KR101845336B1 - 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터 - Google Patents

제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터에 관한 것으로; 모터제어기의 제어에 의해 전기모터를 구동시켜 회전력을 발생하는 동력부와, 상기 동력부의 회전력을 회전나사드럼으로 전달받는 회전나사드럼부와, 상기 회전나사드럼의 회전운동을 직진 운동으로 변환하는 직선나사드럼이 구비되는 직선나사드럼부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터는 전기적인 신호로 제동장치를 구동함에 따라 공주시간을 획기적으로 단축시킬 수 있으며, 외부 온도변화에 관계없이 재현성 있는 제동력을 일정하게 발생시킬 수 있는 빠른 응답특성 및 높은 신뢰도를 갖는 제동시스템을 구축할 수 있다.

Description

제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터 {Electromechanical braking actuator for railway vehicle}
본 발명은 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 철도차량의 제동시스템을 전기모터를 이용하는 전기기계식 제동시스템으로 구성하여 전기모터가 갖는 빠른 반응속도 및 높은 응답재현성을 활용하여 공주시간을 단축시키고 신뢰성 있는 제동작용을 수행하면서도 제동불완해가 발생시 강제적으로 모터를 역회전시켜 수동 강제완해가 가능하도록 한 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량 및 일반차량의 제동장치는 차량의 운동에너지를 열에너지로 변환시켜 차량의 속도를 감소시켜 안전하게 운행하는 역할을 담당하는 것으로, 차축이나 차륜에 별도의 디스크를 설치하는 디스크 제동의 경우 제동장치는 디스크와, 접촉하여 마찰을 발생시키는 패드(마찰재)와, 레버비를 이용하여 제동력을 증폭시키는 캘리퍼, 그리고 캘리퍼 종단에서 힘을 인가하는 공압실린더 또는 유압실린더와 같은 제동엑츄에이터로 구성된다.
상기 공압 실린더 또는 유압실린더를 이용하는 제동장치의 예들이 등록특허 제10-0345240호(참고문헌 1) 및 등록특허 제10-0754798호(참고문헌 2) 등을 통해 제안된 바 있다.
이와 같이 공압 실린더 또는 유압실린더를 이용하는 제동장치는 공압 실린더의 공기압력 증가 또는 유압 실린더의 유압의 증가에 의해서 발생되는 압력을 이용하여 제동력을 발생시키며, 캘리퍼의 레버비만큼 증폭되어 마찰재가 디스크에 압착되어 발생하는 마찰력을 이용하여 제동력을 발생시킨다.
먼저 공압식 제동실린더는 국내외 대부분의 철도차량에서 사용하고 있으나, 낮은 효율, 느린 응답특성, 부가적인 장비(압축기, 제습기, 먼지제거기, 공전변환기 등)에 따른 유지보수비용의 증대 등의 단점이 있다.
그리고, 유압식은 공압이 아닌 유압을 이용하여 디스크에 마찰재를 접촉시켜 제동력을 발생시키는 방식이며, 유-공압식은 유압식과 공압식의 장점을 혼용한 방식으로 제동명령은 공압관을 이용하고 제동력 발생은 유압실린더를 이용하는 방식이다.
이와 같은 유압식 또는 유-공압식은 어느 정도 연구가 진행되어 소형화 및 경량화가 필요한 도시형자기부상, 트램, 고무차륜 등의 경량전철에 적용되어 사용되고 있는 방식이지만, 유압컴포넌트에서 발생하는 누유, 작동유로 인한 화재발생 및 확산, 작동유의 청정도 유지, 초기설비비용 증가 등의 단점이 있다.
도 1은 종래 일반적인 공압식 제동실린더 내부구조의 일 예를 도시한 도면이다. 이에 의하면 공압식 제동실린더는 제동력을 전달하는 제동헤드(Brake Head)부(1), 공기압을 전달하는 실린더부(2), 일정한 간격을 유지 시키는 자동간격조정기(Slack Adjuster)부(3) 및 패드교체시 볼트를 회전시켜 간격을 조정하는 후퇴기(4) 등으로 구성된다.
이때, 제동실린더의 스트로크의 범위는 패드의 마모, 디스크의 마모, 캘리퍼 레버비 및 안전율을 고려하여 설정된다. 특히, 제동헤드부(1)는 캘리퍼(Caliper)와 조립되는 부위로서 진동이나 외부 충격에 충분히 견딜 수 있어야 하며, 자동간격조정기부(3)의 주요 내부 부품들은 고무재질의 벨로우즈(Bellows)로 보호하는 구조이다.
한편, 철도차량의 공압식 제동장치에는 제동이 완해되어야 할 상황에서 완해되지 않는 제동불완해 현상이 존재한다. 제동불완해는 제동작용장치(BOU) 내에서 제동실린더에 작용하는 압력을 압력계로 검출하여, 제동완해 상태에서 특정한 시간 이상 동안 제동실린더에 작용하는 압력이 설정한 범위 이상이면 검지된다.
이와 같이 제동불완해가 발생할 경우, 제동이 작용된 상황에서의 무리한 운행에 따른 차륜손상, 마찰재의 과도마모, 탈선 등의 위험이 발생되기 때문에, 제동불완해가 검지될 경우 역행회로를 차단하여 열차의 주행을 막아 사고를 방지한다. 이 경우 운전대에 설치된 강제완해 스위치를 조작하여 강제완해용 전자밸브를 작동시켜 제동실린더에 작용하는 압축공기를 배기시켜 제동을 완해하게 된다. 그런데 강제완해 스위치로도 제동완해가 불가능할 경우, 차량 하부의 공기코크를 수동으로 조작하여 제동실린더에 작용하는 압축공기를 배기시킨다.
그리고, 공압식 제동장치의 제동불완해가 공압계통의 고장이 아닌 기초제동장치나 제동실린더의 기계적인 고장으로 인해 발생한 경우 상기한 방법으로 완해가 불가능하며, 따라서 정비원이 차량 하부에 접근하여 조치(밸브 수동개방)를 해야 하는 문제점이 있다.
참고문헌 1 : 등록특허 제10-0345240호 참고문헌 2 : 등록특허 제10-0754798호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 기존의 철도차량의 제동장치로 사용되는 공압식, 유압식 또는 공유압식 제동시스템을 전기모터를 이용하는 전기기계식 제동시스템으로 변경함으로써 전기모터가 갖는 고응답성 및 고신뢰성을 갖도록 하며 공기 또는 유압관련 장치들이 탈거됨에 따라 제동장치의 소형화 및 경량화가 가능하고, 캘리퍼 연결 볼트체결구의 위치 및 동일한 제동스크로크 범위를 적용하는 등 기존 제동장치와 호환가능한 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 제어효율을 향상시키기 위해 전기기계식 제동엑츄에이터의 회전나사드럼과 직선나사드럼 사이에 별도의 롤러스크류를 설치하여 접촉면을 최소화하면서 동시에 일정한 접촉면을 갖도록 함으로써 제동엑츄에이터의 제어효율을 향상시킬 수 있는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 제동명령에 의해 제동이 체결된 후 제동완해명령에도 제동이 완해되지 않는 제동불완해가 발생시 강제적으로 모터를 역회전시켜 수동 강제완해가 가능하도록 수동 제동완해 기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터를 제공하는데에도 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
모터제어기의 제어에 의해 전기모터를 구동시켜 회전력을 발생하는 동력부와, 상기 동력부의 회전력을 회전나사드럼으로 전달받는 회전나사드럼부와, 상기 회전나사드럼의 회전운동을 직진 운동으로 변환하는 직선나사드럼이 구비되는 직선나사드럼부로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터를 제공한다.
이때, 상기 동력부는 모터제어기의 제어에 의해 제동작용을 위한 동력을 발생시키는 전기모터와, 상기 전기모터의 동력을 전달하는 전기모터 회전축과, 상기 전기모터 회전축에 연결되어 감속비에 맞추어 토크를 증폭시키는 감속기와, 제동 강제완해를 위해 상기 전기모터에 고정되는 강제완해 볼트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 강제완해 볼트에는 제동 강제완해시에 분리가능한 볼트캡이 구비되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 회전나사드럼부는 몸체의 외측에는 캘리퍼와 연결되는 제1 캘리퍼 볼트홀이 형성되고 상기 몸체의 전방으로 직선나사드럼이 안내되는 안내공간이 형성되는 회전나사드럼 하우징과, 상기 안내공간에 구비되며 상기 감속기와 연결되어 원통 표면에 수나사선을 가지고 회전운동을 하는 회전나사드럼과, 상기 감속기와 회전나사드럼을 연결시키는 감속기 연결볼트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 직선나사드럼부는 상기 회전나사드럼을 감싸며 상기 회전나사드럼의 회전력을 전달받아 상기 회전나사드럼을 따라 직선운동하도록 가이드공이 형성되는 직선나사드럼과, 상기 직선나사드럼의 외부를 감싸며 몸체의 외측에는 캘리퍼와 연결되는 제2 캘리퍼 볼트홀이 형성되는 직선나사드럼 하우징과, 상기 회전나사드럼과 직선나사드럼 사이에 맞물려 상기 회전나사드럼의 회전력을 상기 직선나사드럼으로 전달하는 롤러스크류와, 상기 직선나사드럼의 전단을 마감하도록 상기 직선나사드럼 하우징의 전단을 마감하는 직선나사드럼 고정판과, 상기 롤러스크류가 고정되며 상기 직선나사드럼 하우징의 후단과 상기 직선나사드럼 고정판에 양단이 회전가능하게 롤러스크류 축부싱에 의해 고정되는 롤러스크류 축으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 직선나사드럼 고정판에는 제동엑츄에이터의 스트로크를 조정하기 위해 회전나사드럼의 전단부가 접촉 가능한 스토퍼가 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 기존의 캘리퍼와 연결을 위해 상기 회전나사드럼부에는 제1 캘리퍼 볼트홀이 형성되고, 상기 직선나사드럼부에는 제2 캘리퍼 볼트홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기모터와 감속기 사이에는 강제완해장치 체결구역을 확보하여 강제완해장치를 구비하되; 상기 강제완해장치는 강제완해장치 체결구역에 위치하는 전기모터 회전축에 결합되는 모터축 링기어와, 상기 모터축 링기어에 치합되는 기어트레인과, 상기 기어트레인에 치합되는 수동회전볼트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 회전나사드럼의 후단에 강제완해장치 체결구역을 확보하여 강제완해장치를 구비하되; 상기 강제완해장치는 상기 강제완해장치 체결구역에 위치하는 회전나사드럼의 후단에 결합되는 강제완해 링기어와, 상기 강제완해 링기어에 치합되는 기어트레인과, 상기 기어트레인에 치합되는 수동회전볼트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터는 전기적인 신호로 제동장치를 구동함에 따라 공주시간을 획기적으로 단축시킬 수 있으며, 외부 온도변화에 관계없이 재현성 있는 제동력을 일정하게 발생시킬 수 있는 빠른 응답특성 및 높은 신뢰도를 갖는 제동시스템을 구축할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 공압관 및 공압관련 장치 또는 유압관 및 유압관련 장치의 탈거를 통해 철도차량의 경량화 및 제동시스템의 사이즈를 축소시킴으로써 부품적재 공간의 확보가 가능하여 소형화 및 경량화가 필요한 경량전철, 2층열차 등의 다양한 철도차량에 사용이 가능하다.
아울러, 본 발명은 패드 교체를 위한 전기모터의 제어에 의한 후퇴기능을 내장하여 간편하게 패드교체가 가능하며, 전원 차단시 수동으로 기계적인 방식에 의한 후퇴기능의 동작이 가능하다.
그리고, 본 발명은 스토퍼를 통하여 제동엑츄에이터의 스트로크를 쉽게 변경할 수 있고, 활주방지 제어기능을 제동엑츄에이터 단위(또는 디스크 단위)로 처리가 가능하여 다양한 안티스키드 알고리즘을 적용할 수 있으며, 기존보다 정밀하면서 신속하게 제어가 가능하다.
아울러, 본 발명은 모든 스트로크 범위에서 일정한 효율을 유지하여 정밀한 제어를 하기에 용이하고, 롤러스크류가 원주방향 및 길이방향으로 복수 배치되어 외력에 대한 저항성이 우수하며, 강제완해 방법이 제공되어 제동불완해 상황이 발생하는 경우 현장에서 수동으로 강제 제동완해도 가능하다.
도 1은 종래 공압식 제동실린더 내부구조의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터의 전체 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 전기기계식 제동엑츄에이터의 상세 구조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 전기기계식 제동엑츄에이터의 작동 모드를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 회전나사드럼과 직선나사드럼의 접촉부 구조를 확대 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 전기기계식 제동엑츄에이터의 스트로크 범위를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터의 강제완해 볼트에 의한 제동완해 구조도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터의 다른 예로서 모터축 링기어에 의한 제동완해 구조도이다.
도 9는 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터의 또 다른 예로서 강제완해 링기어에 의한 제동완해 구조도이다.
도 10은 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터의 외형을 도시한 전후면 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터를 첨부한 도면을 참고로 하여 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 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터(1)는 철도차량의 제동 ECU 등의 제동지령이 모터제어기(10)에 입력되면 작동되는 것으로, 상기 모터제어기(10)의 제어에 의해 전기모터(110)를 구동시켜 회전력을 발생하는 동력부(100)와, 상기 동력부(100)의 회전력을 회전나사드럼(210)으로 전달받는 회전나사드럼부(200)와, 상기 회전나사드럼(210)의 회전운동을 직진 운동으로 변환하는 직선나사드럼(310)이 구비되는 직선나사드럼부(300)로 구성된다.
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 동력부(100)는 모터제어기(10)의 제어에 의해 제동작용을 위한 동력을 발생시키는 전기모터(110)와, 상기 전기모터(110)의 동력을 전달하는 전기모터 회전축(120)과, 상기 전기모터 회전축(120)에 연결되어 감속비에 맞추어 토크를 증폭시키는 감속기(130)와, 제동 강제완해를 위해 상기 전기모터(110)에 고정되는 강제완해 볼트(140)로 구성된다.
이때, 상기 강제완해 볼트(140)에는 평상시에는 강제완해 볼트(140)의 머리를 감싸는 구조로 이루어지며 이후 제동 강제완해시에는 분리할 수 있는 볼트캡(150)이 구비된다.
그리고, 상기 회전나사드럼부(200)는 몸체(221)의 외측에는 캘리퍼와 연결되는 제1 캘리퍼 볼트홀(222)이 형성되고 상기 몸체(221)의 전방으로 직선나사드럼(310)이 안내되는 안내공간(223)이 형성되는 회전나사드럼 하우징(220)과, 상기 안내공간(223)에 구비되며 상기 감속기(130)와 연결되어 원통 표면에 수나사선(212)을 가지고 회전운동을 하는 회전나사드럼(210)과, 상기 감속기(130)와 회전나사드럼(210)을 연결시키는 감속기 연결볼트(230)로 구성된다.
또한, 상기 직선나사드럼부(300)는 상기 회전나사드럼(210)을 감싸며 상기 회전나사드럼(210)의 회전력을 전달받아 상기 회전나사드럼(210)을 따라 직선운동하도록 가이드공(312)이 형성되는 직선나사드럼(310)과, 상기 직선나사드럼(310)의 외부를 감싸며 몸체(321)의 외측에는 캘리퍼와 연결되는 제2 캘리퍼 볼트홀(322)이 형성되는 직선나사드럼 하우징(320)과, 상기 회전나사드럼(210)과 직선나사드럼(310) 사이에 맞물려 상기 회전나사드럼(210)의 회전력을 상기 직선나사드럼(310)으로 전달하는 롤러스크류(330)와, 상기 직선나사드럼(310)의 전단을 마감하도록 상기 직선나사드럼 하우징(320)의 전단을 마감하는 직선나사드럼 고정판(340)과, 상기 롤러스크류(330)가 고정되며 상기 직선나사드럼 하우징(320)의 후단과 상기 직선나사드럼 고정판(340)에 양단이 회전가능하게 롤러스크류 축부싱(352)에 의해 고정되는 롤러스크류 축(350)으로 구성된다.
이때, 상기 직선나사드럼(310)은 내주면을 따라 상기 롤러스크류(330)와 치합되는 암나사선(312)이 형성되어 회전나사드럼(210) 및 롤러스크류(330)의 회전운동을 직선운동으로 변환시켜주어 제동엑츄에이터(1)의 몸통을 이루는 직선나사드럼 하우징(320)을 전후진 시키게 된다.
아울러, 상기 직선나사드럼 고정판(340)은 직선나사드럼 하우징(320)에 고정판 연결볼트(344)로 결합되며, 직선나사드럼 고정판(340)에는 제동엑츄에이터(1)의 스트로크를 조정하기 위한 스토퍼(345)가 구비되어 상기 회전나사드럼(210)의 전단부가 접촉할 수 있다.
그리고, 상기 롤러스크류(330)는 제동엑츄에이터(1)의 길이 방향 중심에서 방사상으로 동일한 원주상에 등간격으로 배치되는 구조로서 전체적으로 정다각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되며, 그 롤러스크류(330)의 설치 개수는 3개 이상으로 구성함이 바람직하다.
또한, 기존의 캘리퍼와 연결을 위해 회전나사드럼 하우징(220)에는 제1 캘리퍼 볼트홀(222)을 2곳에 형성하고, 직선나사드럼 하우징(320)에는 제2 캘리퍼 볼트홀(322)을 2곳에 형성하여 기존 공압식 실린더와 호환성을 가지도록 한다.
그리고, 상기 회전나사드럼 하우징(220)과 직선나사드럼 하우징(320) 사이에는 고무재질의 벨로우즈(미도시됨)로 감싸 회전나사드럼(210)의 외주면에 도포되는 윤활제의 증발을 막고 이물질이 들어가지 않도록 보호함이 바람직하다.
이와 같은 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터(1)는 도 4에 도시된 바와 같이 제동체결, 제동완해 및 패드교체모드의 세가지 위치를 가진다. 이때, 제동체결 시에는 전기모터(110)의 회전력이 전기모터 회전축(120)을 통해 감속기(130)로 전달되고 증폭되어 회전나사드럼(210)을 회전시킨다.
한편, 도 5를 참고하면 회전나사드럼(210)은 제자리에서 회전하는 롤러스크류(330)와 나사결합되고, 상기 롤러스크류(330)는 다시 직선나사드럼(310)과 나사결합되는 구조로 이루어져, 회전나사드럼(210)이 회전하면 롤러스크류(330) 역시 회전하면서 직선나사드럼(310)의 직선운동을 유도하게 된다. 그로 인하여 전기모터(110)가 일방향으로 회전하는 경우 회전나사드럼(210)과 직선나사드럼(310)은 서로 밀어내는 쪽으로 작용하여 직선나사드럼(310)이 전진하면 제동이 체결된다.
이때, 상기 회전나사드럼(210), 롤러스크류(330) 및 직선나사드럼(310)은 사각나사선을 가져 이송력을 우수하게 하고, 나사선 피치를 적절히 조정함에 따라 스트로크 이동속도와 제동력의 증폭 비를 조절할 수 있다.
이상의 구조를 갖는 본 발명의 제동엑츄에이터(1)는 기존의 전기기계식 제동엑츄에이터와 달리 나사선 전체가 아닌 롤러스크류(330)와의 접촉점에서만 접촉마찰이 발생되도록 구성하여 효율이 향상됨과 동시에 스트로크 범위 내에서 나사선 간의 접촉 면적이 항상 일정하여 목표하는 제동력을 정확히 달성하도록 제어하기가 용이한 장점이 있다.
이 경우 상기 롤러스크류(330)와 회전나사드럼(210) 및 직선나사드럼(310) 간의 접촉점은 롤러스크류 축(350) 1개 당 길이방향으로 2곳에 배치되어 제동엑츄에이터(1)의 행정과 관계없이 항상 일정한 거리를 유지하도록 구성한다.
또한, 제동완해 및 패드교체모드 시에는 전기모터(110)가 타방향으로 회전하고, 동일한 과정을 통해 회전나사드럼(210)과 직선나사드럼(310)이 서로 근접하게 된다.
그리고, 도 6을 참고하면 제동체결 작용시 제동엑츄에이터(1)가 정상적으로 동작할 수 있는 한계 범위는 회전나사드럼(210)의 전단부가 직선나사드럼(310) 후단 끝에 올때 까지이나, 실제로는 그 이전에 제동패드가 디스크에 닿아 제동체결 작용이 완료된다.
그리고, 제동완해 작용 시에는 체동체결 위치로부터 설정된 소정의 거리만큼 직선나사드럼(310)이 후진하며, 패드교체모드 시에는 회전나사드럼(210)이 최대한 직선나사드럼(310) 쪽으로 전진 이동하여 회전나사드럼(210)의 전단부가 스토퍼(345)에 접촉된다.
이때, 본 발명의 제동엑츄에이터(1)는 도 6에 도시된 바와 같이 공압식 제동실린더와 동일한 제동엑츄에이터(1)의 스트로크 길이(예: 160mm)를 구현할 수 있도록 설계하며, 스토퍼(345)의 위치와 회전나사드럼(210)의 길이를 조정하면 제동엑츄에이터(1)의 스트로크 길이를 간단하게 늘이거나 줄일 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 스토퍼(345)는 패드교체위치 조정용으로서, 마찰재(또는 패드) 교체를 위한 간격이 확보되면 회전나사드럼(210)의 회전 또는 직선나사드럼(310)의 직선 이동을 멈출 수 있도록 직선나사드럼(310)의 내부에 위치하도록 직선나사드럼 고정판(340)에 설치되며, 패드교체모드에서 필요한 스트로크의 이동거리 확보 및 과도한 스트로크의 감소에 의한 전기모터(110) 및 감속기(130)의 손상을 막도록 한다.
이와 같은 스토퍼(345)는 회전나사드럼(210)과 함께 제작하여 설치함으로써 스토퍼(345)의 위치를 이동시킴에 따라 다양한 두께를 갖는 디스크나 패드에도 적용 가능하도록 한다.
즉, 직선나사드럼(310) 내부에서 스토퍼(345)를 회전시켜 고정하는 방식으로 스토퍼 위치를 이동할 수 있어 스트로크를 감소시킬 수 있는 한계점을 조정할 수 있도록 함이 바람직하다.
그리고, 도 7은 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터의 수동 강제완해를 위한 구성도이다. 이에 의하면 사람이 볼트캡(150)을 벗겨 분리한 후, 다각형 모양의 강제완해 볼트(140)를 공구를 사용하여 회전시킴에 따라 자유롭게 회전할 수 있는 전기모터 회전축(120)을 회전시켜 제동완해 기능을 수행하게 된다. 이 구성은 일반적인 공구를 활용하여 수동 강제완해를 할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터의 강제완해를 위한 다른 실시 예들을 도시한 도면들이다.
먼저, 도 8에 의하면, 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터는 전기모터(110)와 감속기(130) 사이에 강제완해장치 체결구역(401)을 확보하고, 전용의 강제완해장치(400)를 이용해 수동 강제완해를 할 수 있다.
이때, 상기 강제완해장치(400)는 전기모터(110)와 감속기(130) 사이에 확보되는 강제완해장치 체결구역(401)에 위치하는 전기모터 회전축(120)에 결합되는 모터축 링기어(410)와, 상기 모터축 링기어(410)에 치합되는 기어트레인(420)과, 상기 기어트레인(420)에 치합되는 수동회전볼트(430)로 이루어진다. 이와 같은 구조에 의해 수동 강제완해시에는 상기 수동회전볼트(430)를 일방향으로 회전시키면 기어트레인(420)을 통해 모터축 링기어(410)에 전달되어 상기 전기모터 회전축(120)을 회전시켜 제동완해 기능을 수행하게 된다.
이 경우 상기 수동회전볼트(430)는 인력으로 회전시키는 방법 이외에도 전동드릴 등의 공구를 이용하여 회전시키는 것도 가능하며, 상기 회전력은 기어트레인(420)을 통해 전달되어 모터축 링기어(410)와 함께 전기모터 회전축(120)을 회전시켜 회전나사드럼(210)을 회전시키게 된다. 이 구성은 감속기(130)를 이중으로 거쳐 제동완해 토크가 강력하다는 장점이 있다.
다음으로 도 9에 의하면, 본 발명에 따른 전기기계식 제동엑츄에이터는 회전나사드럼(1)의 후단에 강제완해장치 체결구역(402)을 확보하고, 전용의 강제완해장치(400)를 이용해 수동 강제완해를 할 수 있다.
이때, 상기 강제완해장치(400)는 상기 강제완해장치 체결구역(402)에 위치하는 회전나사드럼(210)의 후단에 결합되는 강제완해 링기어(440)와, 상기 강제완해 링기어(440)에 치합되는 기어트레인(420)과, 상기 기어트레인(420)에 치합되는 수동회전볼트(430)로 이루어진다. 이와 같은 구조에 의해 수동 강제완해시에는 상기 수동회전볼트(430)를 일방향으로 회전시키면 기어트레인(420)을 통해 강제완해 링기어(440)에 전달되어 상기 회전나사드럼(210)과 감속기(130)에 회전력이 전달되어 전기모터 회전축(120)을 회전시켜 제동완해 기능을 수행하게 된다.
이 경우 상기 수동회전볼트(430)는 도 8의 예와 마찬가지로 수동으로 회전시키는 방법 이외에도 전동드릴 등의 공구로 회전시킬 수 있다. 특히, 상기 방식은 수동회전볼트(430)의 힘이 고감속비를 가진 기어트레인(420)을 통해 전달되어 강제완해장치 체결구역(402)에 구비되는 강제완해 링기어(440)와 치합되어 회전나사드럼(210)을 회전시키는 구조로서, 이와 같은 구성은 감속기(130)가 파손되어 동력 전달 능력을 상실한 경우에도 제동완해가 가능하다는 장점이 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 전기모터식 제동엑츄에이터는 도 10에 도시된 바와 같은 외형을 갖는다. 이와 같은 본 발명에 의한 제동엑츄에이터(1)는 전기모터(110)를 정회전 또는 역회전하다록 제어함으로써 공압식 제동실린더처럼 별도의 장치 없이도 디스크와 패드의 간극조정 기능을 간단히 구현할 수 있으며, 빠른 응답특성(반응속도, 반복속도 등)에 의해 활주방지기능을 제동엑츄에이터 단위(또는 디스크 단위)로 처리가 가능하여 다양한 활주방지 알고리즘을 적용할 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 2 내지 도 10을 참고로 본 발명에 따른 전기모터식 제동엑츄에이터의 작동 과정을 설명한다.
모터제어기(10)는 패드교체모드, 제동해제모드, 상용제동모드, 비상제동모드로 작동될 수 있다. 이때, 상기 모터제어기(10)는 철도차량의 제동 ECU와 직접통신을 통해 제동지령을 받아 제동엑츄에이터(1)를 동작시킨다.
우선 패드교체모드는 모터제어기(10)에 별도로 구비되는 스위치를 누르면 작동되는 모드로서, 전기모터식 제동엑츄에이터(1)의 스트로크를 최소화하도록 한다.
즉, 상기 모터제어기(10)는 직선나사드럼(310) 내부에 위치하며 패드교체 위치 조정용으로 구비되는 스토퍼(345)가 회전나사드럼(210)의 전단에 닿을 때까지 이동 후 전기모터(110)를 정지시킨다.
한편, 제동해제모드는 디스크 표면에 가해진 제동토크를 제거한 후 패드와 디스크의 간격을 설정된 간격인 1 ~ 2㎜ 떨어지도록 함으로써 제동을 재체결시 신속하게 제동이 체결되도록 한다.
그리고, 상용제동모드는 운전실의 마스콘 스위치(예 1~7단) 또는 ATO운전 시 신호장치의 상용제동명령(예 1~28단)을 받아 제동 ECU에서 제동엑츄에이터(1)의 모터제어기(10)로 상용제동명령을 하달하며, 하달된 단계별 제동명령에 따라 모터제어기(10)는 제동엑츄에이터(1)가 요구제동력을 발생시키도록 전기모터(110)를 제어한다.
이때, 최대상용제동(FSB, Full Service Brake)의 지령이 내려지면 FSB 요구감속도에 맞추어 사전에 설정된 제동력을 인가하도록 전기모터(110)를 제어한다.
또한, 비상제동모드는 운전실의 마스콘 스위치(비상) 또는 ATP운전시 신호장치의 비상제동명령을 제동ECU에서 제동엑츄에이터(1)의 모터제어기(10)로 비상제동명령을 하달하며, 비상제동 요구감속도에 맞추어 사전에 설정된 제동력을 인가하도록 전기모터(110)를 제어한다.
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.
1: 제동엑츄에이터 10: 모터제어기
100: 동력부 110: 전기모터
120: 전기모터 회전축 130: 감속기
140: 강제완해 볼트 150: 볼트캡
200: 회전나사드럼부 210: 회전나사드럼
220: 회전나사드럼 하우징 230: 감속기 연결볼트
300: 직선나사드럼부 310: 직선나사드럼
320: 직선나사드럼 하우징 330: 롤러스크류
340: 직선나사드럼 고정판 345: 스토퍼
350: 롤러스크류 축 400: 강제완해장치
410: 모터축 링기어 420: 기어트레인
430: 수동회전볼트 440: 강제완해 링기어

Claims (9)

  1. 모터제어기의 제어에 의해 전기모터를 구동시켜 회전력을 발생하는 동력부와, 상기 동력부의 회전력을 회전나사드럼으로 전달받는 회전나사드럼부와, 상기 회전나사드럼의 회전운동을 직진 운동으로 변환하는 직선나사드럼이 구비되는 직선나사드럼부로 구성되되,
    상기 직선나사드럼부는 상기 회전나사드럼을 감싸며 상기 회전나사드럼의 회전력을 전달받아 상기 회전나사드럼을 따라 직선운동하도록 가이드공이 형성되는 직선나사드럼과, 상기 직선나사드럼의 외부를 감싸며 몸체의 외측에는 캘리퍼와 연결되는 제2 캘리퍼 볼트홀이 형성되는 직선나사드럼 하우징과, 상기 회전나사드럼과 직선나사드럼 사이에 맞물려 상기 회전나사드럼의 회전력을 상기 직선나사드럼으로 전달하는 롤러스크류와, 상기 직선나사드럼의 전단을 마감하도록 상기 직선나사드럼 하우징의 전단을 마감하는 직선나사드럼 고정판과, 상기 롤러스크류가 고정되며 상기 직선나사드럼 하우징의 후단과 상기 직선나사드럼 고정판에 양단이 회전가능하게 롤러스크류 축부싱에 의해 고정되는 롤러스크류 축으로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 동력부는 모터제어기의 제어에 의해 제동작용을 위한 동력을 발생시키는 전기모터와, 상기 전기모터의 동력을 전달하는 전기모터 회전축과, 상기 전기모터 회전축에 연결되어 감속비에 맞추어 토크를 증폭시키는 감속기와, 제동 강제완해를 위해 상기 전기모터에 고정되는 강제완해 볼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 강제완해 볼트에는 제동 강제완해시에 분리가능한 볼트캡이 구비되는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 회전나사드럼부는 몸체의 외측에는 캘리퍼와 연결되는 제1 캘리퍼 볼트홀이 형성되고 상기 몸체의 전방으로 직선나사드럼이 안내되는 안내공간이 형성되는 회전나사드럼 하우징과, 상기 안내공간에 구비되며 상기 감속기와 연결되어 원통 표면에 수나사선을 가지고 회전운동을 하는 회전나사드럼과, 상기 감속기와 회전나사드럼을 연결시키는 감속기 연결볼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    직선나사드럼 고정판에는 제동엑츄에이터의 스트로크를 조정하기 위해 회전나사드럼의 전단부가 접촉 가능한 스토퍼가 구비되는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터.
  7. 제 1항에 있어서,
    기존의 캘리퍼와 연결을 위해 상기 회전나사드럼부에는 제1 캘리퍼 볼트홀이 형성되고, 상기 직선나사드럼부에는 제2 캘리퍼 볼트홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 전기모터와 감속기 사이에는 강제완해장치 체결구역을 확보하여 강제완해장치를 구비하되;
    상기 강제완해장치는 상기 강제완해장치 체결구역에 위치하는 전기모터 회전축에 결합되는 모터축 링기어와, 상기 모터축 링기어에 치합되는 기어트레인과, 상기 기어트레인에 치합되는 수동회전볼트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 회전나사드럼의 후단에 강제완해장치 체결구역을 확보하여 강제완해장치를 구비하되;
    상기 강제완해장치는 상기 강제완해장치 체결구역에 위치하는 회전나사드럼의 후단에 결합되는 강제완해 링기어와, 상기 강제완해 링기어에 치합되는 기어트레인과, 상기 기어트레인에 치합되는 수동회전볼트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제어효율 향상 및 수동 제동완해기능을 갖는 철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터.
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