KR101217262B1

KR101217262B1 - 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치

Info

Publication number: KR101217262B1
Application number: KR1020100111727A
Authority: KR
Inventors: 김정석
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-12-31
Also published as: KR20120050299A

Abstract

본 발명은 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치에 관한 것으로; 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임의 기본 구조재 양단부가 지지되도록 일정간격을 유지하며 설치되는 제1 및 제2패널과, 상기 제1패널이 회전이 자유롭게 설치되는 제1서포터와, 상기 제2패널을 회전시키는 제1모터가 구비되는 제2서포터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 핸드레업기법을 이용해 복합소재 사이드 빔이나 대차프레임에 적용하여 제작하는 경우 복합소재 사이드 빔이나 대차프레임 기초 구조재를 원하는 방향으로 회전시켜면서 작업할 수 있어, 프리프레그(prepreg) 적층 작업의 효율성이 높다.

Description

핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치 {Manufacturing apparatus for a composite side beam and a composite bogie frame fabricated using hand layup}

본 발명은 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량의 핵심장치 중의 하나인 대차에 적용되는 사이드 빔과 대차프레임을 섬유강화 복합소재를 적용하여 핸드레업(hand layup)으로 제작시에 그 사이드 빔과 대차프레임의 제작성 향상을 위해 사용할 수 있는 제작용 장치에 관한 것이다.

일반적으로 대차프레임은 철도차량에서 스프링하중량을 제외한 차량의 모든 하중을 지지하는 부품으로 차량의 안전운행과 가장 밀접한 관련이 있는 장치이다. 일반적으로 철도차량용 대차프레임은 주로 지지하는 하중의 크기와 운행시 발생하는 힘의 크기에 따라서 강성이 큰 철강소재를 이용하여 용접 구조의 형태로 제작된다.

그러나, 이렇게 대차프레임을 제작할 경우 무게는 대략 1.3톤 ~ 2톤으로 무겁고 강성이 커서(유연성이 부족하여) 승차감을 확보하기 위해 트랙의 불규칙성에 기인한 진동을 흡수하는 서스펜션과 감쇠장치를 반드시 갖추어야 한다.

따라서, 이러한 기존의 대차프레임을 경량화하기 위해 섬유강화 복합소재를 대차프레임 적용하는 시도들이 있었다.

이 경우 섬유강화 복합소재를 이용하여 대차프레임을 제작하는 경우 기존 금속재 대차프레임 대비 무게를 25 ~ 50%까지 줄일 수 있다.

이러한 복합소재를 대차프레임용 사이드 빔이나 대차프레임에 적용하여 제작할 경우에는 주로 핸드레업기법을 적용해서 제작하는 경우가 많다.

즉, 철도차량용 복합소재 사이드 빔과 대차프레임을 특별한 장치없이 작업대 위에 올려놓고 탄소, 유리 및 아라미드 강화섬유를 수지에 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 한 층씩 손으로 적층하면서 제작하는 것이다.

그런데, 이와 같은 복합소재를 이용해 제작되는 대차용 사이드 빔이나 대차프레임은 그 크기가 2.5m～3m에 달하고 무게도 120kg～500kg이기 때문에 핸드 레업기법으로 제작할 경우에는 부분 적층 후 기중기 등을 이용해서 대상 구조물을 회전시키면서 프리프레그를 적층하여 제작하게 된다.

따라서, 대차용 사이드 빔이나 대차프레임의 제작시간이 길어지고, 기중기를 이용하여 무거운 대상 구조물인 사이드 빔이나 대차프레임을 들어올리고 내리는 과정에서 안전사고 유발 및 구조물에 손상을 유발할 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임의 제작시 기중기를 이용하지 않고, 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임용 기본 구조재를 회전시키면서 복합소재 프리프레그(composite prepreg)를 적층할 수 있어 대차용 사이드 빔이나 대차프레임의 제작시간을 단축함은 물론, 대차용 사이드 빔이나 대차프레임의 제작시 작업자 및 구조물의 안전을 확보할 수 있는 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

복합소재 사이드 빔 및 대차프레임의 기본 구조재 양단부가 지지되도록 일정간격을 유지하며 설치되는 제1 및 제2패널과; 상기 제1패널이 회전이 자유롭게 설치되는 제1서포터와; 상기 제2패널을 회전시키는 제1모터가 구비되는 제2서포터;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치를 제공한다.

이때, 상기 기본 구조재를 상기 제1 및 제2패널에 고정하는 다수의 그립이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1서포터와 제2서포터는 베드에 설치되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1서포터는 상기 베드에 일체로 고정 설치되고, 상기 제2서포터는 상기 베드에 형성되는 가이드부를 따라 이동가능하게 구비되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제2서포터는 제2모터의 회전력을 직선운동으로 변환하는 볼스크류에 의해 이동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 및 제2패널은 상기 기본 구조재의 양단부가 끼워지는 끼움부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 및 제2패널에 설치되는 기본 구조재의 양단부는 그립에 의해 고정되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 그립은 상기 제1 및 제2패널에 지지되는 제1홀더와, 상기 제1 및 제2패널에 설치되는 기본 구조재의 일측에 밀착되는 제2홀더와, 상기 제1 및 제2홀더의 사이에 나사체결되어 상기 제1 및 제2홀더의 길이가 연장 또는 축소되도록 회전가능한 조정부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 제2홀더는 상기 기본 구조재의 일측이 안착되는 안착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 핸드레업기법을 이용해 복합소재 사이드 빔이나 대차프레임에 적용하여 제작하는 경우 복합소재 사이드 빔이나 대차프레임 기초 구조재를 원하는 방향으로 회전시켜면서 작업할 수 있어, 프리프레그(prepreg) 적층 작업의 효율성이 높다.

또한, 본 발명은 기중기를 대신하여 기초 구조재를 안전하게 회전시킬 수 있어 복합소재 사이드 빔이나 대차프레임의 제작시 안전사고의 위험을 줄일 수 있고, 제작하는 복합소재 사이드 빔이나 대차프레임의 손상을 최소화하는 효과도 있다.

그리고, 본 발명은 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임의 제작시 기중기를 이용하지 않고, 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임용 기본 구조재를 회전시키면서 복합소재 프리프레그(composite prepreg)를 적층할 수 있어 대차용 사이드 빔이나 대차프레임의 제작시간을 단축할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 복합소재로 이루어지는 대차프레임용 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 대차프레임용 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 접합한 기본 구조재를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치의 구성도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 기본 구조재를 고정하는 그립을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 복합소재로 이루어지는 대차프레임용 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 대차프레임용 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 접합한 기본 구조재를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치의 구성도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 기본 구조재를 고정하는 그립을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치의 구성도이다.

먼저, 본 발명에 따른 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치는 복합소재로 이루어지는 대차용 사이드 빔 및 대차프레임을 제작하는데 이용한다.

이때, 도 1은 본 발명에서 구현하고자 하는 철도차량용 유연구조 복합소재 대차프레임을 제작하기 이전에 준비된 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)를 나타낸 것이다.

이때, 상기 본 발명의 복합소재 대차프레임은 두 개의 종축지지대와 그 종축지지대를 연결하는 1개 이상의 횡축지지대로 구성되기 때문에 이러한 종축지지대와 횡축지지대를 구성하는 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)는 도 2에 도시된 바와 같은 복합소재 대차프레임의 기본 구조재(1)를 형성하게 된다.

먼저, 상기 종축지지대용 채움재(10)는 복합소재 리브(12)의 사이에 포상물질(14)을 메워서 이루어진다.

좀 더 상세하게는 상기 종축지지대용 채움재(10)를 구성하는 복합소재 리브(12)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합재 등의 강화섬유가 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 경화시키거나, 강화섬유 프리폼(preform)에 수지를 주입하여 경화시킨 후 원하는 크기와 형상으로 절단하여 제작된다. 그리고, 상기 포상물질(foam)(14)은 복합소재 리브(12) 사이의 공간을 매우는 가볍고 변형이 쉬운 물질(foam)로 구성된다.

이와 같은 종축지지대용 채움재(10)의 두께, 길이 및 폭 등은 적용되는 철도차량의 하중크기에 따라 변하게 된다. 그리고, 종축지지대용 채움재(10)를 제작하기 위해서는 종축지지대용 채움재(10)를 구성하는 복합소재 리브(12) 및 포상물질(14)을 접착제를 이용하여 접착하게 된다.

한편, 상기 횡축지지대용 채움재(20)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합재 등의 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료에 함침된 프리프레그(prepreg)를 적층하여 제작하거나 알루미늄이나 강재 등의 금속재를 이용하여 제작할 수 있다.

특히, 상기 횡축지지대용 채움재(20)는 종축지지대용 채움재(10)를 연결하기 위해 1개 이상이 사용되며, 그 단면이 원형 또는 다각형의 실린더 형상으로 이루어질 수 있다.

이와 같은 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 접착제를 이용하여 일체로 결합하거나 리벳이나 볼트 및 너트의 체결을 통해 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)를 제작하게 된다.

한편, 상기 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)의 표면에 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합재 등의 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료를 함침한 프리프레그(prepreg)를 적층하여 복합소재 대차프레임을 제작한다.

물론, 대차용 사이드 빔의 기본 구조재(미도시됨) 역시 복합소재 대차프레임용 기본구조재(1)와 동일한 복합소재로 이루어지며 그 표면에 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합재 등의 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료를 함침한 프리프레그(prepreg)를 적층하여 복합소재 사이드 빔을 제작한다.

이와 같은 대차용 사이드 빔 또는 대차프레임용 기본구조재(1)의 표면에 프리프레그를 적층하는 경우 대차용 사이드 빔 또는 대차프레임용 기본구조재(1)를 안전하게 회전시키면서 복합소재 프리프레그(composite prepreg)를 적층할 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치(100)를 이용한다.

즉, 본 발명의 장치는 도 2에서 완성된 복합소재 대차프레임의 기본 구조재(1)에 프리프레그를 이용해 스킨부를 적층함에 있어 제작성 향상을 위해 고안된 대차프레임 제작용 장치이다.

상기 대차프레임 제작용 장치(100)는 대차프레임의 기본 구조재(1)의 양단부가 지지되도록 일정간격을 유지하며 설치되는 한쌍의 제1 및 제2패널(110,120)과 상기 기본 구조재(1)를 상기 제1 및 제2패널(110,120)에 고정하는 다수의 그립(130)과, 상기 제1패널(110)이 회전이 자유롭게 설치되는 제1서포터(140)와, 상기 제2패널(120)을 회전시키는 회전력을 제공하는 제1모터(152)가 구비되는 제2서포터(150)로 이루어진다.

또한, 상기 제1서포터(140)와 제2서포터(150)는 일정너비의 베드(160)에 설치되는데, 상기 제1서포터(140)는 베드(160)에 일체로 고정 설치되며, 상기 제2서포터(150)는 상기 베드(160)에 형성되는 가이드부(162)를 따라 이동가능하게 구비된다.

이때, 상기 제2서포터(150)는 제2모터(164)의 회전력을 직선운동으로 변환하는 공지의 볼스크류(ball screw)(166)에 의해 이동한다.

물론, 상기 제1 및 제2모터(152,164)를 구동하기 위한 조작반(미도시됨)이 일측에 구비됨은 당연하고 이와 같은 제1 및 제2모터(152,164)의 구동을 위한 전원수단(미도시됨)이 연결됨은 당연하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

먼저, 대차의 사이드 빔이나 대차프레임의 기본 구조재(1) 양단부가 지지되는 제1 및 제2패널(110,120)은 각각 끼움부(112)가 형성된다. 이와 같은 끼움부(112)에는 예를 들어 대차프레임의 기본 구조재(1)는 횡축지지대 채움재(10)의 단부가 끼워져 지지된다.

그리고, 상기 제1 및 제2패널(110,120)은 제1 및 제2서포터(140,150)에 회전이 자유롭게 설치된다. 특히, 상기 제1 및 제2패널(110,120)은 그립(130)과 연결되어 대차의 사이드 빔이나 대차프레임의 기본 구조재(1)를 고정하는 역할을 하는 동시에 제1모터(152)에 의해 회전운동을 대차의 사이드 빔이나 대차프레임의 기본 구조재(1)에 전달한다.

한편, 상기 제1 및 제2패널(110,120)에 설치되는 기본 구조재(1)의 양단부는 견고하게 고정될 수 있도록 그립(130)을 이용한다.

상기 그립(130)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1 및 제2패널(110,120)에 지지되는 제1홀더(132)와, 상기 제1 및 제2패널(110,120)에 설치되는 기본 구조재(1)의 일측에 밀착되는 제2홀더(134)와, 상기 제1 및 제2홀더(132,134)의 사이에 나사체결되어 상기 제1 및 제2홀더(132,134)의 길이가 연장 또는 축소되도록 회전가능한 조정부재(136)로 이루어진다.

이때, 상기 제1 및 제2홀더(132,134)에는 수나사산이 형성되고 상기 조정부재(136)에는 암나사산이 형성되는 구조로 이루어진다. 특히 상기 제2홀더(134)는 기본 구조재(1)의 일측이 안착되는 안착부(134a)가 형성된다.

이와 같은 그립(130)이 구비되어 설치되는 대차프레임 기본 구조재(1)의 수직 높이를 다양하게 바꿀 수 있다.

한편, 상기 제1패널(110)은 제1서포터(140)에 회전이 자유롭게 설치된다. 그리고 상기 제1서포터(140)는 베드(160)에 고정식으로 설치된다. 한편, 상기 베드(160)에는 제2서포터(150)의 이동을 안내하기 위한 가이드부(162)가 형성되어 제2모터(164) 구동에 의해 볼스크류(166)가 작동되어 상기 제2서포터(150)를 직선운동시키게 된다.

이와 같은 제2서포터(150)의 직선운동으로 인해 상기 제1 및 제2서포터(140,150) 사이의 간격이 조절될 수 있으며 그에 따라 제1 및 제2패널(110,120) 사이에 기본 구조재(1)를 지지하거나 또는 분리할 수 있게 된다.

또한, 상기 제1 및 제2패널(110,120) 사이에 기본 구조재(1)를 지지한 상태에서 상기 제1모터(152)를 구동시키면 제2패널(120)이 회전하면서 기본 구조재(1)와 제1패널(110)이 함께 회전하게 된다.

한편, 도 6는 본 발명의 다른 실시 예를 도시한 도면으로, 유연구조 섬유강화 복합소재 사이드 빔(10a) 제작용 장치이다. 이는 상술한 대차 프레임 제작용 장치와 동일하지만, 단지 사이드 빔(10a)의 지지에 적합한 형태의 그립(grip)(130a)과 제1 및 제2패널(panal)(110a,120a)로 변경한 것으로 기본적인 설계 원리는 동일한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치의 작동 과정을 설명한다.

먼저, 대차의 사이드 빔(10a)이나 대차프레임의 기본 구조재(1) 양단부를 지지하기 위해 제2모터(164,164a)를 구동해 제2서포터(150,150a)를 직선운동함으로써 제1패널(110,110a)과 제2패널(120,120a)의 사이에 일정한 공간이 형성되도록 한다.

이와 같은 상태에서 제1 및 제2패널(110,110a),(120,120a)의 사이에 대차의 사이드 빔(10a)이나 대차프레임의 기본 구조재(1)를 위치시키고 제2모터(164,164a)를 구동해 제2서포터(150,150a)를 직선운동함으로써 제1패널(110,110a)과 제2패널(120,120a)간의 간격을 좁혀줌으로써 제1 및 제2패널(110,110a),(120,120a)에 각각 형성되는 끼움부(112,112a)에 대차의 사이드 빔(10a)이나 대차프레임의 기본 구조재(1) 양단부를 지지시킨다.

이 상태에서 대차의 사이드 빔(10a)이나 대차프레임의 기본 구조재(1)의 높이조절 및 견고한 고정을 위해 그립(130,130a)을 이용해 대차의 사이드 빔(10a)이나 대차프레임의 기본구조재(1)를 고정시켜 준다.

그리고, 상기 제1모터(152,152a)를 구동시켜 제1 및 제2패널널(110,110a),(120,120a)과 기본 구조재(1)를 회전시키게 된다.

이 경우 상기 제1모터(152,152a)는 대차의 사이드 빔(10a)이나 대차프레임의 기본구조재(1)를 필요 각도만큼 회전할 수 있고, 그와 같은 회전상태에서 작업자가 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합재 등의 강화섬유에 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료를 함침한 프리프레그(prepreg)를 적층하게 된다. 즉, 복합소재의 프리프레그를 적층하는 작업자가 작업이 수월한 위치로 용이하게 회전할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 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.

1: 기본 구조재 10: 종축지지대용 채움재
20: 횡축지지대용 채움재 100: 제작용 장치
110,110a: 제1패널 120,120a: 제2패널
130,130a: 그립 140,140a: 제1서포터
150,150a: 제2서포터 152,152a: 제1모터
160,160a: 베드 162,162a: 가이드부
164,164a: 제2모터 166: 볼스크류

Claims

복합소재 사이드 빔 및 대차프레임의 기본 구조재 양단부가 지지되도록 일정간격을 유지하며 설치되는 제1 및 제2패널과; 상기 제1패널이 회전이 자유롭게 설치되는 제1서포터와; 상기 제2패널을 회전시키는 제1모터가 구비되는 제2서포터;로 이루어지되,
상기 제1 및 제2패널에 설치되는 기본 구조재의 양단부는 그립에 의해 고정되고,
상기 그립은 상기 제1 및 제2패널에 지지되는 제1홀더와, 상기 제1 및 제2패널에 설치되는 기본 구조재의 일측에 밀착되는 제2홀더와, 상기 제1 및 제2홀더의 사이에 나사체결되어 상기 제1 및 제2홀더의 길이가 연장 또는 축소되도록 회전가능한 조정부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 제1서포터와 제2서포터는 베드에 설치되는 것을 특징으로 하는 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치.
제 3항에 있어서,
상기 제1서포터는 상기 베드에 일체로 고정 설치되고, 상기 제2서포터는 상기 베드에 형성되는 가이드부를 따라 이동가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치.
제 4항에 있어서,
상기 제2서포터는 제2모터의 회전력을 직선운동으로 변환하는 볼스크류에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2패널은 상기 기본 구조재의 양단부가 끼워지는 끼움부가 형성되는 것을 특징으로 하는 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 제2홀더는 상기 기본 구조재의 일측이 안착되는 안착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 핸드레업으로 제작되는 복합소재 사이드 빔 및 대차프레임 제작용 장치.