KR100724923B1 - 철도차량 트럭의 감쇠장치와 철도차량 트럭 설계방법 - Google Patents

Abstract

철도차량 트럭용 감쇠장치는 철도차량 트럭 받침대와 상기 받침대를 지지하는 측면 프레임 사이의 상대적 운동을 완화시키기 위해 측면 스프링에 의해 지지되는 마찰 쐐기를 이용한다. 각각의 마찰 쐐기는 측면 프레임에 대하여 기대어 있는 마찰 세로면과 받침대에 대하여 상대적으로 움직이는 마찰 경사면과의 사이에 형성된 θ의 각을 가진 일반적인 삼각형상으로 이루어진다. 각 θ와 측면 스프링의 힘 P 는 다음으로 정의된다.

Description

철도차량 트럭의 감쇠장치와 철도차량 트럭 설계방법{DAMPING SYSTEM FOR RAIL CAR TRUCK AND METHOD OF DESIGNING RAIL CAR TRUCK}

도 1은 본 발명의 철도차량 트럭의 측면도.

도 2는 철도차량 트럭의 수평 단면의 평면도.

도 3은 받침대, 측면 프레임, 쐐기의 관계를 확대하여 나타낸 단면도.

도 4A, 4B, 4C, 및 4D는 힘이 트럭에 가해지는 경우를 도시한 각 마찰 쐐기의 측면도 및 단면도.

도 5A, 5B, 5C, 및 5D는 철도 차량 트럭이 사용될 때 힘이 분할 마찰 쐐기에 작용되는 것을 각각 도시한 측면도 및 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

12: 측면 프레임 18: 바퀴

22: 세로면 24: 경사면

본 발명은 "3-부품(piece)" 철도차량 트럭에 관한 것으로서, 특히 받침대(bolster)가 측면 프레임과 상호 작용하고 그리고 완충장치 감쇠동작 및 비틀림 강성을 제공하는 4개 마찰 쐐기에 관한 것이다. 트럭의 비틀림을 생성하는데 필요한 분량의 축간 전단 모멘트인, 비틀림 마찰 모멘트는 트럭의 비틀림 강성을 억제하는 중요한 특성이 있고, 그리고 3-부품 트럭을 불완전하게 하게 하는 특성이 있다. 다른 면에서, 감쇠력(damping force) 수준은 어느 정도 규모의 크기를 달성하는 데에는 문제가 없는 것이지만, 그 크기가 너무 낮거나 높게 된다면, 문제가 되는 것이다. 본 발명은 마찰 쐐기 각도, 마찰 계수, 쐐기 탄성력, 및 쐐기 폭 사이에 바람직한 상관 관계를 교시하여, 매우 높은 비틀림 마찰 모멘트와 적절한 낮은 감쇠력을 동시에 생성하는 마찰 쐐기를 제공하는 것이다.

비틀림 마찰 모멘트를 증가시키어, 보다 높은 축간 전단 강성(interaxle shear stiffness) 또는 트럭의 비틀림 강성을 구할 수 있다. 2개 축 트럭의 주된 특성인 비틀림 강성은, 고속도 안정성과 중량 축 로드를 받는 곡선동작의 능력(heavy axle load curving performance)을 결정한다. 일반적으로, 비틀림 마찰 모멘트로 설명된 정적 비틀림 마찰 모멘트는 마찰력 짝힘(friction force couple)이며, 트럭의 비틀림 힘(truck warp force) 또는 축간 전단력에 대한 저항으로, 주로 마찰 쐐기에 의해 생성된다. 쐐기에 의해 생성된 저항 모멘트가 정적 마찰에 의해 제한을 받기 때문에, 상기 모멘트를 정적 비틀림 마찰 모멘트라고 한다. 본 발명의 목적은 마찰 쐐기의 설계를 최적하게 하여 비틀림 마찰 모멘트를 증가하여서 3-부품 트럭의 비틀림 강성을 증가시키는 것이다.

본 발명에서는, 동시적으로, 최대 축간 전단력과 비틀림 마찰력을 일치시키고 그리고 탄성 중량체의 백분율로 감쇠력을 일치시키어서, 트럭의 비틀림에 대해 저항하고 그리고 안전한 수준의 완충장치 감쇠동작을 유지하는 마찰 쐐기로 설계할 수 있게 한다. 1조의 연립 방정식을 사용하여 설계자가 감쇠동작 비율 만에 의한 설계보다, 최대 비틀림 마찰 모멘트와 필요한 감쇠동작 비율에 기초하여 마찰 쐐기를 설계할 수 있다. 방정식의 결과는 완전한 마찰 쐐기의 설계와 비틀림 마찰 및 감쇠동작에 최적한 측면 스프링용으로 1조의 매개변수를 알려준다.

북미 운송 철도 서비스에서, 일반적으로 2개조의 바퀴를 가진 3-부품 운송 차량 트럭은 중요한 동작 및 다양한 경제적 요구를 만족하게 발전되어 왔다. 다른 요구 사항 중에서, 상기 차량 트럭은 철도에 높은 수준의 경제적 가치를 유도할 수 있어야 함과 동시에, 안전하게 지지되고 폭이 넓은 트랙 상황에서도 높은 바퀴 로드(load)를 균일하게 할 수 있어야 한다. 상술한 기본적인 기준에 더하여, 트럭과 그 상관 부품은 상호 연결된 철도 네트웍 시스템을 통해 상호 교환할 수 있어야 한다. 오늘날 3-부품 트럭은 그 일반적인 설계가 간단하고, 융통성이 있고, 내구성이 있으며, 신뢰할 수 있기 때문에 어느 정도 상기 요구를 만족시켜 준다. 그러나, 발전 과정에서, 작동 효율면에서의 트럭 설계의 중요한 특징이 비틀림 마찰 모멘트의 설계에서 거의 무시되어 왔다.

종래 3-부품 트럭이 일반적으로 고속도 동작으로 인해서, 정상적인 사용을 하는 중에 상당량의 에너지와 마주치게 되면, 바퀴 세트가 트랙에 대해 그리고 "트럭 헌팅(truck hunting)"으로 알려진 불안정성을 야기하는 다른 것과 관련하여 측면으로 이동하도록 힘을 받게 된다. 트럭 헌팅은 철도차량과 그 랜딩에 높은 측면 힘을 전달하고, 기관차에 제동량(drag)을 증가시키고, 효율을 감소시키기 때문에, 트럭 헌팅은 바람직하지 않은 것이다. 또한, 종래 3-부품 트럭이 정상적인 사용에서 곡선노선에 직면하는 경우, 바퀴 세트는 "트럭 비틀림(truck warp)"으로 알려진 상태를 초래하는 반대편 바퀴와 상관하여 측면으로 이동하는 힘을 받게 된다. 트럭 비틀림은 선도 바퀴(leading wheelset)와 레일 사이에 고각의 침입(high angle of attack)이 발생하게 하여, 레일과 바퀴 상에 마모비를 높이기 때문에, 바람직하지 않은 것이다. 트럭 헌팅과 트럭 비틀림이 고속도의 결과이든 또는 곡선노선의 결과이든, 트럭 헌팅과 트럭 비틀림은 일반적으로 서로 상대적인 바퀴의 측면 변위와, 받침대에 대한 측면 프레임의 면적 관계가 각도 관계로 변하는 것이 특징적인 기술내용이다.

중량 축의 로드 탈선(heavy axle load deraolment)에 관계된 종래 3-부품 운송 차량 트럭의 테스트는 트럭의 동작을 억제하는 대부분의 축간 전단 강성이 측면 프레임 대 받침대 연결에 원인을 돌릴 수 있게 나타난다. 그러나, 상기 연결부의 현재 설계는, 상기 연결부를 결합한 쿨롱 마찰력의 한계점까지 측면 프레임과 받침대 간에 비-면적 이동에 대해 저항을 할 뿐이라는 근본적인 문제가 있는 것이다. 근래 모형제작 및 연구 실험은 3-부품 트럭의 동작에서 비틀림 마찰 모멘트가 주요한 결정 요소인 것으로 확인되었다.

3-부품 트럭의 측면 프레임 대 받침대의 연결은 일반적으로, 제1측부에 있는 받침대에 있는 포켓과 접촉하여 함유되어 있는 정삼각형 마찰 쐐기, 제2측부에 있는 측면 프레임의 수직 표면, 및 제3측부에 있는 스프링으로 특징 된다. 상기 연결에는, 3개의 로드 베어링 경계면[스프링 시트(seat) 표면, 경사 표면, 및 세로 표면]이 포함된다. 쐐기 표면은 스프링 시트가 있는 정삼각형 형태로 형성되어 방향져 있으며, 세로 표면은 서로 수직인 각도로 방향져 있고, 그리고 경사 표면은 세로 표면에 대해 예각으로 방향져 있다. 쐐기는, 철도차량 몸체의 역학적인 힘으로 인한 측면 프레임과 상관하여 받침대의 미끄럼 운동이 가능하게 세로 표면에 수직하여 방향져 있다. 쐐기 경사면은 받침대 포켓 경사 표면에 받쳐지고, 상기 경사 표면은 스프링 시트 표면에서 나오는 탄성력이 세로 표면으로 향하게 작용한다. 상술한 바와 같이 쐐기의 형상과 방향을 설정한 결과, 3개 경계면에서, 힘의 평형이 마찰 쐐기 상에 형성된다. 즉, 측면 프레임에 대한 받침대의 상대적인 위치와 이동으로 억제된다.

3개의 다른 힘의 평형[스프링 압축행정 힘의 평형, 스프링 감압행정 힘의 평형, 및 트럭 비틀림 동작 힘의 평형]이 가능하다. 압축 및 감압 행정 힘의 평형은 3-부품 트럭에서 쿨롱 감쇠력을 설명하는 힘의 평형이고, 그리고 수직방향 감쇠동작을 위해 마찰 쐐기를 설계하는 설계 기술자가 다년간 사용하여 왔다. 상기 2개 힘의 평형은 쐐기 각도, 탄성력, 및 쐐기 재료와 세로 표면과 경사 표면 각각 과의 사이에 마찰 계수에 의해 조종된다. 비틀림 동작 힘의 평형은 축간 전단력을 받는 상태에서 쐐기에 작용하는 힘을 설명하고, 그리고 쐐기의 힘을 생성하는 축간 전단력 또는 트럭 비틀림 힘으로부터 그 명칭을 정하였다. 비틀림 동작을 받는 상태에서, 반대편 방향으로 작용하는 마찰력은 동일한 방향으로 상방향으로 작용하고, 그리고 상기 경계면에서 정적 마찰력의 한계값까지 칼럼과 측면 프레임 사이에 쐐기와 결합한다.

쐐기상에서의 비틀림 작용 힘을 설명하는 비틀림 작용 힘의 평형은 새로운 것이며, 종래기술의 공보나 선행기술에서 설명되지 않은 것이다. 상기 힘의 평형은 쐐기 힘의 평형 매개변수의 매개변수 영향을 분석하여 찾아낸 것이다. 상기 분석의 목적은 조절 매개변수(쐐기 각도, 마찰 계수, 및 탄성력)의 감쇠력의 영향을 판단하는 것이다. 분석은 쐐기 각도 및 마찰 계수에 대한 지수 성질(exponential nature)을 알아내는 것이다. 보다 작은 쐐기 각도를 가진 트럭이 쉽게 탈선하지 않는다는 탈선 조사에서 밝혀진 사실과 상기 사실을 조합한 결과, 쐐기 상에서 특별한 마찰 힘의 평형이 트럭의 비틀림 힘을 받는 상태에서 있어야 한다는 사실을 알아내게 되었다.

전개된 매개변수의 해석은 감쇠력 분석을 실시하였을 때와 같이, 쐐기 각도와 마찰 계수에 대한 비틀림 마찰 모멘트의 지수함수의 관계가 동일한 타입을 나타낸다. 이러한 사실은, 비록 감소하는 쐐기 각도와 증가하는 마찰 계수가 지수함수적으로 증가된 감쇠력과 비틀림 마찰력 일지라도, 비틀림 마찰력은 감쇠력보다 상당히 더 빠르게 증가한다는 사실을 알아내게 하였다. 이러한 사실은 임의의 마찰 계수가 주어졌을 때, 높은 비틀림 마찰 모멘트와 낮은 감쇠력을 가진 쐐기 형태를 생산할 수 있는 가능한 형태의 쐐기 각도와 탄성력으로 조합할 수 있음을 의미한다.

상기 핵심적인 쐐기 힘의 평형 매개변수의 가능한 최적한 조합은 객관적 입력 자료에 의해 매개변수의 값이 결정되도록 설계되어 개량된 형태가 이루어지게 한다. 본 발명의 목적은 "측면 비틀림 마찰 모멘트와 수직 감쇠력을 최적하게 하는 마찰 쐐기 및 측면 스프링 설계 방식"으로 이끌어내는 수학식을 찾아내는 것이다. 상기 수학식의 핵심은 압축 감쇠력을 평형지게 하는 1조의 연립 방정식에서, 트럭의 비틀림 힘의 평형과 합산된 비틀림 작용 힘의 평형에 있다.

상기 수학식은 기본적인 객관적인 입력 자료(쐐기 폭, 쐐기 마찰 계수, 및 완충비)와 철도차량 중량, 주요 트럭 치수(dimension), 중앙판과 측면 베어링 마찰 계수 및 레일 마찰 계수를 사용한다. 이러한 입력 자료는 2개 그룹(마찰 쐐기 특징을 설명하는 그룹 및 비어있거나 짐을 실은 차량 상태에서의 트럭 특성을 설명하는 그룹)으로 나눌수 있다. 비록 양 그룹의 매개변수가 객관적으로 정의되었더라도, 쐐기 그룹으로부터의 1개 매개변수 및 트럭 그룹으로부터 2개 매개변수는 가능한 가장 최적화 해답을 구하기 위해 그 수치를 정하는 데 있어 어느 정도 자기 판단에 의한 결정권이 필요한 것이다. 레일 마찰 계수 및 중앙판(및 측면 베어링) 마찰 계수는 비어있거나 짐을 실은 차량의 비틀림 힘 각각의 기본적 운동 요소이고, 완충비는 감쇠력의 기본적 운동 요소이다. 따라서, 상기 3개 매개변수가 필요한 수준의 비틀림 저항과 트럭에 적용하기에 적당한 감쇠력에 기본하여 결정되게 설계한다.

기본적 입력 매개변수가 결정되면, 상기 모델은 모르고 있는 마찰 쐐기, 및 측면 스프링 치수(쐐기 각도, 쐐기 높이, 쐐기 깊이, 및 작업 지점)와, 스프링 바의 직경, 외경 및 자유 높이에 관련한 해답을 산출한다. 쐐기 폭 및 스프링 높이와 같은 입력 자료와 함께, 상기 모델의 해답은 비틀림 마찰 모멘트와 감쇠력의 사전 설정된 조합 값을 산출하는데 최적화 전체 마찰 쐐기와 측면 스프링 형태에 맞는 치수를 제공한다. 상기 설계에 맞는 치수를 제공함에 부가하여, 상기 모델은 쐐기와 측면 스프링 설계의 해답과 일치하는 완전한 완충장치 장비를 설계하는데 필요한 수치와 로드 스프링 타입에 맞는 해답을 제공한다.

상술한 바와 같이, 이러한 모델은 차량 하중, 트럭 크기 및 쐐기 재료를 임의적으로 조합하기 위한 최적한 쐐기 및 스프링 설계의 해답을 결정하도록 설계된다. 임의의 입력 자료는 기술자가 원하는 쐐기 및 스프링 설계 해답을 구하기 위해 입력 매개변수를 융통성 있게 조절할 수 있도록 설계된다. 그러나, 임의의 입력 자료는 실질적으론 객관적인 한계를 가진 것이다. 따라서, 쐐기 및 스프링 설계의 최적한 해답은 임의의 입력 자료의 객관적으로 정해진 의견을 적용하여 찾아내는 것이다. 이러한 작업이 행해지고 그리고 입력 매개변수에서의 고유한 자연 변화에 맞게 허용되어 만들어지면, 필수 설계 매개변수의 특정 범위를 가진 형태의 쐐기 설계를 할 수 있다.

모든 필수 쐐기 설계 매개변수 중에서, 쐐기 각도는, 그것이 쐐기의 삼각형상을 형성하고, 감쇠 및 비틀림 마찰력에 가장 큰 제어 가능한 영향을 미치는 치수이기 때문에, 가장 중요한 것으로 정의된다. 완전히 객관적인 입력자료에서 나타나는 쐐기 각도의 범위는 마찰 쐐기 설계의 전형적인 각도 범위 바로 밑에 있다. 충분한 쐐기 폭, 적당한 쐐기 마찰 계수, 및 특정 탄성력을 조합하여, 일반적인 쐐기 각도보다 작은 것이 하나의 마찰 쐐기와 측면 스프링 설계에서 적당히 낮은 감쇠력과 높은 비틀림 마찰 모멘트의 조합을 산출하는 유효한 특징적인 형태가 된다.

본 발명은 또한 상술된 객관적인 입력자료에서 선택한 값으로 설계된 스프링과 마찰 쐐기에 대한 2개의 양호한 실시예를 특징으로 하는 것이다. 상기 2개의 양호한 실시예는 설계 방법 모델에 의해 결정된 해답으로 설계된 쐐기와 스프링 짝힘을 발휘하는 것이다. 쐐기와 스프링 짝힘의 설계 범위는 모델에 수용되는 객관적인 입력 자료 중에서 변수로 결정된다.

본 발명의 목적은 3-부품 운송차량 트럭, 특히 비틀림 강성을 증가시키는 3-부품 운송차량 트럭을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적절한 수준으로 쿨롱의 감쇠력을 제한하면서 축간 전단 강성을 증가시키는 운송차량 트럭을 설계하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 충분한 비틀림 모멘트와 한정된 감쇠력으로 최적화된 마찰 쐐기 및 측면 스프링을 설계하는 수학식을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 비틀림 마찰 모멘트를 증가시킴으로써 축간 전단 강성을 증가시키기 위해 1-부품 쐐기나 2-부품 분할 쐐기로 특별히 설계된 마찰 쐐기를 구비하는 운송차량 트럭 설계를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이하에서 설명될 설계 방법에 의해 정해지는 28°내지 32°의 범위를 가지는 쐐기 각도를 구비하는 마찰 쐐기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 비어있거나, 짐을 실은 차량 상태에서 힘의 최적한 총량을 만들도록 특별히 설계되어 감쇠력이 충분히 낮고 비틀림 마찰 모멘트가 충분히 높은 측면 스프링을 구비하는 운송차량 트럭 설계를 제공하는 것이다.

본 발명은 화차트럭에서, 측면 프레임과 받침대 사이에 경계면을 개선하여 고속도 및 곡선구간 운행 시에 트럭 성능을 향상시킨 것이다. 이하에서 설명되는 트럭 형상은 트럭 운행 시 작용하는 비틀림 강성(剛性), 또는 축간 전단 강성, 또는 비수평력(unsquaring force)에 대한 저항력을 증대시킨다. 개선된 경계면은 수학적 방법에 의해 비틀림 마찰 모멘트(비틀림 강성)와 감쇠력 간의 균형을 가장 적절하게 이루는 형상으로 설계된 마찰 쐐기와 측면 스프링이다. 본 발명의 양호한 실시예는 상술된 설계로 이루어진 마찰 쐐기와 측면 스프링으로 실시된다.

최적한 설계로 이루어진 마찰 쐐기는, 매우 낮은 감쇠력과 함께 매우 높은 비틀림 마찰 모멘트를 생성하도록 모든 수준의 압축에서 대응하는 최적한 힘을 전달하게 설계된 측면 스프링과 연합하여, 측면 안정성과 수직 안정성을 이룬다. 삼각형상의 마찰 쐐기는 측면 프레임 스프링 시트(side frame spring seat)에 장착된 하나 이상의 코일 스프링에 의해 아래로부터 지지를 받고, 받침대 포켓 경사면과, 측면 프레임 칼럼에 의해 각각 상방향으로 측부에 보유된다.

일반적인 3-부품 화차 트럭에서, 안정성과 곡선동작을 제어하는 축간 전단 강성은 대부분, 측면 프레임에 의해, 탄성력을 받는 마찰 쐐기를 통해서 받침대 연결부에 전해진다. 현재, 이러한 연결부 설계가 갖는 문제점은 상기 형상이 쿨롱 마찰저항에 의해 힘의 한계점(threshold) 즉, 파단력까지만 적절한 축간 전단 강성을 제공할 뿐이라는 것이다. 파단력보다 큰 축간 전단력에서는, 3-부품 트럭의 축간 전단 강성이 양호한 안정성과 곡선동작에 적당한 수준 이하로 떨어진다.

특히, 마찰 저항 특성에는, 정적 마찰과 동적 마찰인, 2개 형식의 마찰 모드가 포함된다. 정적 모드는 측면 프레임과 받침대 사이의 미끄럼 요동 운동(sliding yaw movement)에 대한 높은 강성 저항이 특징인 것이다. 정적 모드는 비틀림 저항력과 축간 전단 강성이 동적 모드보다 크다. 정적 모드의 제한은, 때때로 정적 비틀림 마찰 모멘트로 불리워지는 비틀림 마찰 모멘트로 한정된다. 동적 모드는 미끄럼 동작형태에서, 받침대와 상관하여 요동하고 측면 프레임이 회전하면서 받게되는 저항력에 의해 특징되는 것이다. 저속도와 적절한 곡선동작에서는, 종래의 마찰 쐐기의 정적 비틀림 마찰 모멘트가 측면 프레임과 받침대 간의 상관 요동운동에 대하여 효율적으로 저항하게 된다. 그러나, 고속도 및 심한 곡선동작에서는, 입력 힘이 정적 모드의 마찰 저항의 힘을 압도하여, 측면 프레임이 받침대에 대하여 동적인 요동 운동으로 미끄러지게 된다.

실질적으로 측면 프레임과 받침대 간의 연결부의 정적 비틀림 마찰 모멘트를 증가시키어, 일반적인 화물차 트럭의 비틀림 강성을 매우 효과적으로 증가시킬 수 있다. 본 발명은 안전한 수준으로 수직한 완충장치의 감쇠동작을 유지하면서 비틀림 마찰 모멘트를 실질적으로 증가시키는 마찰 쐐기와 측면 스프링을 설계할 수 있게 하는 수학식을 제공하는 것이다. 설계에 이용되는 수학식에 따른 방법의 핵심은 마찰 쐐기각과 측면 스프링 힘의 최적한 조합을 찾아내는 방정식 체계에서 조합된 비틀림 마찰력과 감쇠력의 1조의 기초 힘의 평형이다.

도 1 및 도 2는, 받침대(14)에 의해 연결된 1조의 측면 프레임(10, 12)을 포함한 철도차량 트럭을 도시하였다. 로드 스프링(load spring)(16)은 측면 프레임상에 받침대를 받치고 있고, 그리고 측면 프레임의 단부는 1조의 바퀴(18) 단부 근처에 위치된 롤러 베어링상에서 받쳐진다. 상기 설명된 구조는 철도차량 기술 분야에서는 일반적으로 알려진 구조이다.

도 3에서, 받침대(14)는 그 단부에 포켓(20)을 구비하고, 받침대의 각 단부에는 2개의 포켓이 있다. 포켓은 이하에서 설명되는 감쇠장치의 심장부인 마찰 쐐기를 보유한다. 도 3 및 도 4A 내지 도 4D에 도시된 마찰 쐐기는 세로면(22)과 경사면(24)이 있으며, 상기 경사면(24)은 받침대 포켓의 경사면에 기대어 있고, 그리고 세로면(22)은 인접한 측면 프레임의 칼럼에 기대어 있다. 마찰 쐐기의 바닥면은 당 기술분야에서 공지된 바와 같이 측면 스프링이 받치고 있다. 각도(θ)는 상기 면(22, 24)의 연결부에 형성된 각도이고, 이하에서 상세하게 서술될 것이다. 도 4A 내지 도 4D에 도시된 힘(P)은 마찰 쐐기의 바닥부가 받는 측면 탄성력이다. 측면 스프링과 주변 요소를 이용하는 기술은 당 기술분야에서 일반적으로 공지된 기술이다. 아직 공지 기술이 아닌 것은, 측면 스프링에 의해 마찰 쐐기에 가해지는 힘(P)과 마찰 쐐기의 마찰 면 사이에 형성된 각도(θ)와의 관계이며, 그리고 상기 2개 매개변수 간의 관계는 높은 비틀림 마찰 모멘트와 낮은 감쇠력을 최적하게 할 수 있는 것이다.

도 5A 내지 도 5D는, 쐐기가 스탠다드 카 트럭 캄퍼니(Standard Car Truck Company)의 미국특허 5,555,818호에서 설명되고 청구되어진 분할 쐐기(split wedge)로 알려진 쐐기인 것을 제외하고는, 도 4A 내지 도 4D에 도시된 마찰 쐐기와 동일하게 힘을 받는 것을 나타낸 도면이다. 상기 미국특허 5,555,818호는 또한 마찰 쐐기를 받치고 있는 일반적인 측면 스프링도 기재한 것으로서, 상기 특허에 개재된 측면 스프링의 설명은 본원에 참고 기술로서 기재되었다.

상기 설계의 핵심은 3개 모드의 마찰 쐐기 힘의 평형에서 시작한다. 압축행정 모드에서, 세로 마찰력은 상방향을 향하고, 수직 마찰력(normal friction force)은 하방향을 항한다. 감압행정 모드에서, 세로방향 힘(column force)은 하방향을 향하고, 그리고 수직 마찰력은 상방향을 향한다. 압축 및 감압 행정 모드는 각각 상하방향의 2개 완충장치 감쇠 행정방향이 기본 힘의 평형을 나타낸다. 비틀림 작용 모드에서는, 양쪽 마찰력이 비틀림 마찰 모멘트를 생성하는 힘의 평형 효과가 나타나도록 상방향으로 향하게 된다.

상방향 마찰력은 수직 힘의 직각 성분의 구축동작(expelling action)에 대해 마찰 쐐기가 포켓에 보유되게 작용한다. 포켓에 마찰 쐐기를 보유함으로써, 비틀림 작용 모드는 마찰 쐐기가, 측면 프레임과 받침대 사이에서 매우 강력한 연결부로서 작용하게 된다. 대부분의 마찰 쐐기 설계에서, 세로 및 경사면에서의 마찰력은 정적 마찰의 한계로 비틀림 작용 힘의 평형을 형성한다. 쐐기 각도와 재료의 마찰 계수를 조합하여 상기 한계점을 결정한다. 마찰 쐐기 각도를 감소하고, 그리고 마찰 계수를 증가하면, 상기 한계는 비틀림 작용 모멘트가 무한대인 지점으로 기하급수적으로(exponentially) 증가할 것이다.

비틀림 작용 모드는 받침대와 측면 프레임 사이에 강제적인 요동운동 관계의 변화로 마찰 쐐기에서 발생한다. 규모면에서 매우 작은 상기 요동운동은, 받침대 포켓 경사면에 대한 측면 프레임 칼럼과의 각도 관계를 변경한다. 차례로, 각도 관계의 변경은 쐐기의 일면에서 압착 동작을 유도하는 방식으로 마찰 쐐기를 활용하는 공간의 모양을 변화시킨다. 도 4D 및 도 5D는 압착 동작을 설명하는 힘의 평형을 가장 잘 나타낸 도면이다. 도면에는, 2개 힘 즉, 세로방향 힘과 경사방향 힘의 x-방향 성분(

, )의 등가 대용 힘(

)을 나타내었다. 쐐기에서의 비틀림 작용 힘의 평형과 측면 프레임과 받침대에서의 비틀림 힘의 평형 간의 관계를 설명하기 위해 내측 경사 반발력(

)과 세로방향 힘(

)을 나타내었다.

3-부품 트럭에서의 비틀림 힘(warp force)은 곡선동작(curving)과 측면의 불안정성에 의한, 2개 운행 시에 발생한다. 곡선동작에서는, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 차체(car body)와 트랙에 의해 트럭상에 반대 모멘트를 받게 된다. 차체의 경계면에서, 회전 모멘트가 트럭의 요동 회전에 의한 미끄럼 마찰력으로 중앙판과 측면 베어링에서 트럭에 작용하게 된다. 이러한 회전 모멘트는 조종 모멘트(steering moment)및 축간 전단 모멘트에 의해 트랙에서 반작용(react)을 받지만, 조종 모멘트를 제로로 가정하고 트럭 비틀림을 최악의 경우로 하여 설명한다. 나머지 2개 모멘트인, 회전 모멘트와, 축간 전단 모멘트는 트럭에 비틀림 모멘트를 부과하게 트럭을 통해 상호 작용하게 동작한다. 불안정한 측면에서는, 비틀림 동작이 전동 크리프 힘(rolling creep force)에 의해 발생된 조종 모멘트 상태로 인하여 1조의 바퀴에 의해 전체적으로 접선 트랙에서 발생한다. 불안정한 측면의 비틀림 힘 평형은, 마찰 쐐기에서의 결과가 기본적으로 동일하기 때문에 설명하지 않는다.

곡선동작 또는 불안정한 측면으로 인해서, 트럭에서의 비틀림 모멘트가, 트럭의 벡터성분에서 내부 짝힘(internal force couple) 또는 모멘트에 반작용하게 된다. 도 1 및 도 2는 마찰 쐐기에서의 내부 비틀림 힘 반발력을 나타내었다. 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 비틀림 모멘트에 의해 발생된 내부 비틀림 반발력의 방향을 나타낸 도면이다. 임계 세로방향 힘인,

로 도시된 힘은, 힘이 더 높은 위치에 있는 것과, 그에 따른 파단점 힘을 설명하기 위해서 세로방향 힘(

)과 구별하여 나타내었다.

트럭 비틀림의 외부힘과 편향도를 측정하는 적절한 방법에는 트럭 비틀림 표 테스트가 있다. 상기 테스트에서, 트럭의 한쪽 축은 고정되고, 다른 축은 고정 축에 대하여 측면 방향으로 병렬 힘을 받게 된다. 테스트 힘이 중앙판에서 받침대 대신에 고정축에 의하여 평형되어야 하는 트럭에 회전 모멘트를 가하기 때문에, 상기 테스트에 의해 발생된 비틀림 동작이 곡선동작 힘의 평형과 측면 안정성 힘의 평형과는 어느 정도 다르다. 모멘트 평형의 차이의 결과로서, 임계 비틀림 힘의 위치는 쐐기의 외측부로부터 내측부로 이동한다. 비틀림 마찰 모멘트를 결정할 목적으로, 마찰 쐐기상에 비틀림 모멘트와 비틀림 작용력 사이의 관계가 힘 평형의 차이에 의한 영향을 받지 않게 한다. 비틀림 마찰 모멘트를 측정할 목적으로, 비틀림 마찰 모멘트가 바퀴 기초부(b)에 의해 파단시 전단력을 곱하여 입력 축간 전단력에서 직접 연산할 수 있기 때문에, 상기 테스트는 적절하고 편리한 것이다. 비틀림 마찰 모멘트를 예상하고 본 발명의 수학적 모델용으로 전개된 방정식이 이러한 힘 평형에 기초가 된다.

비틀림 힘(F)과 압축 감쇠력(

)을 설명하는 2개 방정식이 마찰 쐐기 형상, 탄성력(P) 및 쐐기 각도(θ)의 2개 기본 매개변수를 결정하는데 필요한 기본 방정식이다. 연립 방정식의 2개 방정식의 조합은, 비어있거나 화물을 적재한 차량 중량 상태에서 P 및 θ로 한다. 차례로, 방정식은 1조의 실재 입력 매개변수에 따라서 해답을 찾아낸다. 입력 매개변수에서, "차량 중량", "트럭 크기", "탄성 특성", "트럭 경계면 특성", 및 "쐐기의 마찰 특성"과 같은 것은 고정되고, 그리고 "쐐기 구조" 및 "완충 감쇠와 용량 비율"과 같은 것으로 자유 결정된다. 차량 크기, 트럭 크기, 및 재료 특성은 고정된 매개변수를 사전 결정하여, 상기 매개변수를 결정하는데 임의적이지 않은 것은 거의 없다. 다른 매개변수, 특히 쐐기 폭(

), 쐐기 높이(R), 및 탄성 중량에 대한 압축 감쇠력의 비(

)는, 설계자가 바라는 필요한 성능에 부합하게 조정될 수 있기 때문에 자유 재량에 맡겨진다. 또한 로드 스프링 그룹을 선택하기 위한 입력 매개변수도 있다. 이러한 섹션이 다중-코일 스프링 그룹의 개별 성질을 설명하기 위해 일체의 로드 스프링 비와 높이 대신에 포함된다. 그 결과, 측면 탄성 힘과 형상이 상기 매개변수용으로 최적한 수치보다는 개개 로드 탄성 비와 용량에 정확히 비례하여 정해진다.

이러한 방법의 목적은 모든 표준 운행 상태에서 차량 안정성을 유지하도록, 마모 상태에서 충분한 감쇠동작 및 비틀림 내성을 이루게 마찰 쐐기와 측면 스프링이 함께 동작을 하도록 설계 값을 산출하는 것이다. 이러한 방법에서, 기술자는 결과 값이 제조 및 수용할 수 있는 새로운 차량 감쇠동작 수준을 넘지 않게 하여야 한다.

본 설계 방법의 분석적 결과는, 최대화된 비틀림 저항과 최소화된 감쇠동작을 위해, 가장 효과적인 트럭 작동을 위한 이상적인 상태는 마찰 쐐기의 각(θ)이 단일 쐐기이거나, 분할 쐐기로서 알려진 것이든지 간에 28°내지 약 32°이라는 것을 나타낸다. 이것은 상기 도시된 타입의 감쇠장치에서 사용되어졌던 것보다 일반적으로 작은 쐐기 각도이다. 가장 효과적인 감쇠동작을 위해서는, 차량의 매개변수에 어느 정도 의존하여 어느 정도의 범위에서, 힘(P)은 대략 1,350 lbf 내지 7,300 lbf 사이이어야 한다. 상기의 범위에서, 차량 크기, 타입, 및 로드를 고려하여, 많은 변형예를 산정할 수 있으나, 측면 스프링 로드는 상기의 수치 범위 이내이어야 한다.

Claims (11)

1. 받침대, 1조의 측면 프레임, 받침대와 측면 프레임 간의 상관 동작을 감쇠시키는 복수개의 마찰 쐐기, 및 각 마찰 쐐기를 받치고 있는 측면 스프링을 구비하는 철도차량 트럭용 감쇠장치에 있어서,

   각 마찰 쐐기는 세로면과 경사면 사이에 각(θ)으로 이루어진 삼각형태로 형성되고,

   각각의 측면 스프링의 힘(P)과 각(θ)은 다음의 식으로 형성되며:

   

   여기서, Fw_WE는 필요한 비틀림 마찰력-마모-화물적재 않은 차량(empty);

   μ_2W 경사 비틀림 계수-최대;

   μ_1W 세로 비틀림 계수-최대;

   a: 베어링 중심;

   b: 바퀴 기초부;

   W_w: 쐐기 폭;

   V_c/WE: 완충장치에 대한 최대 압축 감쇠력-화물적재 않은 차량;

   μ_1d: 세로 감쇠 계수;

   μ_2d: 경사 감쇠 계수 인 것을 특징으로 하는 감쇠장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각(θ)은 28°와 32°사이에서 변하는 것을 특징으로 하는 감쇠장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 힘(P)은 1,350 lbf 와 7,300 lbf 사이에서 변하는 것을 특징으로 하는 감쇠장치.
4. 제 1 항에 있어서, 받침대는 각각의 포켓이 측면 프레임의 칼럼과 대면하고 있는 1조의 포켓을 각각의 단부에서 구비하며, 각각의 포켓에는 마찰 쐐기가 있는 것을 특징으로 하는 감쇠장치.
5. 제 4 항에 있어서, 각각의 마찰 쐐기는 단일 쐐기 요소인 것을 특징으로 하는 감쇠장치.
6. 제 4 항에 있어서, 각각의 마찰 쐐기는 대칭인 2개의 쐐기 절반부로 이루어진 것을 특징으로 하는 감쇠장치.
7. 받침대, 1조의 측면 프레임, 및 마찰 쐐기를 받치고 있는 측면 스프링을 사용하여 받침대와 측면 프레임을 상관 동작시키는 감쇠장치를 구비하는 철도차량 트럭을 설계하는 방법에 있어서, 상기 방법은:

   세로면과 경사면 사이에 형성된 각(θ)을 가진 마찰 쐐기를 선택하는 단계와;

   힘(P)을 가진 측면 스프링을 선택하는 단계를 포함하며;

   상기 힘(P)과 상기 각(θ)은 다음의 식으로 정의되며:

   

   여기서, Fw_WE는 필요한 비틀림 마찰력-마모-화물적재 않은 차량(empty);

   μ_2W 경사 비틀림 계수-최대;

   μ_1W 세로 비틀림 계수-최대;

   a: 베어링 중심;

   b: 바퀴 기초부;

   W_w: 쐐기 폭;

   V_c/WE: 완충장치에 대한 최대 압축 감쇠력-화물적재 않은 차량;

   μ_1d: 세로 감쇠 계수;

   μ_2d: 경사 감쇠 계수 인 것을 특징으로 하는 철도차량 트럭 설계 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 각(θ)은 28° 내지 32°사이에서 변하는 것을 특징으로 하는 철도차량 트럭 설계 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 측면 스프링 힘(P)은 1,350 lbf 내지 7,300 lbf 로 변하는 것을 특징으로 하는 철도차량 트럭 설계 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 각 마찰 쐐기는 단일 마찰 요소인 것을 특징으로 하는 철도차량 트럭 설계 방법.
11. 제 7 항에 있어서, 각 마찰 쐐기는 대칭인 마찰 쐐기 요소로 형성되는 것을 특징으로 하는 철도차량 트럭 설계 방법.

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