KR101276681B1 - 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치 - Google Patents

유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치에 관한 것으로, 유연구조로 이루어지는 복합소재 대차프레임의 종축지지대의 단부에 결합 고정되는 축상의 테두리를 감싸며 전후(x) 및 좌우(y)방향의 강성을 갖도록 몸체가 고무재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 복합소재로 제작되는 유연구조 대차프레임의 경우 종축지지대가 주로 수직(z) 방향 진동을 흡수하는 역할을 함에 따라 주로 x, y방향으로의 강성을 허용하는 휠세트 안내장치를 종축지지대의 단부에 설치해줌으로써 곡선주행시 차축의 운동을 흡수할 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명에 의한 휠세트 안내장치를 이용함으로써 기존 x, y, z방향으로 강성을 갖도록 설계된 1차 현가장치에 비해 x, y방향의 강성만을 고려함으로써 그 크기나 무게가 작아지는 장점이 있다.

Description

유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치 { Wheelset guiding equipment for a flexible composite bogie frame }
본 발명은 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치에 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 휠세트 안내장치에 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 감쇠 장치를 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 구성되며, 특히 철도차량이 곡선부를 주행할 경우에는 곡선 추종성을 향상시키기 위한 장치가 필요하다.
이와 관련하여 일반적인 금속재 대차프레임은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 금속재 대차프레임(1)의 종축지지대(5)에 용접된 1차 현가장치 설치 브라켓을 통해 1차 현가장치(2)가 체결되고, 상기 1차 현가장치(2)는 차축(3)이 설치된 축상(4)과 볼트의 결합을 통해 연결하게 된다.
이때, 상기 1차 현가장치(2)는 통상 x, y, z방향으로 강성을 가지므로 철도차량이 곡선부를 주행할 때 차축(3)이 곡선을 추종하기 위해 필요한 최소한의 변형을 흡수하게 된다. 또한, 추가적인 곡선 추종성 향상을 위해서는 조향장치를 설치하기도 한다.
이에 반해 복합소재로 제작되는 유연구조 대차프레임은 대차프레임을 구성하는 종축지지대가 1차 현가장치 기능을 하게 되는데, 이러한 종축지지대는 주로 수직방향의 진동을 흡수하는 역할을 하게 되어 휠세트의 길이 및 횡방향 변형을 흡수하는 데는 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 점들에 착안한 것으로서, 그 목적은 유연구조 대차프레임을 장착한 철도차량이 곡선부를 주행시에 곡선 추종성을 향상시키도록 유연구조 대차프레임에 장착하여 주로 x, y방향으로의 강성을 허용함으로써 곡선주행시 차축의 운동을 흡수하면서도 그 구조가 간단하고 컴팩트한 구조를 갖는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
유연구조로 이루어지는 복합소재 대차프레임의 종축지지대의 단부에 결합 고정되는 축상의 테두리를 감싸며 전후(x) 및 좌우(y)방향의 강성을 갖도록 몸체가 고무재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치를 제공한다.
이때, 상기 축상은 상기 종축지지대에 축상체결장치로 고정되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 축상체결장치는 상기 축상의 테두리를 감싸는 커버체와, 상기 커버체를 상기 종축지지대에 고정시키는 체결수단으로 이루어지며; 상기 커버체와 축상 사이에 상기 휠세트 안내장치의 몸체가 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 커버체는 분할된 제1 및 제2커버로 이루어져 볼트를 이용해 일체로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 종축지지대의 단부에는 제1체결홀이 형성되고, 상기 커버체에는 제2체결홀이 형성되어, 상기 체결수단이 관통체결되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 체결수단은 볼트와 너트 또는 리벳으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 몸체는 압축고무인 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 유연구조 대차프레임의 경우 종축지지대가 주로 수직(z)방향 진동을 흡수하는 역할을 함에 따라 주로 x, y방향으로의 강성을 허용하는 휠세트 안내장치를 종축지지대의 단부에 설치해줌으로써 곡선주행시 차축의 운동을 흡수할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 의한 휠세트 안내장치를 이용함으로써기존 x, y, z방향으로 강성을 갖도록 설계된 1차 현가장치에 비해 x, y방향의 강성만을 고려함으로써그 크기나 무게가 작아지는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 금속재 대차프레임의 휠세트 설치상태를 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 금속재 대차프레임의 강성의 방향을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 복합소재로 이루어지는 대차프레임용 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 대차프레임용 종축지지대용 채움재와 횡축지지대용 채움재를 접합한 기본 구조재를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치가 설치된 대차프레임에 차축이 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치의 설치 구조를 설명하기 위해 도시한 부분 상세도이다.
본 발명에 따른 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치는 복합소재 대차프레임에 고정된다.
이때, 본 발명에 따른 휠세트 안내장치가 설치되는 복합소재 대차프레임은 도 3 및 도 4에 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 유연구조 복합소재 대차프레임(200)을 제작한다.
이와 같은 유연구조 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, 본 발명의 휠세트 안내장치(100)가 고정된다.
이와 같은 본 발명에 따른 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치(100)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 유연구조 복합소재 대차프레임(200)에 설치된다.
이때, 유연구조 복합소재 대차프레임(200)은 일정간격을 유지하며 배치되는 한쌍의 종축지지대(210)와, 그 종축지지대(210) 사이에 일체로 결합되는 하나 이상의 횡축지지대(220)로 이루어진다.
이 경우 본 발명에 따른 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치(100)는 종축지지대(210)의 단부에 결합 고정되는 축상(110)에 설치되어 x, y방향으로의 강성을 허용함으로써 곡선주행시 차축(122)의 운동을 흡수한다.
좀 더 상세하게는 상기 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치(100)는 유연구조 복합소재 대차프레임(200)의 종축지지대(210) 단부에 차축(122)과 연결되는 1차 현가장치 기능을 할 수 있도록 설치되는데, 이는 기존의 전후(x) 방향, 좌우(y) 방향, 수직(z) 방향의 강성을 갖는 1차 현가장치와는 달리 대차프레임에 설치되는 1차 현가장치와 달리 전후(x) 방향 및 좌우(y) 방향의 강성만 갖는다.
이 경우 수직(z)방향으로 전달 또는 발생되는 진동은 유연구조 복합소재로 이루어지는 대차프레임(200)이 탄성을 가짐에 따라 종축지지대(210)의 강성(102)에 의해 흡수하게 된다.
이와 같은 본 발명에서 구현하고자 하는 곡선 추종성 향상을 위해 구비되는 본 발명에 따른 휠세트 안내장치(100)는 유연구조 복합소재 대차프레임(200)의 종축지지대(210)의 단부에 설치된다.
좀 더 상세하게는 본 발명에 따른 휠세트 안내장치(100)는 차륜(124)이 차축(122)에 구비된 상태의 휠세트(120)가 회전이 자유롭게 축설되는 축상(110)에 설치된다.
이때, 상기 축상(110)은 휠세트(120)와 베어링(130)으로 연결되어 횔세트(120)가 회전이 자유롭게 하면서 유연구조 복합소재 대차프레임(200)의 종축지지대(210) 단부에 결합되는 것으로, 상기 축상(110)은 축상체결장치(140)를 통해 종축지지대(210)에 고정된다.
이때, 상기 축상체결장치(140)는 상기 축상(110)의 테두리를 감싸는 커버체(142)와, 상기 커버체(142)를 상기 종축지지대(210)에 고정시키는 체결수단(144)으로 이루어진다.
한편, 상기 종축지지대(210)의 단부에는 상하방향으로 제1체결홀(212)이 형성되고, 상기 커버체(142)의 측부에는 상기 제1체결홀(212)에 대응되는 제2체결홀(143)이 형성되어, 체결수단(144)이 관통체결된다.
이때, 상기 체결수단(144)은 볼트와 너트로 이루어져, 볼트를 종축지지대(210)에 형성되는 제1체결홀(212)과 커버체(142)의 제2체결홀(143)을 차례로 관통시키고 너트를 체결해 줌으로써 일체로 고정시켜 준다.
그리고, 상기 체결수단(144)은 적어도 하나 이상이 체결되는데 이 경우 상기 체결수단(144)을 2개 이상 사용하는 경우 어느 하나의 결합력이 저하 및 분리되는 것을 방지하기 위해 연결패드(145)를 이용해 일체화함이 바람직하다.
물론, 상기 체결수단(144)은 볼트 체결 이외에도 키 또는 리벳을 이용하여 조립함도 가능하다.
그리고, 상기 커버체(142)는 분할된 제1 및 제2커버(142a,142b)로 이루어져 볼트(142c)를 이용해 일체로 결합한 구조로 이루어진다.
한편, 상기 커버체(142)와 축상(110) 사이에는 곡선주행시 차축의 운동을 흡수하도록 x, y방향의 강성을 갖는 본 발명에 따른 휠세트 안내장치(100)가 구비된다.
이와 같은 휠세트 안내장치(100)는 일정폭을 갖는 축상(110)의 테두리부분을 감쌀 수 있도록 몸체(101)가 림형상의 고무재로 이루어진다. 특히, 상기 휠세트 안내장치(100)는 z방향의 강성이 x, y방향의 강성에 비해 상당히 큰 고무로 제작되거나, 또는 단지 x, y방향의 강성만 부과된 형태의 구조로 제작함도 가능하다.
특히, 상기 휠세트 안내장치(100)는 그 몸체(101)가 고무재로 이루어지는 경우 일반고무를 압축 성형한 압축고무를 이용한다.
따라서, 본 발명에 따른 휠세트 안내장치(100)를 이용함으로써기존 x, y, z방향으로 강성을 갖도록 설계된 1차 현가장치에 비해 크기나 무게가 작아지는 장점이 있다.
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: 휠세트 안내장치 101: 몸체
110: 축상 120: 휠세트
122: 차축 124: 차륜
130: 베어링 140: 축상체결장치
142: 커버체 144: 체결수단
200: 유연구조 복합소재 대차프레임 210: 종축지지대
220: 횡축지지대

Claims (10)

  1. 유연구조로 이루어지는 복합소재 대차프레임의 종축지지대의 단부에 결합 고정되는 축상의 테두리를 감싸며 전후(x) 및 좌우(y)방향의 강성을 갖도록 몸체가 고무재로 이루어지되,
    상기 축상은 상기 종축지지대에 축상체결장치로 고정되고,
    상기 축상체결장치는 상기 축상의 테두리를 감싸는 커버체와, 상기 커버체를 상기 종축지지대에 고정시키는 체결수단으로 이루어지며;
    상기 커버체와 축상 사이에 휠세트 안내장치의 몸체가 구비되는 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 커버체는 분할된 제1 및 제2커버로 이루어져 볼트를 이용해 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 종축지지대의 단부에는 제1체결홀이 형성되고, 상기 커버체에는 제2체결홀이 형성되어, 상기 체결수단이 관통체결되는 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 체결수단은 볼트와 너트 또는 리벳으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체는 압축고무인 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 복합소재 대차프레임은,
    강화섬유에 기지재료를 함침하여 반경화시킨 프리프레그를 적용한 섬유강화 복합소재를 적용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 및 이들을 혼합한 강화섬유 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 기지재료는 에폭시, 폴리에스터 및 페놀 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연구조 복합소재 대차프레임의 휠세트 안내장치.
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