KR102605926B1 - 압축하중을 분산시키는 스토퍼가 구성된 철도차량용 코니컬 고무스프링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코니컬 고무스프링에 구성되는 제 1내부링의 상츠 러버와 슬리브 사이에 압축하중을 분산시키는 스토퍼가 구성된 철도차량용 코니컬 고무스프링에 관한 것으로써, 철도차량의 구동에 의해 발생되는 압축하중을 분산하여 상기 철도차량의 전복을 방지하고, 진동을 최소화할 수 있도록 제 1내부링의 상부 러버와 슬리브 사이에 스토퍼를 구성한 철도차량용 코니컬고무스프링에 관한 것이다.

Description

압축하중을 분산시키는 스토퍼가 구성된 철도차량용 코니컬 고무스프링{ Conical rubber spring for rolling stock with a stopper that distributes compressive load }
본 발명은 철도차량용 코니컬 고무스프링에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 코니컬 고무스프링에 구성되는 제 1내부링의 상측 러버와 슬리브 사이에 압축하중을 분산시키는 스토퍼가 구성된 철도차량용 코니컬 고무스프링에 관한 것이다.
우선, 종래기술을 살펴보면,
일반적으로 현가장치는 주행 중 노면에서 받은 충격이나 진동을 완화하여 승차감과 안정성을 향상시키는 장치를 뜻하는 것으로, 철도차량의 경우 차륜과 대차 프레임을 연결하는 1차 현가장치와, 대차 프레임과 대차 받침 또 는 차체를 연결하는 2차 현가장치로 구성되어 있다.
이 중, 1차 현가장치 부품인 원추형 고무 스프링(Conical Rubber Spring)은 3축 방향(수직 방향·길이 방향·횡 방향)의 강성을 갖는 고무형식의 축상 스프링이 적용되고 있다.
원추형 고무 스프링은 차량의 주행 안정성 및 승차감에 중요한 역할을 담당하며, 차량의 운동에 따른 제반 정적 및 동적하중을 완화시켜 차량부품 및 궤도의 손상을 방지하고 승객과 화물에 전해지는 진동과 소음을 최소화 시 켜주는 역할을 수행한다.
철도차량의 1차 현가장치는 대차와 윤축을 연결하며, 차륜에 작용하는 수직하중을 균일하게 하여 차량의 움직임 을 안정화시키고, 트랙의 불규칙도(Irregularity)에 의한 외력을 감소시키는 역할을 한다.
또한, 차량의 임계속 도에 가장 큰 영향을 미쳐 주행 안정성을 향상시키는 핵심 부품이다.
종래의 일반적인 원추형 고무 스프링(100)은 고무와 금속을 상호 접착하여 얻어지는 적층고무를 동심원 형태로 만들어 원추 형상을 여러 개 삽입한 형상으로 이루어지는데, 외측은 액슬 박스에 부 착되고, 원추형 모양의 안쪽은 대차 프레임에 고정되어 있는 형태로 강철 재질의 강심과 외층, 중간층, 내층의 3개의 고무층으로 적층되어 있다.
전후, 좌우 및 상하 방향의 3방향 강성을 가지고 있으며, 좌우 방향으로는 전 후 방향에 비하여 유연한 강성 특성을 갖도록 홈이 형성되어 있다.
각각 공차 및 만차 하중 조건에 대한 수직 강성, 종(길이) 강성 및 횡 강성 해석시 의 3개의 고무층으로 이루어진 고무부의 대수 변형률(logarithmic strain) 분포를 나타낸 것으로, 대수 변형률 의 폰 미제스(von-Mises) 성분으로 변형률 해석 결과를 평가해 본 결과, 수직 강성 해석 보다 하중 조건이 가혹 한 종 방향 및 횡 방향 해석에서 최대 변형률이 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 2의 공차 하중에서는 최대 변형률이 수직, 횡, 종 방향 순으로 증가하는 경향이 나타났지만, 만차 하중에서는 횡 방향과 종 방향의 최대 변형률 차이는 크게 나타나지 않았다.
최대 변형률 분포를 보면 고무부 특정 부위에서 변형이 국부적으로 발생되는 것을 확인할 수 있는데, 이와 같은 변형률의 국부화 현상은 원추형 고무 스프링의 피로 수명을 단축시키는 문제점이 있다.
그리고, 기존의 국내 철도차량에 1차 현가장치로 사용되는 원추형 고무 스프링은 주로 해외에서 수입되고 있으 므로, 국산화를 위한 제품 설계와 해석을 통한 성능 평가가 요구되고 있는 실정이다.
이에 종래에는 등록번호 20-0330297호의 '철도차량용 대차의 원추형 액슬스프링'과, 등록번호 20-0292076호의 '철도 차량용 1차 방진 지지구조물' 및 등록번호 10-2148202호의 '철도차량용 원추형 고무 스프링의 최적화 설계방법 및 그에 의해 설계된 원추형 고무 스프링'이 개시되어 있지만, 상기한 문제점에 대해서는 여전히 개선되고 있지 않는 실정이다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출해낸 것으로써, 철도차량의 구동에 의해 발생되는 압축하중을 분산하여 상기 철도차량의 전복을 방지하고, 진동을 최소화할 수 있도록 제 1내부링의 상부 러버와 슬리브 사이에 스토퍼를 구성한 철도차량용 코니컬고무스프링을 제공함에 주안점을 두고 기술적 과제로서 완성해낸 것이다.
이에 본 발명은 철도차량에 구성되며 슬리브, 외부링, 러버, 제 1내부링, 제 2내부링 및 샤프트로 구성된 코니컬 고무스프링에 있어서, 상기 러버와 슬리브 사이에는 스토퍼가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압축하중을 분산시키는 스토퍼가 구성된 철도차량용 코니컬 고무스프링을 그 기술적 특징으로 한다.
본 발명인 압축하중을 분산시키는 스토퍼가 구성된 철도차량용 코니컬 고무스프링에 따르면, 제 1내부링의 상부 러버와 슬리브 사이에 스토퍼를 구성하여 철도차량의 구동에도 전복을 방지하고, 진동을 최소화할 수 있으며, 상기 스토퍼를 철도차량의 구동에 따라 빈번하게 닿게 되는 부분에 구성하여 압축하중을 분산시킬 수 있는 등 그 효과가 큰 발명이다.
도 1은 종래의 코니컬 고무스프링을 나타내는 정단면도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예를 보여주는 정단면도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예를 나타내는 평면도
도 4는 도 2에서 본 발명의 핵심구성을 나타내는 확대단면도
도 5는 도 4의 핵심부를 나타내는 확대단면도
도 6은 도 5의 다른 실시 예를 나타내는 확대단면도
도 7은 도 5의 또다른 실시 예를 나타내는 확대단면도
도 8은 도 4의 다른 실시 예를 나타내는 확대단면도
도 9는 도 4의 또다른 실시 예를 나타내는 확대단면도
도 10은 도 3의 다른 실시 예를 나타내는 평면도
도 11은 도 10에 사용된 고무스토퍼를 각각 나타내는 평면도
도 12는 도 10에 사용된 고무스토퍼가 적용된 하중을 그래프로 나타낸 예시도
이하, 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성 및 작용에 대해 도 1 내지 도 12를 참고로 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명인 압축하중을 분산시키는 스토퍼가 구성된 철도차량용 코니컬 고무스프링은,
철도차량에 구성되며 슬리브(100), 외부링(200), 러버(300), 제 1내부링(400), 제 2내부링(500) 및 샤프트(600)로 구성된 코니컬 고무스프링(10)에 있어서, 상기 슬리브(100)와 러버(300) 사이에는 스토퍼(700)가 구성되어 있다.
상기한 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하면,
도 1을 참고로 설명하면, 코니컬 고무스프링(10)은 철도차량에 구성되며 슬리브(100), 외부링(200), 러버(300), 제 1내부링(400), 제 2내부링(500) 및 샤프트(600)로 구성된다.
종래의 코니컬 고무스프링(10)은 압축하중이 발생 시 제 1내부링(400)이 슬리브(100)의 하부에 닿게 되는데, 이로 인해 제 1내부링(400)의 상부를 감싸고 있는 러버(300)가 훼손되며, 그로 인해 제 1내부링(400)이 노출됨과 동시에 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 코니컬 고무스프링의 특성 상 다수회 압축하중이 발생됨에 따라 하중을 분산하지 못하고, 그로 인해 철도차량으로 하여금 진동을 발생시키며, 나아가 상기 철도차량에 대한 전복이 발생될 수도 있다.
여기서, 본 발명의 핵심구성요소는 상기 슬리브(100)와 러버(300) 사이에는 스토퍼(700)가 구성되어 있는 것이다.
상기 스토퍼(700)는 슬리브(100)와 러버(300) 사이에 구성되거나 또는 제 1내부링(400)의 상부를 감싸고 있는 러버(300)와 슬리브(100)의 하부가 닿는 부분에 구성되거나 또는 제 1내부링(400)의 상부를 감싸고 있는 러버(300)에 일체형 또는 탈, 부착이 가능한 분리형으로 구성되거나 또는 슬리브(100)의 하부에 일체형 또는 탈, 부착이 가능한 분리형으로 구성될 수 있다.
또한, 코니컬 고무스프링(10)으로 전달되는 압축하중으로 인해 슬리브(100)와 러버 사이에 구성되어 하중을 분산시키는 구성이면 본 발명인 스토퍼(700)에 적용될 수 있다.
본 발명에서 상기 스토퍼(700)는 제 1내부링(400)의 상측 러버(300)와 슬리브(100) 사이에 제 1내부링(400)의 원주 방향으로 일체형 또는 탈, 부착이 가능한 분리형으로 구성되어 있다.
상기 스토퍼(700)는 제 1내부링(400)의 상측 러버(300)와 일체형인 고무스토퍼(710)가 구성되거나 또는 슬리브(100)의 하부와 닿는 제 1내부링(400)의 상측 러버(300)에 접착제로 접착되는 고무스토퍼(710)로 구성되거나 또는 제 1내부링(400)의 상측 러버(300)와 닿는 슬리브(100)의 하부에 접착제로 접착되는 고무스토퍼(710)가 구성되거나 또는 제 1내부링(400)의 상측 러버(300)와 닿는 슬리브(100)의 하부에 상기 슬리브(100)와 일체형인 철스토퍼(720)가 구성될 수 있다.
상기 고무스토퍼(710) 및 철스토퍼(720)는 슬리브(100)와 제 1내부링(400)의 상부를 감싸는 러버(300) 사이에 구성되고, 일체형 또는 탈, 부착이 가능한 분리형으로 구성될 수 있으며, 재질에 따라 슬리브(100)의 하부에 구성되거나 또는 제 1내부링(400)의 상부를 감싸는 러버(300)에 구성될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고로 설명하면,
상기 스토퍼(700)는 하나 이상 다수개가 구성되되, 다수개 구성 시 상호 일정 간격 이격을 이루며 구성된다.
본 발명에서는 도 3의 평면도에서 보여지듯이, 스토퍼(700)를 5개 구성하였으며, 각각의 스토퍼(700)는 상호 일정 간격 이격을 이루며 구성하였다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1내부링(400)의 상부를 감싸는 러버(300)의 일정 구간에 상측방향으로 연장을 이루며 돌출되게 형성함으로써 스토퍼(700)를 구성하였다.
도 5 내지 도 7을 참고로 설명하면,
상기 스토퍼(700)의 상부에는 수평형상 또는 반원형상 또는 모서리형상으로 형성되어 있다.
상기 스토퍼(700)는 제 1내부링(400)의 상부를 감싸는 러버(300)에서 상측으로 돌출되게 형성되며, 끝부가 수평형상 또는 반원형상 또는 모서리형상으로 형성되되 각각의 형상은 수평방향으로 일정 길이 길게 형성된다.
또한, 상기 수평방향으로 형성되는 스토퍼(700)는 슬리브(100)의 하부와 우선적으로 닿게 되는 원주의 외측부분이 내측부분보다 높게 형성되어 있다.
이는, 우선적으로 닿게 되는 외측부분이 슬리브(100)의 하부와 닿게 되고, 순차적으로 중심부분, 내측부분이 닿게 되어 압축하중을 분산시키는 효과를 극대화하였다.
상기 스토퍼(700)는 수평방향으로 일정 길이 길게 형성 시, 양 끝부에서 중심부로 갈수록 좁아지게 형성된다.
이는, 양끝부가 우선적으로 닿고, 순차적으로 중심부분이 닿도록 하여 압축하중을 분산시키는 효과를 높였다.
도 10 내지 도 12를 참고로 설명하면,
상기 스토퍼(700)는 다수개 형성되되 수평형상, 반원형상, 모서리형상 중 선택적으로 2개 이상 혼합하여 형성될 수 있다.
상기 수평형상의 경우, 시작부분과 끝부분이 동일한 높이로 형성되거나 또는 시작부분과 끝부분 사이에 높이가 다른 하나 이상 다수개의 홈이 형성될 수도 있다.
도 10은 본 발명인 스토퍼(700)가 제 1내부링(400)의 상부를 감싸는 러버(300)에 위치된 구성으로써, 원주 방향으로 4개가 상호 일정 간격 이격을 이루며 구성된다.
상기 도 10에는 수평형상의 고무스토퍼(710)가 형성되되 시작부분과 끝부분 사이에 높이가 다른 홈이 형성된 고무스토퍼(710a)와, 시작부분과 끝부분이 동일한 높이로 형성된 고무스토퍼(710b)가 상호 대응되는 위치에 구성하였다.
도 11은 도 10의 고무스토퍼(710a, 710b)가 적용된 코니컬 고무스프링(10)을 이용하여 철도차량의 전진방향으로 나타낸 것이고, 도 12는 도 11의 전진방향에 따라 압축하중이 발생되는 것을 나타낸 그래프이다.
상기 고무스토퍼(710a)는 철도차량의 전복방지 및 선회 시 충격 완화를 위한 고무스토퍼(710a)로 그래프의 파란색 선이 해당되고, 각도에 따라 상기 고무스토퍼(710a)가 받는 하중량을 나타낸 것이다.
상기 고무스토퍼(710b)는 수직방향 하중을 버티기 위한 것이고, 그래프의 빨간색 선이 해당되며, 각도에 따라 상기 고무스토퍼(710b)가 받는 하중량을 나타낸 것이다.
이는 철도차량의 전복이 가장 위험도가 높기 때문에 고무스토퍼(710a)를 조금 더 높여 받는 하중량(충격 흡수량)이 많도록 설계하였고, 고무스토퍼(710b)는 단순 수직 방향의 충격 완화를 위한 목적으로 설계하였다.
상기 스토퍼(700)의 상부 일 측의 압축하중이 많이 발생되는 부분에는 강성의 합성수지재질로 이루어진 제전부가 구성되어 있다.
상기 제전부는 스토퍼(700)의 상부에 전체에 구성되거나 또는 일부분에 구성될 수 있다.
또한, 상기 스토퍼(700)에 구성되는 제전부의 이탈을 방지하기 위해 상기 제전부의 끝부가 스토퍼(700)에 인입 또는 내장될 수 있도록 하였다.
상기 하중받침부는 나일론 50 ~ 70 중량부와, 유리섬유 15 ~ 35 중량부가 혼합된 제 1혼합물과, MWNT(Multi-Walled Nano Tube. 이하 '다층나노튜브'라함.)다층나노튜브 2 ~ 4(0.1g/㎖) 중량부와, 산화방지제 0.2 중량부가 혼합된 제 2혼합물 및 분산제 1 ~ 5 중량부가 혼합된 최종혼합물을 가공, 압출된 합성수지재질로 구성된다.
상기 제 2혼합물에는 불포화 카르복실산 화합물의 공중합체로 이루어진 스티렌계수지 8 ~ 20 중량부와, 폴리에테르에스테르 수지 10 ~ 15 중량부와, 폴리에틸렌글리콜-디아크릴레이트를 친수성 단량체로 하는 화합물 3 ~ 7 중량부 및 플루오르 화합물 0.3 ~ 0.5중량부가 혼합된 제 4혼합물이 포함되어 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 제 1내부링의 상부 러버와 슬리브 사이에 스토퍼를 구성하여 철도차량의 구동에도 전복을 방지하고, 진동을 최소화할 수 있으며, 상기 스토퍼를 철도차량의 구동에 따라 빈번하게 닿게 되는 부분에 구성하여 압축하중을 분산시킬 수 있다.
10 : 코니컬 고무스프링
100 : 슬리브
200 : 외부링
300 : 러버
400 : 제 1내부링
500 : 제 2내부링
600 : 샤프트
700 : 스토퍼 710 : 고무스토퍼 720 : 철스토퍼

Claims (4)

  1. 철도차량에 구성되며 슬리브(100)가 구성되고, 상기 슬리브(100)의 외주를 감싸는 외부링(200)이 구성되며, 상기 외부링의 내측에 러버(300)가 구성되고, 상기 러버(300)의 내부에 위치되며 상호 이격을 이루는 제 1내부링(400), 제 2내부링(500)이 구성되며, 상기 러버(300)가 일측의 외주를 감싸는 샤프트(600)로 구성되고, 상기 슬리브(100)와 러버(300) 사이에는 스토퍼(700)가 구성된 코니컬 고무스프링(10)에 있어서,
    상기 스토퍼(700)는 슬리브(100)와 러버(300) 사이에 구성되되 제 1내부링(400)의 상부를 감싸는 러버(300)에 상기 슬리브(100)가 위치된 방향으로 돌출되게 연장을 이루는 고무스토퍼(710)로 구성되고,
    상기 고무스토퍼(710)는 철도차량이 선회 시 충격완화를 위해 시작부분과 끝부분 사이에 높이가 다른 홈이 형성된 고무스토퍼(710a)와, 수직방향의 하중을 버티기 위해 시작부분과 끝부분이 동일한 높이로 형성된 고무스토퍼(710b)가 상호 대응되는 위치에서 각각 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압축하중을 분산시키는 스토퍼가 구성된 철도차량용 코니컬 고무스프링.
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