KR101282151B1 - 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치 - Google Patents

링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치에 관한 것으로서, 대차프레임에 제1회전조인트로 구속된 액추에이터와, 상기 액추에이터의 이동자에 제2회전조인트로 연결되고 회전축이 대차프레임에 고정되어 상기 액추에이터의 운동에 의해 상기 대차프레임에 대하여 회전운동이 가능한 크랭크부재와, 상기 크랭크부재에 제3회전조인트로 연결된 커넥팅로드와, 상기 커넥팅로드와 제4회전조인트로 연결된 슬라이더와, 상기 슬라이더와 제5회전조인트로 연결되어 슬라이더가 병진운동을 하면 병진운동이 발생하는 안티롤바와, 상기 대차프레임에 대하여 상기 안티롤바의 회전 및 병진운동이 가능하게 하는 회전-병진 조인트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량의 횡방향 진동을 저감하기 위한 능동현가장치와 차량의 롤운동을 억제하기 위한 안티롤바가 통합된 철도차량용 2차 능동현가장치를 제공함으로써 기존의 안티롤바와 능동현가장치를 통합하여 2차 현가장치의 모듈화가 가능할 뿐만 아니라, 기존 대차의 수정을 최소화하면서도 본 발명의 능동현가장치를 적용할 수 있는 장점이 있다.

Description

링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치 {Secondary active suspension for railway vehicle}
본 발명은 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량의 횡방향 승차감을 향상시키기 위한 2차 능동 횡댐퍼와 안티 롤바가 통합된 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 승차감 향상을 위해 능동현가장치가 사용된다. 이와 같은 능동현가장치의 일 예가 도 1 및 도 2에 도시된다.
이에 의하면 능동현가장치는 주로 대차와 차체를 선형 액추에이터를 통해 직접 연결하는 방법으로 고안되고 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 액추에이터(1)를 센터피봇을 중심으로 대각으로 배치하거나, 도 2에 도시된 바와 같이 대차(2)의 중앙에 액추에이터를 위치시키되, 액추에이터를 센터피봇의 앞쪽 또는 뒤쪽에 위치시키고 있다. 이와 같이 설치하는 이유는 액추에이터를 기존의 횡방향 댐퍼를 탈거하고 그 위치에 장착시키기에는 액추에이터의 크기에 한계가 있기 때문이다.
따라서, 대차에 부득이하게 소형 액추에이터(1) 2개를 사용하는 경우 도 1에 도시된 바와 같이 센터피봇을 중심으로 대각으로 배치하거나 대형 액추에이터 1개를 사용하는 경우 대차 중심에서 앞쪽 또는 뒤쪽으로 배치하는 것이 일반적이다.
이때, 대차(2)와 차체 또는 볼스터의 상대 회전 및 수직운동에 대비하여 액추에이터의 양끝단에는 고무부쉬가 내삽된 구형조인트를 사용하여 각 방향의 운동에 대응하도록 구성된다. 따라서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 배치하는 경우에는 다음과 같은 단점을 초래한다.
우선, 액추에이터의 위치가 차체(또는 대차)의 회전중심과 일치하지 않으므로 액추에이터의 운동은 차체(또는 대차)에 불필요한 회전을 일으킬 수 있다. 또한 이와 역으로 곡선주행을 하는 것과 같이 차체와 대차의 상대 회전이 필요한 경우, 진동저감을 위한 액추에이터의 제어력이 차체와 대차의 상대 회전을 방해할 수 있기 때문에 신중한 제어기법의 적용이 필요하다.
그리고, 대차와 차체의 상대 수직운동이 발생하는 경우에도, 상대 수직운동이 액추에이터 및 제어시스템에 외란(外亂)으로 작용하게 된다.
또한, 액추에이터가 대차 상부에 위치하게 되어 차량의 질량 중심과 큰 높이 차가 존재하게 되고 이와 같은 높이 차는 액추에이터의 운동시 차량에 롤 운동을 야기할 수 있다. 즉 이와 같은 문제를 방지하기 위해서는 안티-롤바 등의 추가적인 장치가 더 필요하다.
따라서, 이상의 구조적인 단점을 최소화하고 능동현가장치의 효과를 극대화하기 위해서는 차체/대차 사이의 상대 회전과 수직운동에 독립적인 능동현가장치의 구성이 필요하고, 액추에이터를 최대한 차량의 질량 중심에 가깝게 위치시켜 액추에이터의 제어에 의한 차량의 롤운동을 최대한 억제함과 동시에 액추에이터 제어력에 의한 차량의 과도한 롤운동을 억제하기 위한 안티-롤 시스템을 통합한 능동현가장치가 필요하다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 철도차량의 횡방향 승차감을 향상시키기 위해 2차 능동 횡댐퍼와 안티롤바가 통합된 2차 능동현가장치를 제공하여, 차량의 횡진동을 능동적으로 제어하고, 과도한 차량의 롤방향 거동을 억제하여 차량의 승차감을 향상시키는 한편, 능동 횡댐퍼용 액추에이터를 탑재하기 위한 공간을 확보하고 안티 롤바와 능동 횡댐퍼 등이 통합된 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
대차프레임에 제1회전조인트로 구속된 액추에이터와, 상기 액추에이터의 이동자에 제2회전조인트로 연결되고 회전축이 대차프레임에 고정되어 상기 액추에이터의 운동에 의해 상기 대차프레임에 대하여 회전운동이 가능한 크랭크부재와, 상기 크랭크부재에 제3회전조인트로 연결된 커넥팅로드와, 상기 커넥팅로드와 제4회전조인트로 연결된 슬라이더와, 상기 슬라이더와 제5회전조인트로 연결되어 슬라이더가 병진운동을 하면 병진운동이 발생하는 안티롤바와, 상기 대차프레임에 대하여 상기 안티롤바의 회전 및 병진운동이 가능하게 하는 회전-병진 조인트로 구성되는 것을 특징으로 하는 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치를 제공한다.
이때, 상기 액추에이터는 고정자와 이동자로 구성되며, 상기 고정자는 상기 대차프레임과 제1회전조인트로 연결되고, 상기 이동자의 단부에는 제1조인트부가 구비되어 상기 크랭크부재의 제2회전조인트에 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 크랭크부재는 일단부가 상기 이동자의 제1조인트부와 제2회전조인트로 연결되고, 상기 크랭크부재의 타단부에는 제2조인트부가 구비되어 커넥팅로드와 제3회전조인트로 연결되며, 상기 크랭크부재의 중앙부는 회전축에 의해 대차프레임에 지지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 커넥팅로드의 타단에는 제4회전조인트가 구비되어 슬라이더의 제3조인트부와 연결되고, 상기 슬라이더의 제5회전조인트에는 안티롤바가 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 안티롤바는 상기 슬라이더의 제5회전조인트에 연결되어 축방향 회전이 허용되는 토션바와, 상기 토션바의 양단에 구비되는 수평로드와, 상기 수평로드의 단부에 회전조인트로 일단부가 연결되고 타단은 차체와 연결되는 수직로드로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 토션바는 대차프레임에 대하여 회전 및 병진운동이 가능하도록 회전-병진 조인트로 지지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량의 횡방향 진동을 저감하기 위한 능동현가장치와 차량의 롤운동을 억제하기 위한 안티롤바가 통합된 철도차량용 2차 능동현가장치를 제공함으로써 기존의 안티롤바와 능동현가장치를 통합하여 2차 현가장치의 모듈화가 가능할 뿐만 아니라, 기존 대차의 수정을 최소화하면서도 본 발명의 능동현가장치를 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 액추에이터를 대차의 중앙부근에 설치할 필요가 없어 설치공간의 확보가 용이하고, 크랭크부재의 회전축과 액추에이터 이동자 조인트, 커넥팅로드 조인트간의 거리를 조절함으로써 액추에이터의 힘을 증폭하거나 이동거리 및 속도를 증폭할 수 있어 액추에이터의 소형화가 가능하고, 다양한 방식의 액추에이터 사용도 가능하다.
도 1 및 도 2는 일반적인 능동현가장치의 설치상태를 도시한 도면들이다.
도 3은 본 발명에 따른 능동현가장치가 적용된 철도차량용 대차를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치의 결합 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치의 작동상태를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치는 철도차량에 있어 승차감을 향상시키기 위해 기존의 횡댐퍼 대신 능동형 액추에이터를 사용하며, 안티롤바와 통합이 가능한 철도차량용 2차 능동현가장치이다.
도 3은 본 발명에 따른 능동현가장치가 적용된 철도차량용 대차를 도시한 사시도이다. 이에 의하면, 본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치는 대차와 차체의 사이에 설치되어 승차감을 향상시켜 주는 것으로, 일단부가 대차프레임(1)에 제1회전조인트(102)로 구속된 액추에이터(100)와, 상기 액추에이터(100)의 이동자(104)에 제2회전조인트(112)로 연결되고 회전축(114)이 대차프레임(1)에 고정되어 상기 액추에이터(100)의 운동에 의해 상기 대차프레임(1)에 대하여 회전운동이 가능한 크랭크부재(110)와, 상기 크랭크부재(110)에 제3회전조인트(122)로 연결된 커넥팅로드(120)와, 상기 커넥팅로드(120)와 제4회전조인트(124)로 연결된 슬라이더(130)와, 상기 슬라이더(130)와 제5회전조인트(132)로 연결되어 슬라이더(130)가 병진운동을 하게 되면 병진운동이 발생하는 안티롤바(140)와, 상기 대차프레임(1)에 대하여 상기 안티롤바(140)의 회전 및 병진운동이 가능하게 하는 회전-병진 조인트(150)로 구성된다.
이와 같은 안티롤바(140)의 자체 기능에 의해 과도한 롤(Roll) 운동이 억제되고, 액추에이터(100)를 구성하는 이동자(104)의 운동을 제어함에 따라 안티롤바(140)에 연결된 차체의 횡 방향 진동이 제어된다.
이하, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치의 각부 구성을 도 4 내지 도 6을 참고로 상세히 설명한다.
먼저, 도 4는 본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치의 분해 사시도이다. 이에 의하면 액추에이터(100)는 액추에이터(100)의 고정자(101)와 이동자(104)로 구성되며, 상기 고정자(101)는 상기 대차프레임(1)과 제1회전조인트(102)로 연결되고, 상기 이동자(104)의 단부에는 제1조인트부(105)가 구비되어 상기 크랭크부재(110)의 제2회전조인트(112)로 연결된다.
한편, 상기 크랭크부재(110)는 일단부가 상기 액추에이터 이동자(104)의 제1조인트부(105)와 제2회전조인트(112)로 연결되고, 상기 크랭크부재(110)의 타단부에는 제2조인트부(116)가 구비되어 커넥팅로드(120)와 제3회전조인트(122)로 연결되며, 상기 크랭크부재(110)의 중앙부는 회전축(114)에 의해 대차프레임(1)에 지지된다. 이와 같은 구성에 의하면 액추에이터 이동자(104)의 운동에 의해 제2회전조인트(112)로 연결되는 크랭크부재(110)가 중앙부의 회전축(114)을 중심으로 회전하게 된다.
이때, 상기 액추에이터 이동자(104)의 제1조인트부(105)와 크랭크부재(110)의 회전축(114) 사이의 거리와, 크랭크부재(110)의 제2조인트부(116)와 회전축(114) 사이의 거리의 비는 본 발명을 이용한 철도차량용 이차 능동현가장치의 설계변수가 된다.
한편, 상기 커넥팅로드(120)의 타단에는 제4회전조인트(124)가 구비되어 슬라이더(130)의 제3조인트부(131)와 연결되고, 상기 슬라이더(130)의 제5회전조인트(132)에는 안티롤바(140)가 연결된다.
좀 더 상세하게 설명하면 상기 커넥팅로드(120)와 연결되는 슬라이더(130)는 안티롤바(140)의 토션바(141)와 제5회전조인트(132)로 연결되어 토션바(141)의 축방향 회전은 허용하되, 슬라이더(130)와 토션바(141) 사이의 병진운동은 구속되어 슬라이더(130)의 병진운동이 토션바(141)에 전달되도록 한다.
또한, 상기 토션바(141)는 대차프레임(1)에 대하여 회전 및 병진운동이 가능한 회전-병진 조인트(150)로 지지되어 토션바(141)는 대차프레임(1)에 대하여 회전 및 병진운동이 가능하다.
그리고, 상기 토션바(141)의 양단에는 수평로드(142)가 고정되고, 상기 수평로드(142)에는 수직로드(143)의 일단부가 회전조인트로 연결되며, 상기 수직로드(143)의 타단은 차체와 연결된다.
이하, 도 3을 참고로 본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치의 작동과정을 설명한다.
이에 의하면, 액추에이터(100)의 이동자(104)가 고정자(101)에 대하여 직선운동을 하게 되면, 이동자(104)의 단부에 구비되는 제1조인트부(105)도 고정자(101)에 대하여 직선운동을 하게 된다.
그리고, 상기 이동자(104)의 단부에 구비되는 제1조인트부(105)에 연결된 크랭크부재(110)는 회전축(114)이 대차프레임(1)에 고정되어 있으므로 액추에이터(100) 이동자(104)의 직선운동은 회전축(114)을 중심으로 하는 크랭크부재(110)의 회전운동을 발생시키게 된다.
이때, 상기 크랭크부재(110)의 회전에 의해서 발생하는 액추에이터(100) 이동자(104)의 단부에 구비되는 제1조인트부(105)와 액추에이터(100) 고정자(101)의 제1회전조인트(102)와의 정렬 오차는 고정자(101)의 제1회전조인트(102)의 미소회전에 의해 수용이 가능하다.
한편, 상기 크랭크부재(110)가 회전축(114)에 대하여 회전운동을 하게 되면, 크랭크부재(110)의 타단에 일단부가 연결된 커넥팅로드(120)는 직선운동과 회전운동이 발생하게 되고, 커넥팅로드(120)의 직선운동은 커넥팅로드(120)의 타단부에 구비되는 제4회전조인트(124)에 연결된 슬라이더(130)를 당기거나 밀게 된다.
이때, 상기 슬라이더(130)와 안티롤바(140)의 상대직선운동은 구속되어 있으므로 슬라이더(130)의 이동은 안티롤바(140)의 이동을 발생시킨다. 상기 안티롤바(140)의 수직로드(143)는 차체에 연결되어 있으므로 결국 차체가 직선운동을 하게 된다. 따라서, 액추에이터(100) 이동자(104)의 직선운동을 제어하게 되면 차체의 횡방향 운동을 제어할 수 있다.
또한, 차체에 과도한 롤 운동이 생기게 되면 수직로드(143)의 높이 차가 발생하게 되고, 이 높이 차는 수평로드(142)가 토션바(141)에 대하여 서로 다른 방향으로의 회전을 발생시킨다.
이때, 상기 수평로드(142)는 토션바(141)의 양단에 고정되어 있으므로 수평로드(142)의 반대방향으로의 회전은 토션바(141)에 비틀림을 유발시키며 토션바(141)의 비틀림 강성에 의해 차체의 롤 운동이 억제된다.
그리고, 상기 수평로드(142)와 수직로드(143) 사이의 회전조인트 및 수직로드(143)와 차체와의 연결조인트에는 일반 안티롤바의 조인트와 마찬가지로 고무부쉬가 내삽되도록 하여 회전축 외에 다른 방향으로의 미세한 회전과 이동이 가능하도록 하여 차체와 대차의 요(yaw)방향 회전이 허용되도록 구성되어야 한다.
한편, 상기 크랭크부재(110)의 회전축(114)과 액추에이터 이동자(104)의 제1조인트부(105) 사이의 거리와 크랭크부재(110)의 회전축(114)과 커넥팅로드(120)의 제3회전조인트(122)와의 거리 비는 액추에이터(100)의 사양에 따라 설계되어지는 설계변수이다.
일례로 상기 액추에이터(100)의 사양이 이동거리 또는 속도는 빠르나 추력이 작은 경우에는 크랭크부재(110)의 회전축(114)과 액추에이터(100)의 이동자(104) 단부에 구비되는 제1조인트부(105)와의 거리를 커넥팅로드(120)의 제3회전조인트(122)와 크랭크부재(110)의 회전축(114) 사이의 거리보다 길게 하여 이동 거리 또는 속도가 허용하는 한도 내에서 추력을 증폭시킬 수 있다. 반대로 추력은 높으나 이동거리 및 속도가 작은 경우에는 추력의 허용 한도 내에서 이동거리 및 속도를 높일 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치는 크랭크부재(110)와 커넥팅로드(120)와 슬라이더(130) 및 액추에이터(100)의 위치는 적용 차종의 특성에 따라 다양하게 변형 설계가 가능하다.
또한, 상기 액추에이터(100)는 축방향으로 병진 운동이 가능한 선형 액추에이터로서 전자기식, 유압식, 기계-전기식 등 다양한 방식의 액추에이터 적용이 가능하고, 액추에이터(100)의 사용 개수 또한 특성에 따라 변경될 수 있다.
그리고, 안티-롤바의 기능이 필요가 없는 경우에는 안티-롤바를 제거하고 슬라이더를 차체에 연결하는 방법 등으로도 활용함도 가능하다.
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: 대차프레임 100: 액추에이터
101: 고정자 102: 제1회전조인트
104: 이동자 110: 크랭크부재
112: 제2회전조인트 114: 회전축
120: 커넥팅로드 122: 제3회전조인트
124: 제4회전조인트 130: 슬라이더
132: 제5회전조인트 140: 안티롤바
141: 토션바 142: 수평로드
143: 수직로드 150: 회전-병진 조인트

Claims (6)

  1. 대차프레임에 제1회전조인트로 구속된 액추에이터와, 상기 액추에이터의 이동자에 제2회전조인트로 연결되고 회전축이 대차프레임에 고정되어 상기 액추에이터의 운동에 의해 상기 대차프레임에 대하여 회전운동이 가능한 크랭크부재와, 상기 크랭크부재에 제3회전조인트로 연결된 커넥팅로드와, 상기 커넥팅로드와 제4회전조인트로 연결된 슬라이더와, 상기 슬라이더와 제5회전조인트로 연결되어 슬라이더가 병진운동을 하면 병진운동이 발생하는 안티롤바와, 상기 대차프레임에 대하여 상기 안티롤바의 회전 및 병진운동이 가능하게 하는 회전-병진 조인트로 구성되는 것을 특징으로 하는 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액추에이터는 고정자와 이동자로 구성되며, 상기 고정자는 상기 대차프레임과 제1회전조인트로 연결되고, 상기 이동자의 단부에는 제1조인트부가 구비되어 상기 크랭크부재의 제2회전조인트에 연결되는 것을 특징으로 하는 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 크랭크부재는 일단부가 상기 이동자의 제1조인트부와 제2회전조인트로 연결되고, 상기 크랭크부재의 타단부에는 제2조인트부가 구비되어 커넥팅로드와 제3회전조인트로 연결되며, 상기 크랭크부재의 중앙부는 회전축에 의해 대차프레임에 지지되는 것을 특징으로 하는 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 커넥팅로드의 타단에는 제4회전조인트가 구비되어 슬라이더의 제3조인트부와 연결되고, 상기 슬라이더의 제5회전조인트에는 안티롤바가 연결되는 것을 특징으로 하는 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 안티롤바는 상기 슬라이더의 제5회전조인트에 연결되어 축방향 회전이 허용되는 토션바와, 상기 토션바의 양단에 구비되는 수평로드와, 상기 수평로드의 단부에 회전조인트로 일단부가 연결되고 타단은 차체와 연결되는 수직로드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 토션바는 대차프레임에 대하여 회전 및 병진운동이 가능하도록 회전-병진 조인트로 지지되는 것을 특징으로 하는 링크 구조를 갖는 철도차량용 이차 능동현가장치.
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