KR20130038569A - 외선형 경전철의 균형조절장치 및 이를 이용한 외선형 경전철 - Google Patents

외선형 경전철의 균형조절장치 및 이를 이용한 외선형 경전철 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외선형 레일 상에 놓여 회전을 통해 이동하는 차륜부, 상기 차륜부와 연결되되 상기 차륜부의 상부에 위치하는 상판 및 상기 상판 상부에 위치하고 승객을 수용하는 몸체를 포함하는 외선형 경전철에 사용되는 균형조절장치에 관한 것으로, 일단에 개구부가 형성된 통형상의 실린더, 상기 실린더에 삽입되어 길이방향을 따라 왕복가능한 피스톤 및 상기 피스톤에 동력을 제공하는 구동부로 이루어진 액추에이터; 및 상기 액추에이터와 연결되고 상기 외선형 레일의 상하 경사나 곡선부에 따라 발생하는 상기 몸체의 기울어짐을 보상하기 위해 상기 액추에이터를 제어하는 제어부를 포함하여, 상기 상판과 상기 몸체 사이에 구비되고 상기 몸체의 균형을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 액추에이터 및 제어부를 포함하는 균형조절장치를 외선형 경전철에 적용함으로써, 외선형 레일의 곡선부에 캔트를 형성할 필요가 없어져 공사기간의 단축에 따른 비용절감이 가능한 효과가 있다. 또한, 외선형 경전철의 속도를 검출할 수 있는 속도감지 센서 및 몸체의 기울어짐 여부를 감지하는 수평감지 센서를 포함하는 제어부를 구비함으로써, 안정적인 경전철의 몸체 제어가 가능해져 승객의 승차감이 향상될 수 있는 효과가 있다.

Description

외선형 경전철의 균형조절장치 및 이를 이용한 외선형 경전철{The Balancing Device For Light Rail Transit That Shuttled On One-Rail And The Light Rail Transit Using the Same}
본 발명은 외선형 경전철의 균형조절장치 및 이를 이용한 외선형 경전철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외선형 경전철에 액추에이터 및 제어부를 포함하는 균형조절장치를 구비함으로써 외선형 철도의 곡선구간에 캔트를 형성할 필요가 없고 승객의 승차감을 향상시킬 수 있는 균형조절장치 및 이를 이용한 외선형 경전철에 관한 것이다.
지금까지의 철도는 일반적으로 2선 레일을 부설하여 한 쌍의 차륜이 놓여지고 윤축 2개가 고정대차를 이루는 4개 차륜의 일체형 방식을 유지하고 있다. 이러한 종래의 철도는 곡선구간에 대한 원심력과 고정대차 때문에 캔트(cant)와 슬랙(slack)을 부설해야만 했다.
여기서 캔트란 철도차량이 곡선 지점을 원활하게 통과할 수 있도록 안쪽 레일을 기준으로 바깥쪽 레일을 높게 부설하는 것을 말하는데, 이는 중력을 궤도의 중심으로 끌어들이기 위해 곡선의 바깥쪽 레일을 안쪽 레일보다 높게 함으로써 운동시 원심력에 의한 중력방향의 이탈을 막는 작용을 한다. 그리고 슬랙은 곡선 안쪽 레일을 곡선 중심방향으로 확장시키는 것을 말한다. 이러한 슬랙은 4개 차륜의 고정대차가 2선 레일 사이를 원활하게 주행할 수 있도록 한다.
이렇게 곡선구간에 캔트와 슬랙을 부설하는 레일 작업은 시공기간을 증대시키고 유지보수에 있어서도 문제점이 되어왔다. 또한, 캔트는 열차 주행속도와 직접적인 영향을 주는 인자로서 불균형 원심력에 대한 안전성까지 고려되어야 한다는 점과 2선 레일의 부설은 외선형 레일보다 많은 공간을 차지하게 된다는 점 때문에 철도 구조물은 그 크기가 커지고 이에 따라 공사비가 비싸지며 도시미관을 저해할 수 있었다. 그리고 기존의 철도 선형계획은 급곡선, 급기울기, 도로용지 이용이 곤란하여 효율적인 철도 활용이 제한적인 문제점이 있다.
이에 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 대한민국 공개특허 제10-2010-0102400호에는 Y형 모노레일에 관한 내용이 개시되어 있다. 구체적으로 본 공개발명은 주행휠과 Y형 모노레일에 접하는 스테빌라이저 가이드휠을 이용해 Y형 모노레일의 주행안정성을 확보하는 동시에 Y형 모노레일의 탈선을 방지하고 있다.
그러나 본 공개발명은 구조가 복잡할 뿐만 아니라 복잡한 구조로 인해 제작비용이 증가되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 액추에이터 및 제어부를 포함하는 균형조절장치를 외선형 경전철에 적용함으로써, 외선형 레일의 곡선부 구조물에 캔트를 형성할 필요가 없는 외선형 경전철 및 이에 사용되는 외선형 경전철의 균형조절장치를 제공하는 데 있다.
또한, 속도감지 센서 및 수평감지 센서를 포함하는 제어부를 통해, 안정적인 외선형 경전철 차량의 몸체 제어가 가능해져 승객의 승차감이 향상될 수 있는 외선형 경전철 및 이에 사용되는 외선형 경전철의 균형조절장치를 제공하는 데 있다.
또한, 균형조절장치가 구비된 외선형 경전철은 주행시 항상 균형을 유지하게 되므로 하중전달이 구조물 전체에 골고루 분산될 수 있고, 외선형 레일을 이용하게 됨으로써, 레일 부설에 적은 공간이 사용되어 레일설치와 관련된 구조물의 크기가 작아지고 철도 선형계획과 관련하여 급곡선, 급기울기, 도로용지 이용이 가능해져 효율적인 철도 활용이 도모되는 외선형 경전철 및 이에 사용되는 외선형 경전철의 균형조절장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단은, 외선형 레일 상에 놓여 회전을 통해 이동하는 차륜부, 차륜부와 연결되되 상기 차륜부의 상부에 위치하는 상판 및 상판 상부에 위치하고 승객을 수용하는 몸체를 포함하는 외선형 경전철에 사용되는 균형조절장치에 관한 것으로, 일단에 개구부가 형성된 통형상의 실린더, 실린더에 삽입되어 길이방향을 따라 왕복가능한 피스톤 및 피스톤에 동력을 제공하는 구동부로 이루어진 액추에이터; 및 액추에이터와 연결되고 외선형 레일의 상하 경사나 곡선부에 따라 발생하는 몸체의 기울어짐을 보상하기 위해 액추에이터를 제어하는 제어부를 포함하여, 상판과 몸체 사이에 구비되고 몸체의 균형을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부는 외선형 경전철의 속도를 검출할 수 있는 속도감지 센서 및 몸체의 기울어짐 여부를 감지하는 수평감지 센서를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 구동부는 유압방식 또는 모터를 이용한 리드 스크루방식으로 피스톤에 동력을 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 액추에이터는 4개가 구비되어 상기 몸체를 사방으로 기울어지게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부는 외선형 경전철이 우측으로 휘어진 외선형 레일의 곡선부를 통과하는 경우 몸체의 좌측을 상방으로 들어올려 기울이는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부는 외선형 경전철이 좌측으로 휘어진 외선형 레일의 곡선부를 통과하는 경우 몸체의 우측을 상방으로 들어올려 기울이는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부는 외선형 경전철이 하측 경사구간을 통과하는 경우 몸체 전단부를 상방으로 들어올려 몸체가 수평에 가깝도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부는 외선형 경전철이 상측 경사구간을 통과하는 경우 몸체 후단부를 상방으로 들어올려 몸체가 수평에 가깝도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 외선형 레일 상에 놓여 회전을 통해 이동하는 차륜부; 차륜부와 연결되되 차륜부의 상부에 위치하는 상판; 상판 상부에 위치하고 승객을 수용하는 몸체; 및 상판과 몸체 사이에 구비되어, 일단에 개구부가 형성된 통형상의 실린더와, 실린더에 삽입되어 길이방향을 따라 왕복가능한 피스톤과, 피스톤에 동력을 제공하는 구동부로 이루어진 액추에이터 및 액추에이터와 연결되고 외선형 레일의 상하 경사나 곡선부에 따라 발생하는 몸체의 기울어짐을 보상하기 위해 액추에이터를 제어하는 제어부로 이루어져 몸체의 균형을 조절하는 균형조절장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부는 외선형 경전철의 속도를 검출할 수 있는 속도감지 센서 및 몸체의 기울어짐 여부를 감지하는 수평감지 센서를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 액추에이터 및 제어부를 포함하는 균형조절장치를 외선형 경전철에 적용함으로써, 외선형 레일의 곡선부에 캔트를 형성할 필요가 없어져 구조물의 크기가 축소되고, 공사기간의 단축에 따른 비용절감이 가능한 효과가 있다.
또한, 외선형 경전철의 속도를 검출할 수 있는 속도감지 센서 및 몸체의 기울어짐 여부를 감지하는 수평감지 센서를 포함하는 제어부를 구비함으로써, 안정적인 경전철의 몸체 제어가 가능해져 곡선부에서의 탈선이 방지되고, 몸체 무게중심이 유지되며, 승객의 승차감이 향상될 수 있는 효과가 있다.
또한, 균형조절장치가 구비된 외선형 경전철은 외선형 레일을 이용하게 됨으로써, 레일 부설에 적은 공간이 사용되므로 레일설치와 관련된 구조물의 크기가 작아지고 철도 선형계획과 관련하여 급곡선, 급경사, 도로용지 이용이 가능해져 효율적인 철도 활용을 도모할 수 있는 효과가 있다.
또한, 외선형 레일을 이용함에 따라 경전철의 소형화가 가능해짐으로써, 차량의 경량화 및 마찰저항 감소에 따른 고효율의 에너지사용이 가능하고 고가도로, 지상 또는 지하에 경전철망의 구축이 가능해져 하이브리드형 교통시스템의 조성이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 외선형 경전철은 차륜시스템과 균형조절장치의 유기적 작동으로 직선구간뿐만 아니라 곡선구간에서도 고속주행을 할 수 있어 종래 모노레일과 확연히 차별화되는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 외선형 경전철 및 균형조절장치의 정면도.
도 2는 본 발명에 따른 외선형 경전철 및 균형조절장치의 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 외선형 경전철이 곡선부 이동시 균형조절장치의 작동상태를 나타낸 정면도.
도 4a는 본 발명에 따른 외선형 경전철이 하방 경사구간 이동시 균형조절장치의 작동상태를 나타낸 측면도.
도 4b는 본 발명에 따른 외선형 경전철이 상방 경사구간 이동시 균형조절장치의 작동상태를 나타낸 측면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외선형 경전철의 균형조절장치 및 이를 이용한 외선형 경전철의 구성에 관하여 상세하게 설명한다.
(외선형 경전철)
도 1은 본 발명에 따른 외선형 경전철 및 균형조절장치의 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 외선형 경전철 및 균형조절장치의 측면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 외선형 경전철이 곡선부 이동시 균형조절장치의 작동상태를 나타낸 정면도이고, 도 4a는 본 발명에 따른 외선형 경전철이 하방 경사구간 이동시 균형조절장치의 작동상태를 나타낸 측면도이며, 도 4b는 본 발명에 따른 외선형 경전철이 상방 경사구간 이동시 균형조절장치의 작동상태를 나타낸 측면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 외선형 경전철(1)은 대략 차륜부(10), 상판(20), 몸체(30) 및 균형조절장치(2)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서 외선형 경전철(1)은 통상의 전철 한량 정도의 크기로 제작될 수 있다.
차륜부(10)는 외선형 경전철(1)에 대한 발명에서 기술적 특징이 있는 부분으로, 종래의 2선 레일에 대응한 한 쌍의 차륜(11)이 회전하여 이동하는 것과 확연히 구분된다. 이러한 차륜부(10)는 하측으로는 외선형 레일(3)과 접하고 상측으로는 상판(20)과 연결되는 것으로, 회전력을 통해 외선형 레일(3)을 따라 상기 외선형 경전철(1)을 이동시키는 역할을 한다.
차륜부(10)는 대략 차륜(11), 중심축(12), 지지바(13), 가이드롤러(14) 및 동력부(15)를 포함하여 이루어질 수 있고, 연결부재(16)를 통해 상판(20)과 연결되며 형태적으로 다양한 변형이 가능한 부분이다. 이러한 차륜부(10)는 외선형 경전철(1)의 길이에 따라 복수 개가 구비될 수 있다. 다만, 한량 정도 크기의 외선형 경전철(1)의 경우 5개의 차륜부(10)를 구비하는 것이 바람직하다.
먼저, 본 발명에 따른 차륜(11)은 도 1에 도시된 바와 같이, 레일(3)과 접한 상태에서 회전을 통해 레일(3) 상을 이동하는 구성요소로, 레일(3)의 상단부분을 감싸는 형상으로 이루어진다. 이러한 형상으로 인해 레일(3)로부터의 이탈이 1차적으로 방지된다. 이때, 레일(3)의 상면과 접하는 차륜(11)의 수평부분과 돌출된 부분의 연결은 소정의 곡률로 이루어질 수 있고, 이에 대응하여 레일(3) 상단의 가장자리 곡률이 정해질 수 있다.
이러한 차륜(11)의 크기와 폭은 외선형 경전철(1)의 규모 및 속도를 고려하여 다양하게 변형할 수 있다. 그리고 차륜(11)은 금속재 또는 합성수지 등을 이용하여 제작될 수 있다. 다만, 고속주행을 위해 금속재 재질을 사용함이 바람직하다.
중심축(12)은 차륜(11)의 중심영역을 관통하되, 차륜(11)이 중심축(12)의 중앙에 놓이도록 형성된다. 이러한 중심축(12)은 차륜(11)이 회전하더라도 본래의 위치를 유지할 수 있게 베어링을 통해 차륜(11)과 연결될 수 있다. 한편, 중심축(12)의 길이는 지지구조물(4)의 폭을 고려하여 형성할 수 있다.
그리고 지지바(13)는 일단이 지지구조물(4)과 접촉하여 외선형 경전철(1)이 기울지 않도록 지지하는 구성요소로, 중심축(12) 양단과 연결되어 하측으로 길게 형성된다. 이때, 지지바(13)는 중심축(12) 양단에 각각 1개 이상 구비될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 안정적인 지지를 위해 중심축(12) 양단에 각각 2개의 지지바(13)를 형성하였다.
그리고 가이드롤러(14)는 지지바(13) 하단에 연결되어 지지구조물(4)과 직접 접촉하는 구성요소로, 지지바(13)와 연결되어 실질적으로 외선형 경전철(1)을 지지하게 된다. 이러한 가이드롤러(14)는 외선형 경전철(1)이 기울지 않도록 지지구조물(4)과 결착되되 지지구조물(4)과의 마찰력을 최소로 할 수 있는 형태라면 다양한 변형이 가능하다.
다만, 본 발명 실시예의 가이드롤러(14)는 지지바(13) 하단에 연결되고 지지바(13)의 길이방향을 축으로 회전가능하게 형성된다. 그리고 지지구조물(4) 양단과 접하게 된다. 이때, 가이드롤러(14)와 지지구조물(4) 양단의 접촉면은 서로 대응하는 형상이되 쉽게 상하방향으로 이탈되지 않는 형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 가이드롤러(14)를 통해 본 발명에 따른 외선형 경전철(1)은 지지구조물(4)에 지지되어 기본적인 자세를 유지할 수 있다.
한편, 이러한 중심축(12)과 지지바(13)는 지지구조물(4)의 폭을 고려하여 아치형상으로 일체로 제작할 수도 있는데, 이를 통해 외선형 경전철(1)의 하중을 효과적으로 분산할 수 있다.
동력부(15)는 외선형 경전철(1)이 이동할 수 있게 차륜(11)에 회전력을 제공하는 구성요소로, 중심축(12) 일측에 구비할 수 있다. 이러한 동력부(15)는 중심축(12) 상에 고정된 상태에서 직접 차륜(11)과 연결되어 회전력을 전달하도록 형성할 수 있다. 그리고 동력부(15) 내부에는 차륜(11)의 회전과 관련된 기어박스를 포함한다.
여기서 동력부(15)는 복수의 차륜부(10)로 이루어진 외선형 경전철(1)의 경우, 모든 차륜부(10)에 장착하여 고속주행을 도모할 수 있다. 다만, 최전방 차륜부(10) 및 최후방 차륜부(10) 중 적어도 하나에 장착하여 운행하는 것이 바람직하다. 이때, 동력부(15)는 다양한 방식의 동력발생기가 사용될 수 있으나, 회전의 제어뿐만 아니라 제동이 가능한 전동모터를 사용하는 것이 바람직하다.
연결부재(16)는 차륜부(10)와 상판(20) 상호 간을 연결하는 구성요소로, 차륜(11)이 주행을 위한 회전이 가능한 상태에서 상판(20) 중심축선 상에 연결될 수 있는 구조라면 다양한 변형이 가능하다. 다만, 도 1에서처럼 연결부재(16) 하단부는 중심축(12)의 대칭된 위치 양측에 고정되고, 상단부는 상판(20)의 중심축선 상에 연결되도록 형성할 수 있다.
한편, 연결부재(16)는 차륜부(10)를 상판(20)에 고정하는 역할 이외에도 급격한 곡선부로 이루어진 외선형 레일(3) 상에서 차륜부(10)의 탈선을 방지하기 위해 곡선부를 따라 차륜부(10)가 일정각도로 회전할 수 있게 형성할 수 있다. 또한, 여기에 차륜부(10)가 연결부재(16)를 통해 상판(20)에 고정된 상태에서 상기 상판(20)의 좌우방향으로 왕복하도록 형성할 수 있다.
이때, 이러한 회전 및 좌우방향 왕복에 대하여 소정의 탄성력이 작용하도록 하여 차륜부(10)가 상판(20)의 중심축선 상에 항상 정위치되게 하는 것이 바람직하다. 이렇게 차륜부(10)가 회전 및 직선운동을 할 수 있게 상판(20)과 연결하는 것은 2 이상의 차륜부(10)가 구비된 외선형 경전철(1)의 경우 필수적이다.
다만, 안정적인 외선형 경전철(1)의 몸체(30)유지를 위해서 이하에서와 같이 변형된 형태로 차륜시스템을 활용할 수 있다. 구체적으로, 도 2처럼 5개의 차륜부(10)로 이루어진 경우, 제 1 차륜부(10)(진행방향에서부터 순서대로) 및 제 5 차륜부(10)는 좌우방향의 직선운동 없이 상판(20) 중심축선 상에 각각 고정된 상태에서 회전만이 이루어지도록 하여 외선형 경전철(1)의 몸체(30)가 좌우로 움직이는 것을 방지할 수 있다. 즉, 외선형 경전철(1)은 2개의 고정 축인 제 1 차륜부(10) 및 제 5 차륜부(10)의 안내에 따라 몸체(30)의 방향성을 유지하며 운행하게 된다.
또한, 가운데에 위치한 제 3 차륜부(10)는 곡선부에 따라 회전되지 않도록 상판(20)에 고정시킨 상태에서 좌우방향의 직선운동만을 하게 하여 외선형 경전철(1)의 몸체(30)가 제 3 차륜부(10)의 진행방향과 일치하도록 할 수 있다.
상판(20)은 차륜부(10)의 상부에 위치하여 상기 차륜부(10)가 고정되는 구성요소로, 외선형 경전철(1) 몸체(30) 길이에 대응한 판형상으로 형성한다. 이러한 상판(20)에는 상기 연결부재(16) 상단부를 수용하되 외선형 레일(3)의 곡선부를 따라 차륜부(10)가 일정각도로 회전할 수 있고 상판(20)의 좌우방향으로 왕복할 수 있도록 수용부를 형성할 수 있다.
앞서 살펴본 복수의 차륜부(10), 연결부재(16) 및 상판(20) 수용부는 곡선구간으로 이루어진 외선형 레일(3) 상에서 상호 유기적으로 작동하는 차륜시스템을 이루게 된다. 이러한 차륜시스템은 곡선부 상의 차륜부(10) 각각을 상판(20)의 중심축선을 기준으로 원심력 방향 쪽에 모두 위치하게 함으로써 외선형 경전철(1)에 가해지는 원심력에 의한 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있다.
따라서, 외선형 레일(3)의 곡선부에는 캔트를 형성할 필요가 없고, 곡률반경이 20m(기존 철도는 곡률반경 40m이상으로 형성됨)로 이루어진 곡선구간을 형성할 수 있어 토지공간의 효율적 활용이 가능하다.
몸체(30)는 외선형 경전철(1)의 외관을 이루는 것으로, 여기에는 승객이 탑승할 수 있는 출입문이 구비되고 상판(20) 상부에 위치하게 된다. 이러한 몸체(30)는 다양한 형태로 제작가능하나, 본 발명의 실시예에서는 직육면체 형상으로 구현하였다.
이하에서는 균형조절장치(2)에 대하여 구체적으로 기술하기로 한다.
(균형조절장치)
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 균형조절장치(2)는 본 발명의 또 다른 기술적 특징을 갖는 부분으로 외선형 레일(3)의 곡선부에 캔트를 형성되지 않고도 편안한 승차감과 안전한 주행을 가능하게 하는 필수적인 구성요소이다. 이러한 균형조절장치(2)는 외선형 경전철(1) 몸체(30)의 균형을 조절하기 위해 상판(20)과 몸체(30) 사이에 구비된다.
균형조절장치(2)는 대략 액추에이터(100) 및 제어부(200)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서 액추에이터(100)는 피스톤(130)의 왕복운동을 상부에 위치한 몸체(30)에 전달하여 몸체(30)의 위치를 조절하는 구성요소이다. 여기서 액추에이터(100)는 상판(20) 상면에 3개의 액추에이터(100)를 삼각형 형상으로 배치한 상태에서 각 피스톤(120)이 왕복하면서 외선형 경전철(1)의 몸체(30)를 사방으로 기울여지도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서처럼 상판(20) 상면에 4개의 액추에이터(100)를 사각형 형상으로 배치하고 각 피스톤(120)을 왕복시킴으로써 보다 자연스럽게 몸체(30)를 사방으로 기울여지도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 액추에이터(100)는 몸체(30)의 위치를 조절하는 동력원으로 사용될 뿐만 아니라 차륜부(10)의 진동이 몸체(30)에 전달되는 것을 방지하는 댐퍼 역할을 동시에 수행할 수 있도록 형성할 수 있다.
액추에이터(100)는 대략 실린더(110), 피스톤(120) 및 구동부(130)를 포함할 수 있다. 실린더(110)는 실린더(110) 내부에 삽입된 피스톤(120)의 안정적인 왕복운동을 유도하는 구성요소로, 관형상으로 형성되어 일측에 구동부(130)가 구비될 수 있고 타측은 개방된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 실린더(110) 하측이 상판(20)과 연결된다. 이러한 실린더(110)는 금속재질 또는 합성수지재로 형성가능하다. 다만, 외선형 경전철(1)의 경우 큰 하중이 실리는 특성상 금속재질로 형성하는 것이 좋다.
피스톤(120)은 구동부(130)에 의해 전달된 동력을 외선형 경전철(1)의 몸체(30)에 전달하여 몸체(30)가 사방으로 기울어지게 하는 구성요소로, 실린더(110)의 개방된 일측에 삽입되어 구동부(130)와 연결될 수 있다. 여기서 피스톤(120)은 실린더(110)에 삽입되어 왕복할 수 있도록 실린더(110)의 내경보다 작은 외경의 관형상으로 형성한다. 그리고 피스톤(120)의 길이는 구동부(130)에 의해 실린더(110) 내부로 최대한 삽입되더라도 실린더(110) 외부로 돌출될 수 있도록 형성한다. 이때, 피스톤(120)은 금속재질 또는 합성수지재로 형성할 수 있다. 다만, 외선형 경전철(1)의 경우 큰 하중이 실리는 특성상 금속재질로 형성하는 것이 좋다.
구동부(130)는 피스톤(120)이 왕복운동을 하도록 동력을 제공하는 역할을 수행하는 것으로, 피스톤(120)이 삽입되는 실린더(110)의 일측과 대향 되는 타측에 구비될 수 있다. 이러한 구동부(130)는 다양한 구동방식으로 피스톤(120)에 동력을 제공하여 왕복시킬 수 있다.
일례로, 리드 스크루방식은 피스톤(120)이 왕복운동 할 수 있도록 구동부(130)의 회전축에 리드 스크루가 연결된다. 그리고 상기 리드 스크루에 대응하는 나사 산을 관형상의 피스톤(120) 내주면에 구비하여 구동부(130)의 회전축과 연결된 리드 스크루의 회전에 따라 피스톤(120)이 왕복운동 하도록 구현할 수 있다. 이때, 구동부(130)는 일반모터, 스텝모터, 서보모터 또는 리니어 서보모터를 사용할 수 있다. 특히 리니어 서보모터를 사용하는 경우, 리드 스크루방식과 동일한 효과를 가져올 수 있다.
한편, 액추에이터(100)의 구동부(130)는 전술한 전기식 모터를 이용하여 리드 스크루 방식으로 피스톤(120)을 왕복운동시키는 방식 이외에 유압, 공기압 또는 전자기력을 이용한 구동부(130)가 사용될 수 있다. 여기서 유압방식은 실린더(110)와 실린더(110) 내부에 삽입된 피스톤(120)이 이루는 내부 공간에 열팽창이 작은 오일을 채우고 구동부(130)를 통해 오일이 유출입 되도록 하여 피스톤(120)이 왕복운동 하도록 할 수 있다. 또한, 오일 대신 열팽창률이 작은 고압 질소(N2) 가스를 충진하여 사용할 수도 있다.
제어부(200)는 외선형 레일(3)의 상하 경사나 곡선부에 따라 발생하는 몸체(30)의 기울어짐을 보상하기 위해 액추에이터(100)를 제어하는 구성요소로, 상판(20) 일측에 구비되어 액추에이터(100)와 연결된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제어부(200)는 외선형 경전철(1)이 우측으로 휘어진 외선형 레일(3)의 곡선부를 통과하는 경우 몸체(30)의 좌측을 상방으로 들어올리도록 제어한다.
이는 좌측방향으로 발생하는 원심력을 보상하여 외선형 경전철(1)이 좌측으로 쏠려 탈선되는 것을 방지하고 몸체(30)의 중심을 유지함과 동시에 탑승한 승객이 안정적인 자세가 되도록 한다. 이때, 좌측에 위치한 액추에이터(100)만을 제어하여 몸체(30)를 상방으로 들어올릴 수도 있으나, 빠른 제어를 위해 좌·우측에 위치한 액추에이터(100) 모두를 동시 제어하여 좌측의 액추에이터(100)는 상방으로, 우측의 액추에이터(100)는 하방으로 각각 구동되도록 제어함이 바람직하다.
반대로, 좌측으로 휘어진 외선형 레일(3)의 곡선부 경우에는 몸체(30)의 우측을 상방으로 들어올리도록 제어하게 된다.
제어와 관련하여 구체적으로 설명하면, 외선형 레일(3)의 곡선부는 소정의 곡률에 따라 이미 설치된 것이므로 곡률 반지름(r)은 일정하다. 다만, 외선형 경전철(1)의 속도(v) 및 질량(m)은 상황에 따라 변동되는 변수에 해당하므로 이에 따라 원심력은 달라진다. 따라서 제어부(200)는 실시간으로 외선형 경전철(1)의 속도 및 질량을 측정하여 아래의 식과 같이 원심력을 계산하고, 산출된 원심력을 기초로 적정 캔트를 계산하여 제어부(200)를 통해 액추에이터(100)를 구동시키게 된다.
Figure pat00001
이렇게 제어부(200)는 실시간으로 외선형 경전철(1)의 속도 및 질량을 측정하고 이를 반영한 적정 캔트로 몸체(30)를 기울여 곡선구간을 운행하도록 함으로써 외선형 경전철(1)의 탈선이 방지되고, 몸체(30) 무게중심이 유지되며, 승객의 승차감이 향상될 수 있다.
반면에 일반 철도에서의 캔트 계산식은 아래와 같은데, 이는 열차의 총질량을 고려하지 않고 적용한 것이고, 다양한 속도의 열차를 고려한 상태에서 캔트 평균치를 일률적으로 산출한 것이므로 승객의 승차감이 떨어진다. 또한, 곡선부 주행시 고속열차의 경우 캔트가 부족하게 되어 안정적인 열차 중심을 유지하기 어렵게 된다.
Figure pat00002
그러나 본 발명에 따른 균형조절장치(2)는 가변형 캔트의 역할을 수행함으로써, 저속 및 고속에 따른 적정 캔트로 몸체(30)의 기울기를 조절할 수 있다. 이로 인해, 외선형 경전철(1)의 무게중심을 안정적으로 유지할 수 있다.
한편, 이러한 외선형 경전철(1)의 속도를 측정하기 위해서 제어부(200)는 초음파, 레이저, 마이크로파 등의 도플러효과를 이용한 센서, 가속도센서 또는 GPS를 이용한 센서 등의 속도감지 센서를 포함할 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 외선형 경전철(1)이 하측(내리막) 경사구간을 통과하는 경우 외선형 경전철(1)의 몸체(30) 전단부를 상방으로 들어올려 몸체(30)가 수평에 가깝게 유지되도록 제어한다. 이는 몸체(30) 전단부가 하측으로 기울어져 탑승한 승객이 앞쪽으로 쏠리는 것을 방지함으로써 승객의 안정적인 자세유지를 도모하기 위함이다.
이때, 전방에 위치한 액추에이터(100)만을 제어하여 몸체(30)를 상방으로 들어올릴 수도 있으나, 빠른 제어를 위해 전·후방에 위치한 액추에이터(100) 모두를 동시 제어하여 전방의 액추에이터(100)는 상방으로, 후방의 액추에이터(100)는 하방으로 각각 구동되도록 제어함이 바람직하다.
반대로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상측(오르막) 경사구간을 통과하는 경우, 제어부(200)는 외선형 경전철(1)의 몸체(30) 후단부를 상방으로 들어올려 몸체(30)가 수평에 가깝게 유지하도록 제어한다.
제어와 관련하여 구체적으로 설명하면, 제어부(200)는 수평감지 센서를 통해 실시간으로 경사도를 측정하고 이를 반영하여 몸체(30)가 수평에 가깝도록 액추에이터(100)를 구동시키게 된다.
이렇게 제어부(200)는 실시간으로 외선형 경전철(1)의 경사도를 측정하고 이를 반영하여 몸체(30)가 수평에 가깝도록 제어함으로써 승객의 승차감을 향상시킬 수 있다.
이때, 외선형 경전철(1)의 경사도를 측정하기 위해서 제어부(200)는 관성식, 자이로식, 실리콘반도체식의 가속도센서 또는 레이저를 이용한 수평센서 등의 수평감지 센서를 포함할 수 있다.
한편, 외선형 레일(3)이 곡선부와 경사구간이 혼합되어 형성된 경우라면, 상기의 속도감지 센서과 수평감지 센서를 이용하여 제어부(200)는 적절한 캔트로 몸체(30)를 기울임과 동시에 몸체(30)의 전단부 또는 후단부를 상·하방으로 움직여 수평에 가깝도록 제어하게 될 것이다. 이를 통해 외선형 경전철(1)의 탈선이 방지되고, 몸체(30) 무게중심이 유지되며, 승객의 승차감이 향상될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 외선형 경전철(1)은 외선형 레일(3)을 이용하게 됨으로써, 레일 부설에 적은 공간이 사용되므로 레일설치와 관련된 구조물의 크기가 작아질 수 있다. 또한, 균형조절장치(2)가 구비됨으로써, 주행시 항상 몸체(30)의 균형이 유지되어 구조물 전체에 골고루 하중이 전달될 수 있고, 철도 선형계획과 관련하여 외선형 레일(30)의 급곡선 및 급경사 가능해져 효율적인 철도 활용을 도모할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1: 외선형 경전철 2: 균형조절장치
3: 외선형 레일 4: 지지구조물
10: 차륜부 11: 차륜
12: 중심축 13: 지지바
14: 가이드롤러 15: 동력부
16: 연결부재 20: 상판
30: 몸체 100: 액추에이터
110: 실린더 120: 피스톤
130: 구동부 200: 제어부

Claims (10)

  1. 외선형 레일 상에 놓여 회전을 통해 이동하는 차륜부, 상기 차륜부와 연결되되 상기 차륜부의 상부에 위치하는 상판 및 상기 상판 상부에 위치하고 승객을 수용하는 몸체를 포함하는 외선형 경전철에 사용되는 균형조절장치에 관한 것으로,
    일단에 개구부가 형성된 통형상의 실린더, 상기 실린더에 삽입되어 길이방향을 따라 왕복가능한 피스톤 및 상기 피스톤에 동력을 제공하는 구동부로 이루어진 액추에이터; 및
    상기 액추에이터와 연결되고 상기 외선형 레일의 상하 경사나 곡선부에 따라 발생하는 상기 몸체의 기울어짐을 보상하기 위해 상기 액추에이터를 제어하는 제어부를 포함하여,
    상기 상판과 상기 몸체 사이에 구비되고 상기 몸체의 균형을 조절하는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철의 균형조절장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 외선형 경전철의 속도를 검출할 수 있는 속도감지 센서 및 상기 몸체의 기울어짐 여부를 감지하는 수평감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철의 균형조절장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동부는 유압방식 또는 모터를 이용한 리드 스크루방식으로 상기 피스톤에 동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철의 균형조절장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 4개가 구비되어 상기 몸체를 사방으로 기울어지게 하는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철의 균형조절장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 외선형 경전철이 우측으로 휘어진 상기 외선형 레일의 곡선부를 통과하는 경우 상기 몸체의 좌측을 상방으로 들어올려 기울이는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철의 균형조절장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 외선형 경전철이 좌측으로 휘어진 상기 외선형 레일의 곡선부를 통과하는 경우 상기 몸체의 우측을 상방으로 들어올려 기울이는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철의 균형조절장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 외선형 경전철이 하측 경사구간을 통과하는 경우 상기 몸체 전단부를 상방으로 들어올려 상기 몸체가 수평에 가깝도록 제어하는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철의 균형조절장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 외선형 경전철이 상측 경사구간을 통과하는 경우 상기 몸체 후단부를 상방으로 들어올려 상기 몸체가 수평에 가깝도록 제어하는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철의 균형조절장치.
  9. 외선형 레일 상에 놓여 회전을 통해 이동하는 차륜부;
    상기 차륜부와 연결되되 상기 차륜부의 상부에 위치하는 상판;
    상기 상판 상부에 위치하고 승객을 수용하는 몸체; 및
    상기 상판과 상기 몸체 사이에 구비되어, 일단에 개구부가 형성된 통형상의 실린더와, 상기 실린더에 삽입되어 길이방향을 따라 왕복가능한 피스톤과, 상기 피스톤에 동력을 제공하는 구동부로 이루어진 액추에이터 및 상기 액추에이터와 연결되고 상기 외선형 레일의 상하 경사나 곡선부에 따라 발생하는 상기 몸체의 기울어짐을 보상하기 위해 상기 액추에이터를 제어하는 제어부로 이루어져 상기 몸체의 균형을 조절하는 균형조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 외선형 경전철의 속도를 검출할 수 있는 속도감지 센서 및 상기 몸체의 기울어짐 여부를 감지하는 수평감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 외선형 경전철.
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