KR101231835B1 - 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓 - Google Patents

복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓에 관한 것으로; 종축지지대와 횡축지지대로 이루어지는 복합소재 대차프레임에 고정되는 제동장치 브라켓에 있어서, 상기 제동장치 브라켓은 몸체에 철도차량의 견인을 위한 견인장치가 일체로 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 복합소재로 제작되는 대차프레임에 일체형 제동 및 견인장치 브라켓을 조립 설치함으로서, 복합소재 대차프레임에 제동 및 견인장치 브라켓을 설치하기 위해 가공되는 체결공의 갯수를 최소화할 수 있어 대차프레임의 강도저하를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 특히 제동 및 견인하중을 두 개의 횡축지지대가 동시에 분담하도록 유도함으로써 대차프레임의 강도 유지면에 있어서도 유리하다.

Description

복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓 {one-piece braking and traction equipment for composite bogie frame}
본 발명은 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들을 혼합한 강화섬유와 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료를 이용하여 가볍고 탄성이 존재하는 구조로 제작되는 철도차량용 복합소재 대차프레임에 적용되는 일체형 제동 및 견인장치 브라켓에 관한 것이다.
일반적으로 대차프레임은 철도차량에서 스프링하 중량을 제외한 모든 차량의 하중을 지지하는 부품으로 차량의 안전운행과 가장 밀접한 관련이 있는 부품이다. 일반적으로 철도차량용 대차프레임은 주로 지지하는 하중의 크기와 운행시 발생하는 힘의 크기에 따라서 단단한 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 대차프레임에 적용하는 시도들이 있었다. 이 경우 섬유강화 복합소재를 이용하여 대차프레임을 제작하는 경우 기존 금속재 대차프레임 대비 무게를 25 ~ 50% 까지 줄일 수 있다.
한편, 철도차량용 대차프레임은 두 개의 종축지지대(side frame)와 이 종축지지대를 연결하는 1개 이상의 횡축지지대(cross beam)로 구성되는데, 특히 종축지지대는 수직방향의 차체하중에 의한 굽힘, 궤도 비틀림에 의한 비틀림 하중 및 댐퍼 등 기타 장치에 의해 유발되는 편심하중 등을 감당해야 한다.
이와 관련하여 일반적인 금속재 대차프레임은 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 종축지지대(1)와 2개의 횡축지지대(2)로 구성되며, 제동장치 브라켓(3)과 견인장치 브라켓(4)이 횡축지지대(2)에 용접에 의해 각각 체결된다.
이때, 횡축지지대(2)는 원형 또는 사각형 튜브 형태로 제작되며, 제동장치 브라켓(3)은 각각의 횡축지지대(2)에서 용접에 의해 접합되어 디스크 제동장치(6)를 설치하게 된다. 그리고 견인장치 브라켓(4) 역시 횡축지지대 사이 공간에 용접에 의해 설치되고 센터피봇(5)이 설치되어 대차에서 발생한 견인력을 차체에 전달하게 된다.
그런데, 복합소재 대차프레임의 경우에는 금속재 대차프레임과는 달리 제동장치 브라켓과 견인장치 브라켓을 각각 제작하여 복합소재 튜브로 이루어지는 횡축지지대에 볼트나 리벳에 의해 체결되어야 한다.
따라서, 이러한 금속재 인터페이스 부품들은 복합소재 대차프레임의 중량 증가를 야기하게 되고, 체결을 위해 복합소재 횡축지지대에 체결용 홀(hole)을 가공해야 하므로 강도저하의 원인이 된다.
따라서, 이러한 제동장치 브라켓과 견인장치 브라켓들은 가능하면 경량화되면서 체결에 필요한 홀의 개수를 최소화시키는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 이러한 점들에 착안한 것으로서, 그 목적은 철도차량용 섬유강화 복합소재 대차프레임에 적용시에 제동 및 견인장치 브라켓을 일체화하여 대차프레임의 중량 증가를 최소화하고, 제동 및 견인장치 브라켓을 체결하기 위해 섬유강화 복합소재 대차프레임에 성형해야 하는 홀의 개수를 최소화할 수 있는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓을 제공하는데 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
종축지지대와 횡축지지대로 이루어지는 복합소재 대차프레임에 고정되는 제동장치 브라켓에 있어서,
상기 제동장치 브라켓은 몸체에 철도차량의 견인을 위한 견인장치가 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓을 제공한다.
이때, 상기 몸체의 중앙에는 상기 견인장치가 구비되고, 상기 몸체의 중앙 양측에는 상기 횡축지지대가 안착되는 안착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 몸체의 양단에는 철도차량의 차체가 고정되는 차체고정공이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 횡축지지대에는 제1체결공이 형성되고, 상기 몸체의 안착부에는 상기 횡축지지대에 형성된 제1체결공에 대응되는 제2체결공이 형성되며, 상기 횡축지지대에 형성된 제1체결공과 안착부의 제2체결공에 체결수단이 관통 체결되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 체결수단은 볼트와 너트 또는 리벳으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 몸체는 강철, 알루미늄 및 마그네슘 중에 어느 하나의 금속재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합소재 대차프레임은, 강화섬유에 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적용한 섬유강화 복합소재를 적용하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들을 혼합한 강화섬유 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기지재료는 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 복합소재로 제작되는 대차프레임에 일체형 제동 및 견인장치 브라켓을 조립 설치함으로서, 복합소재 대차프레임에 제동 및 견인장치 브라켓을 설치하기 위해 가공되는 체결공의 갯수를 최소화할 수 있어 대차프레임의 강도저하를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
특히, 제동 및 견인하중을 두 개의 횡축지지대가 동시에 분담하도록 유도함으로써 대차프레임의 강도 유지면에 있어서도 유리하다.
또한, 제동 및 견인장치를 복합소재 대차프레임에 설치하기 위해 사용되는 볼트나 리벳 등의 체결수단의 갯수를 줄일 수 있어, 제동 및 견인장치 설치로 인한 전체적인 대차프레임의 중량 증가도 최소화할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 일반적인 금속재 대차프레임의 제동 및 견인장치 브라켓 설치상태를 도시한 도면이다.
도 2는 복합소재로 이루어지는 대차프레임용 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 대차프레임용 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 접합한 기본 구조재를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일체형 제동 및 견인장치 브라켓이 설치된 대차프레임의 제동하중과 견인하중의 전달상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 일체형 제동 및 견인장치 브라켓이 설치된 대차프레임에 차축이 설치된 상태를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓은 복합소재 대차프레임에 고정된다.
이때, 본 발명에 따른 일체형 제동 및 견인장치 브라켓이 설치되는 복합소재 대차프레임은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같다.
상기 유연구조 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 3에 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 이용되며, 그 단면이 원형 또는 다각형의 실린더 형상으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 종축지지대용 채움재(10)와 횡축지지대용 채움재(20)는 도 3에 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 도 5에 도시된 바와 같은 복합소재 대차프레임(200)을 제작한다.
이와 같은 복합소재 대차프레임(200)은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들을 혼합한 강화섬유와 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 등의 기지재료를 이용하여 가볍고 탄성이 존재하는 구조로 제작되는 것으로, 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)이 일체로 고정된다.
이와 같은 본 발명에 따른 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)은 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 복합소재 대차프레임(200)을 구성하는 한쌍의 종축지지대(210) 사이에 연결되는 횡축지지대(220)에 결합 고정된다.
이 경우 본 발명에 따른 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)은 일정간격을 유지하며 2개가 한쌍의 횡축지지대(220) 사이에 고정 설치된다.
좀 더 상세하게는 상기 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)은 제동장치 브라켓과 견인장치가 일체형으로 이루어지는 것으로, 본 발명의 제동장치 브라켓의 몸체(110) 중앙에 철도차량의 견인을 위한 견인장치(120)가 구비되고, 상기 몸체(110)의 중앙 양측에는 상기 횡축지지대(220)가 안착되는 안착부(130)가 형성되어서 이루어진다.
이때, 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)은 강철, 알루미늄 및 마그네슘 등의 금속재로 제작될 수 있다.
그리고, 상기 몸체(110)의 양단에는 추후 철도차량의 차체(미도시됨)가 고정될 수 있는 차체고정공(112)이 형성된다.
한편, 상기 안착부(130)에 횡축지지대(220)가 안착되는 경우 상기 횡축지지대(220)에 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)을 고정하기 위해 상기 횡축지지대(220)에는 제1체결공(222)이 가공 형성된다.
그리고, 상기 몸체(110)의 중앙 양측에 형성되는 안착부(130)에는 상기 횡축지지대(220)에 형성된 제1체결공(222)에 대응되는 제2체결공(132)이 형성된다.
따라서, 복합소재 대차프레임(200)에 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)을 설치하고자 하는 경우에는 복합소재 대차프레임(200)의 횡축지지대(220)의 양측부가 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)의 안착부(130) 사이에 끼워지도록 삽입하고, 상기 횡축지지대(220)에 형성된 제1체결공(222)과 안착부(130)의 제2체결공(132)을 일치시킨 후, 체결수단(140)을 제1 및 제2체결공(222,132)에 관통 삽입하여 체결한다.
이때, 상기 체결수단(140)은 볼트와 너트로 이루어져, 볼트를 제1 및 제2체결공(222,132)에 차례로 관통시키고 너트를 체결해 줌으로서 일체로 고정시켜 준다. 물론, 상기 체결수단(140)은 볼트 체결 이외에도 키 또는 리벳을 이용하여 조립함도 가능하다.
이와 같은 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)이 설치되는 복합소재 대차프레임(200)의 종축지지대(210)에는 도 6에 도시된 바와 같이 차륜(300)이 양단에 구비되는 차축(310)이 설치되는 축상(320)이 고정된다.
한편, 상기 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)이 설치되는 복합소재 대차프레임(200)은 철도차량의 운행중 다양한 하중조건하에 노출되는데, 상기 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)은 철도차량의 운행으로 인해 발생되어 상기 복합소재 대차프레임(200)에 전달되는 제동하중 및 견인하중을 지지하게 된다.
이때, 도 5에 도시된 바와 같이 찰도차량의 제동하중(Fb)이 작용할 경우 제동하중(Fb)은 복합소재 대차프레임(200)의 횡축지지대(220)에 전달되는데, 기존 금속재 대차프레임과는 다르게 한 쌍의 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)을 횡축지지대(220)에 연결함으로써 제동에 의해 발생하는 제동력을 두 개의 횡축지지대(220)에서 동시에 분담하도록 한다.
또한, 철도차량의 운행중 발생되는 견인하중(Ftr)은 횡축지지대(220) 사이에 설치되는 견인장치(센트피봇)에 의해 발생하는데 이 하중 역시 일체형 제동 및 견인장치에 의해 지지된다.
이상과 같이 복합소재 대차프레임(200)에 적용하기 위해 제작된 일체형 제동 및 견인장치 브라켓(100)은 특유의 형상에 의해 복합소재 대차프레임(200)에 체결시 필요한 복합소재 대차프레임(200) 횡축지지대(220)의 제1체결공(222)의 개수를 최소화할 수 있고, 제동 및 견인하중을 두 개의 횡축지지대(220)가 동시에 분담하도록 유도함으로써 강도 면에 있어서도 효과적이다.
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.
100: 제동 및 견인장치 브라켓 110: 몸체
112: 차체고정공 120: 견인장치
130: 안착부 130: 안착부
132: 제2체결공 140: 체결수단
200: 복합소재 대차프레임 210: 종축지지대
220: 횡축지지대 222: 제1체결공

Claims (9)

  1. 종축지지대와 횡축지지대로 이루어지는 복합소재 대차프레임에 고정되는 제동장치 브라켓에 있어서,
    상기 제동장치 브라켓은 몸체에 철도차량의 견인을 위한 견인장치가 일체로 구비되되,
    상기 몸체의 중앙에는 상기 견인장치가 구비되고, 상기 몸체의 중앙 양측에는 상기 횡축지지대가 안착되는 안착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체의 양단에는 철도차량의 차체가 고정되는 차체고정공이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 횡축지지대에는 제1체결공이 형성되고,
    상기 몸체의 안착부에는 상기 횡축지지대에 형성된 제1체결공에 대응되는 제2체결공이 형성되며,
    상기 횡축지지대에 형성된 제1체결공과 안착부의 제2체결공에 체결수단이 관통 체결되는 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 체결수단은 볼트와 너트 또는 리벳으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체는 강철, 알루미늄 및 마그네슘 중에 어느 하나의 금속재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 복합소재 대차프레임은,
    강화섬유에 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적용한 섬유강화 복합소재를 적용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들을 혼합한 강화섬유 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 기지재료는 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합소재 대차프레임용 일체형 제동 및 견인장치 브라켓.
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