을 중저속으로 주행하는 노선에서는 그 효과가 부적절하다. 따라서 도시철도시스템의 조향 성능 향상에 의해 차륜/레일의 과도한 마모를 저감하고 승객의 안락한 서비스를 제공하기 위하여 능동조향시스템에 대한 연구는 필요하다. 곡선선로를 주행하는 철도차량 시스템의 차륜/레일의 마모 저감을 위해서는 차륜이 곡선선로의 방향에 적응하여야 한다. 따라서 능동조향시스템을 구축하기 위해서는 현재 주행하고 있는 선로의 곡률정보가 필요하고 주행하는 위치에서 선로의 곡률 정보를 실시간으로 측정하는 기술은 무엇보다 중요하다. 본 논문에서는 다물체 동역학을 이용하여 도시철도차량 모델이 생성되었고 급곡선을 주행하는 차량의 차륜/레일 마모저감을 위한 능동조향시스템 설계 및 동역학적 평가 방법 제안을 목표로 한다. 또한 선로의 곡률정보를 신뢰성 있게 측정할 수 있는 알고리즘을 제안하여 실용적으로 능동조향할 수 있는 방법을 제안한다. 기존 도시철도 모델과 능동조향시스템을 갖춘 모델의 주행 해석 결과를 비교하여 조향 성능 향상에 따른 주행 안전성 및 차륜/레일 마모 저감 등의 주행 성능을 비교한다. 또한 해석 시스템의 실용 가능성을 검증하기 위하여 능동조향시스템 실험 장비를 이용하여 조향 성능 설계 특성을 검토한다. 그리고 선로의 곡률정보를 신뢰성 있게 측정할 수 있는 제안 된 모델의 측정 결과를 검증한다.
more목차
요 약 문 i
목 차 iii
List of Figures vii
List of Tables xi
제1장 서론 1
1.1연구배경 및 목적 1
1.2국내외 연구동향 4
1.3연구내용 및 범위 10
제2장 동역학 해석의 이론적 배경 13
2.1 다물체 구속 기계계의 운동 방정식 13
2.1.1 구속 방정식 14
2.1.2 구속 기계계의 운동방정식 18
2.2 차륜과 레일의 접촉 이론 22
2.2.1 Hertz 접촉 이론 22
2.2.2 접촉 힘 23
2.2.3 크리피지 27
2.2.4 크리프힘 29
제3장 차량 동역학 모델 및 조향 시스템 30
3.1 3차원 다물체 동역학 차량 모델 30
3.1.1 능동조향 차량 모델 30
3.1.2 1차 현가장치 특성 산출 33
3.1.3 주요 물성치 41
3.2 윤축 조향 기본 이론 44
3.2.1 윤축의 기구학적 조향 조건 44
3.2.2 레이디얼 조향 위치 47
3.3 조향시스템의 목표 성능 49
3.3.1 윤축 조향각 목표값 49
3.3.2 윤축 조향각 분석 및 측정방법 52
3.3.3 조향 반응속도 56
3.3.4 액추에이터 성능 조건 58
3.3.5 차륜의 답면조건 62
제4장 능동조향제어 및 요소기술 65
4.1 곡선구간 곡률반경 계측 기술 66
4.1.1 센서 시스템 66
4.1.2 곡선선로 검측 기술 69
4.1.3 실시간 곡률반경 측정방법 제안모델 71
4.2 곡률반경 측정 시험 및 해석 74
4.2.1 곡률반경 측정 해석 74
4.2.2 급구배에서 곡률반경 측정 77
4.2.3 캔트변화에 의한 곡률반경 측정 79
4.2.4 속도변화에 의한 곡률반경 측정 80
4.2.5 곡률반경 측정 시험 82
4.3 구동부 시스템 87
4.3.1 구동부 액추에이터 87
4.3.2 조향시스템 성능 시험 89
4.4 제어부 시스템 93
4.4.1 PID 제어 기법 93
4.4.2 능동조향 제어알고리즘 98
4.4.3 안전모드 알고리즘 101
제5장 능동조향 차량의 동역학적 성능 분석 103
5.1 동역학적 성능 평가 103
5.1.1 주행안정성 평가 103
5.1.2 주행안전성 평가 107
5.2 안전모드 안전성 해석 121
5.3 조향 성능 해석 127
5.3.1 윤축 조향각 해석 결과 127
5.3.2 공격각 해석 결과 129
5.3.3 윤축 횡변위 해석 결과 132
5.3.4 마모지수 해석 결과 133
5.4 센서오차 변화 및 완화곡선에 대한 조향 성능 137
5.4.1 센서오차 변화에 대한 조향 성능 분석 137
5.4.2 완화곡선 변화에 대한 조향 성능 분석 145
제6장 결론 149
6.1 결론 149
6.2 향후 연구 계획 153
참고문헌 154
Abstract 161
