KR101440143B1 - 이종 소재의 철도 차량의 차륜 - Google Patents

Abstract

본 발명은 허브에 일체로 형성된 웹플레이트(10)와 그 외측에 볼트로 체결하여 결합되는 타이어부(11)를 볼트로 체결하여 결합하는 철도 차량의 차륜에 관한 것으로, 상기 웹플레이트는 경량의 소재로 형성하는 한편, 타이어부는 내열성 및 내마모성을 갖는 소재로 형성하고, 차륜이 곡선 레일을 주행할 때 발생되는 원심력에 의한 횡압을 지지하도록 상기 웹플레이트(10)와 타이어부(12) 중에서 어느 하나에 요홈부를 형성하고 다른 하나에는 상기 요홈부에 배치되는 돌출부를 형성하며, 볼트로 상기 돌출부를 관통하여 요홈부의 측벽에 수평으로 체결하여 웹플레이트 외측에 타이어부를 결합하는 것을 특징으로 하여 구성됨으로써, 철도 차량의 차륜을 경량 소재의 웹플레이트와 내열성 및 내마모성 소재의 타이어부로 형성하여 차륜의 경향화를 달성할 수 있고, 웹플레이트와 타이어부들중 적어도 어느 하나에 요홈부를 형성하고 다른 하나에 형성된 돌출부를 배치하고 수평으로 볼트를 체결하여 결합함으로써 선로의 곡선구간에서 발생되는 원심력에 의한 횡압에 대한 지지응력이 증대되어 내구성이 향상되며, 타이어부의 마모시 용이하게 교체할 수 있는 효과가 있다.

Description

이종 소재의 철도 차량의 차륜{A RAILWAY WHEEL FORMED OF TWO DIFFERENT MATERIAL PARTS}

본 발명은 철도 차량의 차륜에 관한 것으로 특히 허브 외측에 형성된 웹플레이트에, 웹플레이트와 다른 소재로 이루어지고 림을 구성하는 타이어부가 개선된 접합구조로 접합된 이종 소재의 철도 차량의 차륜에 관한 것이다.

일반적으로 철도 차량의 차륜은 차축이 결합되는 허브의 반경방향 외측으로 형성된 웹플레이트 외측에 림이 형성되고, 상기 림에는 플랜지가 형성된다. 상기 웹플레이트는 S자 형상으로서 림과 허브가 축방향으로 편심된 구조로 이루어져 철도 차량의 주행과 제동의 반복에 따른 열응력으로부터 웹플레이트의 인장응력과 휠츨렌지의 축방향 변형이 감소되도록 하고, 차량 중량 등의 하중에 의한 림과 허브 사이의 웹플레이트의 반경방향 변형을 증가시켜 철도 차량의 운행중에 발생하는 휠에 대한 동적부하를 감소시키도록 한다. 이러한 휠 구성은 철도 차량의 휠에 있어서 정형화된 방법으로 설계 및 제조된다.

이러한 철도 차량의 차륜은 선로와 접촉하는 림의 트레드면에는 수직력이 작용하고 플렌지에는 수평력이 작용하며, 선로와의 마찰에 의한 열하중을 받게 되므로, 림은 보스 및 웹플레이트와 상이한 재질 특성이 요구되며, 림의 외측면에 별도의 열처리를 하기도 하였다.

종래의 철도 차량의 차륜의 예로서, 국내 등록특허 제10-168740호의 전동차용 휠에는 전동차용 휠 자체를 여러 개의 결합부재가 나사결합 되어진 형태로 구성하되, 상기 결합부재간에는 고무와 같은 탄성수단을 결합하여 상기 탄성수단에 의해 전동차의 주행중 발생하는 충격을 휠 자체가 흡수하도록 하여 전동차의 승차감을 향상시킬 수 있도록 하고, 또한 철도레일의 곡선구간을 운행할 때 발생하는 휠과 철도레일과의 마찰력을 상기 탄성수단이 형태변화 되면서 충격을 흡수하도록 하여 휠이 외주면이 철도레일과의 마찰에 의해 편마모되는 것을 방지할 수 있도록 한 구성이 개시되어 있다.

또한, 한국공개특허 제10-2007-8865호의 방음차륜에는 차륜본체와 레일의 상호작용에 의해 발생되는 진동을 차축으로 전달되지 않도록 함으로써 차륜본체에 의해 전달 또는 방사되는 진동 및 소음을 효과적으로 저감시키는 방음차륜에 있어서, 내측면에 소정의 측면구배를 가지는 측면홈이 형성되는 차륜본체; 상기 차륜본체의 측면홈 내에 고정되며, 일측 외주면에 커버부가 일체로 형성되고, 상기 차륜본체와의 측면마찰을 통해 상기 차륜본체로부터 전달되는 진동을 흡수하는 금속재질의 링댐퍼; 및 상기 차륜본체의 측면홈 및 링댐퍼의 커버부 사이에 개재되어, 소재 자체의 소성변형 및 점성댐핑을 통해 상기 차륜본체로부터 전달되는 진동을 흡수하는 댐핑부재;를 포함하며, 상기 링댐퍼 및 댐핑부재는 원을 형성하는 다수의 원호형으로 분할형성되는 구성이 개시되어 있다.

그러나, 상기한 종래 기술에서는 림과 웹플레이트에 요구되는 특성의 상이함을 충족시키지 못하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래 도 1과 2에 개략적으로 도시된 바와같이, ?플레이트(1)의 외측에 내마모성 및 내열성 재질의 림을 구성하는 타이어부(2)를 열간 프렝스 압입 방식으로 접합하여 구성한 이종 소재의 철도 차량용 차륜을 사용하였다.

그러나 이러한 종래의 철도 차량용 차륜은 철도 차량이 선로상에서 곡선반경이 작은 곡선을 주행할 때 원심력이 작용하여 횡압을 직접 받게 됨에 따라 극심한 마모가 일어나는 한편, 웹플레이트와 타이어부가 분리될 수도 있는 문제가 있었다.

또한, 웹플레이트와 타이어부가 서로 다른 재료로 이루어짐에 따라 전위차로 인한 부식이 문제가 되었다.

한국 등록특허 제10-168740호 (1998년10월07일 등록) 한국공개특허 제10-2007-8865호 (2007년01월18일 공개

본 발명의 목적은 철도 차량의 차륜에 있어서, 내열 및 내마모성의 타이어부를 경량 재질의 웹플레이트 외측에 간편하게 결합시킴과 함께 곡선주행시 발생되는 횡압 증가에 대한 지지력을 갖는 개선된 결합구조를 갖는 철도 차량의 차륜을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 철도 차량용 차륜은, 허브에 일체로 형성된 웹플레이트와 그 외측에 볼트로 체결하여 결합되는 타이어부를 볼트로 체결하여 결합하는 철도 차량의 차륜에 있어서, 상기 웹플레이트는 경량의 소재로 형성하는 한편, 타이어부는 내열성 및 내마모성을 갖는 소재로 형성하고, 차륜이 곡선 레일을 주행할 때 발생되는 원심력에 의한 횡압을 지지하도록 상기 웹플레이트와 타이어부 중에서 어느 하나에 요홈부를 형성하고 다른 하나에는 상기 요홈부에 배치되는 돌출부를 형성하며, 볼트로 상기 돌출부를 관통하여 요홈부의 측벽에 수평으로 체결하여 웹플레이트 외측에 타이어부를 결합하는 것을 특징으로 하여 구성된다.

상기 볼트로 수평체결하는 부분과 반대쪽에 웹플레이트의 저면에서 타이어부로 볼트로 체결하여 결합할 수도 있다.

상기 타이어부와 웹플레이트의 양측에 각각 요홈부를 형성하고, 그 요홈부들에 링부재를 배치하여 볼트로 수평으로 체결하여 결합할 수도 있다..

상기 타이어부와 웹플레이트의 일측에 각각 요홈부를 형성하고 링부재가 공통으로 요홈부들에 배치어 볼트로 수평으로 체결되고, 그 반대쪽에는 타이어부와 웹플레이트 중에서 어느 하나에 요홈부를 형성하는 한편 다른 하나에는 돌출부를 형성하여 상기 요홈부에 배치되어 구성될 수도 있다.

상기 웹플레이트와 타이어부가 서로 다른 소재로 됨에 따른 전위차에 의한 부식을 방지하도록, 상기 웹플레이트와 타이어부 사이에는 Zn 소재의 유도부식 소재를 배치하여 고정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라, 철도 차량의 차륜을 경량 소재의 웹플레이트와 내열성 및 내마모성 소재의 타이어부로 형성하여 결합함으로써 차륜의 경향화를 달성할 수 있고, 웹플레이트와 타이어부들중 적어도 어느 하나에 요홈부를 형성하고 다른 하나에 형성된 돌출부를 배치하고 수평으로 볼트를 체결하여 결합함으로써 선로의 곡선구간에서 발생되는 원심력에 의한 횡압에 대한 지지응력이 증대되어 내구성이 향상되며, 타이어부의 마모시 용이하게 교체할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 웹플레이트 외측에 타이어부를 열간압입에 의해 접합시킨 종래 철도 차륜의 단면도.
도 2는 도 1의 분해사시도.
도 3은 본 발명에 의하여 볼트체결방식에 의해 서로 다른 소재의 웹플레이트 외측에 타이어부를 결합시킨 철도 차륜의 구조를 보여주는 단면도.
도 4는 도 3의 철도 차륜의 분해사시도.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 도 1의 철도 차륜의 접합부의 종단면의 응력해석 결과를 보여준다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 도 3의 철도 차륜 접합부의 정면에서의 응력해석 결과를 보여준다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는 도 3의 철도 차륜의 접합부의 종단면의 응력해석 결과를 보여준다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 도 3의 철도 차륜의 정면에서의 응력해석 결과를 보여준다.
도 9 내지 도 13은 각각 본 발명의 다른 실시예에 의한 타이어부 접합구조를 보여주는 종단면도들이다.

이하에서는 본 발명에 의한 철도 차량의 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다..

도 3과 4에는 본 발명에 따라 철도 차량의 차륜이 허브에 일체로 형성된 웹플레이트(10)와 그 외측에 수평으로 볼트로 체결하여 결합되는 타이어부(11)를 포함한다. 상기 웹플레이트는 경량의 소재로 형성하는 한편, 타이어부는 내열성 및 내마모성을 갖는 소재로 형성한 이종 소재의 차륜이 제공된다.

상기 웹플레이트(10)의 외측면에는 요홈부(12)가 형성되고, 상기 타이어부(11)에는 웹플레이트의 요홈부(12)에 맞물리는 돌출부(13)가 환형으로 형성되며, 상기 돌출부를 관통하여 웹플레이트의 요홈부(12)의 측벽에 볼트(14)가 체결되어 웹플레이트와 타이어부가 결합되며, 이로써, 차륜이 곡선 레일을 주행할 때 발생되는 원심력에 의해 도 3에서 화살표로 표시된 방향으로 타이어부의 플렌지에 대한 횡압이 발생되더라도 요홈부(12) 측벽에 대하여 타이어부의 돌출부(13)가 지지됨으로써 차륜은 이종 소재로 이루어짐에도 횡압에 대한 충분한 지지강성을 갖게 된다.

또한, 차륜에 이종 소재를 사용함에 따른 전위차에 의한 부식의 문제는 상기 볼트 체결부에 Zn과 같은 소재의 통상의 유도부식 소재를 장착함으로써 상기 유도부식 소재가 부식되게 하고 이를 교체함으로써 이종 소재의 차륜에 대한 횡압에 대한 내구성 및 전위차에 의한 부식의 문제가 해소된다.

도 1에 도시된 종래 열간압입 방식에 의해 웹플레이트에 타이어부를 결합시킨 차륜의 응력 해석결과를 보여주는 도 5(a) 내지 도 5(c)와 도 6(a) 내지 도 6(c)와 비교하여, 본 발명에 따라 웹플레이트에 요홈부를 형성하고 돌출부가 형성된 타이어부를 볼트 결합한 구조로 차륜에서의 횡압 및 수직하중에 대한 응력이 기존의 열간압입 방식에 의한 차륜과 비슷한 수준임을 확인할 수 있다.

즉, 도 5(a)와 도 6(a)는 기존 열간압입을 통해 조립된 차륜이 수직하중을 지지할 때 발생하는 응력해석 결과로 볼트 결합된 차륜의 응력해석 결과를 보여주는 도 7(a)와 도 8(a)와 비교하였을 때 화살표 부분에 볼트홀로 인한 응력집중이 예상되나 크게 영향을 미치지 않는다.

도 5(b)와 도 6(b)는 기존 열간압입을 통해 조립된 차륜이 플랜지 내측에서 횡압을 지지할 때 발생하는 응력해석 결과로 볼트 결합된 차륜의 응력해석 결과를 보여주는 도 7(b)와 도 8(b)와 비교하였을 때 웝플레이트 부분의 응력량 및 볼트홀의 응력량에서 큰 차이를 보이지 않는다.

도 5(c)와 도 6(c)는 기존 열간압입을 통해 조립된 차륜이 플랜지 외측에서 횡압을 지지할 때 발생하는 응력해석 결과로 도 7(c)와 도 8(c)와 비교하여 도 8(c)에 도시한 바와같이 화살표 부분에서 응력집중이 발생하지만 전체 해석결과를 비교하였을 때 큰 영향을 미치지 않는다.

도 9에 도시된 본 발명의 다른 실시예의 차륜은 웹플레이트(20)외 외측면을 평면으로 하되 일측에 돌출부(32)를 형성하는 한편, 상기 돌출부에 대향된 타이어부의 표면에 요홈부(31)를 형성하여 돌출부가 배치되며, 볼트(33)로 상기 돌출부(32)를 관통하여 타이어부의 요홈부(31) 측벽에 횡방향으로 체결되며, 또한 웹플레이트와 맞물리는 타이어부의 대향면에 체결공(34)을 형성하고 웹플레이트의 저면에서 볼트(35)로 타이어부의 체결공(34)에 체결함으로써 타이어부가 웹플레이트에 대하여 횡압 및 수직 하중에 대한 향상된 지지응력을 갖게 된다.

도 10에 도시된 또 다른 실시예의 차륜은 웹플레이트(20)의 외측면의 일측에 요홈부(41)를 형성하고, 그 반대쪽에서 타이어부(30)에 요홈부(44)를 형성하며, 상기 요홈부(41,44)들의 측벽에 체결공을 형성하며, 상기 요홈부들에는 각각 링부재(42,45)들을 관통하여 볼트(43,46)를 횡방향으로 웹플레이트와 타이어부를 체결함으로써 횡압에 대한 향상된 지지응력을 갖게 된다.

도 11에는 웹플레이트(20)의 외측면 일측과 웹플레이트 외측에 결합되는 타이어부의 대향된 부분에 각각 요홈부(52,53)를 형성하고 상기 요홈부(52,53)들에 공통으로 링부재(54)가 배치되어 그 링부재를 관통하여 타이어부에 볼트가 체결되는 한편, 상기 요홈부(52,53)들의 반대쪽에서 웹플레이트에 요홈부(51)를 형성함과 함께 상기 요홈부(51)에 타이어부의 돌출부(56)가 배치되어 횡압에 대한 향상된 지지응력을 갖도록 구성된다.

도 12에 도시된 구조는 도 11의 구성에 대한 변형예로서, 볼트(57)가 링부재를 관통하여 타이어부에 체결되는 대신에 웹플레이트의 요홈부 측벽에 체결되는 점에서 차이가 있다.

전술한 실시예들에서 링부재와 타이어부 사이에는 도면에 도시하지 않았지만 통상의 Zn 소재의 유도부식 소재를 배치하고 볼트로 함께 고정함으로써 서로 다른 소재로 타이어부와 웹플레이트를 형성함에 따라 발생되는 전위차에 의한 부식을 유도뷰식 소재로 유도함으로써 이종 소재의 전위차로 인한 부식의 문제가 간편하게 해결된다. 이러한 유도부식 소재는 전술한 실시예들에 공통적으로 제공될 수 있다.

본 발명에 의한 철도 차량의 차륜은 타이어부는 내마모성 소재로 형성하고 웹플레이트는 경량 소재로 형성하여 볼트로 체결하여 결합함과 함께 차륜이 곡선 선로를 주행할 때 발생되는 횡압에 대한 지지강성이 증대되는 결합구조로 철도 차량의 차륜의 경량화 및 필요에 따라 타이어부를 용이하게 교체하여 사용할 수 있다.

10 ; 웹플레이트 11 : 타이어부
12 : 요홈부 13 : 돌출부
14 : 볼트 42,45 : 링부재

Claims (5)

1. 허브에 일체로 형성된 웹플레이트(10)와 그 외측에 볼트로 체결하여 결합되는 타이어부(11)를 볼트로 체결하여 결합하는 철도 차량의 차륜에 있어서,
   상기 웹플레이트는 경량의 소재로 형성하는 한편, 타이어부는 내열성 및 내마모성을 갖는 소재로 형성하고,
   차륜이 곡선 레일을 주행할 때 발생되는 원심력에 의한 횡압을 지지하도록 상기 타이어부와 웹플레이트의 일측에 각각 요홈부를 형성하고 링부재가 공통으로 요홈부들에 배치되어 볼트로 수평으로 체결되고, 그 반대쪽에는 타이어부와 웹플레이트 중에서 어느 하나에 요홈부를 형성하는 한편 다른 하나에는 돌출부를 형성하여 상기 요홈부에 배치되는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 차륜.
2. 제 1항에 있어서, 상기 볼트로 수평체결하는 부분과 반대쪽에 웹플레이트의 저면에서 타이어부로 볼트로 체결하여 결합하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 차륜.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 웹플레이트와 타이어부가 서로 다른 소재로 됨에 따른 전위차에 의한 부식을 방지하도록, 상기 웹플레이트와 타이어부 사이에는 Zn 소재의 유도부식 소재를 배치하여 고정하는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 차륜.

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