KR100766362B1 - 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량 차체의 상부를 구성하는 상부프레임은 경량의 복합소재로 이루어지고 하부를 구성하는 언더프레임은 알루미늄 압출재로 이루어져 차체의 무게를 경량화함과 동시에 강도나 충격 하중에도 강한 특성을 가지는 이원화된 구조를 갖는 철도차량의 차체에 관한 것으로, 이와 같은 본 발명은 철도차량의 바닥부분으로 알루미늄 압출재로 이루어지는 언더프레임과; 상기 언더프레임의 양측단부에 하단부가 결합되어 일정한 공간부를 형성하되 복합소재로 이루어지는 상부프레임;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량 차체의 상부프레임은 강화섬유와 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적용한 복합소재로 제작하여 경량화 효과를 극대화 하고, 상기 상부프레임이 결합되는 언더프레임은 알루미늄 압출재로 제작하여 경량화 및 하부기기의 설치가 용이한 장점을 가진다.
철도차량, 차체, 프레임

Description

이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체 및 이의 제조 방법 { body of railroad vehicle having two way structure and the manufacturing method }
도 1은 일반적인 철도차량의 차체를 도시한 도면.
도 2는 일반적인 철도차량의 차체 상단 연결부위를 도시한 단면도.
도 3은 일반적인 철도차량의 차체 하단 연결부위를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체의 단면을 도시한 도면.
도 5는 도 4의 차체 연결부위를 확대도시한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체의 단면을 도시한 도면.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
100: 차체 110: 언더프레임
120: 상부프레임 121: 연결부
122: 사이드프레임 124: 천정프레임
125: 보강부재
본 발명은 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철도차량 차체의 상부를 구성하는 상부프레임은 경량의 복합소재로 이루어지고 하부를 구성하는 언더프레임은 알루미늄 압출재로 이루어져 차체의 무게를 경량화함과 동시에 강도나 충격 하중에도 강한 특성을 가지는 철도차량 차체와 그와 같은 철도차량 차체의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 차체는 도 1에 도시한 바와 같이 바닥을 구성하는 언더프레임(110)과, 그 언더프레임(110)의 상부에 구비되는 상부프레임(120)으로 이루어진다. 이때, 상기 상부프레임(120)은 상기 언더프레임(110)의 양측단부에 수직방향으로 구비되어 벽체를 형성하는 사이드프레임(122)과, 그 사이드프레임(122)의 상단에 수평방향으로 구비되는 천정프레임(124)으로 이루어지며, 그 내외측면에는 내장재 또는 외장재로 마감처리를 하게 된다.
이와 같은 철도차량의 차체(100)는 종래에는 스테인레스나 알루미늄압출재를 이용하여 언더프레임(110)과 사이드프레임(122) 및 천정프레임(124)을 부분적으로 제작하고 이들을 용접에 의해 결합하여 차체를 완성하였으나, 이들은 그 철도차량 차체(100)의 무게가 증가하여 철도차량의 운행시 전력 및 에너지 소모가 증가되는 단점을 가지고 있다.
한편, 최근에는 철도차량 차체의 경량(輕量)화를 위해 복합소재를 적용하여 철도차량 차체를 제작하기도 하는데 이는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 복합소재로 이루어지는 내외판(130,131)의 내부에 폼코어나 알루미늄 허니콤(132)을 삽입한 샌드위치패널 구조를 이용하여 철도차량 차체(100)를 구성하는 언더프레임(110)과 사이드프레임(122) 및 천정프레임(124)을 제작하여 접착제를 이용, 결합하여 철도차량의 차체(100)를 완성하게 된다. 즉, 언더프레임(110)의 측단부 및 사이드프레임(122)의 하단부에 접착제를 도포한 후 부착하여 결합시키고, 사이드프레임(122)의 상단부 및 천정프레임(124)의 측단부에 접착제를 도포한 후 부착하여 결합시키는 과정을 통해 철도차량 차체(100)를 완성하게 된다. 그런데 이와 같은 복합소재로 이루어진 내판(130)이나 외판(131)만를 접착제만으로 부착하여 찰도차량 차체(100)를 제작하는 경우에는 강도나 충격 하중에 매우 취약한 단점을 가진다.
또한, 최근의 다른 방식으로 언더프레임(110)을 제외한 나머지 사이드프레임(122) 및 천정프레임(124)으로 이루어지는 상부프레임(120)을 일체로 성형하고 언더프레임(110)과 리벳팅을 통해 체결하여 철도차량 차체(100)를 제작하기도 하지만 볼트나 리벳을 적용할 경우 볼트 및 리벳을 체결하기 위한 홀을 가공해야 하므로 그와 같은 작업공정의 추가로 인해 제작시간이 길어지고, 이러한 홀은 철도차량 차체의 손상으로 작용하여 철도차량 차체의 강도를 취약하게 만드는 단점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 철도차량 차체의 상부프레임은 복합소재를 적용하여 경량화를 극대화하고 하부의 언더프레임은 알루미늄 압출재로 제작하여 경량화 및 하부기기의 설치를 용이하게 하는 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 복합소재로 이루어지는 상부프레임과 알루미늄으로 이루어지는 언더프레임의 단부를 조립시 리벳이나 볼트 및 접착제를 적용하지 않고 용접이 가능하도록 하여 생산성을 향상시킨 구조를 가지는 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 본 발명은 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체에 관한 것으로; 철도차량의 바닥부분으로 알루미늄 압출재로 이루어지는 언더프레임과; 상기 언더프레임의 양측단부에 하단부가 결합되어 일정한 공간부를 형성하되 복합소재로 이루어지는 상부프레임;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상부프레임은 벽체를 형성하는 사이드프레임과, 그 사이드프레임의 상단에 수평방향으로 구비되는 천정프레임으로 이루어지되 상기 사이드프레임과 천정프레임은 일체로 형성되어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 사이드프레임의 하단부에는 알루미늄 압출재로 이루어지는 연 결부를 삽입하여 일체로 성형하여, 상기 언더프레임의 양측단부에 상기 연결부를 용접하여 일체로 결합시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부프레임을 구성하는 복합소재는 강화섬유와 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적층하여 제작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유 또는 아라미드 섬유 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 기지재료는 에폭시, 폴리에스터 또는 페놀 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부프레임은 차체의 강도를 확보하기 위해 보강부재(stiffener)가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보강부재는 "I"자형 또는 "ㄷ"자형인 것을 특징으로 한다.
그리고, 철도차량의 바닥부분으로 알루미늄 압출재로 이루어지는 언더프레임과; 상기 언더프레임의 상부에 구비되어 일정한 공간부를 형성하며 복합소재로 이루어지는 내판과 외판의 사이에 알루미늄이나 폼코어를 삽입하여서 이루어지는 샌드위치패널로 이루어지되 그 하단부에는 알루미늄 압출재로 이루어져 상기 언더프레임의 양측단부에 결합되는 연결부가 일체로 구비되는 상부프레임;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체의 제조 방법에 관한 것으로, 알루미늄을 압출성형하여 철도차량의 차체 바닥을 구성하는 언더프레임을 성형하는 제 1단계와, 강화섬유와 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적층시키되 그 하단부분에 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부를 삽입하고 일체로 상부프레임을 성형하는 제2 단계와, 상기 성형된 언더프레임의 양측단부에 상기 상부프레임의 하단 연결부를 용접하여 일체로 결합시키는 제 3단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2단계는 상부프레임을 성형시 차체의 강성을 보강하기 위한 보강부재를 함께 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체 및 이의 제조 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이때, 도 4는 본 발명에 따른 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체의 단면을 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 차체 하단 연결부위를 확대도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체의 단면을 도시한 도면이다.
도 4에 의하면, 본 발명에 따른 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체(100)는 철도차량의 바닥부분으로 알루미늄 압출재로 이루어지는 언더프레임(110)과, 그 언더프레임(110)의 양측단부(110a,110b)에 하단부(120a,120b)가 결합되어 일정한 공 간부(150)를 형성하되 복합소재로 이루어지는 상부프레임(120)으로 이루어진다.
이때, 상기 상부프레임(120)은 상기 언더프레임(110)의 양측단부에 수직방형으로 구비되어 철도차량의 벽체를 형성하되 다수의 도어틀 및 창틀이 일정간격을 유지하며 형성되는 사이드프레임(122)과, 그 사이드프레임(122)의 상단에 수평방향으로 구비되는 천정프레임(124)으로 이루어지는데, 상기 사이드프레임(122)과 천정프레임(124)은 일체로 이루어진다.
한편, 상기 상부프레임(120)을 구성하는 복합소재는 강화섬유와 기지재료로 이루어지는데, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드 섬유 등이 사용될 수 있며, 상기 기지재료는 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등이 사용된다.
이와 같이 강화섬유와 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적층하여 제작되는 복합소재로 이루어지는 상부프레임(120)은 제작된 차체(100)의 강도 및 강성을 확보하기 위해 "I"자형 등의 다양한 보강부재(stiffener)(125)를 동시에 성형하여 추가하게 된다. 물론, 상기 보강부재(125)는 "I"자형 뿐만아니라 "ㄷ"자형 등 다양한 구조로 이루어짐도 바람직하다.
또한, 상기 보강부재(125)는 철도차량 차체(100)의 강성을 증가시킬 뿐만 아니라 내장재(미도시됨) 설치를 위한 브라켓의 역할도 함께 수행한다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 언더프레임(110)의 양측단부(110a,110b)와, 상부프레임(120)의 하단부(120a,120b)의 결합구조를 설명하기 위해 확대도시한 도면으로, 복합소재로 구성되는 철도차량 차체(100)의 상부프레임(120)과, 알루미늄 압 출재로 제작된 언더프레임(110)간의 접합부이다.
일반적으로 금속재와 복합소재와 같은 이종(異種)재질을 갖는 구조물의 경우 조립을 위한 체결방법으로 주로 볼트나 리벳을 이용한 방법 또는 접착재를 이용한 방법등이 적용되고 있으나 볼트나 리벳과 같은 체결수단을 적용할 경우 볼트 및 리벳이 관통되기 위한 홀(hole)을 가공해야 하고 이러한 홀은 그 철도차량 차체(100)의 손상으로 작용하여 차체(100)의 강도가 취약해지는 문제점을 가질 수 있고, 접착제를 이용하여 결합하는 경우 강도나 충격하중에 취약할 수 있으므로, 본 발명에서는 복합소재로 제작되는 차체(100)의 상부프레임(120)의 하단부(120a,120b)에 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부(121)를 복합재 내부에 삽입하여 일체로 성형하게 된다.
즉, 상부프레임(120)을 구성하는 양측면의 사이드프레임(122)을 구성하는 복합소재를 적층하는 단계에서 그 사이드프레임(122)의 하단부에 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부(121)를 각각 삽입하여 동시에 일체로 구비한다.
이와 같이 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부(121)가 일체로 구비되는 상부프레임(120)을 언더프레임(110)에 고정시에는 용접을 통해 간단히 일체로 결합시키게 된다.
이때, 상기 상부프레임(120)의 연결부(121)를 언더프레임(110)의 양측단부(110a,110b)에 결합시에는 연결부(121)와 언더프레임(110)의 재질이 알류미늄이므로 불활성 가스 아크 용접을 하게 된다.
이하, 도 4 및 도 5를 참고로 본 발명에 따른 철도차량 차체의 제조 과정을 상세히 설명한다.
먼저, 알루미늄을 압출성형하여 철도차량의 차체(100) 바닥을 구성하는 언더프레임(110)을 성형하게 된다.(제 1단계)
상기 제1 단계를 거쳐 언더프레임(110)을 성형한 후, 강화섬유와 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적층시 상부프레임(120)의 그 하단부(120a,120b) 부분에 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부(121)를 각각 삽입하고 일체로 성형하게 된다.(제2 단계)
상기 제2 단계를 거쳐 상부프레임(120)을 성형한 후, 상기 언더프레임(110)의 양측단부에 상부프레임(120)의 하단부(120a,120b)를 용접하여 일체로 결합시키게 된다.(제 3단계)
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명에 따른 이원화된 구조를 갖는 철도차량 차체(100)를 도시한 도면으로, 차체(100)를 구성하는 상부프레임(120)을 복합소재로 이루어지게 하되 일정간격을 유지하며 배치되는 내판(127a)과 외판(127b)의 사이에 알루미늄이나 폼코어(127c)를 삽입하여서 이루어지는 샌드위치패널(127)로 이루어진다.
이와 같은 알루미늄이나 폼코어를 삽입하여 줌으로써 철도차량 차체(100)의 강성을 향상시킬 수 있는 것으로서 별도의 보강부재가 필요없는 구조를 이루게 된다.
한편, 상기 샌드위치패널(127)로 이루어지는 상부프레임(120)의 하단부(120a,120b)에는 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부를 복합재 내부에 삽입하여 일체로 구비하게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 철도차량 차체의 상부프레임은 강화섬유와 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적용한 복합소재로 제작하여 경량화 효과를 극대화 하고, 상기 상부프레임이 결합되는 언더프레임은 알루미늄 압출재로 제작하여 경량화 및 하부기기의 설치가 용이한 장점을 가진다.
또한, 상부프레임의 양측 하단부에 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부를 각각 구비하여, 상부프레임을 언더프레임에 결합시에 리벳이나 볼트 및 접착제를 이용하지 않고 용접을 통해 간단히 결합시켜 줌으로서 생산성을 향상시키는 장점을 가진다.

Claims (11)

  1. 철도차량의 바닥부분으로 알루미늄 압출재로 이루어지는 언더프레임과;
    상기 언더프레임의 양측단부에 하단부가 결합되어 일정한 공간부를 형성하되 복합소재로 이루어지는 상부프레임;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부프레임은 벽체를 형성하는 사이드프레임과, 그 사이드프레임의 상단에 수평방향으로 구비되는 천정프레임으로 이루어지되 상기 사이드프레임과 천정프레임은 일체로 형성되어지는 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 사이드프레임의 하단부에는 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부를 삽입하여 일체로 성형하여, 상기 언더프레임의 양측단부에 상기 연결부를 용접하여 일체로 결합시키는 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 상부프레임을 구성하는 복합소재는 강화섬유와 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적층하여 제작하는 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유 또는 아라미드 섬유 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 기지재료는 에폭시, 폴리에스터 또는 페놀 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 상부프레임은 차체의 강도를 확보하기 위해 보강부재(stiffener)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 보강부재는 "I"자형 또는 "ㄷ"자형인 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  9. 철도차량의 바닥부분으로 알루미늄 압출재로 이루어지는 언더프레임과;
    상기 언더프레임의 상부에 구비되어 일정한 공간부를 형성하며 복합소재로 이루어지는 내판과 외판의 사이에 알루미늄이나 폼코어를 삽입하여서 이루어지는 샌드위치패널로 이루어지되 그 하단부에는 알루미늄 압출재로 이루어져 상기 언더프레임의 양측단부에 결합되는 연결부가 일체로 구비되는 상부프레임;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체.
  10. 알루미늄을 압출성형하여 철도차량의 차체 바닥을 구성하는 언더프레임을 성형하는 제 1단계와;
    강화섬유와 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적층시키되 그 하단부분에 알루미늄 압출재로 이루어지는 연결부를 삽입하고 일체로 상부프레임을 성형하는 제2 단계와;
    상기 성형된 언더프레임의 양측단부에 상기 상부프레임의 하단 연결부를 용 접하여 일체로 결합시키는 제 3단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제2단계는 상부프레임을 성형시 차체의 강성을 보강하기 위한 보강부재를 함께 형성하는 것을 특징으로 하는 이원화된 프레임 구조를 갖는 철도차량 차체의 제조 방법.
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