5모듈 관절 트램의 곡선 주행성능 개선을 위한 서스펜션 및 조인트 최적설계

Abstract

본 연구는 5모듈 관절 트램의 주행 안전성 및 승차감 향상을 목표로 서스펜션 시스템의 설계 최적화를 진행하였다. SIMPACK 소프트웨어를 사용하여 트램의 동역학 모델을 구축하고, Box-Behnken Design (BBD) 방법론을 적용하여 서스펜션 시스템의 설계 변수에 대한 반응 표면 분석을 수행하였다. 결과 데이터는 MATLAB을 통해 회귀 분석, 민감도 분석, 통계적 데이터 검증 및 NSGA-II 최적화 과정을 거쳐 분석하였다. 초기에 고려된 7가지 설계 변수 중, 데이터 분석을 통해 목적함수에 유의미한 영향을 미치는 5가지 독립변수를 선정하였고, 다중목적 최적화 결과, 트램의 서스펜션 시스템 설계가 개선되어 승차감이 향상되었다. 2차 스프링의 수직방향 강성 증가와 2차 댐퍼의 횡방향 점성 증가로 차체 중앙부에서의 횡가속도를 감소시켜 입석 및 좌석 승객의 승차감을 증대시켰다. 또한, 가장 후미 대차의 주행 안전성이 개선되었다. Mc2 대차의 전방 차륜 횡력 합계를 감소시키기 위해 2차 스프링의 수평방향 강성 감소로 차량 시스템의 유연성이 증가하고, 차간 댐퍼의 종방향 점성 증가로 차량 간의 상호 작용을 더 효과적으로 제어하여 요각, 상대적 변위 등이 최적화되었다. 결과적으로, 대차의 우측 탈선계수 개선을 통해 주행 안전성을 제고하였다. 이러한 개선을 통해 본 연구는 트램의 주행 안전성과 승차감을 동시에 향상시키는 데 성공하였으며, 트램 설계에 있어 유용한 지침을 제공할 것으로 기대된다.|This study aimed to improve the running safety and ride comfort of a 5-module articulated tram by optimizing the design of the suspension system. A dynamic model of the tram was constructed using SIMPACK software, and the Box-Behnken Design (BBD) methodology was applied to perform a response surface analysis on the design variables of the suspension system. The resulting data were analyzed through regression analysis, sensitivity analysis, statistical data verification, and the NSGA-II optimization process using MATLAB. Out of the seven design variables initially considered, five independent variables that significantly impact the objective function were selected through data analysis. As a result of multi-objective optimization, the tram's suspension system design was improved, enhancing the ride comfort. The increase in vertical stiffness of the secondary spring and the increase in lateral damping of the secondary damper reduced the lateral acceleration at the center of the car body, thereby enhancing the ride comfort for both standing and seated passengers. Furthermore, the running safety of the Mc2(rearmost bogie) was improved. By reducing the horizontal stiffness of the secondary spring, the flexibility of the vehicle system increased, and by increasing the longitudinal damping of the inter-vehicle damper, the interaction between vehicles was more effectively controlled. This optimized the yaw angle and relative displacement, and as a result, improved the derailment coefficient on the right side of the bogie, thus enhancing running safety. Through these improvements, this study successfully enhanced both the running safety and ride comfort of the tram, and it is expected to provide useful guidelines for tram design.