KR20200038362A - Optimal design method for conical rubber spring of railway vehicles and optimized conical rubber spring - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle and to a conical rubber spring designed thereby. More specifically, provided are the optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle, which optimizes the curvature of each stage of a conical rubber spring used as a suspension device for a railway vehicle to reduce localization of the strain, and improves load-deflection characteristics and rigidity, and the conical rubber spring designed thereby.

Description

철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링 {Optimal design method for conical rubber spring of railway vehicles and optimized conical rubber spring}{Optimal design method for conical rubber spring of railway vehicles and optimized conical rubber spring}

본 발명은 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량의 현가장치로 사용되는 원추형 고무스프링의 각 단별 곡률을 최적화하여 변형률의 국부화를 저감시키고, 하중-처짐 특성 및 강성을 개선시킬 수 있도록 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링에 관한 것이다.The present invention relates to an optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle and a conical rubber spring designed thereby, more specifically, to optimize the curvature of each stage of a conical rubber spring used as a suspension device for a railway vehicle to localize the strain. The present invention relates to an optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle and a conical rubber spring designed thereby to reduce and improve load-sag characteristics and rigidity.

일반적으로 현가장치는 주행 중 노면에서 받은 충격이나 진동을 완화하여 승차감과 안정성을 향상시키는 장치를 뜻하는 것으로, 철도차량의 경우 차륜과 대차 프레임을 연결하는 1차 현가장치와, 대차 프레임과 대차 받침 또는 차체를 연결하는 2차 현가장치로 구성되어 있다.In general, a suspension means a device that improves ride comfort and stability by alleviating shock or vibration received from a road surface while driving, and in the case of a railroad car, a primary suspension device that connects a wheel and a truck frame, and a truck frame and truck support Or it consists of a secondary suspension that connects the body.

이 중, 1차 현가장치 부품인 원추형 고무 스프링(Conical Rubber Spring)은 3축 방향(수직 방향·길이 방향·횡 방향)의 강성을 갖는 고무형식의 축상 스프링이 적용되고 있다. Among them, a conical rubber spring, which is a primary suspension component, is a rubber-type axial spring having rigidity in three axes (vertical, longitudinal, and transverse).

원추형 고무 스프링은 차량의 주행 안정성 및 승차감에 중요한 역할을 담당하며, 차량의 운동에 따른 제반 정적 및 동적하중을 완화시켜 차량부품 및 궤도의 손상을 방지하고 승객과 화물에 전해지는 진동과 소음을 최소화 시켜주는 역할을 수행한다. The conical rubber spring plays an important role in the driving stability and ride comfort of the vehicle, and relieves static and dynamic loads caused by the movement of the vehicle to prevent damage to vehicle parts and tracks and minimize vibration and noise transmitted to passengers and cargo. It plays a role to let.

철도차량의 1차 현가장치는 대차와 윤축을 연결하며, 차륜에 작용하는 수직하중을 균일하게 하여 차량의 움직임을 안정화시키고, 트랙의 불규칙도(Irregularity)에 의한 외력을 감소시키는 역할을 한다. 또한, 차량의 임계속도에 가장 큰 영향을 미쳐 주행 안정성을 향상시키는 핵심 부품이다.The primary suspension device of a railway vehicle connects a bogie and a wheel, and stabilizes the movement of the vehicle by equalizing the vertical load acting on the wheel, and reduces the external force due to the irregularity of the track. In addition, it is a key component that has the greatest influence on the critical speed of the vehicle and improves driving stability.

종래의 일반적인 원추형 고무 스프링(100)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 고무와 금속을 상호 접착하여 얻어지는 적층고무를 동심원 형태로 만들어 원추 형상을 여러 개 삽입한 형상으로 이루어지는데, 외측은 액슬 박스에 부착되고, 원추형 모양의 안쪽은 대차 프레임에 고정되어 있는 형태로 강철 재질의 강심과 외층, 중간층, 내층의 3개의 고무층으로 적층되어 있다. 전후, 좌우 및 상하 방향의 3방향 강성을 가지고 있으며, 좌우 방향으로는 전후 방향에 비하여 유연한 강성 특성을 갖도록 홈이 형성되어 있다.As shown in FIG. 1, the conventional general conical rubber spring 100 is made of a laminated rubber obtained by mutually adhering rubber and metal in a concentric shape, and has a shape in which a plurality of conical shapes are inserted, and the outside is attached to the axle box. The inside of the conical shape is fixed to the bogie frame, and is laminated with a steel core and three rubber layers: an outer layer, an intermediate layer, and an inner layer. It has three-way stiffness in the front-rear, left-right, and up-down directions, and grooves are formed in the left-right direction to have flexible stiffness characteristics compared to the front-rear direction.

도 2 및 도 3의 (a) ~ (c)는 각각 공차 및 만차 하중 조건에 대한 수직 강성, 종(길이) 강성 및 횡 강성 해석시의 3개의 고무층으로 이루어진 고무부의 대수 변형률(logarithmic strain) 분포를 나타낸 것으로, 대수 변형률의 폰 미제스(von-Mises) 성분으로 변형률 해석 결과를 평가해 본 결과, 수직 강성 해석 보다 하중 조건이 가혹한 종 방향 및 횡 방향 해석에서 최대 변형률이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.Figures 2 and 3 (a) to (c) are the logarithmic strain distribution of the rubber section consisting of three rubber layers in the analysis of vertical stiffness, longitudinal (length) stiffness and lateral stiffness for tolerance and full load conditions, respectively. As a result of evaluating the strain analysis results with the von-Mises component of logarithmic strain, it was confirmed that the maximum strain was greater in the longitudinal and transverse analysis with severe loading conditions than in the vertical stiffness analysis. .

또한, 도 2의 공차 하중에서는 최대 변형률이 수직, 횡, 종 방향 순으로 증가하는 경향이 나타났지만, 도 3의 만차 하중에서는 횡 방향과 종 방향의 최대 변형률 차이는 크게 나타나지 않았다.In addition, in the tolerance load of FIG. 2, the maximum strain tends to increase in the order of vertical, transverse, and longitudinal directions, but the difference in the maximum strain in the transverse direction and the longitudinal direction does not appear significantly in the full load of FIG.

도 2 및 도 3의 최대 변형률 분포를 보면 고무부 특정 부위에서 변형이 국부적으로 발생되는 것을 확인할 수 있는데, 이와 같은 변형률의 국부화 현상은 원추형 고무 스프링의 피로 수명을 단축시키는 문제점이 있다.Looking at the maximum strain distribution of FIGS. 2 and 3, it can be seen that deformation occurs locally at a specific portion of the rubber part, and the localization phenomenon of the strain has a problem of shortening the fatigue life of the conical rubber spring.

그리고, 기존의 국내 철도차량에 1차 현가장치로 사용되는 원추형 고무 스프링은 주로 해외에서 수입되고 있으므로, 국산화를 위한 제품 설계와 해석을 통한 성능 평가가 요구되고 있는 실정이다.In addition, since the conical rubber spring used as the primary suspension device for the existing domestic railway vehicles is mainly imported from abroad, performance evaluation through product design and analysis for localization is required.

1. 대한민국 등록특허공보 제10-1177337호(2012. 09. 07. 공고)1. Republic of Korea Registered Patent Publication No. 10-1177337 (2012. 09. 07. announcement)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 원추형 고무 스프링을 구성하는 고무부의 각 단별 곡률을 최적화하여 하중-처짐 특성과 강성을 개선하고, 변형률을 감소시켜 피로수명을 증가시킬 수 있도록 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the problems of the prior art as described above, and the object of the present invention is to optimize the curvature of each stage of the rubber part constituting the conical rubber spring to improve the load-deflection characteristics and rigidity, and reduce the strain. An object of the present invention is to provide an optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle and a conical rubber spring designed thereby to increase the fatigue life.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법은,Optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle according to the present invention for achieving the above objects,

철도차량용 원추형 고무 스프링의 3D 스캔을 이용한 역설계를 통해 원추형 고무 스프링의 3D 모델을 생성하는 모델링 단계와, 모델링된 원추형 고무 스프링의 성능 해석 수행을 위한 유한요소모델을 생성하는 유한요소모델 생성단계와, 실험계획법을 이용하여 원추형 고무 스프링의 최적 설계를 수행하는 최적 설계 수행단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.A modeling step of generating a 3D model of a conical rubber spring through reverse design using a 3D scan of a conical rubber spring for a railway vehicle, and a finite element model generation step of generating a finite element model for performing performance analysis of the modeled conical rubber spring. It is characterized by comprising an optimum design execution step to perform the optimal design of the conical rubber spring using the experimental design method.

이때, 상기 최적 설계 수행단계는, 최적 설계 및 성능 해석 수행에 필요한 조건들을 설정하는 조건 설정단계와, 설계 변수의 개수와 수준 및 실험의 양을 고려하여 3수준계의 직교배열표를 구성하는 실험계획단계와, 상기 직교배열표에 의한 실험계획에 따라 원추형 고무 스프링의 성능 해석을 수행하는 성능 해석 수행단계 및 수행된 성능 해석 결과를 분석하여 최적 설계를 검증하는 분석 및 검증 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.At this time, the optimal design performing step is an experiment of constructing a conditional setting step for setting conditions necessary for performing optimal design and performance analysis, and constructing a three-level orthogonal array table in consideration of the number and level of design variables and the amount of experiment. Consisting of a planning step and an analysis and verification step to verify the optimal design by analyzing the performance analysis step and the performance analysis result to perform the performance analysis of the conical rubber spring according to the experimental plan according to the orthogonal array table. It is characterized by.

여기서, 상기 조건 설정단계는, 수직방향, 종방향 및 횡방향의 강성 해석시의 변형률을 목적함수로 설정하는 목적함수 설정단계와, 원추형 고무 스프링의 고무부를 구성하는 제1 및 제2고무층의 상,하 단부에 형성되는 곡선의 양측 총 8개의 곡선반경을 설계변수로 설정하는 설계변수 설정단계 및 상기 성능 해석 수행단계에서 수행된 성능 해석 결과에 대한 제한조건 및 모델링 단계에서의 제한조건을 설정하는 제한조건 설정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.Here, the condition setting step, the target function setting step for setting the strain in the vertical, longitudinal and lateral stiffness analysis as a target function, and the first and second rubber layers constituting the rubber portion of the conical rubber spring Design parameters setting step of setting the total of eight curve radii on both sides of the curve formed at the lower end as design variables and setting constraints in the performance analysis result and the constraints in the modeling step performed in the performance analysis step Characterized in that it comprises a constraint setting step.

또한, 상기 설계변수 설정단계에서 설계변수로 설정된 8개의 곡선반경 각 인자의 수준은 종래의 원추형 고무 스프링의 곡선반경을 기준으로 하여 -10% 및 -20%로 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the level of each of the eight curve radius parameters set as the design variable in the design parameter setting step is characterized in that it is set to -10% and -20% based on the curve radius of the conventional conical rubber spring.

그리고, 상기 제한조건 설정단계에서 설정되는 성능 해석 결과에 대한 제한조건은 원추형 고무 스프링의 처짐량과 수직방향, 종방향 및 횡방향의 강성이 원추형 고무 스프링의 표준 처짐량 및 강성 범위 내에 위치되는 것으로 설정하고, 상기 모델링 단계에서의 제한조건은 원추형 고무 스프링의 내,외측 반경 및 샤프트와 외통부를 포함하는 스틸부의 치수를 고정시키는 것으로 설정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the constraints on the performance analysis result set in the step of setting the constraints are set such that the deflection amount of the conical rubber spring and the stiffness in the vertical, longitudinal and transverse directions are located within the standard deflection amount and stiffness range of the conical rubber spring. , The constraint in the modeling step is characterized by setting the inner and outer radii of the conical rubber spring and fixing the dimensions of the steel part including the shaft and the outer cylinder.

또한, 상기 성능 해석 수행단계에서는 공차 및 만차 하중 조건에서의 원추형 고무 스프링의 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성 해석을 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the performance analysis step is characterized by performing vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness analysis of the conical rubber spring under the tolerance and full load conditions.

그리고, 상기 분석 및 검증 단계에서는 각 설계 변수가 목적 함수에 미치는 영향을 분석하기 위하여 평균 분석을 수행하고, 상기 평균 분석의 유의성을 검증하기 위한 분산 분석을 수행하여 최적 설계 결과의 신뢰도를 검증하는 것을 특징으로 한다.And, in the analysis and verification step, performing an average analysis to analyze the effect of each design variable on the objective function, and performing variance analysis to verify the significance of the average analysis to verify the reliability of the optimal design results It is characterized by.

한편, 본 발명에 따른 철도차량용 원추형 고무 스프링은, 스틸부와 제1 내지 제3고무층으로 이루어지는 고무부를 포함하여 구성되는 철도차량용 원추형 고무 스프링에 있어서, 상기 제1고무층과 제2고무층의 상부 종단면에 형성되는 곡선의 내,외측 곡선반경을 순서대로 각각 r1, r2, r3, r4 라 하고, 상기 제1고무층과 제2고무층의 하부 종단면에 형성되는 곡선의 내,외측 곡선반경을 각각 r8, r7, r6, r5 라 할 경우, 10.45 ≤ r1 ≤ 10.72, 22.68 ≤ r2 ≤ 23.25, 22.84 ≤ r3 ≤ 23.35, 21.97 ≤ r4 ≤ 22.41, 10.20 ≤ r5 ≤ 10.43, 20.09 ≤ r6 ≤ 20.50, 15.33 ≤ r7 ≤ 15.72 및 13.84 ≤ r8 ≤ 14.11 (단위: mm)인 것을 특징으로 한다.On the other hand, the conical rubber spring for a railway vehicle according to the present invention, in a conical rubber spring for a railway vehicle comprising a steel portion and a rubber portion composed of a first to third rubber layer, on the upper longitudinal section of the first rubber layer and the second rubber layer. The inner and outer curve radii of the curve to be formed are called r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 , respectively, in order, and the inner and outer curve radii of the curve formed on the lower longitudinal cross sections of the first and second rubber layers, respectively. When r 8 , r 7 , r 6 , and r 5 , 10.45 ≤ r 1 ≤ 10.72, 22.68 ≤ r 2 ≤ 23.25, 22.84 ≤ r 3 ≤ 23.35, 21.97 ≤ r 4 ≤ 22.41, 10.20 ≤ r 5 ≤ 10.43, 20.09 ≤ r 6 ≤ 20.50, 15.33 ≤ r 7 ≤ 15.72 and 13.84 ≤ r 8 ≤ 14.11 (unit: mm).

본 발명에 따르면, 원추형 고무 스프링을 구성하는 고무부의 각 단별 곡률을 최적화하여 하중-처짐 특성과 강성을 개선하고, 변형률을 감소시켜 피로수명을 증가시킬 수 있도록 하는 뛰어난 효과를 갖는다.According to the present invention, the curvature of each stage of the rubber part constituting the conical rubber spring is optimized to improve load-deflection characteristics and stiffness, and reduce strain to increase fatigue life.

또한, 본 발명에 따르면 원추형 고무 스프링의 최적 설계를 통하여 제작이 용이하고 생산비용을 절감할 수 있는 효과를 추가로 갖는다.In addition, according to the present invention, through the optimal design of the conical rubber spring, it is easy to manufacture and has the effect of reducing production cost.

도 1은 종래의 원추형 고무 스프링을 나타낸 사시도.
도 2 및 도 3의 (a) ~ (c)는 종래의 원추형 고무 스프링의 공차 및 만차 하중 조건에 대한 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성 대수 변형률 분포를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법을 나타낸 흐름도.
도 5의 (a)~(b)는 도 4에 나타낸 본 발명 중 모델링 단계에서 모델링된 원추형 고무 스프링을 나타낸 사시도 및 정단면도.
도 6의 (a)~(b)는 도 4에 나타낸 본 발명 중 유한요소모델 생성단계에서 생성된 원추형 고무 스프링의 유한요소모델을 나타낸 사시도 및 정단면도.
도 7의 (a),(b)는 종래의 원추형 고무 스프링과 최적화된 원추형 고무 스프링을 비교하여 나타낸 도면.
도 8 내지 도 10은 종래의 원추형 고무 스프링과 최적화된 원추형 고무 스프링의 공차 하중 조건에 대한 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성 해석시 변형률 분포를 비교하여 나타낸 도면.
도 11 내지 도 13은 종래의 원추형 고무 스프링과 최적화된 원추형 고무 스프링의 만차 하중 조건에 대한 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성 해석시 변형률 분포를 비교하여 나타낸 도면.
도 14 내지 도 17은 도 4에 나타낸 본 발명 중 분석 및 검증단계에서 수행되는 처짐량, 수직강성, 종강성 및 횡강성에 대한 평균 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 18 내지 도 20은 도 4에 나타낸 본 발명 중 분석 및 검증단계에서 수행되는 수직강성, 종강성 및 횡강성 해석시 최대 변형률에 대한 평균 분석 결과를 나타낸 그래프.
1 is a perspective view showing a conventional conical rubber spring.
2 and 3 (a) ~ (c) is a view showing the vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness logarithmic strain distribution for the tolerance and full load conditions of the conventional conical rubber spring.
4 is a flow chart showing an optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle according to the present invention.
5A to 5B are perspective and front cross-sectional views showing a conical rubber spring modeled in the modeling step of the present invention shown in FIG. 4.
6 (a) to 6 (b) are perspective and front sectional views showing a finite element model of a conical rubber spring generated in the finite element model generation step of the present invention shown in FIG. 4;
7 (a) and 7 (b) are views showing a comparison between a conventional conical rubber spring and an optimized conical rubber spring.
8 to 10 is a view showing a comparison of the strain distribution in the analysis of vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness for the tolerance load conditions of the conventional conical rubber spring and the optimized conical rubber spring.
11 to 13 are views showing a comparison of strain distribution in the analysis of vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness for full load conditions of a conventional conical rubber spring and an optimized conical rubber spring.
14 to 17 is a graph showing the average analysis results for the amount of deflection, vertical stiffness, longitudinal stiffness and transverse stiffness performed in the analysis and verification step of the present invention shown in FIG.
18 to 20 is a graph showing the average analysis results for the maximum strain in the analysis of vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness performed in the analysis and verification step of the present invention shown in FIG.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the preferred design method of the conical rubber spring for the railway vehicle according to the present invention and preferred conical rubber spring designed thereby.

도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법을 나타낸 흐름도이고, 도 5의 (a)~(b)는 도 4에 나타낸 본 발명 중 모델링 단계에서 모델링된 원추형 고무 스프링을 나타낸 사시도 및 정단면도이며, 도 6의 (a)~(b)는 도 4에 나타낸 본 발명 중 유한요소모델 생성단계에서 생성된 원추형 고무 스프링의 유한요소모델을 나타낸 사시도 및 정단면도이고, 도 7의 (a),(b)는 종래의 원추형 고무 스프링과 최적화된 원추형 고무 스프링을 비교하여 나타낸 도면이며, 도 8 내지 도 10은 종래의 원추형 고무 스프링과 최적화된 원추형 고무 스프링의 공차 하중 조건에 대한 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성 해석시 변형률 분포를 비교하여 나타낸 도면이고, 도 11 내지 도 13은 종래의 원추형 고무 스프링과 최적화된 원추형 고무 스프링의 만차 하중 조건에 대한 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성 해석시 변형률 분포를 비교하여 나타낸 도면이며, 도 14 내지 도 17은 도 4에 나타낸 본 발명 중 분석 및 검증단계에서 수행되는 처짐량, 수직강성, 종강성 및 횡강성에 대한 평균 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 18 내지 도 20은 도 4에 나타낸 본 발명 중 분석 및 검증단계에서 수행되는 수직강성, 종강성 및 횡강성 해석시 최대 변형률에 대한 평균 분석 결과를 나타낸 그래프이다.4 is a flow chart showing an optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle according to the present invention, and FIGS. 5A to 5B are perspective views showing a conical rubber spring modeled in the modeling step of the present invention shown in FIG. 4. And a front sectional view, FIGS. 6 (a) to 6 (b) are perspective and front sectional views showing a finite element model of a conical rubber spring generated in the finite element model generation step of the present invention shown in FIG. a), (b) is a view showing a comparison between a conventional conical rubber spring and an optimized conical rubber spring, and FIGS. 8 to 10 are vertical stiffness for the tolerance load condition of the conventional conical rubber spring and the optimized conical rubber spring. , Comparison of strain distribution in longitudinal and transverse stiffness analysis, and FIGS. 11 to 13 are full load jaws of a conventional conical rubber spring and an optimized conical rubber spring. It is a diagram showing a comparison of strain distribution in the analysis of vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness for the gun, and FIGS. 14 to 17 are deflections, vertical stiffness, longitudinal stiffness and A graph showing the average analysis results for lateral stiffness, and FIGS. 18 to 20 show the average analysis results for the maximum strain in the analysis of vertical stiffness, longitudinal stiffness, and lateral stiffness performed in the analysis and verification steps of the present invention shown in FIG. 4. It is the graph shown.

본 발명은 철도차량의 현가장치로 사용되는 원추형 고무스프링의 각 단별 곡률을 최적화하여 변형률의 국부화를 저감시키고, 하중-처짐 특성 및 강성을 개선시킬 수 있도록 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링에 관한 것으로, 먼저 본 발명에 따른 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법은 도 4에 나타낸 바와 같이, 크게 모델링 단계(S10), 유한요소모델 생성단계(S20) 및 최적 설계 수행단계(S30)를 포함하여 이루어진다.The present invention is to optimize the curvature of each stage of the conical rubber spring used as a suspension device of a railway vehicle to reduce the localization of strain and to optimize the design method of a conical rubber spring for a railway vehicle to improve load-deflection characteristics and rigidity. And it relates to a conical rubber spring designed thereby, first, the optimized design method of the conical rubber spring for the railway vehicle according to the present invention, as shown in Figure 4, largely modeling step (S10), finite element model generation step (S20) and optimal It comprises a design execution step (S30).

보다 상세히 설명하면, 상기 모델링 단계(S10)는 최적화를 위한 원추형 고무 스프링(100)을 모델링하는 단계에 관한 것으로, 최적화 대상인 원추형 고무 스프링(100)에 대한 3D 스캔을 수행한 후, 3D 스캔을 이용한 역설계를 통해 3D CAD 모델을 생성한다.In more detail, the modeling step (S10) relates to a step of modeling the conical rubber spring 100 for optimization, after performing a 3D scan on the conical rubber spring 100 to be optimized, using 3D scan Create 3D CAD models through reverse engineering.

이때, 상기 모델링 단계(S10)에서는 3D 스캔을 수행한 최적화되기 전의 원추형 고무 스프링(100), 즉 종래의 원추형 고무 스프링(100)을 초기 모델로 모델링 한 후, 후술할 실험계획단계(S34)에서 구성되는 직교배열표에 의한 설계변수들의 조합에 따른 다양한 모델들을 모델링하게 된다.At this time, in the modeling step (S10), after the 3D scan is performed before modeling the conical rubber spring 100, that is, the conventional conical rubber spring 100 is modeled as an initial model, in the experimental planning step (S34) to be described later. Various models are modeled according to the combination of design variables by the orthogonal array table.

도 5의 (a),(b)는 모델링 단계(S10)에서 모델링된 원추형 고무 스프링(100) 초기 모델의 사시도 및 정단면도를 각각 나타낸 것으로, 그 구성을 간략히 설명하면, 크게 강철 재질의 스틸부(110)와 고무 재질의 고무부(120)를 포함하여 이루어지는데, 상기 스틸부(110)는 원추형 고무 스프링(100)의 중심부를 구성하고 철도차량의 액슬박스에 결합되는 중공 형상의 샤프트(112)와, 상기 고무부(120)의 외측을 감싸도록 결합되는 외통부(114) 및 고무부(120)를 구성하는 제1 내지 제3고무층(122,124,126)들의 사이에 삽입 설치되는 보강링(116)을 포함하여 구성된다.5 (a), (b) is a perspective view and a front cross-sectional view of the initial model of the conical rubber spring 100 modeled in the modeling step (S10), respectively. It comprises 110 and a rubber part 120 made of rubber. The steel part 110 constitutes a central portion of the conical rubber spring 100 and is a hollow shaft 112 coupled to an axle box of a railway vehicle. ) And the reinforcement ring 116 inserted between the first and third rubber layers 122, 124, and 126 constituting the outer portion 114 and the rubber portion 120 coupled to surround the outer side of the rubber portion 120. It includes.

또한, 상기 고무부(120)는 샤프트(112)의 상부 외주면에 결합되어 스프링 역할을 하는 것으로, 내측으로부터 제1고무층(122), 제2고무층(124) 및 제3고무층(126)으로 이루어지는데, 각 고무층(122,124,126)의 종단면 상단 및 하단은 내측으로 만곡되는 곡선 형상을 이루도록 하여 전체 고무부(120)가 주름체 형상을 이루도록 구성되어 있다.In addition, the rubber part 120 is coupled to the upper outer circumferential surface of the shaft 112 to serve as a spring, and is composed of a first rubber layer 122, a second rubber layer 124, and a third rubber layer 126 from the inside. , Each rubber layer (122, 124, 126) is formed so that the upper and lower ends of the longitudinal cross-section form a curved shape that curves inward, so that the entire rubber portion 120 forms a corrugated body.

다음, 상기 유한요소모델 생성단계(S20)는 후술할 최적 설계 수행단계(S30)에서의 성능 해석 수행을 위해 모델링 단계(S10)에서 모델링된 원추형 고무 스프링(100)의 유한요소모델을 생성하는 단계에 관한 것으로, 본 발명에서는 상용 전처리 소프트웨어인 Altair 사(社)의 Hypermesh 13.0을 이용하여 원추형 고무 스프링(100)의 유한요소모델을 생성하였다.Next, the finite element model generation step (S20) is a step of generating a finite element model of the conical rubber spring 100 modeled in the modeling step (S10) to perform performance analysis in the optimal design execution step (S30), which will be described later. In the present invention, a finite element model of a conical rubber spring 100 was created using Hypermesh 13.0 of Altair, a commercial pre-processing software.

유한요소모델 생성시 스틸부(110)는 8절점 솔리드 요소인 C3D8를 사용하여 요소망을 생성하였고, 고무부(120)는 초탄성 해석을 위한 Hyprid 육면체 Solid 요소(C3D8H)로 요소 망을 생성하였다. When creating a finite element model, the steel part 110 created an element network using an 8-node solid element C3D8, and the rubber part 120 created an element network with a Hyprid cube solid element (C3D8H) for superelastic analysis. .

요소의 크기는 평균 5mm이며, 지오메트리(geometry)에 따라 최소 0.3 ~ 7.5 mm로 구성하였고, 고무부(120)의 변형률 에너지 밀도 함수는 단축 및 등이축 인장시험 결과와 가장 잘 맞는 Polynomial 2차를 사용하였다.The size of the elements is 5mm on average, consisting of at least 0.3 to 7.5mm depending on the geometry, and the strain energy density function of the rubber part 120 is the polynomial quadratic that best fits the results of uniaxial and equiaxial biaxial tensile tests. Used.

도 6의 (a)~(b)는 도 4에 나타낸 본 발명 중 유한요소모델 생성단계(S20)에서 생성된 원추형 고무 스프링(100)의 유한요소모델의 사시도 및 정단면도를 나타낸 것으로, 유한요소모델 정보와 물성치는 아래의 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같다.6 (a) to 6 (b) show perspective and sectional front views of a finite element model of the conical rubber spring 100 generated in the finite element model generation step (S20) of the present invention shown in FIG. Model information and physical properties are shown in Table 1 and Table 2 below.

항목Item 절점 수Number of nodes 엘리먼트 수Number of elements 고무부Rubber part 25,14025,140 18,23618,236 스틸부Steel part 25,44025,440 17,64017,640 합계Sum 50,58050,580 35,87635,876

밀도 (ton/mmDensity (ton / mm 33 )) 탄성계수 (GPa)Elastic modulus (GPa) 프아송비Poisson's ratio 고무부Rubber part 1.22E-091.22E-09 Polynomial model
(test data)
Polynomial model
(test data)
0.4750.475
스틸부Steel part 8E-098E-09 206206 0.30.3

다음, 상기 최적 설계 수행단계(S30)는 실험계획법을 이용하여 원추형 고무 스프링(100)의 최적 설계를 수행하는 단계에 관한 것으로, 상기 실험계획법은 실험에 대한 계획 방법, 즉 해결하고자 하는 문제에 대하여 실험을 어떻게 행하고, 데이터를 어떻게 취하며, 어떠한 통계적 방법으로 데이터를 분석하면 최소의 실험횟수에서 최대의 정보를 얻을 수 있는가를 계획하는 방법을 뜻하는 것이다.Next, the optimal design performing step (S30) relates to a step of performing an optimal design of the conical rubber spring 100 using an experimental planning method, wherein the experimental planning method is a planning method for an experiment, that is, a problem to be solved. It means to plan how to conduct an experiment, how to take data, and how to obtain the maximum information from the minimum number of experiments by analyzing the data with any statistical method.

상기 실험계획법에는 일원배치법, 이원배치법, 요인배치법, 일부실시법이 존재하는데, 이 중 일부실시법은 각 인자의 수준조합 중에서 일부만 선택하여 실험횟수를 가능한 적게 하는 대신 불필요한 교호작용을 분석하지 않는 방법으로, 후술할 직교 배열표에 의한 실험이 이에 속한다.There are one-way, two-way, factor-placement, and some implementation methods in the above-described experimental planning method. Some of these methods do not analyze unnecessary interactions instead of reducing the number of experiments as little as possible by selecting only a part of the level combination of each factor. As an example, an experiment by an orthogonal arrangement table to be described later belongs to this.

상기 최적 설계 수행단계(S30)는 조건 설정단계(S32), 실험계획단계(S34), 성능 해석 수행단계(S36), 분석 및 검증단계(S38)를 포함하여 이루어지는데, 먼저 상기 조건 설정단계(S32)는 최적 설계를 위한 모델링 및 성능 해석의 수행에 필요한 조건들을 설정하는 단계에 관한 것이다.The optimal design performing step (S30) includes a condition setting step (S32), an experimental planning step (S34), a performance analysis performing step (S36), and an analysis and verification step (S38). S32) relates to a step of setting conditions necessary for performing modeling and performance analysis for optimal design.

보다 상세히 설명하면, 상기 조건 설정단계(S32)는 목적함수 설정단계(S32a), 설계변수 설정단계(S32b) 및 제한조건 설정단계(S32c)를 포함하여 이루어지는데, 상기 목적함수 설정단계(S32a)는 최적화 기법에서 최대 또는 최소가 되게 하려는 독립변수의 함수를 의미하는 목적함수(objective function)를 설정하는 단계에 관한 것으로, 본 발명은 전술한 바와 같이, 변형률을 감소시키고 변형률의 국부화 현상을 개선할 수 있도록 한 것에 그 목적이 있는 것이므로, 각 방향, 즉 수직 방향, 종 방향 및 횡 방향의 강성 해석시의 변형률을 목적함수로 설정하였다.In more detail, the condition setting step (S32) comprises an objective function setting step (S32a), a design variable setting step (S32b), and a constraint setting step (S32c), wherein the objective function setting step (S32a) Is a step of setting an objective function that means a function of an independent variable to be maximum or minimum in an optimization technique, and the present invention reduces strain and improves localization of strain as described above. The purpose was to set the strain at the time of stiffness analysis in each direction, that is, in the vertical direction, the longitudinal direction, and the transverse direction.

다음, 상기 설계변수 설정단계(S32b)는 원추형 고무 스프링(100)의 최적화, 즉 목적함수를 최적화시킬 수 있도록 하는 설계변수를 설정하는 단계에 관한 것으로, 원추형 고무 스프링(100)의 경우 고무부(120)의 곡선 반경, 즉 제1 내지 제3고무층(122,124,126)의 종단면 상단 및 하단에 각각 형성된 곡선의 곡선 반경이 각 방향의 강성 및 변형률에 영향을 미치는 것으로 알려져 있기 때문에 본 발명에서는 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 비교적 영향력이 적은 제3고무층(126)을 제외한 제1고무층(122)과 제2고무층(124)의 상부 및 하부 종단면에 형성되는 곡선의 양측 총 8개의 곡선반경을 설계변수로 설정하였다.Next, the design parameter setting step (S32b) relates to the optimization of the conical rubber spring 100, that is, the step of setting the design variable to optimize the objective function, in the case of the conical rubber spring 100, the rubber part ( Since the curve radius of 120), that is, the curve radius of the curves formed at the top and bottom of the longitudinal sections of the first to third rubber layers 122, 124 and 126, respectively, is known to affect the stiffness and strain in each direction, in the present invention, FIG. As shown in b), a total of eight curved radii on both sides of the curve formed on the upper and lower longitudinal sections of the first rubber layer 122 and the second rubber layer 124, except for the third rubber layer 126, which has relatively little influence, are designed. It was set as a variable.

이때, 설계변수로 설정된 각 인자들의 수준은 종래의 원추형 고무 스프링(100), 즉 초기모델의 곡선반경을 기준으로 하여 -10% 및 -20%로 설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 일반적으로 인자들의 수준 범위는 ± 값으로 설정되지만, 고무부(120)의 곡선반경을 증가시키게 되면 금형 제작 후 사출성형시 고무가 충분히 침투하지 못하게 되는 현상이 발생될 우려가 있으므로 본 발명에서는 - 값 만을 각 수준의 범위로 설정하게 된다.At this time, it is desirable to set the level of each factor set as a design variable to -10% and -20% based on the curve radius of the conventional conical rubber spring 100, that is, the initial model, because the factor is generally The level range of these is set to a value of ±, but if the radius of curvature of the rubber part 120 is increased, there is a possibility that the rubber does not sufficiently penetrate during injection molding after the mold is manufactured. It is set to the range of.

다음, 상기 제한조건 설정단계(S32c)는 목적함수, 즉 성능 해석 수행단계(S36)에서 수행된 성능 해석 결과에 대한 제한조건 및 모델링 단계(S10)에서의 제한조건을 설정하는 단계에 관한 것이다.Next, the constraint setting step (S32c) relates to the step of setting a constraint in the objective function, that is, the performance analysis result performed in the performance analysis step (S36) and the modeling step (S10).

먼저 성능 해석 결과에 대한 제한조건과 관련하여 원추형 고무 스프링(100)의 성능 평가시 확인하는 특성은 처짐량과 3 방향의 강성, 즉 수직, 종 및 횡 방향의 강성이기 때문에 이 특성들을 목적 함수로 설정하여 최대화하는 것이 일반적일 수 있겠으나, 후술할 시험 평가 규격을 고려할 경우 원추형 고무 스프링(100)의 최적화는 강성을 최대화하는 것이 아니라 표준 강성 범위 내에 위치하는 것이 1차적인 목적일 수 있으므로 처짐량과 3 방향의 강성은 제한 조건으로 설정하는 것이 바람직하다.First, the characteristics to be confirmed when evaluating the performance of the conical rubber spring 100 in relation to the constraints on the performance analysis results are the amount of deflection and the stiffness in three directions, that is, the stiffness in the vertical, longitudinal, and transverse directions, so these characteristics are set as the objective function. However, when considering the test evaluation standards to be described later, the optimization of the conical rubber spring 100 does not maximize the stiffness, but may be located within the standard stiffness range, so it may be the primary purpose. It is desirable to set the stiffness of the direction as a limiting condition.

또한, 모델링 시의 제한 조건은 고무부(120) 즉, 고무 스프링(100)의 내,외측 반경 및 샤프트(112)와 외통부(114)를 포함하는 스틸부(110)의 치수를 고정시키는 것으로 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 부분을 변경시킬 경우 대차 및 액슬 박스의 치수 또는 형상도 수정해야 하기 때문으로 비용 및 시간 절감을 위하여 고무부(120)의 내,외측 반경 및 스틸부(110)의 치수를 고정하는 것을 모델링 시의 제한 조건으로 설정하여 전술한 모델링 단계(S10)에 적용하였다.In addition, the limitation condition at the time of modeling is to fix the dimensions of the rubber portion 120, that is, the inner and outer radii of the rubber spring 100 and the dimensions of the steel portion 110 including the shaft 112 and the outer cylinder portion 114. It is preferable, because the size and shape of the bogie and axle box must also be modified when changing the part, so that the inner and outer radii of the rubber part 120 and the steel part 110 are saved for cost and time savings. Fixing the dimensions was set as a limiting condition in modeling and applied to the above-described modeling step (S10).

상기 조건 설정단계(S32)에서 설정된 조건들을 정리하여 나타내면 아래와 같다.The conditions set in the condition setting step (S32) are summarized as follows.

Figure pat00001
, ... (1)
Figure pat00001
, ... (One)

Figure pat00002
... (2)
Figure pat00002
... (2)

Figure pat00003
... (3)
Figure pat00003
... (3)

Figure pat00004
... (4)
Figure pat00004
... (4)

여기서, r1 ~ r8 은 설계변수로 설정된 8개의 곡선반경을 나타내는 것이고,

Figure pat00005
는 각 강성 해석시의 변형률을 나타내는 것으로, 상기 (1)식은 조건 설정단계(S32)에서 설정된 목적함수와 설계변수를 나타낸 것이다.Here, r 1 to r 8 represent eight curve radii set as design variables,
Figure pat00005
Denotes the strain at the time of each stiffness analysis. The equation (1) shows the objective function and design variables set in the condition setting step (S32).

또한, 상기 (2) ~ (4)식은 설정된 제한조건을 각각 나타낸 것으로,

Figure pat00006
는 각 방향의 강성을 나타내는 것이고, L과 U는 각각 표준 강성 범위의 최소값과 최대값을 나타내며,
Figure pat00007
은 각각 고무부(120)의 내,외측 반경 및 스틸부(110)의 치수를 나타낸 것이다.In addition, the formulas (2) to (4) represent the set constraints, respectively.
Figure pat00006
Denotes the stiffness in each direction, L and U denote the minimum and maximum values of the standard stiffness range, respectively.
Figure pat00007
Indicates the inner and outer radii of the rubber part 120 and the dimensions of the steel part 110, respectively.

다음, 상기 실험계획단계(S34)는 조건 설정단계(S32)에서 설정된 목적함수, 설계변수 및 제한조건 등을 고려하여 실험 즉, 성능 해석의 계획을 수립하는 단계에 관한 것으로, 설계변수의 개수와 수준(범위) 및 실험의 양 등을 고려하여 3수준계의 직교배열표(Table of orthogonal arrays)를 구성한다.Next, the experiment planning step (S34) relates to a step of establishing an experiment, that is, planning for performance analysis, in consideration of the objective function, design variables, and constraints set in the condition setting step (S32). Considering the level (range) and the amount of experiments, the 3-level table of orthogonal arrays is constructed.

본 발명에서 실험계획에 사용되는 3수준계의 직교 배열표는 일반적으로 아래의 식과 같이 나타내는데,Orthogonal arrangement table of the three-level system used in the experiment plan in the present invention is generally represented by the following equation,

Figure pat00008
... (5)
Figure pat00008
... (5)

여기서 m은 2 이상의 정수이고, 3m 은 실험의 크기를 나타내며, (3m - 1)/2 는 직교 배열표의 열의 수를 나타낸다.Here, m is an integer of 2 or more, 3 m represents the size of the experiment, and (3 m -1) / 2 represents the number of columns in the orthogonal array table.

본 발명에서는 아래의 표 3에 나타낸 바와 같이, 상용 통계 프로그램인 Minitab 14를 사용하여 L27 직교 배열표를 구성하였다.In the present invention, as shown in Table 3 below, using the commercial statistical program Minitab 14, L 27 orthogonal arrangement table was constructed.

실험Experiment
번호number
열번호Column number
r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8 1One 1One 1One 1One 1One 1One 1One 1One 1One 22 1One 1One 1One 1One 22 22 22 22 33 1One 1One 1One 1One 33 33 33 33 44 1One 22 22 22 1One 1One 1One 22 55 1One 22 22 22 22 22 22 33 66 1One 22 22 22 33 33 33 1One 77 1One 33 33 33 1One 1One 1One 33 88 1One 33 33 33 22 22 22 1One 99 1One 33 33 33 33 33 33 22 1010 22 1One 22 33 1One 22 33 1One 1111 22 1One 22 33 22 33 1One 22 1212 22 1One 22 33 33 1One 22 33 1313 22 22 33 1One 1One 22 33 22 1414 22 22 33 1One 22 33 1One 33 1515 22 22 33 1One 33 1One 22 1One 1616 22 33 1One 22 1One 22 33 33 1717 22 33 1One 22 22 33 1One 1One 1818 22 33 1One 22 33 1One 22 22 1919 33 1One 33 22 1One 33 22 1One 2020 33 1One 33 22 22 1One 33 22 2121 33 1One 33 22 33 22 1One 33 2222 33 22 1One 33 1One 33 22 22 2323 33 22 1One 33 22 1One 33 33 2424 33 22 1One 33 33 22 1One 1One 2525 33 33 22 1One 1One 33 22 33 2626 33 33 22 1One 22 1One 33 1One 2727 33 33 22 1One 33 22 1One 22

여기서, 1은 종래의 원추형 고무 스프링, 즉 초기모델의 곡선반경과 동일한 값을 의미하고, 2는 초기모델의 곡선반경으로부터 10% 감소된 값을 의미하며, 3은 초기모델의 곡선반경으로부터 20% 감소된 값을 의미한다.Here, 1 is a conventional conical rubber spring, that is, the same value as the curve radius of the initial model, 2 means a value reduced by 10% from the curve radius of the initial model, and 3 is 20% from the curve radius of the initial model. It means reduced value.

다음, 상기 성능 해석 수행단계(S36)는 실험계획단계(S34)에서 세워진 직교배열표에 의한 실험계획에 따라 원추형 고무 스프링(100)의 최적화를 위한 성능 해석을 수행하는 단계에 관한 것으로, 원추형 고무 스프링(100)의 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성에 대한 해석을 공차 하중 조건에서와 만차 하중 조건에서 각각 27번씩 수행하여 총 162회의 성능 해석을 수행하였다.Next, the performance analysis performing step (S36) relates to a step of performing a performance analysis for the optimization of the conical rubber spring 100 according to the experimental plan by the orthogonal array table established in the experimental planning step (S34). The analysis of vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness of the spring 100 was performed 27 times under tolerance load conditions and full load conditions, respectively, and a total of 162 performance analyzes were performed.

또한, 변형률에 대한 해석 결과는 von-Mises 대수 변형률로 확인하였는데, 이러한 성능 해석 결과를 아래의 표 4에 나타내었다.In addition, the analysis result for the strain was confirmed by the von-Mises logarithmic strain, and the performance analysis results are shown in Table 4 below.

실험
번호
Experiment
number
처짐량
(mm)
Sag
(mm)
공차tolerance 만차Full car 변형률(만차)Strain (full scale) 순위ranking
수직
강성
Perpendicular
Rigid

강성
Bell
Rigid

강성
Transverse
Rigid
수직
강성
Perpendicular
Rigid

강성
Bell
Rigid

강성
Transverse
Rigid
수직강성 해석Vertical stiffness analysis 종강성 해석Longitudinal stiffness analysis 횡강성 해석Lateral stiffness analysis
1One 13.9313.93 0.696 0.696 2.949 2.949 2.286 2.286 0.706 0.706 3.433 3.433 2.660 2.660 0.484 0.484 0.620 0.620 0.606 0.606 44 22 13.5513.55 0.716 0.716 3.002 3.002 2.309 2.309 0.729 0.729 3.483 3.483 2.681 2.681 0.458 0.458 0.605 0.605 0.611 0.611 33 33 13.2613.26 0.729 0.729 3.045 3.045 2.326 2.326 0.746 0.746 3.522 3.522 2.692 2.692 0.454 0.454 0.591 0.591 0.614 0.614 -- 44 13.4213.42 0.724 0.724 2.998 2.998 2.325 2.325 0.735 0.735 3.483 3.483 2.699 2.699 0.453 0.453 0.624 0.624 0.604 0.604 -- 55 13.0213.02 0.743 0.743 3.064 3.064 2.353 2.353 0.760 0.760 3.554 3.554 2.724 2.724 0.452 0.452 0.583 0.583 0.609 0.609 -- 66 13.1713.17 0.737 0.737 3.124 3.124 2.385 2.385 0.751 0.751 3.623 3.623 2.762 2.762 0.490 0.490 0.599 0.599 0.609 0.609 -- 77 13.0113.01 0.746 0.746 3.017 3.017 2.340 2.340 0.760 0.760 3.488 3.488 2.708 2.708 0.453 0.453 0.590 0.590 0.603 0.603 -- 88 13.0813.08 0.740 0.740 3.103 3.103 2.387 2.387 0.754 0.754 3.599 3.599 2.765 2.765 0.476 0.476 0.551 0.551 0.605 0.605 -- 99 12.7612.76 0.760 0.760 3.164 3.164 2.414 2.414 0.775 0.775 3.644 3.644 2.785 2.785 0.452 0.452 0.554 0.554 0.608 0.608 -- 1010 13.4213.42 0.724 0.724 3.060 3.060 2.351 2.351 0.735 0.735 3.548 3.548 2.722 2.722 0.570 0.570 0.621 0.621 0.607 0.607 -- 1111 13.0613.06 0.740 0.740 3.078 3.078 2.356 2.356 0.757 0.757 3.552 3.552 2.715 2.715 0.539 0.539 0.595 0.595 0.611 0.611 -- 1212 13.3413.34 0.729 0.729 3.026 3.026 2.337 2.337 0.737 0.737 3.475 3.475 2.698 2.698 0.454 0.454 0.545 0.545 0.604 0.604 -- 1313 13.2513.25 0.732 0.732 3.094 3.094 2.376 2.376 0.760 0.760 3.594 3.594 2.750 2.750 0.453 0.453 0.597 0.597 0.606 0.606 -- 1414 12.9912.99 0.746 0.746 3.106 3.106 2.379 2.379 0.760 0.760 3.591 3.591 2.746 2.746 0.452 0.452 0.586 0.586 0.608 0.608 -- 1515 13.6313.63 0.711 0.711 3.071 3.071 2.374 2.374 0.724 0.724 3.544 3.544 2.749 2.749 0.593 0.593 0.649 0.649 0.602 0.602 55 1616 12.9212.92 0.751 0.751 3.110 3.110 2.388 2.388 0.766 0.766 3.596 3.596 2.755 2.755 0.453 0.453 0.566 0.566 0.606 0.606 -- 1717 13.0013.00 0.746 0.746 3.150 3.150 2.410 2.410 0.763 0.763 3.643 3.643 2.782 2.782 0.573 0.573 0.651 0.651 0.605 0.605 -- 1818 13.2813.28 0.732 0.732 3.084 3.084 2.383 2.383 0.743 0.743 3.561 3.561 2.755 2.755 0.453 0.453 0.567 0.567 0.601 0.601 -- 1919 13.4413.44 0.721 0.721 3.082 3.082 2.367 2.367 0.735 0.735 3.562 3.562 2.732 2.732 0.475 0.475 0.623 0.623 0.608 0.608 -- 2020 13.5713.57 0.716 0.716 3.033 3.033 2.346 2.346 0.729 0.729 3.510 3.510 2.712 2.712 0.454 0.454 0.593 0.593 0.603 0.603 22 2121 13.2413.24 0.732 0.732 3.067 3.067 2.363 2.363 0.746 0.746 3.527 3.527 2.721 2.721 0.452 0.452 0.603 0.603 0.605 0.605 -- 2222 12.9112.91 0.751 0.751 3.139 3.139 2.399 2.399 0.766 0.766 3.618 3.618 2.765 2.765 0.452 0.452 0.553 0.553 0.608 0.608 -- 2323 13.1313.13 0.740 0.740 3.091 3.091 2.383 2.383 0.751 0.751 3.550 3.550 2.747 2.747 0.453 0.453 0.580 0.580 0.603 0.603 -- 2424 12.8912.89 0.751 0.751 3.144 3.144 2.409 2.409 0.769 0.769 3.630 3.630 2.774 2.774 0.452 0.452 0.541 0.541 0.607 0.607 -- 2525 12.9612.96 0.749 0.749 3.150 3.150 2.412 2.412 0.760 0.760 3.648 3.648 2.789 2.789 0.450 0.450 0.560 0.560 0.588 0.588 -- 2626 13.5813.58 0.716 0.716 3.114 3.114 2.407 2.407 0.724 0.724 3.612 3.612 2.786 2.786 0.457 0.457 0.579 0.579 0.597 0.597 1One 2727 13.1813.18 0.737 0.737 3.111 3.111 2.392 2.392 0.749 0.749 3.601 3.601 2.764 2.764 0.452 0.452 0.560 0.560 0.604 0.604 --

한편, 상기 성능 해석 수행단계(S36)에서는 전술한 조건 설정단계(S32)에서 설정된 조건들을 고려하여 실험계획단계(S34)에서 세워진 계획에 따라 성능 해석을 수행하게 되는데, 먼저 설계변수에 해당되는 r1 ~ r8의 기준이 되는 초기모델의 곡선반경(표 3에서의 1에 해당)과, 이를 기준으로 한 -10%, -20%의 곡선반경(각각 표 3에서의 2, 3에 해당)은 아래의 표 5에 나타낸 바와 같다.Meanwhile, in the performance analysis step (S36), performance analysis is performed according to the plan established in the experiment planning step (S34) in consideration of the conditions set in the above-described condition setting step (S32). The curve radius of the initial model, which is the standard for 1 to r 8 (corresponding to 1 in Table 3), and -10%, -20% of the curve radius (corresponding to 2 and 3 in Table 3, respectively) Is shown in Table 5 below.

곡선반경Curve radius r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8 1(초기모델)1 (early model) 13.22913.229 28.70528.705 25.65825.658 22.19322.193 11.46011.460 20.29520.295 19.40019.400 13.97513.975 2(-10%)2 (-10%) 11.9011.90 25.8325.83 23.0923.09 19.9719.97 10.3110.31 18.2718.27 17.4617.46 12.5812.58 3(-20%)3 (-20%) 10.5810.58 22.9622.96 20.5320.53 17.7517.75 9.179.17 16.2416.24 15.5215.52 11.1811.18

또한, 상기 성능 해석 수행단계(S36)에서의 공차 하중 조건과 만차 하중 조건은 각각 15.68kN, 25.48kN이고, 종 강성 해석시에는 기본적으로 수직 하중을 부여함과 동시에 길이 방향, 즉 종 방향으로 수직 하중과 동일한 하중을 부여하며, 횡 강성 해석시에는 마찬가지로 수직 하중을 부여함과 동시에 횡 방향으로 수직 하중의 약 50%에 해당하는 하중을 인가하였다.In addition, the tolerance load condition and the full load condition in the performance analysis step (S36) are 15.68 kN and 25.48 kN, respectively. The same load as the load was applied, and in the lateral stiffness analysis, a vertical load was also applied, and a load corresponding to about 50% of the vertical load was applied in the lateral direction.

그리고, 성능 해석 결과에 대한 제한조건에 해당되는 원추형 고무 스프링(100)의 처짐량과 세 방향 즉, 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성의 표준 범위는 아래의 표 6에 나타낸 바와 같다.And, the standard amount of deflection of the conical rubber spring 100 and three directions, that is, vertical stiffness, longitudinal stiffness, and lateral stiffness, which are conditions for the performance analysis results, are shown in Table 6 below.

항 목Item 기준값(제한조건)Reference value (limit conditions) 처짐량Sag 공차 및 만차 하중Tolerance and full load 15.0±1.5mm 15.0 ± 1.5mm 수직 강성Vertical stiffness 공차 하중Tolerance load 0.67±0.10kN/mm 0.67 ± 0.10kN / mm 만차 하중Full load 0.64±0.10kN/mm 0.64 ± 0.10kN / mm 종 강성Species stiffness 공차 하중Tolerance load 3.0±0.45kN/mm 3.0 ± 0.45kN / mm 만차 하중Full load 3.8±0.57kN/mm 3.8 ± 0.57kN / mm 횡 강성Transverse stiffness 공차 하중Tolerance load 2.3±0.35kN/mm 2.3 ± 0.35kN / mm 만차 하중Full load 2.8±0.42kN/mm 2.8 ± 0.42kN / mm

상기 성능 해석 수행단계(S36)에서의 해석 솔버(solver)로는 Dassault system 社의 유한요소해석 소프트웨어 Abaqus 6.12-1을 사용하였고, 도시하지는 않았지만 원추형 고무 스프링(100) 특성 시험기와 같은 구속조건을 부여하기 위하여 원추형 고무 스프링(100)의 아래쪽 돌출 부분의 자유도를 모두 구속하였으며, 하중이 가해지는 원추형 고무 스프링(100)의 윗부분의 모든 노드를 기준점(reference Point)에 Rigid body-tie로 연결하여 하중이 일정하게 전달되도록 경계조건을 구성하였다.As the analysis solver in the performance analysis step (S36), Dassault system's finite element analysis software Abaqus 6.12-1 was used, and although not shown, it imparts constraints such as a conical rubber spring 100 characteristic tester. For this purpose, all the degrees of freedom of the lower protruding portion of the conical rubber spring 100 were constrained, and the load was constant by connecting all nodes of the upper portion of the conical rubber spring 100 to the reference point with a rigid body-tie. Boundary conditions were constructed so that they could be delivered.

한편, 상기 표 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실험번호 1, 2, 15, 20, 26번 실험을 제외하면 모두 표 6에 나타낸 강성 제한조건을 위배하는 것으로 나타났다. On the other hand, as can be seen in Table 4, except for Experiment No. 1, 2, 15, 20, and 26 experiments, all were found to violate the stiffness constraints shown in Table 6.

아래의 표 7에 나타낸 바와 같이, 초기모델에 해당되는 실험번호 1을 포함한 제한조건을 만족하는 5개의 실험 중 15번 실험에서는 강성 제한조건은 만족하나 수직 및 종 강성 해석 시에는 오히려 변형률이 최대 22.6% 증가하였고, 26번 실험에서 전체적으로 변형률 감소량이 가장 크게 나타났고, 종 강성 해석 시 최대 6.6%까지 감소하였으므로, 실험번호 26번 모델을 최적 모델로 선정하였다.As shown in Table 7 below, the stiffness constraint is satisfied in experiment 15 of 5 experiments that satisfy the constraints including Experiment No. 1 corresponding to the initial model, but the strain is up to 22.6 when analyzing vertical and longitudinal stiffness. % Increase, the largest strain reduction in the 26 experiments, and the maximum 6.6% reduction in longitudinal stiffness analysis, the model No. 26 was selected as the optimal model.

실험
번호
Experiment
number
변형률 감소량Strain reduction
수직 강성 해석(%)Vertical stiffness analysis (%) 종 강성 해석(%)Longitudinal stiffness analysis (%) 횡 강성 해석(%)Lateral stiffness analysis (%) 1One 0.00.0 0.0 0.0 0.0 0.0 22 5.3 5.3 2.5 2.5 -0.8 -0.8 1515 -22.6 -22.6 -4.7 -4.7 0.7 0.7 2020 6.1 6.1 4.4 4.4 0.5 0.5 2626 5.6 5.6 6.6 6.6 1.4 1.4

최적모델Optimal model r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8 2626 10.45 ~ 10.7210.45 ~ 10.72 22.68 ~ 23.2522.68 ~ 23.25 22.84 ~ 23.3522.84 ~ 23.35 21.97 ~ 22.4121.97 ~ 22.41 10.20 ~ 10.4310.20 ~ 10.43 20.09 ~ 20.5020.09 ~ 20.50 15.33 ~ 15.7215.33 ~ 15.72 13.84 ~ 14.1113.84 ~ 14.11

위의 표 8은 표 3 및 표 5을 참고로 하여 최적화 모델로 선정된 실험번호 26번의 설계변수 즉, r1 ~ r8 값을 각각 나타낸 것으로, 표 3의 직교배열표에서 1로 설정된 r4, r6, r8의 경우 초기모델과 동일한 값을 적용하였고, 직교배열표에서 2로 설정된 r3, r5의 경우 초기모델로부터 10% 감소된 값을 적용하였으며, 직교배열표에서 3으로 설정된 r1, r2, r7의 경우 초기모델로부터 20% 감소된 값을 적용하였다.Table 8 above shows the design variables of Experiment No. 26, that is, values of r 1 to r 8 , respectively, selected as optimization models with reference to Tables 3 and 5, and r 4 set to 1 in the orthogonal array table of Table 3 , r 6 , r 8 applied the same values as the initial model, and in the case of r 3 and r 5 set to 2 in the orthogonal array, a value reduced by 10% from the initial model was applied, and set to 3 in the orthogonal array. In the case of r 1 , r 2 , and r 7 , values reduced by 20% from the initial model were applied.

또한, 전체적으로 설계오차, 성형오차 등의 오차를 고려하여 ±0.1%의 여유값을 적용하였다.In addition, a margin of ± 0.1% was applied in consideration of errors such as design errors and molding errors.

도 7의 (a),(b)는 초기 모델과 최적화된 모델을 비교하여 나타낸 것으로, r1 ~ r8, 특히 r1 ~ r4 에 해당하는 부분에서 많은 차이가 발생된 것을 확인할 수 있다.7 (a) and 7 (b) are shown by comparing the initial model and the optimized model, and it can be seen that many differences occurred in the parts corresponding to r 1 to r 8 , particularly r 1 to r 4 .

도 8 내지 도 10과, 도 11 내지 도 13은 각각 공차 하중 조건과 만차 하중 조건에서의 종래의 원추형 고무 스프링(100), 즉 초기모델과 최적화된 원추형 고무 스프링(100)에 대한 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성 해석시 변형률 분포를 비교하여 나타낸 도면으로, 공차 하중 조건과 만차 하중 조건 모두에서 초기모델에 비하여 최적화 모델의 변형률이 전체적으로 감소하였고, 최적화 이후 국부적으로 나타나던 변형률의 분포가 보다 넓게 나타나는 것을 확인할 수 있다.8 to 10 and FIGS. 11 to 13 are vertical stiffness and vertical stiffness for a conventional conical rubber spring 100, that is, an initial model and an optimized conical rubber spring 100 under tolerance load conditions and full load conditions, respectively. This diagram shows the comparison of strain distribution in the analysis of stiffness and lateral stiffness. It shows that the strain of the optimization model is reduced overall compared to the initial model in both tolerance and full load conditions, and that the distribution of strain that appeared locally after optimization is wider. Can be confirmed.

다음, 상기 분석 및 검증단계(S38)는 성능 해석 수행단계(S36)에서 수행된 성능 해석 결과를 분석하여 최적 설계의 신뢰도를 검증하는 단계에 관한 것이다.Next, the analysis and verification step (S38) relates to the step of verifying the reliability of the optimum design by analyzing the performance analysis results performed in the performance analysis step (S36).

보다 상세히 설명하면, 먼저 각 설계 변수 즉, r1 ~ r8이 목적함수 즉 변형률에 미치는 영향을 확인하기 위하여 평균 분석(analysis of means)을 수행하였는데, 도 14 내지 도 17은 각각 처짐량, 수직강성, 종강성 및 횡강성에 대한 평균 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 18 내지 도 20은 각각 수직강성, 종강성 및 횡강성 해석시 최대 변형률에 대한 평균 분석 결과를 나타낸 그래프이다.In more detail, first, an analysis of means was performed to check the effect of each design variable, that is, r 1 to r 8 on the objective function, that is, the strain, and FIGS. 14 to 17 show deflection and vertical stiffness, respectively. , A graph showing the average analysis results for longitudinal stiffness and lateral stiffness, and FIGS. 18 to 20 are graphs showing average analysis results for the maximum strain in the analysis of vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness, respectively.

또한, 상기 평균 분석의 유의성을 검증하기 위하여 분산 분석(analysis of variance)을 실시하였는데, 그 결과를 아래의 표 9 내지 표 15에 나타내었다.In addition, in order to verify the significance of the average analysis, analysis of variance was performed, and the results are shown in Tables 9 to 15 below.

처짐량에 대한 평균 분석 및 분산 분석표Average analysis and variance table for deflection 평균
분석
Average
analysis
수준level r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8
1(표준)1 (standard) 13.2413.24 13.4213.42 13.2113.21 13.3713.37 13.2513.25 13.4313.43 13.1913.19 13.3513.35 2(-10%)2 (-10%) 13.2113.21 13.1613.16 13.2413.24 13.2313.23 13.2213.22 13.1713.17 13.2513.25 13.2213.22 3(-20%)3 (-20%) 13.2113.21 13.0913.09 13.2213.22 13.0713.07 13.1913.19 13.0613.06 13.2313.23 13.113.1 델타delta 0.030.03 0.340.34 0.030.03 0.30.3 0.060.06 0.370.37 0.050.05 0.250.25 순위ranking 77 22 88 33 55 1One 66 44 분산
분석
Dispersion
analysis
p-Valuep-Value 0.4040.404 0.0000.000 0.5450.545 0.0000.000 0.1750.175 0.0000.000 0.1840.184 0.0000.000

수직 강성에 대한 평균 분석 및 분산 분석표Average and variance analysis table for vertical stiffness 평균
분석
Average
analysis
수준level r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8
1(표준)1 (standard) 0.750.75 0.740.74 0.750.75 0.740.74 0.750.75 0.730.73 0.750.75 0.740.74 2(-10%)2 (-10%) 0.750.75 0.750.75 0.750.75 0.750.75 0.750.75 0.750.75 0.750.75 0.750.75 3(-20%)3 (-20%) 0.750.75 0.750.75 0.750.75 0.760.76 0.750.75 0.760.76 0.750.75 0.750.75 델타delta 0.000.00 0.020.02 0.000.00 0.020.02 0.000.00 0.020.02 0.000.00 0.010.01 순위ranking 77 22 66 33 88 1One 55 44 분산
분석
Dispersion
analysis
p-Valuep-Value 0.4820.482 0.0000.000 0.2980.298 0.0000.000 0.7510.751 0.0000.000 0.2880.288 0.0010.001

종 강성에 대한 평균 분석 및 분산 분석표Average and variance analysis table for species stiffness 평균
분석
Average
analysis
수준level r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8
1(표준)1 (standard) 3.543.54 3.513.51 3.563.56 3.563.56 3.553.55 3.523.52 3.553.55 3.583.58 2(-10%)2 (-10%) 3.573.57 3.583.58 3.573.57 3.563.56 3.573.57 3.573.57 3.563.56 3.563.56 3(-20%)3 (-20%) 3.583.58 3.603.60 3.563.56 3.573.57 3.573.57 3.603.60 3.583.58 3.553.55 델타delta 0.050.05 0.090.09 0.010.01 0.010.01 0.020.02 0.080.08 0.030.03 0.030.03 순위ranking 33 1One 88 77 66 22 44 55 분산
분석
Dispersion
analysis
p-Valuep-Value 0.0000.000 0.0000.000 0.5360.536 0.3820.382 0.0320.032 0.0000.000 0.0020.002 0.0030.003

횡 강성에 대한 평균 분석 및 분산 분석표Average Analysis and Variance Analysis Table for Lateral Stiffness 평균
분석
Average
analysis
수준level r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8
1(표준)1 (standard) 2.722.72 2.702.70 2.742.74 2.742.74 2.732.73 2.722.72 2.732.73 2.752.75 2(-10%)2 (-10%) 2.742.74 2.752.75 2.742.74 2.742.74 2.742.74 2.742.74 2.742.74 2.742.74 3(-20%)3 (-20%) 2.752.75 2.772.77 2.742.74 2.742.74 2.742.74 2.752.75 2.752.75 2.732.73 델타delta 0.040.04 0.060.06 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.030.03 0.020.02 0.020.02 순위ranking 22 1One 88 77 66 33 55 44 분산
분석
Dispersion
analysis
p-Valuep-Value 0.0000.000 0.0000.000 0.2080.208 0.1980.198 0.0110.011 0.0000.000 0.0040.004 0.0020.002

수직 강성 해석시 최대변형률에 대한 평균 분석 및 분산 분석표Average analysis and variance analysis table for maximum strain when analyzing vertical stiffness 평균
분석
Average
analysis
수준level r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8
1(표준)1 (standard) 0.4650.465 0.4720.472 0.4720.472 0.4740.474 0.4710.471 0.4730.473 0.4670.467 0.5080.508 2(-10%)2 (-10%) 0.5040.504 0.4720.472 0.4800.480 0.4610.461 0.4790.479 0.4570.457 0.4740.474 0.4630.463 3(-20%)3 (-20%) 0.4430.443 0.4690.469 0.4610.461 0.4780.478 0.4620.462 0.4840.484 0.4730.473 0.4420.442 델타delta 0.0610.061 0.0030.003 0.0180.018 0.0170.017 0.0170.017 0.0270.027 0.0070.007 0.0650.065 순위ranking 22 88 44 55 66 33 77 1One 분산
분석
Dispersion
analysis
p-Valuep-Value 0.0500.050 0.7530.753 0.8670.867 0.9460.946 0.8930.893 0.7680.768 0.8990.899 0.0290.029

종 강성 해석시 최대변형률에 대한 평균 분석 및 분산 분석표Average analysis and variance analysis table for maximum strain when analyzing longitudinal stiffness 평균
분석
Average
analysis
수준level r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8
1(표준)1 (standard) 0.5910.591 0.6000.600 0.5860.586 0.5940.594 0.5950.595 0.5940.594 0.5970.597 0.6040.604 2(-10%)2 (-10%) 0.5980.598 0.5900.590 0.5850.585 0.6010.601 0.5910.591 0.5810.581 0.5820.582 0.5830.583 3(-20%)3 (-20%) 0.5770.577 0.5760.576 0.5940.594 0.5700.570 0.5790.579 0.5900.590 0.5870.587 0.5780.578 델타delta 0.0210.021 0.0240.024 0.0090.009 0.0310.031 0.0160.016 0.0130.013 0.0150.015 0.0250.025 순위ranking 44 33 88 1One 55 77 66 22 분산
분석
Dispersion
analysis
p-Valuep-Value 0.1330.133 0.0920.092 0.2140.214 0.0010.001 0.0890.089 0.2470.247 0.2660.266 0.6820.682

횡 강성 해석시 최대변형률에 대한 평균 분석 및 분산 분석표Average analysis and variance analysis table for maximum strain in transverse stiffness analysis 평균
분석
Average
analysis
수준level r1 r 1 r2 r 2 r3 r 3 r4 r 4 r5 r 5 r6 r 6 r7 r 7 r8 r 8
1(표준)1 (standard) 0.6080.608 0.6080.608 0.6070.607 0.6040.604 0.6040.604 0.6030.603 0.6060.606 0.6050.605 2(-10%)2 (-10%) 0.6060.606 0.6060.606 0.6040.604 0.6060.606 0.6050.605 0.6070.607 0.6040.604 0.6060.606 3(-20%)3 (-20%) 0.6030.603 0.6020.602 0.6050.605 0.6060.606 0.6050.605 0.6070.607 0.6060.606 0.6050.605 델타delta 0.0050.005 0.0060.006 0.0030.003 0.0020.002 0.0020.002 0.0040.004 0.0020.002 0.0020.002 순위ranking 22 1One 44 77 55 33 66 88 분산
분석
Dispersion
analysis
p-Valuep-Value 0.0860.086 0.0360.036 0.3020.302 0.1460.146 0.0140.014 0.0180.018 0.0310.031 0.1270.127

표 9의 처짐량에 대해서는 r6 -> r2 -> r4 -> r8 순으로 영향이 컸고, 이 변수들만 p-value가 0.05 이하로 나와 유의함을 알 수 있었다.As for the amount of deflection in Table 9, it was found that r 6- > r 2- > r 4- > r 8 had a significant effect, and only these variables showed significant p-values of 0.05 or less.

또한, 표 10의 수직 강성에 대해서는 처짐량과 마찬가지로 r6 -> r2 -> r4 -> r8 순으로 강성에 큰 영향을 미쳤고, 이 변수들만 p-value가 0.05 이하로 도출되어 유의성이 있음을 확인하였다.In addition, for the vertical stiffness in Table 10, as in the amount of deflection, r 6- > r 2- > r 4- > r 8 had a significant effect on the stiffness, and only these variables have p-values of 0.05 or less, which is significant. Was confirmed.

표 11의 종 강성에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 r2로 나타났고, p-value가 0.05 이하로 도출된 인자 중 r2 -> r1 -> r6 -> r8 -> r7 -> r5 순으로 영향도가 있음을 확인하였으며, 표 12의 횡 강성에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 종 강성과 같이 r2이고, r3와 r4는 p-value가 0.05 이상으로 나와 유의성이 없는 것으로 나타났으며, 유의한 인자 중에는 r2 -> r6 -> r1 -> r7 -> r8 -> r5 순으로 영향도가 있음을 확인하였다.The factor having the greatest influence on the longitudinal stiffness of Table 11 was r 2 , and among the factors derived with p-values of 0.05 or less, r 2- > r 1- > r 6- > r 8- > r 7- > It was confirmed that there was an influence in the order of r 5 , and the factor that had the greatest influence on the lateral stiffness in Table 12 was r 2 as the longitudinal stiffness, and r 3 and r4 had a p-value of 0.05 or more, indicating no significance. Among the significant factors, it was confirmed that there was an effect in the order of r 2- > r 6- > r 1- > r 7- > r 8- > r 5 .

표 13에 나타낸 수직 강성 해석시의 최대 변형률에 대해서는 r1과 r8 만이 유의성을 가지고 영향을 크게 미쳤음을 알 수 있었고, 표 14에 나타낸 종 강성 해석시 최대 변형률에 대해서는 r4의 영향이 가장 크고, 유일하게 유의한 인자임을 확인하였다. It was found that only r 1 and r 8 had a significant effect on the maximum strain in the vertical stiffness analysis shown in Table 13, and r 4 had the largest effect on the maximum strain when analyzing the longitudinal stiffness shown in Table 14. , Was confirmed to be the only significant factor.

또한, 표 15에 나타낸 횡 강성 해석시 최대 변형률에는 r2 -> r1 -> r6 -> r3 -> r5 -> r7 -> r4 -> r8 순으로 영향을 미쳤으나 이 중 순위가 높은 r2와 r3는 p-value가 0.05 이하로 도출되어 유의하지 않은 것으로 나타났다. 이는 통계적으로 r2와 r3는 최대 변형률에 큰 영향을 미치지 않는 것을 의미한다.In addition, when analyzing the lateral stiffness shown in Table 15, the maximum strain was affected in the order of r 2- > r 1- > r 6- > r 3- > r 5- > r 7- > r 4- > r 8 The higher ranks of r 2 and r 3 were found to be insignificant because the p-value was less than 0.05. This statistically means that r 2 and r 3 do not significantly affect the maximum strain.

상기 분석 결과를 종합해 보면, r3를 제외한 설계 변수들이 처짐량, 강성, 변형률 등의 해석 결과에 영향을 미치고 있는 것으로 정리할 수 있는데, 그 중 r2는 수직 강성 및 종 강성 해석 시의 최대 변형률을 제외하면, 모두 2순위 내에 위치하여 가장 큰 영향을 미치는 인자라는 것을 알 수 있고, r4도 다양한 성능에 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다. Summarizing the above analysis results, it can be summarized that design variables excluding r 3 affect analysis results such as deflection, stiffness, and strain. Among them, r 2 represents the maximum strain during vertical stiffness and longitudinal stiffness analysis. Except, it can be seen that all are located within the second rank and are the most influential factors, and r 4 also affects various performances.

하지만, r3를 제외한 설계변수들이 모두 목적함수인 3 방향 강성 해석시의 변형률에 영향을 미치고 있고, 성능 평가 항목이 매우 다양하기 때문에 특성 설계 변수가 전체적인 성능 평가에 미치는 영향이 크거나 작은지 단정할 수는 없다. However, since all of the design variables except r 3 have an effect on the strain in the 3-way stiffness analysis, which is an objective function, and performance evaluation items are very diverse, it is determined whether the effect of the characteristic design variables on the overall performance evaluation is large or small. I can't.

따라서 다양한 설계 변수들의 조합이 성능 향상에 영향을 미치고 있는 것으로 결론지을 수 있고, 26번 모델을 최적 모델로 선정한 최적 설계 결과를 신뢰할 수 있게 된다.Therefore, it can be concluded that the combination of various design variables has an effect on performance improvement, and the optimal design result with model 26 selected as the optimal model can be trusted.

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링(100)에 의하면, 원추형 고무 스프링(100)을 구성하는 고무부(120)의 각 단별 곡률을 최적화하여 하중-처짐 특성과 강성을 개선하고, 변형률을 감소시켜 피로수명을 증가시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라, 원추형 고무 스프링의 최적 설계를 통하여 제작이 용이하고 생산비용을 절감할 수 있으며, 주로 해외로부터의 수입에 의존하고 있는 원추형 고무 스프링(100)의 국산화 개발에 기여할 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.According to the optimization design method of the conical rubber spring for railway vehicles according to the present invention and the conical rubber spring 100 designed thereby, the curvature of each stage of the rubber part 120 constituting the conical rubber spring 100 is optimized. By improving the load-sag characteristics and stiffness, and reducing the strain rate to increase the fatigue life, it is also easy to manufacture and reduce the production cost through the optimal design of the conical rubber spring, and mainly from overseas It has various advantages such as contributing to the localization development of the conical rubber spring 100 that relies on import.

전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 의한 최적화 설계방법을 프로그램화하여 기록매체에 저장하는 등 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.The above-described embodiments have been described with respect to the most preferred examples of the present invention, but are not limited to the above-described embodiments, and do not deviate from the technical spirit of the present invention, such as programming the optimization design method according to the present invention and storing it in a recording medium. It is apparent to those skilled in the art that various modifications are possible within the scope.

본 발명은 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량의 현가장치로 사용되는 원추형 고무스프링의 각 단별 곡률을 최적화하여 변형률의 국부화를 저감시키고, 하중-처짐 특성 및 강성을 개선시킬 수 있도록 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링에 관한 것이다.The present invention relates to an optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle and a conical rubber spring designed thereby, more specifically, to optimize the curvature of each stage of a conical rubber spring used as a suspension device for a railway vehicle to localize the strain. The present invention relates to an optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle and a conical rubber spring designed thereby to reduce and improve load-sag characteristics and rigidity.

100 : 원추형 고무 스프링 110 : 스틸부
112 : 샤프트 114 : 외통부
116 : 보강링 120 : 고무부
122 : 제1고무층 124 : 제2고무층
126 : 제3고무층 S10 : 모델링 단계
S20 : 유한요소모델 생성단계 S30 : 최적 설계 수행단계
S32 : 조건 설정단계 S32a : 목적함수 설정단계
S32b : 설계변수 설정단계 S32c : 제한조건 설정단계
S34 : 실험계획단계 S36 : 성능 해석 수행단계
S38 : 분석 및 검증단계
100: conical rubber spring 110: steel
112: shaft 114: outer cylinder
116: reinforcement ring 120: rubber part
122: first rubber layer 124: second rubber layer
126: third rubber layer S10: modeling step
S20: Finite element model creation phase S30: Optimal design execution phase
S32: Condition setting step S32a: Objective function setting step
S32b: Design variable setting step S32c: Constraint setting step
S34: Experiment planning step S36: Performance analysis execution step
S38: Analysis and verification stage

Claims (8)

철도차량용 원추형 고무 스프링의 3D 스캔을 이용한 역설계를 통해 원추형 고무 스프링의 3D 모델을 생성하는 모델링 단계와,
모델링된 원추형 고무 스프링의 성능 해석 수행을 위한 유한요소모델을 생성하는 유한요소모델 생성단계와,
실험계획법을 이용하여 원추형 고무 스프링의 최적 설계를 수행하는 최적 설계 수행단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법.
A modeling step of generating a 3D model of a conical rubber spring through reverse design using a 3D scan of the conical rubber spring for a railway vehicle,
A finite element model generation step for generating a finite element model for performance analysis of the modeled conical rubber spring,
An optimum design method of a conical rubber spring for a railway vehicle, characterized in that it comprises an optimum design execution step of performing an optimum design of a conical rubber spring using an experimental planning method.
제 1항에 있어서,
상기 최적 설계 수행단계는,
최적 설계 및 성능 해석 수행에 필요한 조건들을 설정하는 조건 설정단계와,
설계 변수의 개수와 수준 및 실험의 양을 고려하여 3수준계의 직교배열표를 구성하는 실험계획단계와,
상기 직교배열표에 의한 실험계획에 따라 원추형 고무 스프링의 성능 해석을 수행하는 성능 해석 수행단계 및
수행된 성능 해석 결과를 분석하여 최적 설계를 검증하는 분석 및 검증 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법.
According to claim 1,
The optimal design execution step,
A condition setting step for setting conditions necessary for performing optimal design and performance analysis;
An experiment planning step of constructing a three-level orthogonal array table considering the number and level of design variables and the amount of experiments;
Performance analysis step of performing the performance analysis of the conical rubber spring according to the experimental plan according to the orthogonal array table and
Optimized design method of a conical rubber spring for a railway vehicle, characterized by comprising an analysis and verification step to verify the optimum design by analyzing the performance analysis results.
제 2항에 있어서,
상기 조건 설정단계는,
수직방향, 종방향 및 횡방향의 강성 해석시의 변형률을 목적함수로 설정하는 목적함수 설정단계와,
원추형 고무 스프링의 고무부를 구성하는 제1 및 제2고무층의 상,하 단부에 형성되는 곡선의 양측 총 8개의 곡선반경을 설계변수로 설정하는 설계변수 설정단계 및
상기 성능 해석 수행단계에서 수행된 성능 해석 결과에 대한 제한조건 및 모델링 단계에서의 제한조건을 설정하는 제한조건 설정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법.
According to claim 2,
The condition setting step,
The objective function setting step of setting the strain in the vertical, longitudinal and lateral stiffness analysis as the objective function,
Design parameter setting step of setting a total of eight curve radii on both sides of the curve formed at the upper and lower ends of the first and second rubber layers constituting the rubber portion of the conical rubber spring, and
Optimization design method of a conical rubber spring for a railway vehicle, characterized in that it comprises a constraint setting step of setting a constraint in the modeling step and a constraint condition for the performance analysis result performed in the performance analysis step.
제 3항에 있어서,
상기 설계변수 설정단계에서 설계변수로 설정된 8개의 곡선반경 각 인자의 수준은 종래의 원추형 고무 스프링의 곡선반경을 기준으로 하여 -10% 및 -20%로 설정되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법.
According to claim 3,
The level of each of the eight curve radius parameters set as the design variable in the design parameter setting step is set to -10% and -20% based on the curve radius of the conventional conical rubber spring. Optimization design method.
제 3항에 있어서,
상기 제한조건 설정단계에서 설정되는 성능 해석 결과에 대한 제한조건은 원추형 고무 스프링의 처짐량과 수직방향, 종방향 및 횡방향의 강성이 원추형 고무 스프링의 표준 처짐량 및 강성 범위 내에 위치되는 것으로 설정하고,
상기 모델링 단계에서의 제한조건은 원추형 고무 스프링의 내,외측 반경 및 샤프트와 외통부를 포함하는 스틸부의 치수를 고정시키는 것으로 설정하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법.
According to claim 3,
The limiting condition for the performance analysis result set in the setting of the above-mentioned constraint conditions is set to be that the deflection amount of the conical rubber spring and the stiffness in the vertical, longitudinal and transverse directions are located within the standard deflection amount and stiffness range of the conical rubber spring,
The limiting condition in the modeling step is an optimization design method of a conical rubber spring for a railway vehicle, characterized in that the inner and outer radii of the conical rubber spring and the dimensions of the steel part including the shaft and the outer cylinder are fixed.
제 2항에 있어서,
상기 성능 해석 수행단계에서는 공차 및 만차 하중 조건에서의 원추형 고무 스프링의 수직 강성, 종 강성 및 횡 강성 해석을 수행하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법.
According to claim 2,
In the performance analysis step, an optimization design method of a conical rubber spring for a railway vehicle is characterized by performing vertical stiffness, longitudinal stiffness and lateral stiffness analysis of a conical rubber spring under tolerance and full load conditions.
제 3항에 있어서,
상기 분석 및 검증 단계에서는 각 설계 변수가 목적 함수에 미치는 영향을 분석하기 위하여 평균 분석을 수행하고, 상기 평균 분석의 유의성을 검증하기 위한 분산 분석을 수행하여 최적 설계 결과의 신뢰도를 검증하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법.
According to claim 3,
In the analysis and verification step, it is characterized by performing an average analysis to analyze the effect of each design variable on the objective function, and performing a variance analysis to verify the significance of the average analysis to verify the reliability of the optimal design result. Optimized design method of conical rubber spring for railway vehicles.
스틸부와 제1 내지 제3고무층으로 이루어지는 고무부를 포함하여 구성되는 철도차량용 원추형 고무 스프링에 있어서,
상기 제1고무층과 제2고무층의 상부 종단면에 형성되는 곡선의 내,외측 곡선반경을 순서대로 각각 r1, r2, r3, r4 라 하고,
상기 제1고무층과 제2고무층의 하부 종단면에 형성되는 곡선의 내,외측 곡선반경을 각각 r8, r7, r6, r5 라 할 경우,
10.45 ≤ r1 ≤ 10.72, 22.68 ≤ r2 ≤ 23.25, 22.84 ≤ r3 ≤ 23.35, 21.97 ≤ r4 ≤ 22.41, 10.20 ≤ r5 ≤ 10.43, 20.09 ≤ r6 ≤ 20.50, 15.33 ≤ r7 ≤ 15.72 및 13.84 ≤ r8 ≤ 14.11 (단위: mm)인 것을 특징으로 하는 철도차량용 원추형 고무 스프링.
In the conical rubber spring for a railway vehicle comprising a steel portion and a rubber portion consisting of a first to third rubber layer,
The inner and outer curve radii of the curves formed on the upper longitudinal sections of the first rubber layer and the second rubber layer are respectively referred to as r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 , respectively.
When the inner and outer curve radii of the curve formed on the lower longitudinal cross-sections of the first rubber layer and the second rubber layer are r 8 , r 7 , r 6 and r 5 , respectively,
10.45 ≤ r 1 ≤ 10.72, 22.68 ≤ r 2 ≤ 23.25, 22.84 ≤ r 3 ≤ 23.35, 21.97 ≤ r 4 ≤ 22.41, 10.20 ≤ r 5 ≤ 10.43, 20.09 ≤ r 6 ≤ 20.50, 15.33 ≤ r 7 ≤ 15.72 and 13.84 ≤ r 8 ≤ 14.11 (unit: mm) Conical rubber spring for railway vehicles.
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