KR100936822B1 - 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동조향대차 - Google Patents

가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동조향대차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량의 직선 및 곡선선로 주행시 대차의 주행안정성을 향상시킴으로써 철도차량의 탈선에 대한 안정성을 높이고, 차륜과 레일의 주행진동을 최소화하여 안락한 승차감을 얻도록 구성된 철도차량의 반능동 조향대차에 관한 것으로서, 특히, 대차프레임에 힌지결합된 가변댐퍼가 윤축의 양단에 체결된 액슬박스를 지지하도록 함으로써 철도차량이 직선 선로구간을 주행할 때에는 가변댐퍼의 감쇠계수를 높여서 철도차량의 직선주행에 대한 주행안정성을 높이고, 철도차량이 곡선 선로구간을 주행할 때는 가변댐퍼의 감쇠계수를 낮추어서 철도차량의 곡선주행에 대한 주행성능을 높이도록 구성된 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차에 관한 것이다.
본 발명은 윤축 양단의 액슬박스가 설치되는 철도차량용 반능동 조향대차에 있어서, 상기 액슬박스는 대차프레임에 결합된 가변댐퍼에 의해 지지되도록 구성된다.
가변댐퍼, 철도차량, 조향대차. 액슬박스

Description

가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동조향대차 {The steering bogie with variable damper for railway vehicle}
본 발명은 철도차량의 직선 및 곡선선로 주행시 대차의 주행안정성과 주행성능을 향상시킴으로써 철도차량의 탈선에 대한 안정성을 높이고, 차륜과 레일의 주행진동을 최소화하여 안락한 승차감을 얻도록 구성된 철도차량의 반능동 조향대차에 관한 것으로서, 특히, 대차프레임에 힌지결합된 가변댐퍼가 윤축의 양단에 체결된 액슬박스를 지지하도록 함으로써 철도차량이 직선 선로구간을 주행할 때는 가변댐퍼의 감쇠계수를 높여서 철도차량의 직선주행에 대한 주행안정성을 높이고, 철도차량이 곡선 선로구간을 주행할 때는 가변댐퍼의 감쇠계수를 낮추어서 철도차량의 곡선주행에 대한 주행성능을 높이도록 구성된 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차에 관한 것이다.
일반적으로, 철도차량에 적용되는 대차는 차체의 하중을 지지함과 동시에 각 차륜에 차체의 하중이 고르게 분포되도록 하고, 상기 차체에 대하여 자유롭게 방향 을 전환하여 철도차량의 직선주행 및 곡선주행을 원활하게 하는 장치이다.
이와 같은 종래의 대차는 철도차량의 곡선주행시, 차륜과 레일간에 발생하는 초과원심력 및 안내하중을 완화시킬 수 있는 대차의 조향력이 충분하지 못하여 차륜의 플랜지와 레일 측면간의 마찰로 높은 소음이 발생함과 동시에 진동이 수반되면서 승객에 대한 승차감이 크게 저하되는 문제점이 발생되고, 이로 인해 차륜의 마모 및 레일의 파손으로까지 이어지면서 차량의 탈선으로 인한 대형사고가 발생하는 등의 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 철도차량이 곡선선로 주행시 대차가 조향되도록 하는 여러 가지 구조의 반능동 조향대차가 제시되고 있고, 그 일례로서 도 1에 도시한 바와 같은 반능동 조향대차가 제시되고 있다.
상기의 반능동 조향대차는 레일을 따라 주행하는 차륜과, 상기 차륜이 체결되는 윤축과, 전,후방으로 분할 형성된 대차프레임과, 상기 전,후방 대차프레임이 연결된 조인트부와, 상기 전,후방 대차프레임의 간극을 커버하는 설치프레임과, 상기 전,후방 대차프레임을 상호 탄력적으로 연결하는 탄성변위수단으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래의 철도차량용 반능동 조향대차는 철도차량이 곡선선로 주행시 전,후방의 대차프레임을 연결하는 탄성변위수단이 수축,이완하며 대차가 조향되는데, 상기 탄성변위수단의 강성이 작으면 철도차량이 직선선로 주행시 주행안정성이 떨어지고, 상기 탄성변위수단의 강성이 크면 철도차량이 곡선선로 주행시 주행안정성이 떨어져서 철도차량의 원심력과 캔트(곡선선로의 내측 레일을 기준으로 외측 레일을 높게 부설한 것)에 의한 복원력이 불균형을 이룰 경우에 철도 차량이 한쪽 방향으로 밀려 차륜의 플랜지가 레일과 접촉하여 소음과 진동이 발생하고 철도차량이 탈선할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 대차프레임에 힌지결합된 가변댐퍼로 윤축의 양단에 설치된 액슬박스를 지지하도록 구성함으로써, 철도차량이 직선선로를 주행할 때는 가변댐퍼의 감쇠계수를 높게 유지하여 철도차량의 직선선로 주행안정성을 높이고, 철도차량이 곡선선로를 주행할 때는 가변댐퍼의 감쇠계수를 낮추어 철도차량의 곡선선로 주행성능을 높일 수 있는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
또한, 철도차량이 직선선로를 고속주행할 때 센서가 윤축의 진동을 측정하여 액슬박스를 지지하는 가변댐퍼의 감쇠계수를 조정함으로써, 철도차량이 직선선로를 고속 주행시 진동을 감소시켜 승차감을 향상시킬 수 있는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 윤축의 양단에 액슬박스가 설치되는 철도차량용 반능동 조향대차에 있어서, 상기 액슬박스는 대차프레임에 결합된 가변댐퍼에 의해 지지되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가변댐퍼는 윤축과 수평이 되도록 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가변댐퍼는 윤축과 경사지도록 설치된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 가변댐퍼는 센서부 및 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 센서부는 진동가속도 센서 또는 변위센서 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 가변댐퍼는 액슬박스와 구형조인트로 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가변댐퍼는 대차프레임과 힌지결합된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 구형조인트에 소켓부에는 고무부싱이 삽입되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가변댐퍼는 MR댐퍼(Magneto-Rheological damper), 유압댐퍼, ER댐퍼(Electro-Rheological damper) 또는 전기-기계댐퍼 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 센서부는 직선 선로구간에서 진동을 측정하여 제어부로 송신하고, 상기 제어부는 상기 진동주파수를 최소화할 수 있도록 감쇠계수를 설정하여 가변댐퍼로 송신함으로써 상기 가변댐퍼의 감쇠계수를 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가변댐퍼는 철도차량이 직선 선로구간을 주행할 때는 감쇠계수를 높이고, 철도차량이 곡선 선로구간을 주행할 때는 감쇠계수를 낮추는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차는 대차프레 임에 힌지결합된 가변댐퍼로 윤축의 양단에 체결된 액슬박스를 지지하도록 구성됨으로써, 철도차량이 직선선로를 주행할 때는 가변댐퍼의 감쇠계수를 높게 유지하여 철도차량의 직선선로 주행안정성을 높이고, 철도차량이 곡선선로를 주행할 때는 가변댐퍼의 감쇠계수를 낮추어 철도차량의 곡선선로 주행성능을 높일 수 있다.
또한, 철도차량이 직선선로를 고속주행할 때 센서부가 윤축의 진동을 측정하여 액슬박스를 지지하는 가변댐퍼의 감쇠계수를 조정함으로써, 철도차량이 직선선로를 고속 주행시 철도차량의 진동을 감소시켜 승차감을 향상시킨다.
이하 첨부한 도면에 의하여 본 발명을 자세히 설명하면 다음과 같다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 윤축의 양단에 설치된 액슬박스가 일차현가장치에 의해 탄력지지되는 철도차량용 반능동 조향대차에 있어서, 상기 액슬박스(104)는 대차프레임(101)에 고정 설치된 가변댐퍼(105)에 의해 지지되도록 구성된다.
그리고, 상기 가변댐퍼(105)는 윤축과 수평되도록 설치되거나 윤축과 경사지도록 설치되되, 상기 가변댐퍼(105)는 대차프레임(101)과 힌지결합되는 것이 바람직하고, 상기 가변댐퍼(105)는 철도차량의 센서부(110) 및 제어부(150)에 의해 제어되도록 구성된다. 또한, 상기 센서부(110)는 진동가속도 센서 또는 변위센서 중 어느 하나로 구성된다.
본 발명의 일실시예는 도 2에 도시한 바와 같이 가변댐퍼(105)는 대차프레 임(101)과 힌지결합되고, 상기 가변댐퍼(105)는 윤축의 양단에 설치된 액슬박스(104)와 힌지결합된다.
상기 가변댐퍼(105)는 감쇠계수를 임의로 조정할 수 있는 것으로서, 본 발명의 가변댐퍼(105)는 MR댐퍼(Magneto-Rheological Damper)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 MR댐퍼는 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 미크론 크기의 자성을 가질 수 있는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액이 내부에 충전된 것으로서 자기장이 부하되지 않은 경우에는 뉴튼 유체성질을 가지지만 자기장이 부하되면 분산 입자가 분극화를 일으켜 부하된 자기장과 평행한 방향으로 섬유질이 형성되어 전단력이나 유동에 대한 저항력을 가지도록 구성된 것이다.
상기와 같이 대차(100)의 윤축과 수평이 되도록 액슬박스(104)와 힌지결합된 가변댐퍼(105)는 철도차량이 직선선로를 주행할 때 가변댐퍼(105)가 높은 감쇠계수를 유지하며 상기 액슬박스(104)를 높은 감쇠력으로 지지하여서 철도차량이 직선선로를 안정적으로 주행하도록 한다. 그리고, 철도차량이 곡선선로로 진입하면 철도차량에 설치된 제어부(150)가 곡선선로를 검지하고, 제어기(120)가 현재 가변댐퍼(105)의 감쇠계수보다 낮은 감쇠계수를 결정하여 증폭기(130)로 신호를 송신하며, 상기 증폭기(130)는 제어기(120)에서 송신된 감쇠계수에 따른 전기신호를 증폭하여 가변댐퍼(105)로 인가한다. 상기와 같이 제어기(120)로부터 가변댐퍼(105)로 전기신호가 송신되면 가변댐퍼(105)는 감쇠계수가 낮아져 대차(100)의 윤축이 원활히 조향되어 철도차량이 곡선선로를 따라 원활히 주행하는 곡선추종성능이 향상된다.
그리고, 철도차량이 곡선선로를 빠져나와 직선선로를 주행할 때는 상기 제어기(130)가 높은 감쇠계수를 결정하여 증폭기(130)로 신호를 송신하여 증폭기(130)의 상기 신호를 증폭하여 가변댐퍼(105)로 전기신호를 인가함으로써 가변댐퍼(105)의 감쇠계수가 높아져 철도차량이 직선선로를 안정적으로 주행한다.
또한, 상기 가변댐퍼(105)는 액슬박스(104)와 구형조인트(Spherical Joint)연결되되, 상기 구형조인트의 소켓부(109)에는 고무부싱(108)이 삽입됨으로써 철도차량의 주행중 발생하는 진동을 상기 고무부싱(108)이 흡수하여 승차감을 높이고, 대차(100)의 윤축이 조향될 때 발생하는 윤축의 축방향 변위를 상기 구형조인트가 흡수함으로써 윤축이 구속되지 않고 자유롭게 조향될 수 있도록 한다.
도 5에 도시한 바와 같이 가변댐퍼(105)가 액슬박스(104)와 구형조인트로 결합됨으로써, 대차(100)의 윤축이 조향될 때 발생하는 축방향의 변위를 상기 구형조인트가 흡수하여서 윤축이 조향될 때 가변댐퍼(105)가 이를 구속하지 않도록 한다. 또한, 상기 구형조인트의 볼(107)과 소켓부(109)에는 고무부싱(108)이 삽입되어서 철도차량이 고속주행할 때 발생하는 진동을 상기 고무부싱(108)이 흡수하여 승차감을 높인다.
본 발명의 다른 실시예는 도 3에 도시한 바와 같이 가변댐퍼(105)가 대차프레임(101)에 힌지결합되고, 상기 가변댐프(105)는 윤축과 경사지도록 액슬박스(104)와 힌지결합된다.
본 발명의 다른 실시예는 상술한 본 발명의 일 실시예와 같이 철도차량이 직 선선로 구간을 주행할 때는 가변댐퍼(105)가 높은 감쇠력으로 액슬박스(104)를 지지함으로써 철도차량의 주행안정성을 높이고, 철도차량이 곡선선로 구간을 주행할 때에는 가변댐퍼(105)가 낮은 감쇠계수로 설정되어서 윤축이 원활히 조향되도록 하여 철도차량이 곡선선로 구간을 부드럽게 주행하도록 한다.
그리고, 상기와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예는 가변댐퍼(105)가 액슬박스(104)를 경사지게 지지하고 있기 때문에 철도차량이 선로를 고속주행할 때 발생하는 윤축의 종향향 진동을 상기 가변댐퍼(105)가 흡수함으로써 철도차량이 안정적으로 고속 주행할 수 있고 승차감이 향상된다.
상기와 같이 가변댐퍼(105)가 윤축과 경사지게 액슬박스(104)를 지지하고 있는 상태에서 철도차량이 선로를 주행하면 도 4에 도시한 바와 같이 철도차량에 설치된 센서부(110)가 윤축의 진동을 측정하여 진동을 제어기(120)로 송신하고, 상기 제어기(120)는 윤축의 진동주파수를 분석하여 진동이 크게 나타나는 주파수대역의 진폭을 최소화할 수 있는 감쇠계수를 설정하여 이에 대응하는 신호를 증폭기(130)로 보낸다. 상기 증폭기(130)에서는 제어기(120)의 신호를 수신 증폭하여 가변댐퍼(105)에 인가함으로써 감쇠계수를 변화시켜 철도차량의 주행시 발생되는 진동을 최소화 한다.
이상에 설명한 본 발명의 가변댐퍼(105)는 MR댐퍼(Magneto-Rheological damper)인 것으로 설명하였으나, 가변댐퍼(105)로서 감쇠계수를 임의로 조정할 수 있는 유압댐퍼, ER댐퍼(Electro-Rheological damper) 또는 전기-기계댐퍼 중 어느 하나로도 구성이 가능하고, 철도차량의 진동을 측정하는 센서부(110)는 진동가속도 센서 및 변위센서인 것이 바람직하다.
즉, 본 발명은 철도차량이 직선 선로구간을 주행할 때는 제어부(150)에 의하여 가변댐퍼(105)의 감쇠계수를 높여서 철도차량의 직선선로 주행 안정성을 높이고, 철도차량이 곡선 선로구간을 주행할 때는 제어부(150)에 의하여 가변댐퍼(105)의 감쇠계수를 낮추어서 윤축이 원활히 조향되도록 구성한 것이다.
이상, 본 발명에 의한 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동조향대차에 대해 설명하였다. 상기 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 반능동 조향대차의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 반능동 조향대차의 정면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 반능동 조향대차의 정면도.
도 4는 제어유닛의 가변댐퍼 제어 신호 흐름도.
도 5는 액슬박스조인트의 구성을 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 대차 101 : 대차프레임
102 : 차륜 103 : 일차현가장치
104 : 액슬박스 105 : 가변댐퍼
106 : 액슬박스조인트
107 : 볼 108 : 고무부싱
109 : 소켓부 110 : 센서부
120 : 제어기 130 : 증폭기
150 : 제어부

Claims (11)

  1. 윤축의 양단에 액슬박스가 설치되는 철도차량용 반능동 조향대차에 있어서,
    상기 액슬박스는 대차프레임에 결합되며 진동가속도 센서 또는 변위센서 중 어느 하나인 센서부 및 제어부에 의해 제어되는 가변댐퍼에 의해 지지되도록 구성되되,
    상기 가변댐퍼는 MR댐퍼(Magneto-Rheological damper), 유압댐퍼, ER댐퍼(Electro-Rheological damper) 또는 전기-기계댐퍼 중 어느 하나로 이루어지며,
    상기 센서부는 직선 선로구간에서 진동을 측정하여 제어부로 송신하고, 상기 제어부는 진동주파수를 최소화할 수 있도록 감쇠계수를 설정하여 가변댐퍼로 송신함으로써 상기 가변댐퍼의 감쇠계수를 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가변댐퍼는 윤축과 수평이 되도록 설치된 것을 특징으로 하는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가변댐퍼는 윤축과 경사지도록 설치된 것을 특징으로 하는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 가변댐퍼는 액슬박스와 구형조인트로 연결된 것을 특징으로 하는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가변댐퍼는 대차프레임과 힌지결합된 것을 특징으로 하는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 구형조인트에 소켓부에는 고무부싱이 삽입된 것을 특징으로 하는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 가변댐퍼는 철도차량이 직선 선로구간을 주행할 때는 감쇠계수를 높이고, 철도차량이 곡선 선로구간을 주행할 때는 감쇠계수를 낮추는 것을 특징으로 하는 가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차.
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