KR20120138031A - 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 철도차량의 대차에 부착 설치되는 현가장치의 치수, 질량, 스프링 특성, 재질 등과 같은 설계 파라미터를 달리한 축소대차에 대하여 시뮬레이터에서 시험하여 열차의 승차감과 주행안전성을 측정하고 평가함으로써, 열차의 최적 승차감과 주행안전성을 확보할 수 있는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차에 관한 것이다.
본 발명에 따른 철도차량의 시험용 축소대차는, 2개의 차축과 이들 사이에 메인프레임을 구비하고 각 차축 단부(端部)에는 현가장치가 각각 설치되는데, 현가장치는, 상부수평부, 상부수평부의 측면에 연결된 경사부, 하부수평부 및 경사부의 단부와 하부수평부의 단부 사이에 연결된 수직부로 구성된 제1프레임; 양단에 위치하는 제1 및 제2측면부재, 제1 및 제2측면부재 사이를 연결하는 연결부재로 구성되어, 제1프레임의 하부수평부의 위쪽에 위치하게 되는 제2프레임; 차축의 단부에 설치되는 축박스(axle box); 축박스의 양측으로, 제1프레임의 상부수평부와 제2프레임의 제1 및 제2측면부재 사이에 각각 설치되는 Z축 코일스프링; 수직부와 연결부재 사이에 설치되는 Y축 코일스프링; 제1측면부재과 수직부 및 제2측면부재와 수직부 사이에 각각 설치되는 X축 코일스프링; 제1프레임의 상부수평부와 제2프레임의 측면부재 사이에 설치되는 쇽업쇼바를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차{Scaled bogie for railway vehicle simulator using a similarity method}
본 발명은 시험용 축소대차에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 철도차량의 대차(bogie)에 부착 설치되는 현가장치의 치수, 질량, 스프링 특성, 재질 등과 같은 설계 파라미터를 달리한 축소대차에 대하여 시뮬레이터(simulator)에서 시험하여 열차의 승차감과 주행안전성을 측정하고 평가함으로써, 열차의 최적 승차감과 주행안전성을 확보할 수 있는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차에 관한 것이다.
철도차량의 주행장치인 대차(bogie)는 차체의 하중을 지지함과 동시에 각 차륜에 차체의 하중이 고르게 분포되도록 하고, 철도차량의 주행시 발생하는 각종 힘과 진동을 전달하거나 절연하는 기능을 하며, 차체에 대하여 자유롭게 방향을 전환하여 철도차량의 직선주행 및 곡선주행을 원활하게 하는 장치로, 대차 자체 및 차체와 대차 사이에는 현가장치를 설치하여 대차의 진동을 차단함과 동시에 안락한 승차감을 제공한다.
이와 같은 철도차량의 대차는, 철도차량의 곡선주행시 차륜과 레일 사이에 발생하는 초과원심력 및 안전하중을 완화시킬 수 있는 대차의 조향력이 충분하지 못할 경우 차륜의 플랜지와 레일 측면 간의 마찰로 인하여 높은 소음이 발생함과 동시에 진동이 수반되면서 승차감이 크게 저하되는 문제가 발생하고, 이로 인해 차륜의 마모 및 레일의 파손으로까지 이어지면서 차량의 탈선으로 인한 대형사고가 발생하는 등 주행안전성에도 문제를 일으킨다.
안전성에 관한 문제는 어느 교통수단을 막론하고 가장 기본이 되는 사항인데, 철도는 일단 사고가 발생하면 복구에 장시간이 소요될 뿐만 아니라 대형사고의 개연성이 높기 때문에 철도차량 운용에 사용되는 장치는 다양한 조건하에서 많은 시험을 거쳐 채택하게 되며, 이때 실제상황과 동일 유사한 조건하에서 시험해야 하지만 실제로는 그와 같은 조건을 갖추고 수많은 시험을 한다는 것은 거의 불가능한 일이라고 하겠다.
따라서 실제상황에서 시험을 하지 않고, 동일 유사한 상황을 전개하거나 축소모델을 제작하여 시험하는 시뮬레이션 테스트를 하게 되는데, 일반적으로 시뮬레이션(simulation)이란, 실물을 사용한 시험을 하지 않더라도 모식화한 시스템이나 현상을 컴퓨터 등을 이용해 실제상황을 재연하는 것을 말하고, 이러한 시뮬레이션을 수행하는 수단을 시뮬레이터(simulator)라고 한다. 특히 철도차량이나 항공기와 같은 경우에는 실물을 사용한 시험이 어렵기 때문에 시뮬레이션이 중요한데, 항공기의 경우에는 많은 상황을 재연할 수 있는 시뮬레이터가 다수 출현하여 활용되고 있으나, 지금까지 철도와 같은 궤도차량을 위한 시뮬레이터는 제시된 바가 없어서 시뮬레이터를 통한 정밀한 분석을 할 수 없었다.
예를 들면, 현재 운행되고 있는 새마을호 동력차의 대차(MAN 대차)에는 총 20개의 스프링 또는 댐퍼 요소로 구성되는 현가장치를 구비하여 차량의 전후, 좌우 및 상하방향의 진동을 감쇠시켜 승차감과 주행안전성을 확보하도록 되어 있다. 하지만 새로운 차량을 개발하거나 기존 차량의 구조를 개선하고자 할 때, 승차감과 주행안전성에 영향을 주는 많은 설계 파라미터를 달리한 다양한 종류의 현가장치를 부착한 다수의 대차를 제작하여 실제 차량에서 시험한다는 것은 불가능한 일이므로, 열차의 최적 승차감과 주행안전성 등을 측정하고 평가할 수 있는 축소대차의 출현이 절실히 요구된다고 하겠다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 철도차량의 대차에 부착 설치되는 각종 현가장치의 치수, 질량, 스프링 특성, 재질 등과 같은 설계 파라미터를 달리한 다수의 축소대차에 대하여 시뮬레이터에서 시험하여 열차의 승차감과 주행안전성을 측정하고 평가함으로써, 열차의 최적 승차감과 주행안전성을 확보할 수 있는 현가장치를 구현할 수 있는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차는, 2개의 차축과 이들 사이에 메인프레임을 구비하고, 차축의 단부(端部)에는 현가장치가 각각 설치되는데, 현가장치는, 상부수평부, 상부수평부의 측면에 연결된 경사부, 하부수평부 및 상기 경사부의 단부와 하부수평부의 단부 사이에 연결된 수직부로 구성된 제1프레임; 양단에 위치하는 제1 및 제2측면부재, 상기 제1 및 제2측면부재 사이를 연결하는 연결부재로 구성되어, 상기 제1프레임의 하부수평부의 위쪽에 위치하게 되는 제2프레임; 차축의 단부(端部)에 설치되는 축박스(axle box); 상기 축박스의 양측으로, 상기 제1프레임의 상부수평부와 상기 제2프레임의 제1 및 제2측면부재 사이에 각각 설치되는 Z축 코일스프링; 상기 수직부와 연결부재 사이에 설치되는 Y축 코일스프링; 상기 제1측면부재와 수직부 및 제2측면부재와 수직부 사이에 각각 설치되는 X축 코일스프링; 상기 제1프레임의 상부수평부와 상기 제2프레임의 측면부재 사이에 설치되는 쇽업쇼바를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 철도차량의 시험용 축소대차는, 2개의 차축과 이들 사이에 메인프레임을 구비하고, 차축 단부에는 현가장치가 각각 설치되는데, 현가장치는, 차축의 단부에 각각 설치되는 축박스; 상기 축박스 상부에 위치하고, 양단부에서 하향으로 설치된 제1 및 제2돌출부재를 구비하는 상부프레임; 상기 축박스 하부에 위치하는 하부프레임; 상기 축박스의 양측으로, 상기 상부프레임과 하부프레임 사이에 각각 설치되는 수직코일스프링; 상기 상부프레임의 제1 및 제2돌출부재와 축박스의 단부 외측면 사이에 각각 설치되는 판스프링; 상기 상부프레임과 하부프레임 사이에 설치되는 쇽업쇼바를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 2개의 차축 사이에는 메인프레임이 설치되고, 메인프레임과 제1프레임의 상부수평부 또는 상부프레임을 서로 결합시켜 일체로 연결하며, 메인프레임의 상부에는 대차에 가해지는 하중을 조절하기 위한 중량물인 메스플레이트(mass plate)가 놓여진다.
상기와 같은 구성적 특성을 갖는 본 발명에 따른 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차는, 철도차량의 대차에 부착 설치되는 각종 현가장치의 치수, 질량, 스프링 특성, 재질 등과 같은 설계 파라미터를 달리하여 제작한 다양한 현가장치를 부착한 대차를 시뮬레이터에서 시험하여 열차의 승차감과 주행안전성을 측정하고 평가함으로써, 열차의 최적 승차감과 주행안전성을 제공하는 현가장치를 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 축소대차의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 축소대차에서 차축 및 차축 단부에 설치된 현가장치를 도시한 정면도와 평면도 및 측면도이다.
도 3은 축소대차에 설치한 현가장치의 제1실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 축소대차에 설치한 현가장치의 제2실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 축소대차를 시험하기 위하여 축소대차를 시뮬레이터에 장착한 상태를 도시한 도면이다.
본 발명의 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차는 실제 대차를 1/5 크기로 축소하여 만든 축소모델로, 양단부에 차륜(11)을 각각 구비한 2개의 차축(10)과 상기 차축 사이에 위치하는 메인프레임(30)을 구비하고, 차축의 각 단부(端部)에는 현가장치(20, 40)가 설치되며, 상기 메인프레임(30)과 현가장치가 일체로 연결되어 구성된 것이다.
먼저, 제1실시예의 현가장치(20)를 도 1 내지 3을 참조하여 설명하면, 현가장치(20)는 제1프레임(21), 제2프레임(22), 차축의 단부(端部)에 설치되는 축박스(axle box, 23), 프레임 사이에 3축(X, Y, Z축)방향으로 각각 설치되는 코일스프링 및 쇽업쇼바(27)를 기본적인 구성으로 구비한다.
제1프레임(21)은 상부수평부(21a)와, 상부수평부(21a)의 측면에 고정 연결되며 비스듬하게 하향으로 기울어진 경사부(21b)와, 하부수평부(21d)와, 경사부(21b)의 하단부와 하부수평부(21d)의 단부 사이에 연결된 수직부(21c)로 구성된다. 또한 제2프레임(22)은 양단에 위치하는 제1측면부재(22a)와, 제2측면부재(22b)와, 제1 및 제2측면부재 사이를 연결하는 연결부재(22c)로 구성되어, 상기 제1프레임(21)의 하부수평부(21d)의 위쪽에 일정한 간격을 두고 위치하게 된다.
Z축 코일스프링(24)은 축박스(23)의 양측으로 2개가 설치되는데, 제1프레임(21)의 상부수평부(21a)와 제2프레임(22)의 제1 및 제2측면부재(22a, 22b) 사이에 각각 위치하고, 제1프레임(21)의 상부수평부(21a) 상면에서 볼트를 체결하여 설치되며, 주행시 발생하는 상하진동을 감쇠시켜 주는 기능을 하게 된다.
Y축 코일스프링(25)은 제1프레임(21)의 수직부(21c)와 제2프레임(22)의 연결부재(22c) 사이에 위치하고, 제1프레임(21)의 수직부(21c) 외측면에서 볼트를 체결하여 설치된다. 2개가 설치되는 X축 코일스프링(26)은 제2프레임(22)의 제1측면부재(22a)와 제1프레임(21)의 수직부(21c) 사이 및 제2측면부재(22b)와 수직부(21c) 사이에 각각 위치하고, 제1측면부재(22a)와 제2측면부재(22b)의 외측면에서 볼트를 체결하여 설치된다. Y축 코일스프링(25)과 X축 코일스프링(26)은 주행시 발생하는 전후 및 좌우 요동을 감쇠시켜 주행안전성을 향상시키는 기능을 하게 된다.
쇽업쇼바(shock absorber, 27)는 Z축 코일스프링(24) 옆에 설치되어 상하진동을 감쇠시켜 주는 기능을 하는 구성으로, 제1프레임(21)의 상부수평부(21a)와 제2프레임(22)의 제1측면부재(22a) 또는 제2측면부재(22b) 사이에 설치되는데, 쇽업쇼바(27)는 축박스(23)의 양측에 모두 설치해도 상관없지만 어느 일측에만 설치하는 것이 바람직하다.
Z축과 Y축 및 X축 코일스프링은, 외측에 코일스프링이 위치하고, 코일스프링의 내측으로는 슬리브(sleeve, 242)를 구비하며, 슬리브(242) 내측으로는 로드(rod, 243)를 구비하여, 로드(243)의 하단은 후술하는 마찰방지용 패드(28) 위에 위치하게 되고, 로드(243)의 상단에서 볼트를 체결하여 설치하는데, 로드(243)의 상단에 체결하는 볼트는 완전히 고정되도록 단단하게 체결하지 않고 주행시험시 움직일 수 있도록 헐겁게 체결하여야 한다(제2실시예에서 수직코일스프링의 구조도 동일하다).
2개의 차축(10) 사이에는 메인프레임(30)이 설치되어 축소대차를 완성하게 되는데, 메인프레임(30)은 모서리 부분에서 제1프레임(21)의 상부수평부(21a)와 각각 결합되어 4개의 현가장치(20)와 일체로 구성되며, 메인프레임(30)의 상부에는 메스플레이트(mass plate, 31)가 얹어지고, 중량물인 메스플레이트(31)의 개수를 조절하여 대차에 가해지는 하중을 조절하면서 시험하게 된다. 이와 같이 메인프레임(30)은 그 형상을 특별히 한정하는 것은 아니고, 2개의 차축과 일체로 연결되는 구성이다.
제2프레임의 제1측면부재(22a)와 제2측면부재(22b)의 상단에는 마찰방지용 패드(28)를 삽입하여, 마찰방지용 패드(28) 위에 Z축 코일스프링(24) 또는 쇽업쇼바(27)의 하단이 위치하게 설치하는 것이 바람직하다.
제1실시예의 현가장치(20)는 3축 방향으로 코일스프링만으로 구성한 것이고, 제2실시예의 현가장치(40)는 코일스프링과 판스프링을 조합한 것인데, 도 4를 참조하여 현가장치의 제2실시예를 설명하면, 현가장치(40)는 상부프레임(41), 하부프레임(42), 차축의 단부(端部)에 설치되는 축박스(43), 수직코일스프링(44) 및 2개의 판스프링(45)을 기본적인 구성으로 구비한 것으로, 제1실시예와 동일한 부분에 대하여는 설명을 생략한다.
상부프레임(41)은 축박스(43) 상부에 위치하는데, 양단부에서 하향으로 설치한 제1돌출부재(41a) 및 제2돌출부재(41b)를 구비하고, 하부프레임(42)은 축박스(43) 하부에 위치하게 설치된다.
수직코일스프링(44)은 축박스(43)의 양측으로 2개가 설치되는데, 상부프레임(41)과 하부프레임(42) 사이에 설치되어, 주행시 발생하는 상하진동을 감쇠시켜 주는 기능을 하게 된다. 수직코일스프링(44)은 제1실시예에서 설명한 Z축 코일스프링과 같은 구성이므로 상세한 설명은 생략한다.
판스프링(45)은 2개가 설치되는데, 상부프레임(41)의 제1 및 제2돌출부재(41a, 41b)와 축박스(43)의 단부(端部) 외측면 사이에 각각 설치되어, 주행시 발생하는 전후 및 좌우 요동을 감쇠시켜 주행안전성을 향상시키는 기능을 하게 된다. 판스프링(45)의 일단(一端)은 상부프레임(41)의 제1돌출부재(41a) 및 제2돌출부재(41b)에 각각 고정 결합시키지만, 각 판스프링(45)의 타단(他端)은 축박스(43)의 단부 외측면에 힌지(hunge) 결합시켜 주행시 현가장치가 움직일 수 있도록 하여야 한다. 또한, 판스프링(45)은 2개가 설치되므로 축박스(43)의 단부 외측면 상하에 각각 하나씩 설치하는 것이 바람직하다.
쇽업쇼바(47)는 상부프레임(41)과 하부프레임(42) 사이에 설치되며, 하부프레임(42)의 상단 사이에는 마찰방지용 패드(48)을 삽입하여 마찰방지용 패드(48) 위에 쇽업쇼바(47)와 수직코일스프링(44)의 하단이 위치하도록 하는 것이 바람직한데, 설치방법이나 구조는 제1실시예와 동일하기 때문에 구체적인 설명을 생략한다.
2개의 차축(10) 사이에는 메인프레임(30)이 설치되어 축소대차를 완성하게 되는데, 메인프레임(30)은 모서리 부분에서 상부프레임(41)과 각각 결합되어 4개의 현가장치(40)와 일체로 구성되며, 메인프레임(30)의 상부에는 메스플레이트(31)가 얹어지고, 중량물인 메스플레이트(31)의 개수를 조절하여 대차에 가해지는 하중을 조절하면서 시험하게 된다.
지금까지 설명한 축소대차는 도 5에 도시한 것과 같은 시뮬레이터(50)의 상부에 장착하여 시험을 하게 되며?본 발명은 시뮬레이터가 발명의 대상이 아니므로 시뮬레이터에 대한 설명은 생략하며, 시뮬레이터에 관해서는 본 출원인이 이미 특허출원 제2011-9885호로 출원했다? 시험시에는 각 실시예의 프레임의 적절한 위치에 필요한 센서(변위센서, 속도센서, 가속도센서 등)를 취부한 상태에서 시험하여 각종 데이터를 확보하여 열차의 승차감과 주행안전성을 측정하고 평가하는데, 평가항목에 영향을 줄 수 있는 설계 파라미터를 변경한 다양한 스프링 또는 댐퍼 등을 취부하여 시험함으로써 최적의 대차를 제작할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
10 : 차축 11 : 차륜
20 : 현가장치 21 : 제1프레임
22 : 제2프레임 23 : 축박스(axle box)
24 : Z축 코일스프링 25 : Y축 코일스프링
26 : X축 코일스프링 27 : 쇽업쇼바(shock absorber)
28 : 마찰방지용 패드
30 : 메인프레임 31 : 메스플레이트(mass plate)
40 : 현가장치 41 : 상부프레임
42 : 하부프레임 43 : 축박스(axle box)
44 : 수직코일스프링 45 : 판스프링
47 : 쇽업쇼바 48 : 마찰방지용 패드
50 : 시뮬레이터(simulator)

Claims (10)

  1. 2개의 차축과 메인프레임을 구비하는 철도차량의 시험용 축소대차에 있어서,
    상기 차축 단부(端部)에 각각 설치되는 현가장치는,
    상부수평부, 상기 상부수평부의 측면에 연결된 경사부, 하부수평부, 상기 경사부의 하단부와 하부수평부의 단부 사이에 연결된 수직부로 구성된 제1프레임;
    양단에 위치하는 제1 및 제2측면부재, 상기 제1 및 제2측면부재 사이를 연결하는 연결부재로 구성되어, 상기 제1프레임의 하부수평부 위쪽에 위치하게 되는 제2프레임;
    차축의 단부(端部)에 설치되는 축박스(axle box);
    상기 축박스의 양측으로, 상기 제1프레임의 상부수평부와 상기 제2프레임의 제1 및 제2측면부재 사이에 각각 설치되는 Z축 코일스프링;
    상기 수직부와 연결부재 사이에 설치되는 Y축 코일스프링;
    상기 제1측면부재와 수직부 및 제2측면부재와 수직부 사이에 각각 설치되는 X축 코일스프링;
    상기 제1프레임의 상부수평부와, 상기 제2프레임의 제1 또는 제2측면부재 사이에 설치되는 쇽업쇼바;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Z축과 Y축 및 X축 코일스프링은, 외측에 코일스프링이 위치하고, 상기 코일스프링의 내측으로는 슬리브(sleeve)를 구비하는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 차축 사이에는 메인프레임이 설치되고, 상기 메인프레임의 각 모서리에 상기 제1프레임의 상부수평부가 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메인프레임의 상부에는 대차에 가해지는 하중을 조절하기 위한 메스플레이트(mass plate)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Z축 코일스프링과 쇽업쇼바의 하단과, 상기 제2프레임의 제1 및 제2측면부재 사이에는 마찰방지용 패드가 삽입되는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  6. 2개의 차축과 메인프레임을 구비하는 철도차량의 시험용 축소대차에 있어서,
    상기 차축 단부(端部)에 각각 설치되는 현가장치는,
    차축의 단부(端部)에 설치되는 축박스(axle box);
    상기 축박스 상부에 위치하고, 양단부에서 하향으로 설치된 제1 및 제2돌출부재를 구비하는 상부프레임;
    상기 축박스 하부에 위치하는 하부프레임;
    상기 축박스의 양측으로, 상기 상부프레임과 하부프레임 사이에 각각 설치되는 수직코일스프링;
    상기 상부프레임의 제1 및 제2돌출부재와 축박스의 단부(端部) 외측면 사이에 각각 설치되는 판스프링;
    상기 상부프레임과 하부프레임 사이에 설치되는 쇽업쇼바;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수직코일스프링은, 외측에 코일스프링이 위치하고, 상기 코일스프링의 내측으로는 슬리브(sleeve)를 구비하는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 2개의 차축 사이에는 메인프레임이 설치되고, 상기 메인프레임과 상기 상부프레임이 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 수직코일스프링과 쇽업쇼바의 하단과 상기 하부프레임의 상단 사이에는 마찰방지용 패드가 삽입되는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 판스프링은, 일단이 상기 상부프레임의 제1 및 제2돌출부재와는 고정 결합되고, 타단은 축박스의 단부(端部) 외측면과 힌지(hunge) 결합되어 설치되는 것을 특징으로 하는 상사기법에 따른 철도차량의 시험용 축소대차.
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