KR101114717B1

KR101114717B1 - 철도 차량용 2축 대차 및 철도 차량

Info

Publication number: KR101114717B1
Application number: KR1020107006454A
Authority: KR
Inventors: 사토시 기꼬; 다쿠지 나카이
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2012-04-17
Also published as: US20100236446A1; WO2009028415A1; CN101842247B; CA2697892C; TWI370071B; AU2008292607A1; US20110146530A1; JPWO2009028415A1; CA2697892A1; US7975619B2; EP2191981B1; TW200927555A; CN101842247A; US8418627B2; KR20100049657A; EP2191981A4; EP2191981A1; JP5397223B2; AU2008292607B2

Abstract

비용의 상승을 가능한한 억제하면서, 곡선 궤도를 주행할 때에 전륜축에 발생하는 횡압을 저감시킨다. 제1의 답면 구배를 가지는 차륜을 구비하는 전륜축과, 제1의 답면 구배와는 상이한 제2의 답면 구배를 가지는 차륜을 구비하는 후륜축을 구비하는 철도 차량용 2축 대차이다. 후륜측의 차륜의 답면 구배가 전륜축의 차륜의 답면 구배보다도 크다.

Description

철도 차량용 2축 대차 및 철도 차량 {TWO-AXLE BOGIE FOR RAILWAY VEHICLE AND RAILWAY VEHICLE}

본 발명은, 철도 차량용 2축 대차, 및 이 철도 차량용 2축 대차를 구비하는 철도 차량에 관한 것이다.

도 7은, 철도 차량용 2축 대차(1)가 곡선 궤도를 주행하는 상황을 나타내는 설명도이다.

도 7에 도시하는 바와같이, 대차(1)가 곡선 궤도를 주행할 때는, 진행 방향의 앞쪽의 윤축(輪軸)(이하, 「전륜축」이라고 한다.)(2f)의 바깥쪽의 차륜(3)과 곡선 궤도의 바깥쪽의 레일(5)의 사이의 좌우 방향의 힘(F1)(본 명세서에서는 「횡압」이라고 한다)이 높아진다.

도 8은, 곡선 궤도를 주행 시의 전륜축(2f)의 차륜(3)과, 곡선 궤도의 레일(5)의 관계를 나타내는 설명도이다.

도 8에 도시하는 바와같이, 곡선 궤도의 주행 시에는, 전륜축(2f)과 레일(5)의 상대 요각(yawing angle)인 어택각(α)(도 8중에 나타내는 바와같이 곡선 궤도에서는 윤축이 바깥쪽의 레일을 향하는 방향을 양의 값으로 한다)이 커진다. 이 때문에, 차륜(3)에 과대한 횡방향 슬라이드(「횡 크리프(creep)」라고도 한다)가 생겨, 도 7에 화살표로 나타나는 바와같이 대차(1)에 요잉(yawing)을 일으켜, 대차(1)의 전륜축(2f)에 있어서의 횡압(F1)이 발생한다.

한편, 진행 방향의 뒷쪽의 윤축(이하, 「후륜축」이라고 한다.)(2r)에서는, 후륜축(2r)의 횡변위는 거의 발생하지 않고, 좌우의 차륜(3)의 회전 반경의 차이도 거의 생기지 않는다. 이 때문에, 안팎의 레일(5)의 사이에 필요한 차륜 반경차(半徑差)(「순수 구름(pure rolling) 직경차」라고도 한다)를 얻을 수 없어, 과대한 종방향 슬라이드(「종 크리프」라고도 한다)가 생긴다. 이와 같이 하여 생기는 종 크리프력(F2)은, 전륜축(2f)의 횡압(F1)을 증가시키는 요인으로도 된다.

비특허 문헌 1에는, 후륜축에서의 종 크리프, 이어서 전륜축에서의 횡 크리프가, 급격한 곡선 궤도의 안쪽의 레일에 발생하는 파상(波狀) 마모의 주요 원인일 가능성이 높은 것이 기재되어 있다. 즉, 전륜축의 횡 크리프(횡압), 및 후륜축의 종 크리프를 저감시킬 수 있으면 이 파상 마모의 발생을 억제할 수 있다고 생각된다.

특허 문헌 1에는, 이 횡압을 저감시키기 위해서, 전륜축, 후륜축을 회전 자유롭게 지지하는 앞뒤의 액슬 박스(axle box) 지지 장치의 강성을 변화시키는 발명이나, 후륜축을 독립 차륜으로 하는 발명이 개시되어 있다.

특허 문헌 1：일본국 특허 제 2738114호 공보

비특허 문헌 1：평성 7년 철도 기술 연합 심포지엄(J-Rail’95) 「급곡선 통과 시에 있어서의 대차?궤도의 특성과 파상 마모 발생에의 영향」

그러나, 특허 문헌 1에 의해 개시된 발명을 실시하기 위해서는, 기존의 대차의 액슬 박스 지지 장치나 윤축을 개조할 필요가 있어, 막대한 비용을 요한다.

도 1은 기본 원추형상의 답면(tread)(6)를 가지는 차륜(7)의 일예를 확대하여 도시하는 설명도이다. 도 1에 도시하는 바와같이, 차륜(7)의 답면(6)에는, 직선 궤도를 주행할 때의 직진성과, 곡선 궤도를 주행할 때의 선회성을 양립시키기 위해서 답면 구배가 설치되어 있다. 답면 구배는, 도 1에 있어서, 차륜 반경(R)을 측정하기 위해서 차륜(7)의 폭방향의 대략 중앙 부근에 차륜마다 설정되는 기준선(L)과 답면(6)의 교점인 차륜 기준점(Z)에 있어서 답면(6)가 수평면에 대해서 이루는 각도(θ)를 이용하여 답면 구배 γ＝tanθ로서 정해진다. 답면 구배(γ)는, 통상, 0.03～0.06의 범위로 설정된다. 철도 차량용 2축 대차에서는 4개의 차륜의 답면 구배는 모두 같은 값으로 설정된다.

본 발명자 들은, 예의 검토를 거듭한 결과, 한쪽 윤축의 차륜에 설정되는 답면 구배와, 다른쪽의 윤축의 차륜에 설정되는 답면 구배를 다르게 함으로써, 상술한 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성했다.

본 발명은, 제1의 답면 구배를 가지는 차륜을 구비하는 제1의 윤축과, 제1의 답면 구배와는 상이한 제2의 답면 구배를 가지는 차륜을 구비하는 제2의 윤축을 구비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 2축 대차이다. 이 본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차에 의하면, 기존의 대차의 액슬 박스 지지 장치나 윤축의 구조를 변경하지 않고, 곡선 궤도를 주행할 때에 전륜축에 발생하는 횡압을 저감시킬 수 있다.

이 본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차를 사용할 때는, 제1의 윤축 또는 제2의 윤축 중에서 답면 구배가 큰 차륜을 구비하는 윤축이, 진행 방향의 뒷쪽에 배치되도록 한다. 이 본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차에 의하면, 전륜축의 차륜이, 상술한 γ가 0.03～0.06의 범위에 있는 통상의 답면 구배를 가짐으로써 직선 궤도에서의 주행 안정성을 확보하면서, 후륜축에 있어서의 차륜의 답면 구배를 전륜축에 있어서의 차륜의 답면 구배보다도 크게 함으로써 과대한 횡방향 슬라이드를 저감하여, 곡선 궤도를 주행할 때에 전륜축에 발생하는 횡압을 저감시킬 수 있다.

다른 관점에서는, 본 발명은, 앞뒤에 2축 대차를 구비한 철도 차량으로서, 진행 방향의 뒷쪽에 위치하는 후방 대차보다도 횡압이 커지는 진행 방향의 앞쪽에 위치하는 전방 대차, 또는, 전방 대차 및 후방 대차의 쌍방으로서, 진행 방향의 뒷쪽에 답면 구배가 큰 차륜을 가지는 윤축을 구비하는 상술한 본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차를 이용하는 것이다. 이 본 발명에 의하면, 가장 앞쪽의 윤축의 차륜이 상술한 통상의 답면 구배를 가지는 것으로부터 직선 궤도에서의 주행 안정성을 확보하면서, 전방 대차의 후륜축에 있어서의 차륜의 답면 구배를, 전륜축에 있어서의 차륜의 답면 구배보다도 크게 함으로써, 곡선 궤도를 주행할 때에 전륜축에 발생하는 횡압을 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 앞뒤에 2축 대차를 구비한 철도 차량으로서, 진행 방향의 앞쪽에 위치하는 대차가, 진행 방향의 뒷쪽에 차륜의 답면 구배가 큰 윤축을 가지는 상술한 본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차임과 더불어, 진행 방향의 뒷쪽에 위치하는 대차가, 진행 방향의 앞쪽의 윤축의 차륜의 답면 구배가, 진행 방향의 뒷쪽의 윤축의 차륜의 답면 구배보다도 큰 것을 특징으로 하는 철도 차량이다. 이에 따라, 차량의 진행 방향이 변경된 경우에도, 직선 궤도에서의 주행 안정성을 확보하면서 곡선 궤도를 통과할 때에 전륜축에 발생하는 횡압을 저감시킬 수 있다.

본 발명은, 기존의 대차를 그대로 사용하여 차륜의 답면 구배를 변경하는 것만으로 실시할 수 있으므로, 비용의 상승을 가능한한 억제하면서, 곡선 궤도를 주행할 때에 전륜축에 발생하는 횡압을 저감시키는 것이 가능해진다. 이에 따라, 전륜축의 횡압과 후륜축의 종 크리프력이 모두 감소하므로, 급격한 곡선 궤도 안쪽의 레일에 발생하는 파상 마모를 억제하는 것이 가능해진다.

도 1은 기본 원추 형상의 답면를 가지는 차륜의 일예를 추출하여 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차가 곡선 궤도를 주행하는 상황을 나타내는 설명도이다.
도 3은 시뮬레이션을 행한 후 차륜의 답면를 나타내는 설명도이고, 도 3(a)는 답면 구배가 0.05인 경우를 나타내고, 도 3(b)는 답면 구배가 0.10인 경우를 나타내고, 도 3(c)는 답면 구배가 0.20인 경우를 나타내고, 도 3(d)는 답면 구배가 0.33인 경우를 나타낸다.
도 4는 각종 답면 구배를 가지는 차륜을 조합한 경우에 있어서의 전륜축의 바깥쪽의 차륜에 발생하는 횡압을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 5는 각종 답면 구배를 가지는 차륜을 조합한 경우에 있어서의 후륜축에 발생하는 종 크리프를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 6은 각종 답면 구배를 가지는 차륜을 조합한 경우에 있어서의 종합 크리프력을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 7은 철도 차량용 2축 대차가 곡선 궤도를 주행하는 상황을 나타내는 설명도이다.
도 8은 곡선 궤도를 주행 시의 전륜축의 차륜과, 곡선 궤도의 레일의 관계를 나타내는 설명도이다.

도 1～6을 참조하면서, 본 발명의 착상으로부터 과제를 해결하기까지의 경위와, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명한다.

도 2는 본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차(4)가 곡선 궤도를 주행하는 상황을 나타내는 설명도이다.

철도 차량용 2축 대차(4)가 곡선 궤도를 통과할 때, 후륜축(2r)에 발생하는 종 크리프력(F2)을 작게 하기 위해서는, 안팎의 레일(5)의 사이에서의 필요한 차륜 반경차를 얻을 수 있도록 하면 된다. 이를 위해, 후륜축(2r)에 있어서의 차륜(3)의 답면(3r)의 답면 구배(γ_3r)를 크게 설정함으로써 후륜축(2r)을 바깥쪽으로 조금 변위시키도록 하면, 순수 구름 직경차에 가깝게 되어 종 크리프력(F2)을 저감시킬 수 있다. 또한, 후륜축(2r)의 차륜(3)의 답면(3r)의 답면 구배(γ_3r)를 더욱 크게 설정하면, 순수 구름 직경차 이상의 차륜 반경차를 얻을 수 있다. 이 때, 종 크리프력(F2)은 전륜축(2f)의 바깥쪽의 차륜(3)에 발생하는 횡압을 더욱 저감시키는 효과를 가진다.

다만, 후륜축(2r)에 있어서의 차륜(3)의 답면(3r)의 답면 구배(γ_3r)뿐만 아니라, 전륜축(2f)에 있어서의 차륜(3)의 답면(3f)의 답면 구배(γ_3f)도 크게 설정하면, 직선 궤도에서의 주행 안정성이 저하한다. 이 때문에, 후륜축(2r)의 차륜(3)의 답면(3r)의 답면 구배(γ_3r)만을 크게 설정함과 더불어 전륜축(2f)의 차륜(3)의 답면(3f)의 답면 구배(γ_3f)는, γ이 0.03～0.06의 범위에 있는 통상의 답면 구배로 함으로써, 직선 궤도에서의 주행 안정성도 확보할 수 있다.

본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차(1)에 의하면, 앞뒤의 윤축(2f, 2r)의 차륜(3, 3)의 답면(3f, 3r)의 답면 구배(γ_3f,γ_3r)를 모두 크게 설정하는 경우보다도, 직선 궤도에 있어서의 주행 안정성이 증가함과 더불어, 곡선 궤도를 주행할 때에는 도 2에 도시하는 바와같이 후륜축(2r)이 조금이라도 바깥쪽으로 변위하도록 되고, 이에 따라 전륜축(2f)의 바깥쪽의 차륜(3)에 발생하는 횡압이 저감된다. 이에 따라, 직선 궤도에서의 주행 안정성의 유지와, 곡선 궤도를 통과할 때에 있어서의 횡압의 저감을 함께 도모할 수 있다.

본 발명은, 이상의 착상에 의거하여 이루어진 것이다. 다음에, 본 발명의 효과를 설명한다.

본 발명의 효과를 확인하기 위해, 반경 300m, 캔트(cant) 105㎜의 곡선 궤도를, 근교 통근 차량이 75km/h로 주행하는 상태를 모의한 시뮬레이션을 행했다. 시뮬레이션을 행한 전차륜의 답면 구배(γ)는 0.05로 일정하게 했다.

도 3은, 이 시뮬레이션을 행한 후 차륜(9)의 답면(8)를 나타내는 설명도이고, 도 3(a)는 답면 구배(γ)가 0.05인 경우를 나타내며, 도 3(b)는 답면 구배(γ)가 0.10인 경우를 나타내고, 도 3(c)는 답면 구배(γ)가 0.20인 경우를 나타내고, 또한 도 3(d)는 답면 구배(γ)가 0.33인 경우를 나타낸다.

도 3(a)～도 3(d)에서는, 도 1과 마찬가지로, 부호 L은 기준선을 나타냄과 더불어 부호 Z는 차륜 기준점을 나타낸다. 또한, 도 3(a)～도 3(d)에 나타내는 각종 치수는, 차륜의 사양 등에 따라 변동하는 것이며, 어디까지나 일예를 나타내는 것이다.

이 시뮬레이션에서는, 전륜축의 바깥쪽의 차륜에 발생하는 횡압(F1)과, 후륜 축에 발생하는 종 크리프(F2)와 함께, 파상 마모의 발생에 영향을 주는 바깥쪽의 차륜에 발생하는 횡압(F1)과 종 크리프력(F2)의 합(F1＋F2)(이하, 이를 「종합 크리프력」이라고 한다)을 조사했다. 이 종합 크리프력(F1＋F2)이 작은 것은, 파상 마모가 발생하기 어려운 것을 의미한다.

시뮬레이션의 결과를, 표 1 및 도 4～도 6에 나타낸다. 도 4는, 각종 답면 구배를 가지는 차륜을 조합한 경우에 있어서의 전륜축의 바깥쪽의 차륜에 발생하는 횡압 F1(kN)을 비교하여 나타내는 그래프이고, 도 5는, 이 경우에 있어서의 후륜축에 발생하는 종 크리프력 F2(kN)을 비교하여 나타내는 그래프이며, 또한, 도 6은, 이 경우에 있어서의 종합 크리프력(F1＋F2)을 비교하여 나타내는 그래프이다.

<표 1>

후륜축의 차륜의 답면 구배(γ)가 0.10, 0.20 또는 0.33인 본 발명예에서는, 도 2에 나타내는 바와같이 대차(4)가 곡선 궤도를 주행할 때에, 표 1 및 도 4에 나타내는 바와같이, 전륜축의 바깥쪽의 차륜에 발생하는 횡압(F1)이 감소한다. 즉, 후륜축의 차륜의 답면 구배를 전륜축의 차륜의 답면 구배보다도 크게 설정함으로써, 후륜축이 조금 바깥쪽으로 위치하게 되어, 후륜축의 좌우의 차륜에서의 구름 반경차의 부족량이 감소한다.

이 반경차의 부족량이 감소함으로써, 표 1 및 도 5에 나타내는 바와같이, 종 크리프력(F2)도 작아지고, 반경차가 과다하게 되면 반대 방향의 종 크리프력이 된다. 이 종 크리프에 의한 모멘트가 전륜축의 바깥궤도측 레일에 발생하는 횡압(F1)의 원인이므로, 그 종 크리프를 감소시킬 수 있으므로 횡압(F1)을 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의해 횡압(F1) 및 종 크리프력(F2)이 저감되므로, 표 1 및 도 6에 나타내는 바와같이 종합 크리프력(F1＋F2)도 감소하고, 이에 따라, 급격한 곡선 궤도의 안쪽의 레일에 발생하는 파상 마모를 억제할 수 있다.

본 발명은, 통상의 2축 대차뿐만 아니라, 연결되는 2개의 차량의 연결 부분에 배치되는 연접 2축 대차에 대해서도 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 대차를, 차체와 연결하는 장치에는, 스윙 볼스터(swing bolster) 방식이나 볼스터리스(bolsterless) 방식 등의 각종 방식을 적용할 수 있다.

<산업상의 이용 가능성>

파상 마모가 발생하는 급격한 곡선 궤도를 주행하는 차량의 대차에 이용할 수 있다.

1 : 종래의 철도 차량용 2축 대차 2f : 전륜축
2r : 후륜축 3 : 차륜
4 : 본 발명에 관한 철도 차량용 2축 대차
5 : 레일 6 : 답면
7 : 차륜 8 : 답면
9 : 차륜

Claims

제1의 답면(tread) 구배를 가지는 차륜을 구비하는 제1의 윤축(輪軸)과, 상기 제1의 답면 구배와는 상이한 제2의 답면 구배를 가지는 차륜을 구비하는 제2의 윤축을 구비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 2축 대차.
청구항 1에 있어서,
상기 제1의 윤축 또는 상기 제2의 윤축 중에서 상기 답면 구배가 큰 차륜을 구비하는 윤축이, 진행 방향의 뒷쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 2축 대차.
앞뒤에 2축 대차를 구비하는 철도 차량으로서, 진행 방향의 앞쪽에 위치하는 대차는, 청구항 2에 기재된 철도 차량용 2축 대차인 것을 특징으로 하는 철도 차량.
앞뒤에 2축 대차를 구비하는 철도 차량으로서, 진행 방향의 앞쪽 및 뒷쪽에 위치하는 대차는, 모두, 청구항 2에 기재된 철도 차량용 2축 대차인 것을 특징으로 하는 철도 차량.
앞뒤에 2축 대차를 구비하는 철도 차량으로서, 진행 방향의 앞쪽에 위치하는 대차는, 청구항 2에 기재된 철도 차량용 2축 대차임과 더불어, 진행 방향의 뒷쪽에 위치하는 대차는, 진행 방향 앞쪽의 윤축의 차륜의 답면 구배가, 진행 방향의 뒷쪽의 윤축의 차륜의 답면 구배보다도 큰것을 특징으로 하는 철도 차량.