KR100313974B1

KR100313974B1 - 바퀴의회전축을관통하는평면에서의단면형상을결정하는방법및그에의한바퀴

Info

Publication number: KR100313974B1
Application number: KR1019940016488A
Authority: KR
Inventors: 카토베르나르; 드밀리프랑소와
Original assignee: 발뒨느
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1994-07-08
Publication date: 2002-04-06
Also published as: EP0633149B1; US5527079A; DE69400560T2; CN1100688A; KR960013701A; CN1034644C; FR2707389B1; EP0633149A1; CA2127572A1; FR2707389A1; CA2127572C; ATE142950T1; DK0633149T3; DE69400560D1; HK1000418A1; ES2092873T3

Abstract

주행시 소음을 줄이기 위하여, 림(4)단면 및 바퀴중심부(3) 단면의 질량이 접촉점(P), 림(4)단면의 관성중심(G1) 및 바퀴중심부(3)의 관성중심(G2)이 축(YY')에 대하여 직각인 하나의 동일한 직선(XX')상에 배치되도록 분배되고, 또한, 바퀴(1) 단면의 형상은 상기 접촉점(P)이 림(4)의 축방향 진동모드의 진동파절이 되도록 바퀴(1)의 레일에 대한 실제접촉점(P)의 위치가 결정된다. 본 발명은 특히 고속철도차량 바퀴에 적용된다.

Description

바퀴의 회전축을 관통하는 평면에서의 단면 형상을 결정하는 방법 및 그에 의한 바퀴{Method for determining the outline of the section through a plane passing through its axis of rotation of a vehicle wheel and wheel obtained}

본 발명은 소음발생이 적은(low acoustic emission) 기차바퀴에 관한 것이다.

기차바퀴는 바퀴가 주행하는 레일과의 접촉에 의해 진동하게 되며 이 진동에 의해 주행소음이 발생된다. 이 주행소음의 크기(power)와 주파수 범위(spectrum)는 바퀴의 디자인, 접촉표면의 마무리 및 차량의 속도에 따라 다르다. 특히, 고속기차에 있어서 방출되는 소음의 크기는 매우 높은데, 예컨대 250km/h 이상의 속도에서 85 데시벨(dB)에 달할 수도 있다.

실제로, 기차바퀴는 특수 용도(specific application)에 사용하기 위한 요소이다. 각 용도마다 바퀴는 기하학적 제한과, 지탱해야 하는 축당 하중(load per axle)의 한계 및 제동시 그 거동의 제한을 고려해야 하는 특수 디자인의 대상이다. 그러나 소음의 발생을 억제해야 한다는 점은 고려되지 않고 있으며, 이로 인해 바퀴는 대체로 상당히 시끄러운 소리를 낸다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 바퀴를 조정(interface)하여 그 공진주파수 (natural vibrational frequencies)를 변경함으로써 소음방출을 감쇄하는 공명기 (resonator)나 댐퍼(damper)를 바퀴에 부착하는 다양한 기술들이 제안되어 왔다.

이러한 기술들은 바퀴의 공진주파수를 조정하는 기능으로서의 공명기나 댐퍼를 정밀하게 조정해야 하는 단점이 있으며, 또한 주행면(running surface)을 기계가공(mashining)으로 재가공할 때마다 상기 공진주파수는 매번 변한다. 결과적으로 각 바퀴는 그것이 재가공될 때마다 조정되어져야만 한다.

어떠한 경우든 이러한 기술은 미봉책에 불과하다.

본 발명의 목적은 음향 성능을 고려하여 매 사용시마다 가능한 한 그 소음이최소화되도록 바퀴를 디자인하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는, 바퀴, 특히 소음을 적게 발생시키며 허브, 바퀴중심 및 플랜지와 형상이 지정되어 있는 주행면을 형성하는 림으로 구성되는 철도바퀴의 회전축을 관통하는 평면에서의 단면 형상을 결정하는 방법으로서, 상기 바퀴는 철로망에 대한 규제사항에 따라 부설되고 지정된 형상을 갖는 레일로 구성된 철로망에 사용되기 위한 것이고, 축상면(axial plane)에 따른 바퀴 단면에서의 최적형상이 바퀴의 축당 하중, 공칭속도(nominal speed) 및 제동조건에 의해 결정되며, 주행 중 가능한 한 소음의 발생을 억제하는 바퀴를 얻기 위해,

- 바퀴와 주행시 바퀴가 놓여지는 주행면상에서 철로와의 실제 접촉점(P)의 위치가 철로의 부설조건과 철로의 단면형상 및 지정된 주행면의 형상에 기초하여 결정되며,

- 바퀴 및 림 단면의 질량의 분배가, 상기 접촉점(P)과 림 단면의 관성중심(G1)과 바퀴 중심부 단면의 관성중심(G2)이 바퀴의 축(YY')에 대하여 직각인 하나의 동일한 직선(XX')상에 놓이도록 조정되며, 그리고

- 바퀴 단면의 형상은 상기 접촉점(P)이 주행시 바퀴(1) 림(4)의 축방향 진동모드에 대한 진동파절(vibration node)이 되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 바퀴의 회전축방향 단면의 형상을 결정하는 방법이다.

특히, 림 단면의 형상은, 원점이 단면의 관성중심(G1)에 위치하며, 축(G1X)이 직선 (XX')에 포함되며, 또한 축(G1, Y1)이 바퀴의 축(YY')에 평행한 좌표계(G1X, G1Y1) 내에서 계산된 림 단면의 관성모멘트 매트릭스(moment of inertia matrix)가 각 대각요소(diagonal terms)(Ixx, Iyy)의 10% 이하인 반대 각요소 (Cross terms)(Ixy, Iyx)를 포함하도록 조정된다. 여기서 반대각요소(Ixy, Iyx)가 대각요소(Ixx, Iyy)의 3% 이하인 경우에는 결과는 더욱 좋다.

바람직하게는, 바퀴중심부 단면의 형상은 직선 XX'에 대하여 대칭인 것이 좋다.

림 단면 및 바퀴중심부 단면으로 형성되는 조립체의 관성모멘트 매트릭스가 대각요소(diagonal terms)(Ixx, Iyy)의 10% 이하, 바람직하게는 3% 이하인 반대각요소(Cross terms)(Ixy, Iyx)를 포함하도록 바퀴중심부의 단면형상을 조정하는 것도 가능하다.

본 발명의 요지는 또한 허브와, 바퀴중심부와, 그리고 플랜지 및 주행면이 구비된 림을 포함하는 형태의 저소음 기차바퀴로서, 상기 기차바퀴는 그 바퀴의 축을 지나는 평면을 따른 어떠한 단면에 대해서도 그 주행면의 철로와의 실제 접촉점, 림 단면의 관성중심, 그리고 바퀴중심부 단면의 관성중심이 모두 바퀴의 축(YY')에 대하여 직각인 직선 (XX')상에 정렬된다.

바람직하게는, 바퀴중심부의 단면은 직선 (XX')에 대하여 대칭이며, 더욱 바람직하게는 바퀴중심부의 단면이 곧은 것, 즉 상기 직선 (XX')에 실질적으로 평행한 두 개의 직선에 의해 형상이 정해지는 것이 좋다.

특히, 기차바퀴의 림 단면은 바퀴 내측면의 사이드상에 경사부(relief)를, 바퀴 외측면의 사이드상에 플라이웨이트(flyweight)를 각각 포함할 수도 있는데,여기서 상기 플라이웨이트는 바퀴와 일체로 형성되거나 혹은 이에 부착된 것일 수 있다. 바퀴의 중심부와 플라이웨이트는 이들 사이에 흠을 형성할 수 있으며 이 홈 내에는 링, 바람직하게는 스테인레스 스틸링이 설치된다.

바퀴의 음향특성을 개선하기 위하여 측면부재가 바퀴 중심부상에 수지에 의해 부착될 수 있으며, 주행면이 또한 롤러연마(roller-burnished)될 수도 있다.

바람직하게는, 림 단면의 관성모멘트 매트릭스는 대각요소 (diagonal terms) (Ixx, Iyy)의 10% 이하, 보다 바람직하게는 3% 이하인 반대각요소(cross terms)(Ixy, Iyx)를 포함한다.

이하에서는 바퀴의 축을 지나는 평면을 따라 자른 기차바퀴의 반쪽 단면을 도시한 제1도를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

기차바퀴는 그 축방향 평편을 따라 자른 단면(1)을 축 (YY') 둘레로 회전시킴으로써 얻어지는 축대칭체(axisymmetric body)이다. 단면(1)은 허브(2) 단면과, 바퀴 중심부(3) 단면과, 그리고 림(4) 단면의 세 부분으로 나뉜다. 림(4) 단면은 바퀴의 내면(5)과, 플랜지(6)와, 주행스트립(7) 및 외측면(8)으로 이루어지는 단면형상(profiles)을 갖는다.

주어진 축당 하중에 의해 특징지어지고, 특정한 제동기술을 사용하는 정해진 철로망에서 고정된 속도로 주행하는 철도차량에 의해 규정되는 각 용도를 위해, 통상의 지식을 가진 자는, 충분한 기계적 강도와, 제동시의 만족스러운 성능을 확보하고, 그리고 일반적으로 바퀴의 하중을 최소화하기 위한 바퀴의 단면을 공지된 방법에 의해 결정한다. 이를 위해서 통상의 지식을 가진 자는 플랜지나 주행면의 형상, 바퀴의 직경과 같은 특정한 문제에 관한 제한조건(constraints)을 고려하며 이미 알려진 계산모델을 사용한다.

그러나, 이러한 디자인 방법은 바퀴의 소음성능(acoustic behaviour)을 고려하고 있지 않다. 그렇지만 여기에는 바퀴의 소음성능을 최적화 할 수 있는 충분한 자유도(degree of freedom)가 존재한다.

이를 위하여, 통상의 지식을 가진 자들에게 원래 알려진 방식으로, 철로의 단면 형상과, 주행면의 단면 형상(profile)과, 그리고 사용하고자 하는 바퀴가 주행될 철로망에 해당하는 제한조건을 고려하여, 주행면이 철도에 접촉할 가능성이 가장 높은 실제의 접촉점이 결정된다. 그런 다음, 바퀴를 디자인하는 동안 상기 접촉점 (P)과, 림 단면의 관성중심(G1)과, 바퀴 중심부 단면의 관성중심(G2)이 모두 바퀴의 축 (YY')에 대하여 직각인 직선 (XX')상에 정렬되도록 조건이 부과된다. 이것은 결국 림 단면의 질량과 바퀴 중앙부 단면의 질량을 전술한 조건이 만족되도록 분배하는 것으로 된다.

마지막으로, 림(4)단면의 형상을, 상기 접촉점(P)이 림의 축방향 진동모드 (즉, 상기 축 (YY')에 평행한 모드)의 진동파절(node)이 되도록 조정된다. 이를 위해 당업자는 기차바퀴의 진동거동을 계산하기 위해 종래부터 알려진 계산모델을 사용하지나 혹은 새로운 시험모델을 사용하여 시행착오를 겪으면서 수행하였다.

또한, 원점이 림 단면의 관성중심(G1)이고, 축들이 상기 축 (XX') 및 (YY')에 평행한 좌표계(G1X, G1Y1) 내에서 계산된, 림(4) 단면의 관성모멘트 매트릭스가 대각 행렬이거나 이에 근접해야 하는 조건을 부과하는 것이 바람직한데 이것은, 즉반대각요소(cross terms)(Ixy, Iyx)가 대각요소(diagonal terms)(Ixx, Iyy)에 비해 작다는 것을 의미한다. 실제, 조건은 Ixy 및 Iyx가 Ixx, Iyy의 10% 이하가 되도록 지정된다.

Ixy와 lyx가 더 작을 경우에 결과는 훨씬 더 좋다. 따라서 Ixy와 Iyx가 Ixx와 lyy의 3% 이하인 조건을 부과하는 것이 바람직하며, 이상적인 경우는 Ixy와 lyx가 제로인 경우이다.

이러한 제한은 바퀴중심부 단면의 형상, 특히 그 중립축(neutral axis)에 대한 선택의 여지를 거의 남기지 않는다. 그러나 직선 중립축이 직선(XX')에 포함되고, 바퀴중심부(3)의 단면형상이 상기 직선(XX')에 대해 대칭이 되도록 선택하는 것이 바람직하다.

바퀴중심부(3)의 단면형상을 최적화하기 위하여, 바퀴중심부단면 및 림 단면에 의해 형성되는 조립체의 관성모멘트 매트릭스가 대각 행렬이거나 이에 근접해야 한다는 조건, 즉 반대각요소 (Ixy, Iyx)는 대각요소 (Ixx, Iyy)의 10% 이하이어야 하며, 보다 바람직하게는 3% 이아이어야 한다는 조건을 부과할 수도 있다.

이러한 방식에 따름으로써 저소음 기차바퀴가 얻어진다. 실제에 있어서, 주행소음은 바퀴중심의 축방향 진동에 의해 야기된다. 그런데 이 진동은 바퀴와 레일간의 접촉점(P)상에 가해지는 반경방향 하중(radial loads)에 의해 야기되는 것으로서, 전술한 디자인 원칙은 반경방향 작용력(excitation)과 축방향 진동 사이의 결합(coupling)이 매우 작도록 하는 것이다.

그러나, 차량은 철로 트랙의 선회부에서 바퀴가 선로의 내측에 있는가 혹은그 외측에 있는가에 따라 바퀴와 철로와의 접촉점(P)을 P' 혹은 P"로 이동시키는 횡하증(latecral loadings)을 받는다. 따라서 바퀴는 직선 철로상을 주행할 때뿐만 아니라 선회시에도 만족스러운 소음성능을 가져야 한다. 이를 위해 P', P"에서의 작용력(excitation)을 체크하여 바퀴가 허용할만한 진동거동을 보이는가를 체크할 필요가 있으며, 필요하다면 림(4) 단면의 형상 및 바퀴 중심부(3) 단면의 형상을 시행착오를 거쳐 조정할 필요가 있다.

이러한 방법은 가장 개연성이 높은 실제 접촉점(P)과, 림(4) 단면의 관성중심(G1)과, 바퀴중심부(3) 단면의 관성중심(G2)이 모두 바퀴의 축 (YY')에 대하여 직각인 직선 (XX')상에 정렬되는 저소음의 고속기차바퀴의 설계를 가능케 한다. 바퀴중심부(3)의 단면은 직선 (XX')에 대하여 대칭이다. 즉, 허브(2)의 단면과 연결되는 복합 반경부(blend radii)(9)(10)를 제외하고, 바퀴중심부(3)의 단면의 가장자리(11)(12)는 직선 (XX')에 평행한 라인의 일부분을 이룬다.

플랜지(6)의 단면형상(profile), 주행면(7), 내측면(5) 및 외측면(8) 외에, 상기 림(4)단면은 그 내측면(5) 상에 직선 (XX')에 대하여 경사지고, 상기 내측면과 바퀴중심부를 연결하는 경사부(relief, 13)를 포함하며, 그 외측면(8)상에 바퀴중심부(3)와 함께 홈(15)을 형성하는 플라이웨이트(14)를 포함한다. 바퀴에 위치하며, 고리형상을 갖는 상기 플라이웨이트(14)는 바퀴와 일체로 형성될 수 있으나, 예컨대 나사에 의해 체결되는 부착식 플라이웨이트로 대체될 수 있다.

바퀴의 소음 성능을 개선하기 위하여, 특히 상기 홈(15)내에, 고주파 소음(squealing noise)을 감소시키는 스테인레스 스틸 링(16)을 장착할 수 있다.

또한 상기 바퀴중심부상에 예컨대 네프란(nepurane)과 같은 수지접착층(18)에 의해 접착되는 측면부재(17)를 배치하는 것도 가능하다.

본 발명은 어떠한 종류의 기차바퀴에 대해서도 적용할 수 있으며, 보다 일반적으로는 어떠한 육상 바퀴의 디자인에도 적용될 수 있다.

제 1 도는 본 발명에 따른 기차바퀴의 축방향 단면의 반쪽을 도시한 도면.

* 주요부분에 대한 도면부호의 설명 *

1 ... 기차바퀴 축방향 단면의 반쪽, 2 ... 허브(hub),

3 ... 바퀴중심부, 4 ... 림(rim),

5 ... 내측면, 6 ... 플랜지,

7 ... 주행면, 8 ... 외측면,

13 ... 경사부, 14 ... 플라이웨이트,

15 ... 홈(groove), 16 ... 링,

YY ... 바퀴중심축, G1 ... 림 단면의 관성중심,

G2 ... 바퀴중심부 단면의 관성중심.

Claims

바퀴, 특히 소음을 적게 발생시키며 허브, 바퀴중심 및 플랜지와 형상이 지정되어 있는 주행면을 형성하는 림으로 구성되며, 철로망에 대한 규제사항에 따라 부설되고 지정된 형상을 갖는 레일로 구성된 철로망에 사용되기 위한 것으로서, 축상면(axial plane)에 따른 바퀴 단면에서의 최적형상이 바퀴의 축당 하중, 공칭속도(nominal speed) 및 제동조건에 의해 결정되는 기차바퀴의 회전축을 관통하는 평면에서의 단면 형상을 결정하는 방법에 있어서,

주행 중 가능한 한 소음의 발생을 억제하는 바퀴를 얻기 위해,

- 바퀴와 주행시 바퀴가 놓여지는 주행면(7)상에서 철로와의 실제 접촉점(P)의 위치가 철로의 부설조건과 철로의 단면형상 및 지정된 주행면의 형상에 기초하여 결정되며,

- 바퀴 및 림 단면의 질량의 분배가, 상기 접촉점(P)과 림 단면의 관성중심 (G1)과 바퀴 중심부 단면의 관성중심(G2)이 바퀴의 축(YY')에 대하여 직각인 하나의 동일한 직선(XX')상에 놓이도록 조정되며, 그리고

- 바퀴 단면의 형상은 상기 접촉점(P)이 주행시 바퀴(1) 림(4)의 축방향 진동모드에 대한 진동파절(vibration node)이 되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 바퀴의 회전축방향 단면의 형상을 결정하는 방법
제1항에 있어서,

상기 방법은, 원점이 림 단면의 관성중심(G1)상에 놓이고 축(G1X)이 직선 (XX')에 포함되며, 축(G1Y1)이 바퀴의 축 (YY')에 평행한 좌표계(G1X, G1Y1) 내에서 계산된 림(4) 단면의 관성모멘트 매트릭스가 각 대각요소(Ixx, Iyy)의 10% 이하인 반대각요소(Ixy, Iyx)를 포함하도록 상기 림(4) 단면의 형상이 조정되는 것을 특징으로 하는 바퀴의 회전축방향 단면의 형상을 결정하는 방법
제2항에 있어서,

림의 단면 형상은 관성모멘트 매트릭스의 반대각요소(IXy, Iyx)가 대각요소 (Ixx, lyy)의 3% 이하로 조정되는 것을 특징으로 하는 바퀴의 회전축방향 단면의 형상을 결정하는 방법
제1 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

바퀴중심부의 단면형상은 직선 (XX')에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 바퀴의 회전축방향 단면의 형상을 결정하는 방법.
제4항에 있어서,

바퀴중심부의 단면형상은 좌표계(G1X, G1Y1) 내에서 계산된 림(4) 단면 및 바퀴중심부 단면으로 형성되는 조립체의 관성모멘트 매트릭스가 대각요소(Ixx, lyy)의 10% 이하, 바람직하게는 3% 이하인 반대각요소(Ixy, lyx)를 포함하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 바퀴의 회전축방향 단면의 형상을 결정하는 방법.
허브(2)와, 바퀴중심부(3)와, 그리고 플랜지 및 주행면(7)을 구비한 림(4)을 포함하는 저소음 기차바퀴에 있어서

바퀴의 회전축(YY')을 통과하는 단면을 따라 자른 어떠한 단면에 대해서도, 바퀴 주행면(7)이 주행시 바퀴가 놓여지는 철로와의 실제 접촉점(P)과, 림(4) 단면의 관성중심(G1)과, 그리고 바퀴중심부(3)의 관성중심(G2)이 바퀴(1)의 축(YY')에 대하여 직각인 직선(XX')상에 정렬되는 것을 특징으로 하는 저소음 기차바퀴.
제6항에 있어서,

바퀴 중심부(3)의 단면은 직선(XX')에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 저소음 기차바퀴.
제7항에 있어서,

바퀴중심(3)의 단면은 직선(XX')에 대하여 평행한 두 직선에 의해 형상이 정해지는 것을 특징으로 하는 저소음 기차바퀴.
제7항 또는 제8항에 있어서,

림(4)의 단면은 바퀴(1)의 내측면상에 경사부(13)를 포함하고 바퀴(1)의 외측면상에 플라이웨이트(14)를 포함하며, 이 플라이웨이트(14)는 바퀴(1)와 일체로 형성되거나 또는 바퀴에 부착된 것을 특징으로 하는 저소음 기차바퀴.
제9항에 있어서,

상기 플라이웨이트(14)와 바퀴중심부(3) 사이에 홈(15)을 형성하는 것을 특징으로 하는 저소음 기차바퀴.
제 10항에 있어서,

상기 기차바퀴는 상기 플라이웨이트(14)와 바퀴중심부(3)에 의해 형성되는 홈(15) 내에 장착되는, 스테인레스 스틸로 된 링(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저소음 기차바퀴.
제6항에 있어서,

주행면(7)은 롤러연마(roller-burnished)되는 것을 특징으로 하는 저소음 기차바퀴.
제6항에 있어서,

원점이 단면의 관성중심(G1)에 놓이고, 축(G1X)이 직선(XX')에 포함되며, 또한 축(G1Y1)이 바퀴의 축(YY')과 평행한 좌표계(G1X, G1Y1)내에서 계산된 림 단면의 관성모멘트 매트릭스가 대각요소(Ixx, Iyy)의 10% 이하, 바람직하게는 3% 이하인 반대각요소(Ixy, yx)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저소음 기차바퀴.