KR101530206B1

KR101530206B1 - 철도차량용 삼축 관절 대차

Info

Publication number: KR101530206B1
Application number: KR1020130159886A
Authority: KR
Inventors: 김남포; 허현무
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-20

Abstract

본 발명은 철도차량용 삼축 관절 대차에 관한 것으로; 대차프레임의 하부에 전후방 윤축 및 중간 윤축이 구비되는 철도차량용 삼축 관절 대차에 있어서, 상기 전방 윤축의 전방 차축은 전방 베어링 하우징에 지지되고, 상기 후방 윤축의 후방 차축은 후방 베어링 하우징에 지지되고, 상기 중간 윤축의 중간 차축은 중간 베어링 하우징에 지지되며, 상기 전방 및 후방 베어링 하우징과 중간 베어링 하우징은 차륜의 안쪽에 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도차량의 대차로 삼축 관절 대차를 적용해 철도차량의 전체 중량을 감소할 수 있을 뿐만 아니라 전후방 및 중간 차축의 3축을 이용하므로 차체의 하중을 고르게 분산되고, 차축을 지지하는 베어링 하우징을 차륜의 안쪽으로 설치하여 전체적으로 대차의 규모를 최소화할 수 있다. 아울러, 본 발명에 따르면 차축이 좌우 방향으로 슬라이딩할 수 있는 갭이 있어 곡선 주로에서 삼축 관절 대차의 곡선추종성능 저하도 개선할 수 있다.

Description

철도차량용 삼축 관절 대차 {3-axles articulated bogie for railway vehicle}

본 발명은 철도차량용 삼축 관절 대차에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량의 전체 중량을 감소할 수 있을 뿐만 아니라 축당 하중 증가를 완화할 수 있고 곡선 주로에서 삼축 관절 대차의 곡선추종성능 저하를 개선할 수 있는 철도차량용 삼축 관절 대차에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량은 대단위 운송수단으로서, 철도차량은 고속화, 효율성 향상의 추세로 진화하고 있으며, 이를 위해 열차 중량의 감소, 열차 무효공간의 최소화를 위한 기술개발이 활발히 진행 중이다.

이와 같은 철도차량의 대차는 차체의 중량을 지지함과 동시에 각 차륜에 차체의 중량이 고르게 분포되도록 하고, 차체에 대하여 자유롭게 방향을 전환하여 철도차량의 주행을 원활하게 하는 장치이다.

이와 같은 철도차량의 대차는 등록특허 제10-0657622호, 등록특허 10-0516033호 등을 통해 다양한 구조가 제안된 바 있다.

이와 같은 대차는 중량이 철도차량 전체 중량의 30% 정도를 차지하는 것으로, 통상 중량을 획기적으로 감소할 수 있는 방법은 대차 수를 감소시키는 것이다.

이에 두 차량이 한 대차를 공유하게 함으로써 대차 수를 감소시키는 방법으로 관절대차(연접대차) 차량이 제안된 바 있다.

이들 종래 대차의 구조는 도 1에 도시된다. 도 1의 (a)는 종래 일반대차(10)가 적용된 철도차량(1)을 도시한 도면이고, 도 1의 (b)는 종래 관절대차(20)가 적용된 철도차량(2)의 설치 상태를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

이를 좀더 구체적으로 살펴보면 일반대차(10)가 설치된 철도차량은 한 량의 객차마다 2대의 대차가 구비되며, 관절대차(20)가 설치된 철도차량은 한 량의 객차마다 1대의 대차가 구비된다.

따라서, 두 차량이 한 대차를 공유하게 함으로써 대차 수를 감소시키는 관절대차(20)가 적용된 철도차량의 경우 일반대차(10)가 적용된 철도차량에 비해 그 중량을 획기적으로 줄일 수 있다.

이와 같이 차량과 차량이 한 대차를 공유하는 관절대차(또는 연접대차) 방식이 고속철도, 화물열차, 경량전철 등에 활용되고 있다. 일 예로, 프랑스의 TGV, 한국의 KTX 고속열차 등 대부분의 관절대차 방식의 차량이 두 개의 축을 갖는 관절대차로 이루어지며, 미국의 이단적재 컨테이너 화차도 이축의 관절대차 방식을 채용하고 있다.

그런데, 이축의 관절대차 방식은 1량의 차량을 두 개의 차축이 지지하는 셈이기 때문에 축중이 높아지는 문제가 있으며, 화물열차의 경우 축중이 높아져 궤도 하부구조를 강화하여야 하는 문제가 있었다.

이에 종래에는 도 2에 도시된 바와 같은 삼축 대차(30)가 제안된 바 있다. 이는 하중의 균등한 분포를 유도할 수 있지만, 철도차량이 급 곡선 통과 시 중간축(31)의 차륜과 레일 간의 끼임 현상이 발생하여 곡선 통과성능이 저하되는 문제가 있다.

참고문헌 1 : 등록특허 제10-0657622호 참고문헌 2 : 등록특허 제10-0516033호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 철도차량의 전체 중량을 감소할 수 있을 뿐만 아니라 축당 하중 증가를 완화하기 위한 철도차량용 삼축 관절 대차를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 차체의 하중을 고르게 분산시킬 수 있고 곡선 주로에서 삼축 관절 대차의 곡선추종성능 저하를 개선할 수 있는 철도차량용 삼축 관절 대차를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

대차프레임의 하부에 전후방 윤축 및 중간 윤축이 구비되는 철도차량용 삼축 관절 대차에 있어서, 상기 전방 윤축의 전방 차축은 전방 베어링 하우징에 지지되고, 상기 후방 윤축의 후방 차축은 후방 베어링 하우징에 지지되고, 상기 중간 윤축의 중간 차축은 중간 베어링 하우징에 지지되며, 상기 전방 및 후방 베어링 하우징과 중간 베어링 하우징은 차륜의 안쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 삼축 관절 대차를 제공한다.

이때, 상기 대차프레임의 상부 중앙에 전위 차체의 후단 연결부와 후위 차체의 전단 연결부가 연결핀으로 체결되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 연결핀은 그 회전중심이 대차프레임의 중앙에 구비되는 센타 피봇과 같은 축에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전후방 베어링 하우징 및 중간 베어링 하우징은 전후방 액슬박스 및 중간 액슬박스에 설치되며, 상기 전후방 액슬박스 및 중간 액슬박스와 대차프레임 사이에는 전후방 스프링 및 중간 스프링이 지지되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 중간 베어링 하우징은 중간 액슬박스에 슬라이딩 가능한 중간 차축 슬라이딩 갭을 갖으며, 상기 중간 차축 슬라이딩 갭은 10㎜ 이하인 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 전후방 베어링 하우징은 전후방 액슬박스에 슬라이딩 가능한 전후방 차축 슬라이딩 갭을 갖으며, 상기 전후방 차축 슬라이딩 갭은 2㎜ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 철도차량의 대차로 삼축 관절 대차를 적용해 철도차량의 전체 중량을 감소할 수 있을 뿐만 아니라 전후방 및 중간 차축의 3축을 이용하므로 차체의 하중이 고르게 분산되고, 차축을 지지하는 베어링 하우징을 차륜의 안쪽으로 설치하여 전체적으로 대차의 규모를 최소화할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면 차축이 좌우 방향으로 슬라이딩할 수 있는 갭이 있어 곡선 주로에서 삼축 관절 대차의 곡선추종성능 저하도 개선할 수 있다.

도 1의 (a) 및 (b)는 종래 일반대차 차량과 관절대차 차량을 도시한 도면이다.
도 2는 종래 삼축 대차의 곡선통과 시 축 배열 상태를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 철도차량용 삼축 관절 대차와 후위 차체의 연결상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 삼축 관절 대차와 전후위 차체의 연결 상태를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 철도차량용 삼축 관절 대차와 전후위 차체의 연결 상태를 도시한 일측 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 철도차량용 삼축 관절 대차의 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 철도차량용 삼축 관절 대차의 차축 슬라이딩 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 철도차량용 삼축 관절 대차를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3 내지 도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 철도차량용 삼축 관절 대차(100)는 차체의 하부에 위치하여 차체의 하중을 지지하는 대차프레임(110)과, 상기 대차프레임(110)의 하부에 구비되는 전후방 윤축(120,130) 및 중간 윤축(140)으로 이루어진다.

이하에서 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

상기 대차프레임(110)은 일정간격으로 평행하게 배치되는 제1 및 제2종축지지대(side frame)(111,112)와, 상기 제1 및 제2종축지지대(111,112)를 연결하는 적어도 하나 이상의 횡축지지대(cross beam)(113)로 이루어진다.

이와 같은 대차프레임(110)은 금속재질로 이루어질 수 있지만, 필요에 따라 섬유강화 복합소재로 이루어짐도 가능하다.

상기 대차프레임(110)의 중앙에는 삼축 관절 대차(100)와 차체 사이의 견인력을 전달하는 센터 피봇(center pivot)(115)이 구비된다.

한편, 상기 대차프레임(110)의 하부에는 3개의 윤축인 전후방 윤축(120,130) 및 중간 윤축(140)이 구비된다.

이때, 3개의 윤축(120,130,140)은 차륜이 차축의 양단에 구비되는 구조로서 전후방 윤축(120,130) 및 중간 윤축(140)은 모두 동일한 구조로 이루어지며 전방 윤축(120), 중간 윤축(140), 후방 윤축(130)의 순서로 동일한 간격을 유지하며 대차프레임(110) 하부에 설치된다.

좀 더 상세하게 설명하면, 상기 전방 윤축(120)은 제1 및 제2 전방차륜(121,122)이 전방 차축(123)의 양단에 구비되어서 이루어지고, 상기 후방 윤축(130)은 제1 및 제2 후방차륜(131,132)이 후방 차축(133)의 양단에 구비되어서 이루어지며, 상기 중간 윤축(140)은 제1 및 제2 중간차륜(141,142)이 중간차축(143)의 양단에 구비되어서 이루어진다.

이때, 상기 3개의 윤축(120,130,140)은 회전이 자유롭게 차축 양단부의 저널부를 지지함과 동시에 회전 가능하도록 차축 베어링(미도시됨)이 내장된 복수의 베어링 하우징(125,135,145)에 지지된다.

좀 더 상세하게 설명하면, 상기 전방 윤축(120)의 전방 차축(123)은 전방 베어링 하우징(125)에 지지되고, 상기 후방 윤축(130)의 후방 차축(133)은 후방 베어링 하우징(135)에 지지되며, 상기 중간 윤축(140)의 중간 차축(143)은 중간 베어링 하우징(145)에 지지된다.

한편, 상기 3개의 윤축(120,130,140)을 지지하는 전후방 베어링 하우징(125,135) 및 중간 베어링 하우징(145)의 상단에는 대차 프레임(110)이 위치하지만, 상기 대차프레임(110)과 전후방 베어링 하우징(125,135) 및 중간 베어링 하우징(145) 사이에는 차륜으로부터 전달된 진동을 감쇄하는 현수장치인 스프링(126,136,146)이 설치된다.

이 경우 전후방 베어링 하우징(125,135) 및 중간 베어링 하우징(145)은 전후방 액슬박스(127,137) 및 중간 액슬박스(147)에 설치되며, 그 전후방 액슬박스(127,137) 및 중간 액슬박스(147)와 대차프레임(110) 사이에는 전후방 스프링(126,136) 및 중간 스프링(146)이 지지되어 완충 기능을 수행한다. 이때, 상기 스프링(126,136,146)들은 코일 스프링을 적용함이 바람직하다.

한편, 상기 전후방 베어링 하우징(125,135) 및 중간 베어링 하우징(145)과 전후방 스프링(126,136) 및 중간 스프링(146)이 차륜 외측으로 설치되면 기초제동장치의 제륜자 교환을 위한 공간을 확보하기 위해 축간거리를 증가시켜야 하고, 따라서 대차 길이가 증가되는 문제가 있기 때문에 인보드(inboard) 방식으로 전후방 베어링 하우징(125,135) 및 중간 베어링 하우징(145)을 차륜(121,122)(131,132)(141,142)의 안쪽에 설치하여 대차(100)의 규모를 최소화한다.

그리고, 전위 차체(200)와 후위 차체(300)는 핀 구조를 통해 연결된다. 즉, 상기 전위 차체(200)의 후단 연결부(210)와 후위 차체(300)의 전단 연결부(310)는 연결핀(150)이 체결되며 그 회전중심이 본 발명에 따른 삼축 관절 대차(100)의 중앙에 위치하는 센타 피봇(115)과 같은 축에 위치함으로써 철도차량의 주생시에 곡선 통과가 원활하게 이루어진다.

좀 더 상세하게 설명하면 상기 대차프레임(110)의 상부 중앙에 전위 차체(200)의 후단 연결부(210)와 후위 차체(300)의 전단 연결부(310)가 위치하여 연결핀(150)이 체결되어 전위 차체(200)와 후위 차체(300)가 관절 형태로 연결된다.

한편, 상기 중간 윤축(140)의 중간 차축(143)은 설정된 폭만큼 좌우방향으로 슬라이딩을 허용하여 급 곡선 구간을 통과 시 중간 차륜(141,142)과 레일 간의 끼임 현상 없이 원활하게 주행할 수 있도록 한다.

이때, 상기 중간 차축(143)은 최대 약 10㎜ 정도 좌우방향으로 슬라이딩이 가능토록 한다. 이를 위해 상기 중간 베어링 하우징(145)은 중간 액슬박스(146)에 슬라이딩 가능한 중간 차축 슬라이딩 갭(148)을 갖는다.

따라서, 철도차량이 곡선 구간을 주행시에는 중간 차축(143)이 허용된 범위에서 좌우로 슬라이딩된다.

아울러, 상기 전후방 윤축(120,130)의 전후방 차축(123,133) 역시 설정된 폭만큼 좌우방향으로 슬라이딩을 허용하여 급 곡선 통과하는 경우 전후방 차륜(121,122)(131,132)과 레일 간의 끼임 현상 없이 원활하게 주행 수 있도록 한다. 이 경우 유격이 크면 직선에서 주행안정성이 저하되는 문제가 있으므로 전후방 차축(123,133)의 유격은 중간 차축에 비해 상대적으로 작게 전후방 차축 슬라이딩 갭(128,138,)을 갖는다. 이때, 상기 전후방 차축(123,133)은 최대 약 2㎜ 정도 좌우방향으로 슬라이딩이 가능토록 한다.

즉, 전후방 차축(123,133)은 2 mm 정도의 작은 범위 내에서 좌우로 슬라이딩이 가능하고, 가운데 중간 차축(143)은 10 mm 정도의 큰 범위 내에서 좌우로 슬라이딩이 가능하도록 함으로써 주행안정성과 곡선 통과성능 모두를 만족시킬 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 7을 참고로 본 발명에 따른 철도차량용 삼축 관절 대차가 구비된 철도챠량의 곡선 주행시 삼축 관절 대차의 작동 관계를 설명한다.

철도 차량이 선로를 따라 주행시 차륜이 선로 레일에 접촉된 상태로 주행하게 된다.

이때, 대차프레임(110)의 하부에는 전후방 윤축(120,130) 및 중간 윤축(140)이 모두 동일한 구조와 간격을 유지하며 배치되므로 고르게 차체의 하중이 분산된다.

특히, 대차프레임(110)의 하부에 위치하는 전후방 윤축(120,130) 및 중간 윤축(140)을 지지하는 베어링을 구비하는 베어링 하우징(125,135,145)과 스프링(126,136,146)이 차륜의 내측에 설치되어 대차의 규모를 축소할 수 있다.

한편, 철도차량이 곡선 구간을 주행하는 경우 대차프레임(110)의 상부에 연결핀(150)에 의해 전위 차체(200)의 후단 연결부(210)와 후위 차체(300)의 전단 연결부(310)는 힌지구조로 결합되어 있고 이는 대차프레임(110)의 센타 피봇(115)과 같은 축에 위치하여 곡선 통과를 원활하게 해준다.

특히, 철도차량은 급 곡선 구간 통과 시 전후방 차축(123,133)과 중간 차축(143)이 설정된 슬라이딩 갭(128,138,148)의 범위 내에서 좌우로 슬라이딩 되면서 차륜과 레일 간의 끼임 현상 없이 원활하게 주행하므로 주행안정성과 곡선 통과성능 모두를 만족시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 삼축 관절 대차 110: 대차프레임
115: 센타 피봇 120: 전방 윤축
123: 전방 차축 125: 전방 베어링 하우징
126: 전방 스프링 130: 후방 윤축
133: 후방 차축 135: 후방 베어링 하우징
136: 후방 스프링 140: 중간 윤축
143: 중간 차축 145: 중간 베어링 하우징
146: 중간 스프링 150: 연결핀
200: 전위 차체 300: 후위 차체

Claims

대차프레임의 하부에 전후방 윤축 및 중간 윤축이 구비되는 철도차량용 삼축 관절 대차에 있어서,
상기 전방 윤축의 전방 차축은 전방 베어링 하우징에 지지되고, 상기 후방 윤축의 후방 차축은 후방 베어링 하우징에 지지되고, 상기 중간 윤축의 중간 차축은 중간 베어링 하우징에 지지되며, 상기 전방 및 후방 베어링 하우징과 중간 베어링 하우징은 차륜의 안쪽에 설치되되,
상기 전후방 베어링 하우징 및 중간 베어링 하우징은 전후방 액슬박스 및 중간 액슬박스에 설치되며, 상기 전후방 액슬박스 및 중간 액슬박스와 대차프레임 사이에는 전후방 스프링 및 중간 스프링이 지지되고,
상기 중간 베어링 하우징은 중간 액슬박스에 슬라이딩 가능한 중간 차축 슬라이딩 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 철도차량용 삼축 관절 대차.
제 1항에 있어서,
상기 대차프레임의 상부 중앙에 전위 차체의 후단 연결부와 후위 차체의 전단 연결부가 연결핀으로 체결되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 삼축 관절 대차.
제 2항에 있어서,
상기 연결핀은 그 회전중심이 대차프레임의 중앙에 구비되는 센타 피봇과 같은 축에 위치하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 삼축 관절 대차.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 중간 차축 슬라이딩 갭은 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 철도차량용 삼축 관절 대차.
제 1항에 있어서,
상기 전후방 베어링 하우징은 전후방 액슬박스에 슬라이딩 가능한 전후방 차축 슬라이딩 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 철도차량용 삼축 관절 대차.
제 7항에 있어서,
상기 전후방 차축 슬라이딩 갭은 2㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 철도차량용 삼축 관절 대차.