KR101602388B1

KR101602388B1 - 철도 차량 대차용 판 스프링

Info

Publication number: KR101602388B1
Application number: KR1020147007668A
Authority: KR
Inventors: 가쿠 키무라; 미츠히로 후루야; 슌이치 나카오; ?이치 나카오; 타케히로 니시무라
Original assignee: 가부시키가이샤 지에이치 크래프트; 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2016-03-10
Also published as: EP2757016A1; CN103796899B; US20150000553A1; EP2757016A4; US9428199B2; CN103796899A; EP2757016B1; JPWO2013038673A1; WO2013038673A1; KR20140054341A; JP5576990B2

Abstract

본 발명의 철도 차량 대차용 판 스프링(10)은 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 상면 부재(12)와, 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 하면 부재(14)와, 상면 부재(12)와 하면 부재(14) 사이에 배치된 코어 심재 부재(16)를 구비하며, 코어 심재 부재(16)가, 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 적층 방향에 대하여 직교 방향인 폭 방향으로 적층되는 동시에 강화 섬유가 상기 코어 심재 부재(16)의 측면에서 볼 때 휨 중립 축에 대하여 경사지고 서로 교차하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

철도 차량 대차용 판 스프링{FLAT SPRING FOR RAILROAD VEHICLE BOGIE}

본 발명은, 예를 들어, 철도 차량의 축빔식 대차에 이용하는 철도 차량 대차용 판 스프링에 관한 것으로, 섬유 강화 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 주재료로 구성한 철도 차량 대차용 판 스프링에 관한 것이다.

종래부터 철도 차량의 대차는 주행 성능이나 승차감을 좌우하는 중요한 장치이며, 기본적인 기능이나 성능으로 승객이나 화물 등을 실은 차체를 차체 아래에서 지지하면서 궤도를 원활하게 주행한다는 중요한 역할이 있다.

따라서, 대차는 구동기구로서의 전동기, 브레이크, 바퀴나 차축, 주행 안정성을 위한 베개형 스프링(공기 스프링), 축 스프링, 그리고, 이것들을 지지하는 대차 프레임으로 구성되어 있다.

또한, 최근에는 종래의 차체와 대차 프레임 사이에 버팀 빔(볼스터)을 배치한 "버팀 빔식 대차"에서 차체와 대차 프레임 사이에 버팀 빔(볼스터)이 없는 "볼스터리스(bolsterless) 대차"가 개발되고, 특히, "축빔식 대차"주로가 되고 있다(특허문헌1 참조).

이 축 빔식 대차는 차량의 전체 하중을 차체의 가로빔, 볼스터, 볼스터 스프링(공기 스프링), 대차 프레임, 축 스프링, 축 상자, 차축/바퀴, 레일의 순서로 받고 있다. 도 12는 이 축빔식 대차를 개략적으로 나타내는 부분 확대 평면도이고, 도 13은 도 12의 A방향의 단면도이다.

대차(100)는 레일과 평행하게 배치되는 한 쌍의 측면빔(102,104)과, 이들 측면빔(102,104)의 사이에 레일 침목과 평행하게 배치되는 한 쌍의 가로빔(106,108)을 구비하고 있다.

또한, 측면빔(102,104) 사이에는 차축(110)과 바퀴(112)가 축 상자(114)를 통하여 회전 가능하게 장착되어 있다. 그리고, 측면빔(102,104)과 축 상자(114) 사이에는 대차(100)와 축 상자(114) 사이에서, 견인력, 브레이크력을 전달하기 위하여 코일 모양의 축 스프링(116)의 동작에 따라 상하 방향으로 이동 가능하도록 축부(118)로 축 지지된(軸着) 축 상자 지지 장치(120)가 개재되어 있다. 차량의 총 중량의 50%는 대차이며, 이 대차는 강철 구조 대형 프레임과 강철 스프링으로 구성되어 있다.

일본특허공개공보 특개평9-301163호

그러나, 이와 같은 종래의 축빔식 대차(100)에서는 차량의 총 중량의 50%는 대차이며, 강철 구조의 측면빔(102,104)과 가로빔(106,108), 그리고, 강철 스프링인 축 스프링(116)으로 구성되어 있기 때문에, 중량이 무거워지는 문제가 있다.

또한, 이들 측면빔(102,104)과 가로빔(106,108)의 사이를 복잡한 용접, 조립 작업을 하고 있으며, 숙련과 가공 시간이 필요하여 비용과 시간을 필요로 한다.

또한, 축 스프링(116)으로서, 강철 판 스프링이 종래 사용되고 있으며, 스프링의 특성을 얻기 위하여 겹판 스프링이 사용되고 있었지만, 코일 스프링으로 세대 교체하여 오늘에 이르고 있다. 즉, 금속인 강철 스프링 한 개는 스프링으로서 너무 무겁고, 진동 감쇠가 안 되고, 어려운 문제가 있어 최근에 사용되고 있지 않다.

또한, 상기와 같이 스프링 한 개에서는 문제가 있으며, 겹판 스프링이 되는 것은 충분한 강도와 낮은 스프링 상수의 양립이 곤란하기 때문이다. 하지만, 겹판 스프링에서는 부품수의 증가로 인한 조립성이 나빠지고, 번거로운 작업이 필요하여 시간도 걸리며 비용도 많이 들게 되어 있었다.

본 발명은 이와 같은 현상을 감안하여 종래와 같이 숙련이 필요한 용접, 조립 작업이 필요 없어 비용와 시간을 줄일 수 있음과 아울러 강철이며 중량이 무거운 측면빔이 필요 없어 대차 구조의 단순화를 도모할 수 있고, 경량화와 비용 절감을 도모할 수 있으며, 게다가 장수명으로 내구성도 향상시킨 철도 차량 대차용 판 스프링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 철도 차량 대차용 판 스프링은 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 상면 부재와, 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 하면 부재와, 상기 상면 부재와 하면 부재 사이에 배치된 코어(core) 심재 부재를 구비하며, 상기 코어 심재 부재가, 상면 부재와 하면 부재의 적층 방향에 대하여 직교 방향인 폭 방향 전체에 걸쳐 적층되어 상기 철도 차량 대차용 판 스프링이 중실임과 동시에 강화 섬유가 상기 코어 심재 부재의 측면에서 볼 때 휨 중립 축에 대하여 경사지고 서로 교차하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성된 것을 특징으로 한다.

판 스프링에 휨 하중을 가하면, 상면에는 주로 압축 하중이 가해지고, 하면에는 주로 인장 하중이 가해지며, 중앙부에는 주로 전단 하중이 가해진다. 이에 대하여, 본 발명은 압축 하중을 분담하는 상면 부재를 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성하고, 인장을 분담하는 하면 부재를 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성하고 있다.

그리고, 전단 하중을 분담하는 코어 심재 부재를 상면 부재와 하면 부재의 두께 방향에(적층 방향에) 대하여 직교 방향인 폭 방향으로 적층되는 동시에 강화 섬유가 코어 심재 부재의 측면에서 볼 때 휨 중립 축에 대하여 경사지고 서로 교차하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성하는 동시에 이러한 부재 사이를 접착하는 층간부(접착층)로 구성하고 있다.

따라서, 하중에 대하여 적절한 방향으로 강화 섬유가 배향되어 있으므로 철도 차량 대차용 판 스프링에 필요한 강도를 얻는데 경량으로 해결되게 된다. 또한, 이러한 부재의 강도를 적정하게 설정함으로써 최대 한계 하중을 초과하였을 때 파괴의 시작을 층간부, 상면 부재, 하면 부재와 차례로 시작하게 함으로써 파단이 단번에 일어나는 경우가 없다.

또한, 섬유 강화 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 인장 강도에 비하여 압축 강도가 50% 정도 약한 재료이지만, 본 발명에서는 코어 심재 부재가 상면 부재와 하면 부재의 두께 방향에(적층 방향에) 대하여 직교 방향인 폭 방향으로 적층되는 동시에 코어 심재 부재의 측면에서 볼 때 휨 중립 축에 대하여 경사지는 방향으로 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성하고 있다.

이와 같이, 코어 심재 부재, 상면 부재, 하면 부재의 단면을 최적 설계함으로써 압축 하중, 인장 하중, 전단 하중에 대하여 최적으로 되어 전체에서 가장 가볍고 임의의 스프링 상수를 가진 판 스프링으로 할 수 있다.

또한, 금속 판 스프링에서는 스프링 한 개가 상기한 바와 같이 문제가 있어 곤란하며, 겹판 스프링이 되는 것에 반하여 본원 발명의 철도 차량 대차용 판 스프링처럼 복합재 판 스프링으로서 스프링 한 개가 가능해지는 것은 상기 형상 설계 자유도 외에 재료 물성으로서 섬유 강화 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 쪽이 저탄성율 고강도이기 때문이다.

또한, 금속제의 스프링, 대차 프레임 등은 금속 피로의 문제가 있지만, 본 발명에 따르면, 상기와 같이 안전율을 적정하게 설정함으로써 섬유 강화 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 금속에 비하여 피로로 인한 강도 저하가 적기 때문에 장수명화를 도모할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따르면, 종래와 같이 숙련이 필요한 용접, 조립 작업이 필요 없어 비용와 시간을 줄일 수 있는 동시에 강제이며 중량이 무거운 측면빔이 불필요하여 대차 구조의 단순화를 도모할 수 있고, 경량화와 비용 절감을 도모할 수 있으며, 또한, 수명을 길게하여 내구성도 향상시킨 철도 차량 대차용 판 스프링을 제공할 수 있다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링은 상기 코어 심재 부재의 강화 섬유가 상기 코어 심재 부재의 측면에서 볼 때 휨 중립 축에 대해 45°로 경사져도 좋다.

이와 같이, 상면 부재와 하면 부재의 중간에 코어 심재 부재를 설치하여 전단 하중을 분담시키고, 코어 심재 부재의 강화 섬유가 코어 심재 부재의 측면에서 볼 때 휨 중립 축에 대하여 45°로 경사짐으로써 전단 하중에 대하여 최적으로 되어 전체에서 가장 가볍고 임의의 고강성(스프링 상수)을 가진 판 스프링으로 할 수 있다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링은 상기 철도 차량 대차용 판 스프링이 그 하면이 양단부에서 중심 방향을 향하여 아래로 경사지며 연장되는 직선부와, 두 직선부 사이의 중앙 부분에 형성된 호(弧) 모양 부분으로 구성되어 있어도 좋다.

탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 이루어진 후판에, 판 스프링으로서 휨을 가하면 층간 강도(층간 전단 강도, 층간 접착 강도)가 부족하게 된다. 즉, 휨 방향의 측면에서 볼 때 원호 모양으로 휘어져 있는 경우, 원호를 크게 하는 방향으로 구부리면 층간이 박리하는 방향으로 되어 약해진다.

이에 반하여, 양단부에서 중심 방향을 향하여 아래로 경사지며 연장되는 직선부와, 두 직선부 사이의 중앙 부분에 형성된 호 모양 부분으로 구성함으로써 층간 강도(층간 전단 강도, 층간 접착 강도)가 향상된다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링은 상기 철도 차량 대차용 판 스프링이 양단부에서 중심 방향을 향하여 두께가 서서히 커지도록 구성되어도 좋다. 이와 같이, 양단부에서 중심 방향을 향하여 두께가 서서히 커지도록 구성되어 있기 때문에 상면 부재, 하면 부재의 휨 응력을 최적화할 수 있다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링은 상기 하면 부재의 하부에 금속제 보호 부재를 구비하여도 좋다. 이와 같이 구성함으로써 하면 부재의 하부에 설치된 금속제 보호 부재에 의해 선로 상에 개재될 수 있는 파편으로 인한 파손 손상으로부터 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부를 보호할 수 있다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링은 상기 하면 부재와 보호 부재 사이에, 탄성 재료로 구성된 탄성 부재를 개재하여도 좋다. 이와 같이 구성함으로써 하면 부재와 금속제 보호 부재 사이에 개재된 탄성 부재가 쿠션 기능의 역할을 하기 때문에 선로 상에 개재될 수 있는 파편으로 인한 파손 손상으로부터 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부를 효과적으로 보호할 수 있다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링은 상기 상면 부재의 상부에 대차 하중 받침 부재를 구비하여도 좋다. 이와 같이 구성함으로써 대차의 하중이 직접 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부에 접촉, 작용하는 경우가 없기 때문에 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부를 보호할 수 있다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링은 상기 상면 부재와 대차 하중 받침 부재 사이에, 탄성 재료로 구성된 완충 부재를 개재하여도 좋다. 이와 같이 구성함으로써 상면 부재와 대차 하중 받침 부재 사이에 개재된 탄성 재료로 구성된 완충 부재가 쿠션 기능의 역할을 하기 때문에 대차의 하중이 직접 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부에 접촉, 작용하는 경우가 없기 때문에 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부를 효과적으로 보호할 수 있다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링은 상기 섬유 강화 플라스틱이 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성되어 있어도 좋다. 이와 같이 섬유 강화 플라스틱이, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성하는 것이 휨 탄성, 기계적 강도, 반복 하중에 대한 내구성 등을 고려하면 바람직하다.

본 발명에 따르면, 종래와 같이, 숙련이 필요한 용접, 조립 작업이 필요 없어 비용와 시간을 줄일 수 있는 동시에 강제이며 중량이 무거운 측면빔이 불필요하여 대차 구조의 단순화를 도모할 수 있고, 경량화와 비용 절감을 도모할 수 있으며, 또한, 수명을 길게하여 내구성도 향상시킨 철도 차량 대차용 판 스프링을 제공 할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링의 분해 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링의 정면도이다.
도 3은 도 2의 철도 차량 대차용 판 스프링의 평면도이다.
도 4는 도 1의 철도 차량 대차용 판 스프링의 코어 심재 부재의 구성을 설명하는 사시도이다.
도 5는 도 2의 A-A선에서의 단면도이다.
도 6은 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링을 축빔식 대차에 적용한 개략을 나타내는 부분 확대 평면도이다.
도 7은 도 6의 B방향의 단면도이다.
도 8은 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링을 축빔식 대차에 적용한 경우의 하중 상태를 설명하는 개략도이다.
도 9는 도 7의 부분 확대도이다.
도 10은 도 9의 C-C선에서의 단면도이다.
도 11은 도 9의 D-D선에서의 단면도이다.
도 12는 종래의 축빔식 대차의 개략을 나타내는 부분 확대 평면도이다.
도 13은 도 12의 A방향의 단면도이다.

이하, 실시예를 도면에 근거하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링의 분해 사시도이고, 도 2는 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링의 정면도이고, 도 3은 도 2의 철도 차량 대차용 판 스프링의 평면도이고, 도 4는 도 1의 철도 차량 대차용 판 스프링의 코어 심재 부재의 구성을 설명하는 사시도이고, 도 5는 도 2의 A-A선에서의 단면도이고, 도 6은 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링을 축빔식 대차에 적용한 개략을 나타내는 부분 확대 평면도이고, 도 7은 도 6의 B방향의 단면도이고, 도 8은 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링을 축빔식 대차에 적용한 경우의 하중 상태를 설명하는 개략도이고, 도 9는 도 7의 부분 확대도이고, 도 10은 도 9의 C-C선에서의 단면도이고, 도 11은 도 9의 D-D선에서의 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 있어서, 부호 10은 전체에서 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링을 나타내고 있다. 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 철도 차량 대차용 판 스프링(10)은 상면 부재(12), 하면 부재(14), 이들 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 사이에 배치된 코어 심재 부재(16)를 갖추고 있다.

상면부재(12)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 호(弧) 모양의 판 스프링 형상이며, 도 8에 나타낸 바와 같이, 압축 하중을 분담하는 부분이다. 또한, 상면 부재(12)는 도 5의 단면도에 나타낸 바와 같이, 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성되어 있다.

마찬가지로, 하면 부재(14)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 호 모양의 판 스프링 형상이며, 도 8에 나타낸 바와 같이, 인장 하중을 분담하는 부분이다. 또한, 하면 부재(14)는 도 5의 단면도에 나타낸 바와 같이, 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성되어 있다.

한편, 코어 심재 부재(16)는 도 8에 나타낸 바와 같이, 전단 하중을 분담하는 부분이며, 대략 호 모양의 판 스프링 형상이다. 또한, 코어 심재 부재(16)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 그 하면이, 양단부에서 중심 방향을 향하여 아래로 경사지며 연장되는 직선부(16a)와, 이들 두 직선부(16a) 사이의 중앙 부분에 형성된 호 모양 부분(16b)으로 구성되어 있다. 또한, 코어 심재 부재 (16)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 그 상면은 완만한 호 모양으로 형성되어 있다.

게다가 코어 심재 부재(16)는 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 두께 방향에(적층 방향에) 대하여 직교 방향인 폭 방향으로 적층되는 동시에, 코어 심재 부재(16)의 측면에서 볼 때, 휨 중립 축(수평축)에 대하여 경사진 방향(경사각(

))으로 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성되어 있다.

또한, 이 경우, 휨 중립 축(수평축)에 대하여 경사진 방향(경사각(

))이란, 도 4에 나타낸 바와 같이 수평 방향에 대하여 경사진 각도(

)로 섬유가 서로 교차하는 것을 의미하는 것이다.

그러나, 수평 방향에 대하여 각도(

)로 경사진 섬유에 대하여, 도 4에 나타낸 바와 같이, 다른 섬유가 직교하는 경우에 한정되는 것이 아니고 예를 들어 30°, 60° 등 임의의 각도(

)로 서로 교차하는 경우도 포함하는 것이다.

이 경우, 측면에서 볼 때, 강화 섬유가, 경사각(

)이, 45°의 교차 각도로 교차하는 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 교차로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 경사각(

)은 코어 심재 부재(16)가 받는 전단 하중을 고려하여 적절하게 변경하는 것도 가능하다.

코어 심재 부재(16)가 받는 전단 하중을 고려하면, 이 수평 방향에 대한 경사각(

)은 휨 중립 축(수평축)에 대하여 45°로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 코어 심재 부재(16), 상면 부재(12), 하면 부재(14)의 단면을 최적 설계함으로써 압축 하중, 인장 하중, 전단 하중에 대하여 최적으로 되어 전체에서 가장 가볍고 임의의 스프링 상수를 가진 판 스프링으로 할 수 있다.

또한, 코어 심재 부재(16)는 양단부에서 중심 방향을 향하여 두께가 서서히 커지도록 구성되어 있다. 이 경우, 그림 4에 나타낸 바와 같이, 휨 하중에 의해 상면 부재(12)에 발생하는 압축 응력, 휨 하중에 의해 하면 부재(14)에 발생하는 인장 응력이 균일하게 되도록 최적화하기 위하여, 포물선 분포에 가까운 상태로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 코어 심재 부재(16)의 양단부의 두께(T1)와 동일한 정도의 두께로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상면 부재(12), 하면 부재(14), 코어 심재 부재(16)는 예를 들어 에폭시 수지, 폴리이미드 수지 등의 열경화성 수지로 이루어지는 플라스틱 등의 고분자 재료와, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등의 강화 섬유 재료를 복합화하여 성형된 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced plastic), 예를 들어, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: carbon Fiber Reinforced plastic), 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP: Glass Fiber Reinforced plastic), 유리 장섬유 강화 플라스틱 (GMT), 아라미드 섬유 강화 플라스틱(AFRP: Aramid Fiber Reinforced Plastic), 보론 섬유 강화 플라스틱(BFRP), 폴리에틸렌 섬유 강화 플라스틱(DFRP), 자이론 강화 플라스틱(ZFRP) 등의 섬유 강화 플라스틱이 사용 가능하다.

또한, 상면 부재(12), 하면 부재(14), 코어 심재 부재(16)는 이러한 섬유 강화 플라스틱을 1종류 이상 선택하고 조합하여 적층하는 것도 물론 가능하다. 특히, 상면 부재(12), 하면 부재(14), 코어 심재 부재(16)를 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성하는 것이, 휨 탄성, 기계적 강도, 반복 하중에 대한 내구성 등을 고려하면 바람직하다.

또한, 상면 부재(12), 하부 부재(14), 코어 심재 부재(16)는 상기 강화 섬유 재료를 수지로 함침한 수지 함침 재료(프리프레그 재료)를 사용하여 적층하는 것이 바람직하다. 이 경우, 한 방향으로 정밀하고 균일하게 강화 섬유를 끌어 모은 프리프레그 재료를 사용하여 적층 구조로 하는 것이 바람직하다. 즉, 강화 섬유를 적층 할 때, 텐션을 부하함으로써 강화 섬유를 가능한 한 직선 모양으로 배열하여 적층하는 것이 바람직하다.

또한, 이 경우, 강화 섬유와 수지를 경화하여 복합재화 할 때, 균일하게 가압, 가열하는 것이 기계적 강도 등을 고려하면 바람직하다. 이와 같은 섬유 강화 플라스틱을 성형하는 방법으로는 상기한 바와 같이 프리프레그 재료를 사용하여 적층 구조로 하는 방법에 특별히 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 레진 트랜스퍼 성형법(RTM: Resin Transfer Molding), 진공 어시스트 레진 트랜스퍼 성형법(VARTM: (Vacuum Assist Resin Transfer Molding) 등의 레진 인젝션 성형 방법(RI: Resin Injection Molding)에 의해 성형하면 된다.

또한, 이러한 상면 부재(12), 하면 부재(14), 코어 심재 부재(16)의 사이에는 도시하지 않지만, 접착제 층에 의해 서로 접착하는 것이 바람직하다. 이 경우, 접착제 층으로는 특별히 한정되는 것은 아니고, 공지된 접착제를 사용할 수 있으며, 시공성을 고려하면 탄성 접착제인 것이 바람직하다.

이와 같은 탄성 접착제로는 폴리우레탄계/실리콘 수지계, 아크릴 수지계 등의 탄성 구조 접착제 등이 사용 가능하다.

또한, 도 5의 단면도에 나타낸 바와 같이, 상면 부재(12), 하면 부재(14), 코어 심재 부재(16)를, 외주를 덮는 외주 보호층(11)으로 피복하는 것이 바람직하다. 이와 같은 외주 보호층으로는 내마모성을 고려하여, 예를 들어, 아라미드 섬유 강화 플라스틱으로 구성 할 수 있다.

또한, 도 1 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 하면 부재(14)의 하부에 금속제 보호 부재(18)를 갖추고 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써 하면 부재(14)의 하부에 설치한 금속제 보호 부재(18)에 의해, 선로 상에 개재될 수 있는 파편(飛び石)으로 인한 파손 손상으로부터 철도 차량 대차용 판 스프링(10)의 본체부(상면 부재(12), 하면 부재(14), 코어 심재 부재(16))를 보호할 수 있다.

이 경우, 보호 부재(18)를 구성하는 금속재료로는 특별히 한정되는 것이 아니라, 내구성, 부식 등을 고려하면, 예를 들어, SUS304, SMA400 등을 사용할 수 있다.

또한, 보호 부재(18)의 두께로는 철도 차량 대차용 판 스프링(10)의 본체부의 스프링성 등을 저해하는 일이 없도록, 또 경량화를 저해하는 일이 없도록, 1.6mm ~ 6.0mm, 바람직하게는 4.5mm의 두께로 할 수 있다.

또한, 하면 부재(14)와 보호 부재(18) 사이에, 탄성 재료로 구성된 탄성 부재(20)를 개재하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써 하면 부재(14)와 금속제 보호 부재(18) 사이에 개재된 탄성 부재(20)가 쿠션 기능의 역할을 하기 때문에, 선로 상의 비석으로 인한 파손 손상으로부터 철도 차량 대차용 판 스프링(10)의 본체부를 효과적으로 보호할 수 있다.

이 경우, 탄성 부재(20)를 구성하는 탄성 부재로는 특별히 한정되는 것이 아니라, 예를 들어, 고무(천연 고무계, 합성 고무계, 우레탄계, 실리콘 고무계, 일래스터머 수지 등의 고분자 물질), 탄성 접착제, 실리콘계, 우레탄계, 아크릴계 등 고무형 탄성을 가진 고분자 물질이 사용 가능하며, 그 공업용 소재로서의 고무 탄성력이, 진동, 충격 흡수성 및 충격 강도에서 효과적이다. 이 탄성 부재 중에서도, 시공성을 고려하면 탄성 접착제인 것이 바람직하다.

또한, 도 1 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 상면 부재(12)의 상부에 대차 하중 받침 부재(22)를 갖추는 것이 바람직하다. 이와 같이 대차 하중 받침 부재(22)를 갖춤으로써 대차의 하중이 직접 철도 차량 대차용 판 스프링(10)의 본체부에 접촉, 작용하는 경우가 없으므로 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부를 보호할 수 있다.

이 경우, 대차 하중 받침 부재(22)로는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 경량성, 강도 등을 고려하여 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)으로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 이 대차 하중 받침 부재(22)는 상면이 평탄하고 하중을 받는 평탄면(22a)으로 되어 있으며, 하면(22b)이 호 모양 형상으로 되어 있다.

또한, 상면 부재(12)와 대차 하중 받침 부재(22) 사이에, 탄성 재료로 구성된 완충 부재(24)를 개재하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써 상면 부재(12)와 대차 하중 받침 부재(22) 사이에 개재된 탄성 재료로 구성되는 완충 부재(24)가 쿠션 기능의 역할을 하므로 대차의 하중이 직접 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부에 접촉, 작용하는 경우가 없기 때문에, 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부를 효과적으로 보호할 수 있다.

또한, 이 완충 부재(24)는 상기 탄성 부재(20)와 동일한 탄성 부재로 구성할 수 있다. 이와 같이 구성된 철도 차량 대차용 판 스프링(10)은 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이 축빔식 대차에 적용할 수 있다.

또한, 도 6 및 도 7에서는 도 12 및 도 13의 종래의 축빔식 대차(100)와 동일한 구성 부재에는 동일한 참조 번호를 부여하고 그 상세한 설명을 생략한다. 이 경우, 종래의 측면빔(102,104)을 생략하고 철도 차량 대차용 판 스프링(10)을, 그 중앙 부분(10a)을, 가로빔(106,108)의 하부에 배치하는 동시에 그 양단부(10b)를, 축 상자(114)의 상부에 접촉하도록 배치하고 있다.

또한, 철도 차량 대차용 판 스프링(10)의 양단부에는 도 7, 도 9, 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 SM400 등 금속제의 단면이 대략 U자 형상인 단부 하중 받침 부재(26)가 설치되어 있으며, 이 단부 하중 받침 부재(26)가 용접에 의해 축 상자(114)의 상부에 고정되어 있다.

또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 철도 차량 대차용 판 스프링(10)의 중앙 부분의 대차 하중 받침 부재(22)에는 가로빔(106,108)의 하부에 걸쳐서 설치된 고정용 빔(122)을 받치는 오목부(22c)가 형성되어 있으며, 이로써 고정용 빔(122)에 고정되도록 되어 있다.

또한, 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 철도 차량 대차용 판 스프링(10)의 상면 부재(12)와 대차 하중 받침 부재(22) 사이에, 보강 목적으로 금속제 강판 부재(28)를 개재하는 것도 가능하다.

이와 같이 구성함으로써 도 8에 나타낸 바와 같이, 상면 부재(12)에서 압축 하중을 분담하는 동시에 하면 부재(14)에서 인장 하중을 분담하고, 게다가 코어 심재 부재(16)에서 전단 하중을 분담하게 된다.

따라서, 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링(10)에서는 압축 하중을 분담하는 상면 부재(12)를, 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성하고, 인장 하중을 분담하는 하면 부재(14)를, 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성하고 있다.

그리고, 전단 하중을 분담하는 코어 심재 부재(16)를, 상면에 있어서 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하고, 단면에 있어서 강화 섬유가 두께 방향으로 연장하고, 측면에 있어서 강화 섬유가 교차하는 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성하는 동시에 이들 부재의 사이를 접착하는 층간부(접착층)로 구성하고 있다.

따라서, 이들 부재의 강도를 적정하게 설정함으로써 최대 한계 하중을 초과하였을 때, 파괴의 시작을 층간부, 상면 부재(12), 하면 부재(14) 순서로 시작하게 함으로써 파단이 단번에 발생하는 경우가 없다.

또한, 탄소 섬유는 인장 강도에 비하여 해 압축 강도가 후판으로 하면 50% 정도 약한 재료이지만, 본 실시예와 같이, 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 중간에 코어 심재 부재(16)를 설치하여 전단 하중을 분담시키는 동시에, 코어 심재 부재(16)를, 상면에 있어서 강화 섬유가 길이 방향으로 연장하고, 단면에 있어서 강화 섬유가 두께 방향으로 연장하고, 측면에 있어서 강화 섬유가 교차하는 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 배교로 함으로써, 전단 하중에 대하여 최적으로 되어 전체에서 가장 가볍고 임의의 고강성(스프링 상수)을 가진 판 스프링으로 할 수 있다.

또한, 금속제 스프링, 대차 프레임 등은 금속 피로의 문제가 있지만, 상기와 같이 안전율을 적정하게 설정함으로써 섬유 강화 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 피로를 일으키지 않기 때문에, 수명을 길게 할 수 있게 된다.

따라서, 종래와 같이 숙련이 필요한 용접, 조립 작업이 필요 없어 비용와 시간을 줄일 수 있는 동시에 강철이며 중량이 무거운 측면빔이 불필요하여 대차 구조의 단순화를 도모할 수 있고, 경량화와 비용 절감을 도모할 수 있으며, 게다가 장수명으로 내구성도 향상시킨 철도 차량 대차용 판 스프링을 제공할 수 있다.

제1 실시예

탄소 섬유를, 열 경화 에폭시 수지로 함침시킨 프리프레그를 사용하여 도 4에 나타낸 바와 같이, 탄소 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층하고, 금형 내에서 프리프레그 지정의 온도, 압력, 시간으로 성형함으로써 상면 부재(12)를 성형하였다.

마찬가지로, 탄소 섬유를, 열 경화 에폭시 수지로 함침시킨 프리프레그를 사용하여 도 4에 나타낸 바와 같이 탄소 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층하고, 프리프레그 지정의 온도, 압력, 시간으로 성형하여 하면 부재(14)를 성형하였다.

또한, 탄소 섬유를, 열 경화 에폭시 수지로 함침시킨 프리프레그를 사용하여 도 4에 나타낸 바와 같이, 프리프레그 지정의 온도, 압력, 시간으로 성형하여 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 두께 방향에(적층 방향에) 대하여 직교 방향인 폭 방향으로 적층되는 동시에, 코어 심재 부재(16)의 측면에서 볼 때 휨 중립 축(수평축)에 대하여 경사진 방향(경사각(

))으로 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 코어 심재 부재(16)를 성형하였다.

이러한 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 중간에 코어 심재 부재(16)를 배치하도록 필름 접착제를 사용하여 서로 접착하여 실시예에 따른 철도 차량 대차용 판 스프링(10)을 제작하였다(전체 길이 2400mm, 폭 180mm, 중앙부의 두께 100mm, 단부의 두께 40mm).

이것들을, 도 8에 나타낸 바와 같은 구조 시험 장비를 이용하여 반복 하중 시험을 실시하였다. 이 결과, 315kN에서 파괴가 일어났다. 그 결과, 일반적인 철도 차량 대차용으로 충분한 강도를 가지고 있는 것이 검증되었다.

상기 제1 실시예의 결과로부터 분명한 바와 같이, 검증하기 위하여 시험 제작한, 스팬 2100mm의 복합재 판 스프링에 있어서 2800N/mm (판 스프링 당) 정도의 스프링 상수, 315kN (판 스프링 당) 정도의 파괴 하중, 그리고, 철도 대차용 판 스프링으로서 충분한 기본 성능을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 시험 제작 복합재 판 스프링의 중량은 약 45kg이며, 강철제 겹판 스프링에 비하여 대폭적인 경량화를 달성할 수 있었다. 또한, 상기 시험 제작 복합재 판 스프링은 단일 판 스프링이며, 강철제 겹판 스프링에 비하여 대폭적인 부품수 감소와 조립성 향상을 달성할 수 있었다.

또한, 중량은 복합재 판 스프링 단일체에 강철판의 보호재를 부착하면, 80kg 정도가 되지만, 그래도 종래의 강철제 판 스프링보다 크게 경량화할 수 있다. 이상으로, 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 상기 실시예에서는 철도 차량 대차용 판 스프링의 본체부를, 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 중간에 코어 심재 부재(16)의 3층 구조로 하였지만, 상면 부재(12)와 하면 부재(14)를 복수층 설치하여 4층 이상의 구성으로 하는 것도 가능하고, 또한, 이들 상면 부재(12)와 하면 부재(14)의 중간에 코어 심재 부재(16)의 사이에, 금속제 박판 부재를 개재하여 복합화하는 것도 가능하는 등 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.

본 발명은 예를 들어 철도 차량의 축빔식 대차에 사용하는 철도 차량 대차용 판 스프링에 관하여 섬유 강화 플라스틱, 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 주재료로 구성한 철도 차량 대차용 판 스프링 및 이를 이용한 철도 차량 대차에 적용할 수 있다.

10: 철도 차량 대차용 판 스프링
10a: 중앙 부분
10b: 양단부
11: 외주 보호층
12: 상면 부재
14: 하면 부재
16: 코어 심재 부재
16a: 직선부
16b: 호 모양 부분
18: 보호 부재
20: 탄성 부재
22: 대차 하중 받침 부재
22a: 평탄면
22b: 하면
22c: 오목부
24: 완충 부재
26: 단부 하중 받침 부재
28: 강판 부재
100: 대차
110: 차축
112: 바퀴
114: 축 상자
116: 축 스프링
118: 축부
120: 축 상자 지지 장치

: 교차각

Claims

철도 차량 대차용 판 스프링이고,
강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 상면 부재와,
강화 섬유가 길이 방향으로 연장하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 하면 부재와,
상기 상면 부재와 하면 부재 사이에 배치된 코어 심재 부재를 구비하며,
상기 상면 부재, 상기 하면 부재 및 상기 코어 심재 부재는 모두 상기 철도 차량 대차용 판 스프링의 일단에서 타단까지 연속적으로 연장되어 있고,
상기 코어 심재 부재가 상면 부재와 하면 부재의 적층 방향에 대하여 직교 방향인 폭 방향 전체에 걸쳐 적층되어 상기 철도 차량 대차용 판 스프링이 중실임과 동시에 강화 섬유가 상기 코어 심재 부재의 측면에서 볼 때 휨 중립 축에 대하여 경사지고 서로 교차하도록 적층한 섬유 강화 플라스틱으로 구성되고,
상기 철도 차량 대차용 판 스프링은 그 하면이 양단부에서 중심 방향을 향하여 아래로 경사지며 연장되는 직선부와, 두 직선부 사이의 중앙 부분에 형성된 호 모양 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량 대차용 판 스프링.
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제 1 항에 있어서, 상기 상면 부재의 두께는 상기 하면 부재의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 철도 차량 대차용 판 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 철도 차량 대차용 판 스프링이 양단부에서 중심 방향을 향하여 두께가 서서히 커지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량 대차용 판 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 하면 부재의 하부에 금속제 보호 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량 대차용 판 스프링.
제 12 항에 있어서, 상기 하면 부재와 보호 부재 사이에 탄성 재료로 구성된 탄성 부재를 개재한 것을 특징으로 하는 철도 차량 대차용 판 스프링.
제 1 항에 있어서, 상기 상면 부재의 상부에 대차 하중 받침 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 철도 차량 대차용 판 스프링.
제 14 항에 있어서, 상기 상면 부재와 대차 하중 받침 부재 사이에 탄성 재료로 구성된 완충 부재를 개재한 것을 특징으로 하는 철도 차량 대차용 판 스프링.
제 1 항, 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 강화 플라스틱이 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량 대차용 판 스프링.