KR100389673B1 - 한 개의 관절을 갖는 유연 대차 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조적으로 간단하여 유지 보수성이 뛰어나면서도 차량이 곡선 선로를 고속 주행할 때, 차륜이 곡선 선로를 마찰 없이 원활하게 주행하도록 된 한 개의 관절을 갖는 유연 대차에 관한 것으로, 본 발명은 선로(5)를 따라 이동하는 차륜(1)과, 이 차륜(1)이 장착되는 두 개의 차축(2; 전위축(2a)과 후위축(2b))을 갖는 철도 차량용 대차에 있어서, 상기 전위축(2a)과 후위축(2b)에 각각 연계되어 대차프레임(3a,3b)이 분할 형성되고, 상기 복수의 대차프레임(3a,3b)의 중앙 연결부위에는 상호 삽입 체결되는 조인트부(7a)가 구비되어 상호 회전 가능하게 결합됨과 아울러, 이 조인트부(7a)의 상단면에 차체(T) 안착 결합시 볼스터 역할을 하도록 분할 연결된 대차프레임(3a,3b) 사이의 간극을 커버할 수 있는 폭 길이를 갖는 설치프레임(4)이 제한적인 회전 이동이 가능하게 설치되며, 상기 조인트부(7a)의 양측면에서 일정거리 떨어진 대차프레임(3a,3b)의 가장자리 부위에는 상호 작용하는 힘에 대응하여 탄성 변위를 일으키는 탄성변위수단(6)이 매개되어 연결된 것이다.

Description

한 개의 관절을 갖는 유연 대차{First jointed flexible Bogie}

본 발명은 한개의 관절을 갖는 유연 대차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전위축과 후위축 각각의 차축에 각각 분할 형성된 대차프레임을 구비하고, 이 분할된 대차프레임을 조인트부와 복수개의 탄성변위수단으로 서로 연결 고정하여 한개의 관절을 갖는 대차를 구성함으로써, 차량이 곡선 선로를 고속 주행할 때, 차축의 곡선 변위에 따라 탄성변위수단이 가변되면서 곡선 선로를 원활하게 운행하도록 된 한개의 관절을 갖는 유연 대차에 관한 것이다.

일반적으로 철도 차량 등에 사용되는 대차는 도 1에 도시된 바와 같이, 선로를 따라 이동하는 차륜(10)과, 이 차륜(10)이 장착되는 두 개의 차축(20; 전위축(20a)과 후위축(20b))과, 각 차축(20)에 연결되어 이 차축(20)들을 지지하는 액슬스프링(20c)과, 각 차축(20)들을 연결 지지하는 프레임(30a)과, 차체를 안착하여 결합하는 센터피봇(40a)과, 댐퍼와 같은 각종 완충장치가 설치되는 다양한 부품들의 조합으로 이루어진 매우 복잡한 구조로 되어 있다.

이러한 종래의 대차는 곡선 선로의 반경과 직선 선로의 점유비율 등의 선로조건을 고려하여 곡선주행성과 주행안전성을 절충시킨 스프링상수를 취한 액슬스프링(20c)을 사용하는 것이 보통이었다.

그런데, 철도 차량들은 상기 대차의 상부에 차체가 안착 연결된 상태에서 여러 대의 차량이 순차적으로 연결된 상태로 주행하게 되는 바, 철도 차량의 직선 및곡선 주행성 및 안정성을 고려한 주행 능력은 차체를 안착하고 있는 대차의 구조 및 그 기능에 따라 크게 좌우되고 있다.

특히, 최근에 곡선 선로에서 고속으로 주행하는 철도 차량이 요구되는 실정에서 차축이 선로와 마찰을 일으키지 않고 곡선 선로에서 고속주행을 할 수 있는 대차가 개발되어 사용되고 있다.

즉, 이러한 대차는 이미 유럽 선진국에서 개발되어 사용되고 있는데, 그 구조는 크게 차축에 스프링을 부착하여 선로의 곡선에 따라 차축이 회전하도록 하는 구조 또는 차축을 기구학적인 링크로 연결하여 선로와 무리 없이 접촉하도록 설계되어 있는 구조를 취하고 있다.

물론, 상기와 같이 곡선 선로에서 고속주행이 가능하게 된 것은 최근에 개발된 철도 차량이 곡선 선로에서 고속으로 주행할 때, 대차에 안착되어 있는 차체의 회전 중심이 곡선 주행 방향에 따라 가변하여 차체의 중심 경사각이 자동으로 조정되는 틸팅 차량이 개발되면서 가능하게 되었다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 차축에 스프링을 부착하여 선로의 곡선에 따라 차축이 회전하도록 하는 구조로 된 대차는, 차륜(10)이 부착된 전위축(20a)과 후위축(20b)으로 이루어진 두 개의 차축(20)이 대차프레임(30)에 연결 지지될 때, 각각의 차축(20; 20a,20b) 양단부와 대차프레임(30) 사이에 전ㆍ후 방향 및 축 방향을 탄성 지지하는 다수개의 스프링(40)이 설치된 구조로 되어 있다.

이때, 상기 스프링(40)은 보통 1개의 차축(20) 양단에 전ㆍ후 방향 및 축 방향으로 각각 3개씩 설치되고, 한개의 대차프레임(30)에는 2개의 차축(20)이 존재함에 따라 한개의 대차프레임(30)과 2개의 차축(20; 20a,20b)이 연계된 상태에서는 총 12개의 스프링(40)이 필요로 하게 된다.

이와 같은 구조를 취함으로써, 차량이 곡선 선로(50)를 주행하게 될 때, 선로(50)의 곡선 반경에 따라 차축(20)이 곡선 변위에 맞춰 가변(도 2에 도시된 화살표 방향)됨과 동시에 차축(20)과 대차프레임(30) 사이에 설치된 각각의 스프링(40)이 작용하는 힘의 방향에 따라 탄성 변위를 일으키면서 차륜이 선로와 마찰을 일어나지 않도록 적절하게 조절됨에 따라, 곡선 선로(50)에서 차량의 속도를 떨어뜨리지 않아도 원활하게 주행이 가능하도록 되어 있다.

한편, 차축을 기구학적인 링크로 연결하여 선로와 무리 없이 접촉하도록 설계되어 있는 구조로 된 대차는 도 3에 잘 나타나 있다.

즉, 전위축(20a)과 후위축(20b) 사이를 링크(60) 연결한 조향장치(s)를 설치하여 곡선 선로(50)를 주행할 때, 조향장치(s)를 이용하여 차축(20)을 강제적으로 조정함으로써, 측면 크리프 힘(creep force)을 최소화시켜 차륜(10)과 선로(50)의 마찰 및 마모를 감소시키면서 원활한 주행을 이루도록 한 구조로 되어 있다.

여기서, 상기와 같이 도 2 및 도 3에 도시된 대차의 경우에 차축(20)과 대차프레임(30) 사이에 다수개의 스프링(40)을 설치하거나 조향장치(s)를 통해 강제로 차축(20)이나 차륜(10)을 조정할 수 있도록 함으로써, 곡선 선로(50) 주행 시 차축(20) 및 차륜(10)이 곡선 변위에 따라 가변하면서 선로(50)와 마찰을 일으키지 않고 원활하게 주행할 수 있다는 장점이 있으나, 차축(20)에 다수개의 스프링(40)을 설치하는 구조나 차축(20)에 링크(60) 연결되는 조향장치(s)를 조립하는 구조로 구성됨에 따라 그 구조가 복잡하여 취급 및 유지 보수성이 나쁘다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전위축과 후위축 각각에 대차프레임이 분할 형성되고, 이 분할된 대차프레임을 서로 연결하여 한개의 관절을 갖는 대차로 구성한 다음, 이 분할된 대차프레임사이에 복수개의 탄성변위수단으로 설치함으로써, 구조적으로 간단하여 유지 보수성이 뛰어나면서도 차량이 곡선 선로를 고속 주행할 때, 차축의 곡선 변위에 따라 탄성변위수단이 가변되면서 곡선 선로를 원활하게 주행하도록 된 한 개의 관절을 갖는 유연 대차를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 대차를 도시한 사시도,

도 2는 종래 기술에 따른 차축에 스프링이 구비된 대차의 개략적인 구성도,

도 3은 차축에 조향장치가 연결 구비된 또 따른 종래 대차의 개략적인 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 대차를 도시한 개략적인 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 대차의 측면에서 바라본 개략적인 측면 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 대차가 곡선 선로를 주행할 때, 대차의 탄성변위수단에 작용하는 힘의 분포를 개략적으로 도시한 작동 상태도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

1 : 차륜 2 : 차축

2a : 전위축 2b : 후위축

3a,3b : 대차프레임 4 : 설치프레임

4a : 센터피봇 4b : 센터피봇축

5 : 선로 6 : 탄성변위수단

6a : 탄성스프링 6b : 플랜지부

7a : 조인트부 8 : 관절부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 선로를 따라 이동하는 차륜과, 이 차륜이 장착되는 두 개의 차축(전위축과 후위축)을 갖는 철도 차량용 대차에 있어서, 상기 전위축과 후위축에 각각 연계되어 대차프레임이 분할 형성되고, 상기 복수의 대차프레임의 중앙 연결부위에는 상호 삽입 체결되는 조인트부가 구비되어 상호 회전 가능하게 결합됨과 아울러, 이 조인트부의 상단면에 차체 안착시 볼스터 역할을 하도록 분할 연결된 대차프레임 사이의 간극을 커버할 수 있는 폭 길이를 갖는 설치프레임이 제한적인 회전 이동이 가능하게 설치되며, 상기 조인트부의 양측면에서 일정거리 떨어진 대차프레임의 가장자리 부위에는 상호 작용하는 힘에 대응하여 탄성 변위를 일으키는 탄성변위수단이 매개되어 연결된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 탄성변위수단은 복수의 분할 연결된 대차프레임 사이를 체결하기 위해 양단에 각각 플랜지부를 갖는 탄성스프링인 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.

도 4는 본 발명에 따른 대차를 도시한 개략적인 구성도 이고, 도 5는 본 발명에 따른 대차의 측면에서 바라본 개략적인 측면 구성도 이며, 도 6은 본 발명에 따른 대차가 곡선 선로를 주행할 때, 대차의 탄성변위수단에 작용하는 힘의 분포를 개략적으로 도시한 작동 상태도 이다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 대차는 선로(5)를 따라 이동하는 차륜(1)과, 이 차륜(1)이 장착되는 두 개의 차축(2; 전위축(2a)과 후위축(2b))과, 상기 전위축(2a)과 후위축(2b)에 각각 연계되어 분할 형성되는 복수의 대차프레임(3a,3b)을 갖는 구조로 되어 있다.

여기서, 상기 복수의 대차프레임(3a,3b)의 중앙 연결부위에는 상호 삽입 체결되는 조인트부(7a)가 구비되어 있고, 이 조인트부(7a)를 통해 분할된 대차프레임(3a,3b)이 상호 회전 가능하게 결합된다.

이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 조인트부(7a)는 분할 연결된 대차프레임(3a,3b)의 중심, 즉, 전위축(2a)과 후위축(2b)에서 동일 간격으로 떨어진 중앙에 위치하기 때문에 차체(T)를 안착시킬 때, 센터피봇(4a) 역할을 하도록 구성하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 조인트부(7a)는 전후방의 양 대차프레임(3a,3b)에 구비된 고정공이 상호 일치되도록 상호 삽입한 다음, 차체(T)에 중심에 구비된 센터피봇축(4b)을 끼워 회전 자유롭게 결합하는 부위로, 이 조인트부(7a)를 중심으로 대차가 X, Y, Z 방향으로의 동적 운동을 하게 된다.

또한, 상기와 같이 분할된 대차프레임(3a,3b)이 조인트부(7a)에서 상호 회전 가능하게 결합됨과 동시에 하나의 관절부(8)를 형성하게 되는 바, 이 관절부(8)는 분할 연결된 대차프레임(3a,3b)의 조인트부(7a)를 기준으로 양 가장자리부 쪽으로 갈수록 차츰 간극이 벌어지는 형태로 형성된다.

따라서, 상기 관절부(8)의 양 가장자리 부위는 빈 공간으로 형성되게 되고, 이렇게 분할 연결된 대차프레임(3a,3b) 사이에 빈 공간이 발생하게 되면, 상기 대차프레임(3a,3b) 상단에 차체(T)를 안착시킬 때, 차체(T)와 대차 사이에 완충 역할을 하는 각종 완충장치를 설치할 수 있는 공간 확보가 어려워지는 구조적인 문제점이 발생하게 된다.

본 발명에서는 이를 보완하기 위해 분할된 대차프레임(3a,3b)의 관절부(8)를 커버할 수 있도록 관절부(8) 상단에 볼스터 역할을 하는 설치프레임(4)을 안착시켜 조인트부(7a)를 통해 체결한다.

즉, 상기 설치프레임(4)의 중심과 조인트부(7a)는 일치됨과 아울러, 차체(T)를 안착시킬 때 차체(T)에 형성된 센터피봇축(4b)이 삽입되어 결합되는 센터피봇(4a) 역할을 하게된다.

그리고, 상기 설치프레임(4)은 조인트부(7a)를 중심으로 제한적인 회전 이동이 가능하도록 하는 구조를 취하고 있다.

즉, 상기 설치프레임(4)은 전후방으로 분할된 대차프레임(3a,3b)의 조인트부(7a) 상면에 체결되어 차체(T)가 안착되어 결합되는 곳으로, 이 설치프레임(4)의 중심에는 센터피봇(4a)이 형성되어 차체(T)에 형성된 센터피봇축(4b)이 결합될 수 있는 구조로 되어 있다.

그리고, 상기 설치프레임(4) 상에는 대차에 차체(T)를 안착시켰을 때 완충 역할을 하는 완충스프링 등을 설치할 수 있도록 함으로써, 철도 차량의 운행시에 차체(T)의 자중을 지지하면서 차체(T)의 움직임에 따라 대차에 전달되는 상대적인 운동을 탄성적으로 안정성이 있게 수용하도록 되어 있다.

한편, 상기 관절부(8)의 양 가장자리 부위에 해당하는 상기 분할된 대차프레임(3a,3b)의 양 가장자리 부위는 상호 작용하는 힘에 대응하여 탄성 변위를 일으키는 탄성변위수단(6)이 설치되어 분할된 대차프레임(3a,3b)을 상호 연결하고 있다.

이때, 상기 탄성변위수단(6)은 분항된 대차프레임(3a,3b) 사이를 체결하기 위해 양단에 각각 플랜지부(6b)를 갖고 있고, 중앙부는 원통형 혹은 사각형으로 되어 있는 탄성스프링(6a)을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 탄성변위수단(6)은 곡선 선로(5)를 고속으로 주행할 때, 주행 안정성을 결정하는 주요인자가 됨으로, 전ㆍ후, 좌ㆍ우 방향의 스프링 강성을 담당하는 탄성스프링(6a)이 차량특성과 선로(5)의 운행조건에 적합하게 산출된 스프링 강성을 가지도록 설계되어 양 대차프레임(3a,3b)의 가장자리 부위를 탄성 지지하는 상태로 설치되는 것이 매우 중요하다.

이때, 상기 대차프레임(3a,3b) 사이에 관절부(8)를 형성하고 있기 때문에 철도 차량이 곡선 선로(5)를 통과할 때, 상기 탄성변위수단(6)에 작용에 하는 힘의 방향에 따라 탄성변위수단(6)이 탄성 변위하면서 곡선을 따라 양 대차프레임(3a,3b)이 서로 간섭이 없는 상태로 자유롭게 곡선 회전이 가능하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 대차가 곡선 선로에서 주행하는 상태가 도 6에 잘 나타나 있다.

즉, 본 발명에 따른 대차가 곡선 선로(5)를 주행하게 되면, 곡선 선로(5)의 곡선 반경에 따라 곡선 선로(5)의 안쪽과 바깥쪽에 위치한 차륜(1) 및 차축(2)의 변위량이 달라지게 되는 바, 곡선 선로(5)의 바깥쪽에 위치한 차륜(1) 및 차축(2)이 곡선 선로(5)의 안쪽에 위치한 차륜(1) 및 차축(2)보다 변위량이 커지게 된다.

이에 따라 전위축(2a)과 후위축(2b)에 각각 연계되어 상호 연결된 복수의 대차프레임(3a)의 양쪽 가장자리 부위에 연결된 탄성변위수단(6)에 전달되는 힘의 분포가 달라지게 되고, 이 달라지는 힘의 분포에 따라 복수개의 탄성변위수단(6)이 적절하게 힘의 분배를 안배하는 방향으로 작용하여 곡선 선로(5)에서 대차가 원활하게 주행할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전위축과 후위축에 각각 대차프레임을 분할 형성하여 연계하고, 이 양 대차프레임 사이를 조인트부와 탄성변위수단을 통해 연결 고정함으로써, 대차가 곡선 선로를 고속 주행할 때, 전후방의 대차프레임 사이의 관절부에서 자연스럽게 곡선 변위에 맞춰 주행하게 됨에 따라 차륜과 선로 사이에 마찰 없이 원활한 주행이 가능하게 되는 효과가 있다.

또한, 상기 전후방으로 분할된 대차프레임이 탄성스프링과 같은 탄성변위수단에 의해 자연스럽게 동적 운동이 가능하도록 연결 구성됨으로써, 그 구조가 매우 간단하여 유지 보수가 매우 수월하다는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 선로를 따라 이동하는 차륜과, 이 차륜이 장착되는 두 개의 차축(전위축과 후위축)을 가지며, 상기 전위축과 후위축에 각각 연계되어 대차프레임이 분할 형성되고, 상기 복수의 대차프레임의 중앙 연결부위에는 상호 삽입 체결되는 조인트부가 구비되어 상호 회전 가능하게 결합됨과 아울러, 이 조인트부의 상단면에는 차체 안착 결합시 볼스터 역할을 하도록 분할 연결된 대차프레임 사이의 간극을 커버할 수 있는 폭 길이를 갖는 설치프레임이 제한적인 회전 이동이 가능하게 설치되며, 상기 조인트부의 양측면에서 일정거리 떨어진 대차프레임의 가장자리 부위에는 상호 작용하는 힘에 대응하여 탄성 변위를 일으키는 탄성변위수단이 매개되어 연결된 한 개의 관절을 갖는 유연 대차에 있어서,

   상기 설치프레임의 중심과 조인트부는 일치됨과 아울러 여기에 차체를 안착시켜 결합하는 센터피봇이 형성되어 차체에 형성된 센터피봇축이 결합되며,

   상기 탄성변위수단은 양 대차프레임 사이를 체결하기 위해 양단에 각각 플랜지부를 갖는 탄성스프링인 것을 특징으로 하는 한 개의 관절을 갖는 유연 대차.
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