2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S148

도시 철도용 차축베어링의 케이지 하중 해석

The FEM Analysis of Axle Bearing for Urban Railway Train 이 상훈†*,구 인회*, 김 진우**, 정 보석***, 배 준영****, 안 태길*****

Sang-Hoon Lee, In-Hoi Gu*, Jin-Woo Kim*†, Bo-Suk Jeong, Jun-Young Bae, Tae-Kil Ahn

Abstract Roller bearings used in railway axles are safety relevant components which require high reliability, durability and accurate maintenance. While tapered roller bearings and cylindrical roller bearings are widely used in railway vehicles, cylindrical roller bearings are mainly applied in domestic urban railway running less than 110 km/h. The Cage is used to separate and maintain a specified distance between rolling elements in a bearing which is composed of cage, rolling elements, outer and inner races. Finite element analysis was conducted to evaluate the shape and strength of a cage. Analysis results provide the stability and reliability of an axle bearing for urban railway vehicles. Keywords : Cylindrical Roller Bearing, Axle Bearing, Urban Railway Train, Cage, FEM

초 록 : 대량 운송 체계의 주요 부품인 철도 차량용 차축 베어링은 특성상 높은 신뢰성 및 내구성 그리고 정비의 정확성이 요구되는 부품이다. 차축 베어링은 주로 테이퍼 롤러 베어링(Tapered RollerBearing), 원통 롤러 베어링(Cylindrical Roller Bearing)이 적용되고 있지만, 국내에서 운전 최고속도 110Km/h 이하의 도시 철도용 베어링은 주로 원통롤러 베어링이 적용되고 있다. 원통 롤러 베어링은 외륜, 내륜, 롤러(Roller), 케이지(Cage) 등으로 구성되며, 이 중 케이지는 전동체인 롤러의 위치를 유지하고, 롤러의 회전을 안내하는 주요 부품이다. 본 연구에서는 차축용 베어링의 케이지에 대한 형상 및 강도의 평가를 위해 FEM을 수행하였다. 이 결과를 통해 도시 철도용 차축 베어링의 안정성 및 신뢰성을 확보하고자 한다. 주요어 : 원통롤러 베어링, 차축 베어링, 도시철도, 케이지, 하중해석

1. 서 론

국내 도시철도로 1974년 서울 지하철 1호선이 처음 건설된 이래 도시 철도용 차축베어링

은 베어링에 대한 기술력 부족 및 시장성으로 국내에서 개발 적용 못하고 40년이 지난 오늘

날까지 전량 해외에서 수입하여 사용하고 있다. 그러나 도시 철도용 차축 베어링의 국산화 개

발은 향 후 필수적으로 판단되어, 철차 베어링에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있다. 국내

도시철도용 차축 베어링은 복열 형태의 원통 롤러 베어링으로 내경 130mm 이며, 베어링 작용 하중은 다른 적용 부위의 베어링에 비해 크고, 높은 내구 수명 신뢰성이 요구된다. 또한 차축

베어링의 전동체인 롤러를 지지하는 케이지(cage)는 다음과 같은 특성이 요구된다.

† 교신저자: 두원공과대학교 자동차과(leesh@doowon.ac.kr) * 두원공과대학교 자동차과 ,** 한국철도공사, *** ㈜ 베어링아트 연구소, ****㈜선일플라스

틱, ***** 호서대학교 공과대학 자동차공학과

운정 중에 전동체의 위치 안내, 회전에 따른 케이지의 변형, 베어링에 가해지는 일부 하중의

지지 등이다. 따라서 베어링 케이지에 대한 연구는 속도 변화에 따른 케이지에 작용하는 힘

해석에 대한 이론 및 실험적인 분야, 운전시 롤러와 케이지의 간격 변화 등[1],[2],[3]이 있다. 그

러나 아직 철도 차량용 차축 베어링의 전동체 하중 해석에 대한 연구[4],[5]는 매우 미비한 실

정이다. 본 연구에서는 철도 차량용 차축 베어링의 전동체에 하중이 작용할 때 케이지의 변형

과 응력 분포를 FEM을 통해 해석하였다.

2. 원통 롤러 베어링의 케이지 하중 해석

2.1 도시철도 차량의 보기 와 차축 베어링

현재 도시 철도형 철도차량의 주행 장치는 보기(Bogie) 형식의 구조이며, 보기는 차체와 차체

에 수용되는 하중을 지지하여 안전하게 레일 위를 주행한다. 본 연구의 대차는 2축 보기이며,

차체의 진행 방향과는 관계없이 레일을 따라 방향을 전환할 수 있도록 대차의 중앙에 중심

(center pivot)을 설치하여 차체를 지지하도록 구성되어 있다. 그림 1 (a)는 본 연구의 베어링이 장착되는 도시 철도 대차의 상태이고, 그림 1 (b)는 보기의 차축 끝부분에 위치한 원통롤러 베어링이다.

(a) Bogie (b) Cylindrical Roller Bearing

Fig. 1 Bogie and Cylindrical Roller Bearing for Urban Railway Train

본 연구의 원통 롤러 베어링의 제원은 Table 1과 같다. 내륜이 일체형인 복열 원통 롤러 베어링으로 케이지는 합성 수지(PA66 + GF)로 구성되어 있다.

Table 1. Detail Spec. of Cylindrical Roller Bearing

Inner Dia.

(mm)

Outer Dia

(mm).

Width

(mm)

Precision Basic Dynamic Load Rating

(N)

Remarks

130 235 165 Normal 935,000

2.2 케이지의 하중 해석

2.2.1 모델링 및 해석 조건

본 해석 모델은 Ansys workbench V14.0을 이용하여 베어링 내·외륜 및 케이지를 모델링하였고, 해석 모델은 그림 2와 같다. 롤러와 케이지의 elements는 각각 15,151와 8,783이다. 그리고 해석 적용조건은 상온이고, 케이지 밀도는 1.32, 종탄성계수는 2200MPa, 열 팽창계수는 7x10-5 [1]이다. 베어링의 외륜이 하중을 받을 때 롤러는 압축응력에 의해 변형되고, 이때 롤러는 케

이지와 접촉하게 된다. 이 때 케이지에 발생하는 접촉응력이 국부적으로 허용 접촉응력을 초

과하게 되면 케이지는 손상될 수 있다. 차축 베어링에 작용하는 하중은 정상적인 운전 조건에

서 베어링의 기본동정격하중(C) 10% 이내로 작용하지만, 충격 하중 등이 작용하게 되면 이보다 높을 것으로 예상된다.

Fig. 2 Analysis 3-D Modelling of Cylindrical Roller Bearing

따라서 본 연구에서는 차축 베어링에 작용하는 하중의 범위는 기본동정격하중 C의 5%, 7.5% 그리고 10%로 결정하였다.

2.2.2 케이지 해석 결과

Fig. 3 Contact Stress Analysis 3-D Results for Cage

케이지의 접촉응력 해석결과 베어링의 작용하중이 기본동정격하중의 5%인 46,750 N,7.5%인 70,125 N 그리고 10%인 93,500 N을 적용한 경우 각각 케이지의 최대 접촉응력은 1.89MPa, 2.83 MPa , 3.77 MPa이다. 이는 케이지의 허용접촉응력에 비해 매우 낮은 응력 범위로 파손과는 직접적인 영향이 없음을 알 수 있다. 또한 접촉응력에 케이지의 변형 해석 결과 반경 방향으로 0.115mm로 롤러와 케이지의 허용공차 0.5mm 범위 내에 있어 안정적임을 알 수 있다.

3. 결 론

도시 철도용 차축 베어링에서 전동체를 지지하는 케이지의 하중 해석 결과, 베어링에 작용하

는 기본동정격하중의 10% 이하의 하중의 범위에서 롤러와 케이지의 접촉응력은 케이지의 손상

에 직접적인 영향은 거의 없다. 그리고 동일한 하중 조건에서 케이지의 변형은 설계 범위에

있어 매우 안정적임을 알 수 있었다.

후 기

본 발표 논문은 국토교통부에서 시행한 철도기술연구사업 “도시 철도핵심부품 국산화 및 장

치 고도화 개발 1단계”1세부 도시 철도용 차축 베어링 개발(13RTRP-C068349-01) 사업의 연구비로 수행한 결과입니다.

참고문헌

[1] C. Katagiri, and K. Naito, (2004), Next Generation Deep Groove Ball Bearing for High-Speed Servomotor, NTN technical review, No.72, pp.46-48.

[2] R. Oka, (2006), Development of New RCT Bearing for Axle boxes and Insulated Bearing with Shields, NTN technical review, No. 74, pp. 84-89.

[3] A. Dib and H. Haiahem, (2007), FEM Analysis of Cage Stress Distribution : Part 1 : Cylindrical Roller Bearing, J. of Engineering and Applied Sciences 2(1), pp.180-182.

[4] T. A. Harris, (2001), Rolling Bearing Analysis 4th, John Wiley & Sons, pp. 529-540. [5] Eschmann, Hasbargen, and Weigand, (1985), Ball and Roller Bearings –Theory, Design, and

Application, John Wiley & Sons, pp. 201-235.

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False

/CreateJDFFile false /Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure false /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles false /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /DocumentCMYK /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /UseDocumentProfile /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice