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과제기본정보

고속철도(KTX) 운행 중 동력전달 차단 사고 발생 시에도 정상운행 속도를 보장하는 국내 고유모델의 다단계 퓨즈 내장형 동력전달 축 실용화 시제 개발3년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 18CTAP-C116386-03
국가과학표준분류 1순위 기계 | 자동차 철도차량 | 엔진 동력전달장치 적용분야 제조업(자동차 및 운송장비)
2순위 기계 | 자동차 철도차량 | 안전도향상기술 실용화대상여부 실용화
3순위 재료 | 소성가공 분말 | 단조기술 과제유형 개발
과제명 고속철도(KTX) 운행 중 동력전달 차단 사고 발생 시에도 정상운행 속도를 보장하는 국내 고유모델의 다단계 퓨즈 내장형 동력전달 축 실용화 시제 개발
주관연구기관 (주)카템
총괄연구 책임자 성명 이태영
소속 (주)카템 직위 대표이사
기관 대표번호 055-287-8546 FAX 055-252-8547
총 연구기간 2016-06-27 ~ 2019-04-26
당해연도 연구기간 2018-04-27 ~ 2019-04-26

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
3차년도 365,000,000 12,170,000 109,500,000 121,670,000 486,670,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 1) 개발 대상품
가) 품명 : 고속철도(KTX)용 동력전달 축 (Telescopic 구동축)
나) 기능 : 견인 전동기에서 인출되는 회전동력을 차축에 전달하여 고속열차를 움직이게 하는 기본적인 동력전달 기능과 반대로 외부로부터 과도한 토크 (Torque)
유입 시 스스로 절손되어 동력을 차단함으로서 내부의 주요 부품을 보호하는 동력차단 기능을 동시에 발휘하는 고기능 핵심부품임
다) 현황 : 2004년 KTX 도입초기부터 GKN(영)사로부터 도입해 왔으며 KTX 46편승에 총 552개 장착, 운행 중. (KTX-산천은 2010년부터 VOITH(독) 제품 도입 적용
중)
라) 수입품 품질문제 발생 (사회적 이슈)
○ 도입 1년 후인 2005년부터 동력전달 축(Telescopic 구동축)이 예상 교환 시기보다 조기에 결합 또는 절손현상이 발생하였으며 이로 인한 지연운행으로 승객
의 불만고조 및 환불사태가 발생하는 등 고속철도의 승객 안전수송 측면에서 승객의 불안감을 가중시키는 사건으로 사회적으로 이슈가 되었음

※ 관련근거 : 한국기계연구원 부설 재료연구소(KIMS) 보고서 (2008.10)
"고속차량 동력전달장치 균열발생원인 조사보고서"

○ 당시 한국철도공사(KORAIL) 감사보고서에 의하면 그 수량은 2005년 5월 28일 최초 발생이후조사 진행 중이였던 2006년 06월 까지 총 6개에 달한다고 보고되어
있음
○ 공급사인 알스톰사로부터 유지보수 지원으로 일부 개선된 제품으로 교체하였으나 유지보수 계약 종료 이후 현재는 KTX-산천용으로 VOITH(독)사의 유압식 동
력전달 축을 도입하는 등 이원화 운영 중이나 근본적인 해결책을 강구하지 못하여 많은 유지보수비용이 소모되고 있어 국부의 유출이 우려되는 상황임
○ 따라서 국내 운영사인 한국철도공사(KORAIL)에서는 승객의 안전수송 확보차원에서 무엇보다도 시급하게 해결해야 될 고질적 품질문제로 분류하였으나 아직
도 근본적인 대책을 강구하지 못하고 있으며 단지 해외 도입품질 안정화에 의존하고 있음
마) 고객의 Needs : KTX 운행 중 과도한 Torque 유입으로 동력전달 축의 Safety-set이 작동되어 동력전달이 차단되는 비상 상황에서도 운행속도 저하 없이 320km/h
정상속도를 유지하여 승객을 안전하게 종착역 까지 수송할 수 있는 동력 전달 축 요구 (고객 : 한국철도공사(KORAIL))
최종목표 고속철도운행 중 외부의 과도한 Torque 유입으로 동력전달 축의 Safety-set이 작동되는 비상 상황에서도 320km/h 정상속도를 유지하여 승객을 안전하게 종착역 까지 수송할 수 있도록 하는 대한민국 고유모델의 고속철도(KTX)용 다단계 퓨즈(Multi-Stage Mechanical Fuse : MSMF) 내장형 동력전달 축(Telescopic 구동축)의 실용화 시제를 국내 자체기술로 개발하여 국, 내외 고속철도 시장에 상용화하는 것이 본 연구의 목표입니다.
연구내용 및 범위 2-2. 연구개발의 내용
1) 고속철도용 다단계 퓨즈 내장형 동력전달 축 시제품 제작 (시제품개발 단계)
가) 기계식 동력전달 축 (Telescopic Shaft) : 기본성능 향상
- 2004년 고속철도(KTX) 도입초기부터 GKN Driveline(영)사로부터 도입 적용
- 도입 이후 잦은 품질문제로 공급사인 GKN사에서 2차례에 거쳐 설계 변경하는 등 성능수준 이 만족스럽지 못함
; 동력전달 축 퓨즈 부 절손 발생으로 1차 개선 (2007.07.09),
; 동력전달 축 스플라인 부 균열 발생으로 2차 개선 (2008.09.18, TGV-POS품 적용)
- 이러한 잦은 품질문제에 대응하기 위하여 2010년 운행 착수한 KTX-산천에는 VOITH(독)로부터 기계식 보다 고가의 유압식 동력전달 축 도입하여 적용 중이나
현재까지 국내 연구가 없어 근본적인 개선은 이루어 지지 않고 있음
- 사용 년 수 10년 이상 경과하여 향후 대량의 보수품 수요가 예상되나 국내공급사 없음
- 많은 유지. 보수비용과 KTX 잔여 운행기간을 고려 국산화개발을 포함 적절한 대응방안 시급 상황임
- 현재 국내 동력전달 축의 기술수준은 이미 상용차량 분야에서 상당히 높은 수준에 도달해 있고 이에 대한 성능을 입증할 수 있는 기본적인 시험설비도 비교적
잘 갖추어져 있어 일정부분의 투자가 이루어진다면 국산화개발에 큰 어려움이 없을 것으로 판단됨.
- 국내 기술성숙도(TRL)는 4단계 완료 후 현재는 5단계 수준임
; 시장조사 및 벤치마킹을 통해 GKN사 최종 개선품인 POS Type 일부 자료 확보
; Reverse Engineering(역설계)과 Rapid Prototyping(쾌속조형) 기법 활용 3D 모델링
; CAE를 활용한 FEM(유한요소모델링) 및 구조강도 해석, 고유진동수 해석
; 3D 모델링 데이터를 기반으로 3D 프린팅 기법 활용 Mock-up 제작
; 신뢰성평가를 위한 시험설비 검토 및 관련규격(RS-KIMM-2010-0082) 검토 완료.
- 시제품제작단계 수행 내용
; 형단조금형(Close Die Forging) 및 단조소재 확보 (석고 샘플제작으로 단조금형 검증)
; 생산 공정 Set-up 및 8sets 시제품 제작
(Fuse부 곡면 연마, 스플라인 부 치형 연마 등 정밀가공 공정 및 U/J부 조립공정)
; Universal Joint 구매사양 선정 (?83 x 192L, 호칭 : 390.60, 메이커 : GWB사)
; 소재 선정 (핵심부품인 MSMF부의 소재는 열처리 요구조건, 강도 및 내구수명을 만족할 수 있는 SNCM 또는 SCM440/420(H) 적용.)
; 1차시제 조립체 7대분 및 부품 1대분 추진
(동력전달 축 시험 2대분, MSMF 성능시험 4대분(비틀림 파단 2대, 피로 2대), 예비 2 대)
; 신뢰성시험항목 (신뢰성시험 규격 RS-KIMM-2010-0082 기준 총 8개 항목)
최대 굽힘각, 언밸런스량, 최대 회전속도, 동력전달 축 비틀림 최대강도
MSMF 예비 파단시험, MSMF 최종 파단시험, MSMF 비틀림 피로시험, 현차시험
나) 다단계 퓨즈 (MSMF : Multi-Stage Mechanical Fuse) : 차세대 성능추가
- 고객(한국철도공사)의 요구(Needs)
; Safety-set 작동되는 비상시에도 320km/h의 정상속도로 종착역까지 운행.
- 기존 퓨즈의 개념 (비틀림 퓨즈)
; 단순구조의 비틀림 퓨즈의 개념으로 퓨즈 부가 파손(Safety-set 작동)된 상태에서 동력전축이 계속해서 고속회전을 지속하게 되면 파손부위의 심한 진동으로
동력전달 축에 충격이 발생하게 되고 이로 인해 차량의 서행 불가피해짐

Fuse부 (Safety set 기능 내장)
- 신 개념의 MSMF (특허출원 완료)
; 핀 퓨즈(Pin fuse)와 판 퓨즈(Plate fuse)가 복합적으로 구성되어 외부로부터 과도한 토크유입 시 1차적으로 Pin fuse가 예비 파손되게 되고 2차적으로 Plate
fuse가 계속해서 회전력을 전달하여 동력전달 기능을 수행
- 구동축에 적용
; 타입 A, 타입 B 두 가지 방식의 다단계 퓨즈에 대해 특허 출원Load
; 개발품의 상용화 방식에 대해서는 본 연구를 통해 선정 및 적용
; 1차 핀 퓨즈(적색)이 예비 절손되고 나면 2차 판 퓨즈(녹색)가 작동되도록 구성됨
; 1차 핀 퓨즈(적색)이 예비 절손되고 나면 2차 판 퓨즈(청색)가 작동되도록 구성됨.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
3차년도 최대 비틀림 파단강도 22±5%kN.m급 MSMF 내장형 동력전달 구동축 국산화개발을 통한 시험평가 기술 확보 - 주관연구기관(카템 : KATEM):
○ 시제품 신뢰성 평가
○ 현차시험(가속수명시험) 추진
○ 가속수명시험 적용시제 분석
○ 기술, 홍보자료 완성

- 참여기관 (한국철도기술연구원 : KRRI)
○ MSMF 최종 시제 제작
○ 가속수명 적용시제 분석
○ 유지보수 편의성 기술 확보
연구성과 기술적 기대성과 ○ 기술적 측면에서 그동안 수입에 의존해 왔던 고속철도용 동력전달 축을 자체 기술로 국산화개발에 성공함으로서 해외 선국의 제품대비 보다 우수한 기술경
쟁력과 가격 경쟁력을 확보한 국내 고유 모델의 개발을 통하여 국내시장 석권은 물론 해외시장으로 진출할 수 있는 기술적 기본을 확보하게 됨
- MSMF 내장형 동력전달 축 : 국내 고유모델의 차세대 신제품으로 해외수출기반 마련
○ 동력전달 축은 Universal Joint가 내장되어 있는 Cardan Joint type으로 이러한 방식의 동력전달 축 기술은 대형버스, 건설장비용 차량 외에도 특수목적 군
용차량에도 광범위하게 적용되는 기술로 그 파급효과가 상당히 큼
- Cardan Joint type 적용 범위 : 민, 군용 상용차, 건설기계 장비, 특장차량 등



○ 현재 국내시장은 고속철도용 동력전달 축 수입가(2,000만원/단가) 기준 약 200억의 시장이 형성되어 있음
- 경부선(KTX), 호남선(KTX-산천), 원강선, 수서선 등 총 1,000개(944개+예비) 동력전달 축 이 장착되어 운행되고 있거나 장착될 예정임
- 단가 2,000만원 기준 약 200억으로 10년 사용수명 기준 년간 20억의 시장이 형성되어 있 으며 KTX 잔여 운행기간 고려 향후 약 20년 지속될 것으로 예상됨.
○ 국. 내외적으로 고속철도는 친환경 산업으로 각광을 받고 있어 시장은 지속적으로 확대될 것 으로 예상됨.
- 국내 향후 전망은 탄소가스 배출규제 등 환경정책에 편승하여 고속철도 노선 증가 및 준 고속철도(iTX, GTX 등) 증설이 예상되어 동력전달 축 수요는 지속 증가가 예상됨.
- 해외시장은 2010년 기준 전체 약 73 백만 불로 추정되며 VOITH(독), GKN(영)이 선진 메 이커로서 전 세계시장의 80% 이상을 장악하고 있는 것으로 조사되고 있음. 그러나 최근 세계시장의 규모는 중국 고속철도 시장 진출로 인해 폭발적으로 증가되고 있는 추세로 정 확한 규모는 추가적으로 3P분석과 글로벌 시장 동향 분석 및 시장규모 조사를 통 하여 그 규모를 파악할 예정임.
사회 경제적 파급효과 ○ 국내 매출은 사업종료 1년 후인 2020년부터 10.0억을 시작으로 5년 후인 2024년 200억 예상
○ 수입대체 효과는 2020년 20.0억 을 시작으로 증가하여 2024년 약 200.0으로 예상됨
○ 해외 고속철도시장 진출로 사업종료 5년 후인 2024년 세계시장 점유율 10.0%, 100Mill.$, 1,200억 목표
활용방안 (가) 기술수요처
○ 한국철도공사(KORAIL) : 4개 노선 총 1,000개 (944개+예비품), 약 200억 시장 대상(보수품)
- 경부선 KTX 46편성 총 552개 (사용 년 수 10년 이상 도래로 대량의 보수품 수요 예상)
- 호남선 KTX-산천 24편성 총 192개 (현재는 유압식이나 기계식과 공용화 적용 가능)
; 한국철도공사(KORAIL)에서는 VOITH(독)사 제품의 유압식 동력전달 축이 상대적으로 고가인 반면 성능은 만족스럽지 못해 향후 기계식과 공용화
방안 검토 중임
- 수서선 KTX 10편성 총 80개 (현재는 유압식을 적용하고 있으나 기계식과 공용화시 적용)
- 원강선 KTX 15편성 총 120개 (현재는 GKN사의 HSSU 내장형이 채택되었으나 향후 보수품으로 적용 가능)
○ 현대로템(주) : 향후 고속철도 해외수출 계약 시 ( ex) 터키, 미국 등)
○ 현대다이모스(주) : 국내 및 해외 고속철도용 차축 수주 시 대응
○ 해외 시장 진출 모색 : 국내에서 영업하는 국, 내외 Dealer를 대상.( ex) 엠테크인(주) : 프랑스 SNCF에 국내부품 공급사)
(나) 현장적용 방안(계획)
○ 본 연구의 3차년도에 한국철도공사(KORAIL) 협조 하에 현차시험 실시.
- 6개월 또는 200,000km (선 도달하는 조간에 종료), 수입품과 동일조건으로 비교시험
(다) 실용화. 제품화 방안(계획)
○ 1단계 : KORAIL에 완성품 공급 이전에 부품단위 보수 품 또는 수리 키트로 공급하는 방안.
(현재 동력전달 축은 정기검사 시 부산, 고양기지에서 핵심부품에 대하여 NDT 검사를 실시하고 결함이 발견된 부품은 조립체 단위로 탈거하
여 수고권정비단(고양)에서 부품 교체작업을 진행하므로 꾸준하게 부품단위,수리키트의 수요가 발생하고 있음)
○ 2단계 : 본 연구를 통해서 KORAIL 협조 하에 현차시험을 수행한 후 가격경쟁력을 가지고 입 찰을 통하여 완성품 공급
○ 3단계 : 현대로템(주), 한국무역공사(Kotra)를 통하거나 또는 직접 국, 외 전시회 등에 참가하 여 판로모색
- 2016년 InnoTran 출품 및 기술동향 분석, 국내기업(현대로템)과 해외 동반진출
- 고속철도 특화 홈페이지 구축(On line 마케팅) 및 홍보물 제작 (Off line)
(마) 미래원천기술 확보
○ 신뢰성인증(R-Mark)획득, 신기술(NET) 인증, 세계일류상품 인증 등 기술인증 획득 추진
○ 특허등록 및 장영실상 수상 등 원천기술에 대한 기술경쟁력 확보 추진
○ 확보된 기술력을 바탕으로 향후 개발 예정인 GTX, iTX용으로 기술력 확대
○ 동력전달 축 단일 기술에서 제어기능과 신호시스템이 접목된 동력전달 시스템기술로 확대
(바) 신산업 창출
○ 1차적으로 국내 고속철도 동력전달 축 시장 석권으로 수익기반 조기 확보.
- 국내 KTX, KTX-산천에 2원화 적용되어 있는 기계식, 유압식 동력전달 축을 본 연구를 통해서 개발되는 MSMF 내장형 동력전달 축으로 단일화
적용 유도하여 매출증대 달성
○ 2차적으로 또는 1차외 병행으로 해외시장 기술경쟁력과 가격경쟁력으로 해외 시장에 진출 하 여 친환경 산업인 고속철도용 동력전달 축 신산업 창
출.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 동력전달 축 다단계 퓨즈 융. 복합 고속철도 국산화
영문 Transmission Shaft MSMF Convergence HST Localization
최종보고서
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최종보고서 ★ 연구개발최종보고서_요약서(최종_업로드).pdf   다운로드
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