철도차량 현가 장치용 볼스크류 이너터

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확장요약문

철도차량 현가장치는 진동 및 충격의 완화, 승차감 향상, 주행 안정성 확보 및 하중 지지 기능을 수행하며, 일반적으로 스프링과 댐퍼를 중심으로 구성된다. 이너터는 두 단자 사이의 상대가속도에 비례하는 힘을 발생시키는 기계요소로, 스프링 및 댐퍼와 조합하여 주파수 의존적인 현가 특성을 구현할 수 있다. 본 연구에서는 철도차량 현가장치에 적용하기 위한 볼스크류 방식 이너터를 설계·제작하고 초기 가진 시험을 수행하였다.

볼스크류 방식은 직선 상대운동을 회전운동으로 변환하여 이너턴스를 구현하며, 이론적 이너턴스는 회전체의 관성모멘트(J)와 볼스크류 리드(p)에 대해 (b=J(2π/p)2)로 표현된다. 본 연구에서는 목표 이너턴스 1,000 kg 및 10,000 kg 급의 두 설계안을 검토하였다. 1,000 kg 급은 리드 40 mm, 장치 질량 62.2 kg 으로 이론 이너턴스 1,044 kg 을 확보하였으며, 10,000 kg 급은 리드 20 mm, 장치 질량 71.9 kg 으로 설계하였다.

이너터의 동적 특성을 평가하기 위해 정현파 변위 가진 조건에서 필요한 관성력을 산정하고, 최대 동하중 약 29.4 kN 의 저주파 유압 가진 시험기를 고려하여 시험 조건을 설정하였다. 특히 10,000 kg 급 이너터를 제작하여 시험기에 장착하고, 3 mm 진폭에서 1 Hz 및 3 Hz 를 포함한 초기 실험을 수행하였다. 힘 응답을 주파수에 따라 비교한 초기 결과에서는 약 15,000 kg 에 해당하는 이너턴스가 추정되었으나, 가속도 데이터의 정확도와 정현파 가진의 운동 정확도가 충분히 검증되지 않아 해당 값의 신뢰성 평가가 추가로 필요하다.

향후에는 별도의 가속도 센서를 추가하여 입력 운동과 힘 응답을 정밀하게 계측하고, 가진 정확도를 개선하여 이너턴스 추정의 신뢰도를 높일 예정이다. 아울러 볼스크류 및 회전계 설계 변수에 따른 비선형 특성을 분석하고, 철도차량 적용성과 기구 소형화를 검토하고자 한다.