KR20160067988A - 공기 스프링 및 철도 차량 - Google Patents

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KR20160067988A
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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

공기 스프링은 상면판(21)과, 상면판과 대향 배치된 하면판(22)과, 상면판(21)의 주연부와 하면판(22)의 주연부를 기밀하게 연결하여 내부에 공기실을 형성하는 탄성막(23)과, 하면판(22)과 연결된 공기실(24)과, 배기로(95)가 형성된 배기로 형성체(9)를 구비하고 있다. 그리고 배기로(95)는 상면판(21)과 하면판(22)의 상하 방향 이격 거리가 소정의 허용 범위 내에 있을 때에 공기실 외부로 개구되는 한편 이격 거리가 소정의 허용 범위의 상한을 초과했을 때에 공기실 내부로 개구되는 배기로 입구(951)와, 대기로 개방된 배기로 출구(952)가 연통함으로써 공기가 배출되어 스프링 높이가 조절된다.

Description

공기 스프링 및 철도 차량{AIR SPRING AND RAILWAY VEHICLE}
본 발명은 공기 스프링 및 공기 스프링을 구비한 철도 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 스프링의 급기압에 의해 스프링 높이가 비정상적으로 상승하는 것을 방지하기 위한 기술에 관한 것이다.
철도 차량의 차체는 볼스터 스프링(bolster spring)을 포함한 차체 지지 장치를 통해 대차에 지지받고 있다. 볼스터 스프링은 대차의 대차 프레임과 차체 사이에 설치되는 스프링으로, 대차에서부터 차체로 전해지는 충격을 완화하여 승차감을 향상시키는 기능이 있다. 볼스터 스프링으로, 일반적으로, 공기 스프링이 사용되고 있다. 공기 스프링은 내부에 형성된 공기실에 대한 압축공기의 급배기에 의해 상하 방향으로 신축할 수가 있다. 철도 차량에서는 이 공기 스프링의 신축을 이용하여 차고(車高)를 일정한 범위로 유지하는 자동 높이 조절 제어나, 곡선 통과 때에 승객에게 작용하는 초과 원심력을 줄이도록 차체를 기울이는 차체 경사 제어 등이 실행된다.
공기 스프링에는 스프링 높이가 소정의 허용 범위를 초과하여 지나치게 높아지는 것을 방지하기 위해, 비정상 상승 멈춤 기구가 구비되어 있다. 공기 스프링의 비정상 상승 멈춤 기구로서, 대차 측에 설치된 제1 규제 부재와 차체 측에 설치된 제2 규제 부재가 맞닿음으로써 대차에 대한 차체의 상승 변위를 기계적으로 제한하는 이른바 미캐니컬 스토퍼가 알려져 있다. 또한, 미캐니컬 스토퍼 외에도 아래에 나타내는 바와 같은 공기 스프링의 비정상 상승 멈춤 기구가 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌1에 기재된 철도 차량에서는 공기 스프링의 스프링 높이가 허용 범위를 초과했을 때에 개방되는 긴급 배기 밸브가 공기 스프링에 설치되어 있다. 이 긴급 배기 밸브의 개폐부는 공기 스프링의 스프링 높이가 허용 범위 내에서는 신축 가능한 링크에 의해 차체와 연결되어 있다. 그리고 스프링 높이가 허용 상한을 초과하면 차체의 상승 이동이 링크를 통해 긴급 배기 밸브의 개폐부에 전달되어 긴급 배기 밸브가 개방된다.
또한, 예를 들어, 특허문헌2에 기재된 철도 차량에서는 공기 스프링에 배기용 바이패스가 설치되며, 배기용 바이패스에 공기 스프링의 스프링 높이가 허용 범위를 초과했을 때에 개방되는 미캐니컬 밸브가 설치되어 있다. 이 공기 스프링은 미캐니컬 밸브의 조작 암을 공기실 내에 구비하고 있다. 그리고 공기 스프링이 과급기 상태가 되었을 때 다이아프램에 의해 조작 암이 조작되어 미캐니컬 밸브가 개방된다.
일본특허출원공개 평7-267084호 일본특허출원공개 평11-78877호
공기 스프링의 비정상 상승 멈춤 기구가 미캐니컬 스토퍼인 경우, 대차와 차체에 각각 설치되는 규제 부재는 공기 스프링의 힘에 견딜 수 있는 강성을 갖추기 위해, 강제이며, 공기 스프링의 주위를 둘러싸는 대형(일 예로, 한 변이 100㎜ 이상)인 것이다. 종래, 차량의 경량화가 요구되고 있으며, 비정상 상승 멈춤 기구의 무게를 줄일 수 있다면, 차량의 경량화에 기여할 수 있다. 또한, 공기 스프링 주변의 공간은 대차와 차체에 걸쳐 있는 배관이나 배선을 위해 이용되지만, 공기 스프링의 주위에 미캐니컬 스토퍼가 있으면 이것을 피하여 배관 및 배선을 하지 않으면 안 되어서 배관 및 배선의 자유도가 손상된다.
또한, 공기 스프링의 비정상 상승 멈춤 기구가, 특허문헌1에 기재된 긴급 배기 밸브인 경우, 공기 스프링의 긴급 배기 밸브의 개폐부와 차체가 링크에 의해 연결되어 있기 때문에, 차량의 메인티넌스 때에 차체 또는 개폐부와 링크의 탈착 및 조절 작업이 필요하다.
또한, 공기 스프링의 비정상 상승 멈춤 기구가, 특허문헌2에 기재된 미캐니컬 밸브인 경우, 차체의 롤링이나 좌우 요동에 의해 다이아프램이 뒤틀리면 다이아프램과 조작 암의 접촉 상태가 변화한다. 따라서 미캐니컬 밸브가 개방될 때 공기 스프링의 스프링 높이에 편차가 생긴다.
본 발명은 이상의 사정을 감안하여 된 것으로, 비정상 상승 멈춤 기구를 구비한 공기 스프링 또는 이 공기 스프링을 구비한 철도 차량에 있어서, 메인티넌스의 단순화와 경량화를 실현할 수 있는 것을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 공기 스프링은 상면판과, 상기 상면판과 대향 배치된 하면판과, 상기 상면판의 주연부와 상기 하면판의 주연부를 기밀하게 연결하여 내부에 공기실을 형성하는 탄성막과, 상기 하면판과 연결된 탄성 지지 부재와, 배기로가 형성된 배기로 형성 부재를 구비하고 있는 것이다. 상기 배기로는 상기 상면판과 상기 하면판의 상하 방향 이격 거리가 소정의 허용 범위 내에 있을 때 상기 공기실 외부로 개구되는 한편 상기 이격 거리가 상기 소정의 허용 범위의 상한을 초과했을 때에 상기 공기실 내부로 개구되는 배기로 입구와, 대기로 개방된 배기로 출구를 갖고 있다.
또한, 본 발명에 따른 철도 차량은 언더프레임을 갖는 차체와, 대차 프레임을 갖는 대차와, 상기 대차 프레임과 상기 언더프레임 사이에 설치된 상기 공기 스프링을 구비하고 있는 것이다.
상기 구성의 공기 스프링에 있어서, 상면판과 하면판의 상하 방향 이격 거리는 공기 스프링의 높이 중의 변화 요소이다. 따라서 공기 스프링의 높이를, 상면판과 하면판의 상하 방향 이격 거리에 따라 조절하고 있다. 본 발명에 따른 공기 스프링에서는 상면판과 하면판의 이격 거리가 소정의 허용 범위의 상한값을 초과하면(즉, 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상한값을 초과하면), 배기로 입구가 공기실 내부로 개구되는 상태가 되어 배기로가 공기실과 연결된다. 배기로와 공기실이 연결되면, 공기실 내의 공기가 배기로를 통해 외부로 배출된다. 이와 같은 공기실의 강제적인 배기에 의해 상면판과 하면판의 상하 방향 이격 거리가 소정의 허용 범위 내에 있으면(즉, 공기 스프링의 스프링 높이가 소정의 스프링 높이 허용 범위 내에 있으면), 배기로 입구가 공기실 외부로 개구된 상태가 되어 배기로와 공기실의 연결이 해제되고 공기실의 배기가 종료된다. 이렇게 하여 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위를 초과하여 비정상적으로 상승하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 공기 스프링에서는 공기 스프링의 비정상 상승 멈춤 기구로서 기능하는 배기로 형성 부재에, 종래의 미캐니컬 스토퍼와 같이 공기 스프링의 힘이 작용하지 않는다. 따라서 배기로 형성 부재를, 종래의 미캐니컬 스토퍼와 비교하여 경량 및 소형의 것으로 만들 수 있다. 따라서 이 공기 스프링을 구비한 본 발명에 따른 철도 차량은 종래의 미캐니컬 스토퍼와 종래의 공기 스프링을 구비한 철도 차량과 비교하여 경량화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 공기 스프링은 상면판과 하면판의 상하 방향 이격 거리에 따라 공기 스프링의 높이를 조절하고 있다. 따라서 공기 스프링의 비정상 상승 멈춤 부재로서 기능하는 배기로 형성 부재는 차체와 링크 등으로 연결되어 있지 않다. 따라서 본 발명에 따른 공기 스프링은 차체와 링크로 연결된 비정상 상승 멈춤 기구를 구비한 종래의 공기 스프링과 비교하여 차량에 대한 조립이나 메인티넌스 등을 단순화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 공기 스프링은 배기 밸브를 포함한 비정상 상승 멈춤 기구를 구비한 공기 스프링과 비교하여 배기 밸브와 그 개폐 액추에이터 및 센서 등을 구비하고 있지 않기 때문에 구성이 단순해져 경량화 및 소형화할 수가 있다.
본 발명에 따르면, 공기 스프링의 상면판과 하면판의 상하 방향 이격 거리가 허용 범위를 초과하면, 배기로와 공기실이 연결되어 공기실에서 배기로를 통해 공기가 배출된다. 이로써 공기 스프링의 스프링 높이의 비정상 상승을 방지할 수가 있다. 이 공기 스프링은 차체와 링크로 연결된 비정상 상승 멈춤 기구를 구비한 종래의 공기 스프링과 비교하여 메인티넌스를 단순화할 수가 있다. 또한, 이 공기 스프링을 구비한 철도 차량은 종래의 미캐니컬 스토퍼와 종래의 공기 스프링을 구비한 철도 차량과 비교하여 경량화할 수가 있다.
도 1은 대차와 차체 사이에 설치된 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기 스프링을 나타내는 정면도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위 내에 있을 때의 공기 스프링을 나타내는 단면도이다.
도 3은 제1 실시예에 따른 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상하를 초과했을 때의 공기 스프링을 나타내는 단면도이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구의 확대도이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위 내에 있을 때의 공기 스프링을 나타내는 단면도이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상하를 초과했을 때의 공기 스프링을 나타내는 단면도이다.
도 7은 제2 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구의 확대도이다.
[제1 실시예]
이하, 본 발명의 제1 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 대차와 차체 사이에 설치된 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기 스프링을 나타내는 정면도이고, 도 2는 제1 실시예에 따른 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위 내에 있을 때의 공기 스프링을 나타내는 단면도이고, 도 3은 제1 실시예에 따른 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상하를 초과했을 때의 공기 스프링을 나타내는 단면도이며, 도 4는 제1 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구의 확대도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 차량은 대차(1)와, 공기 스프링(3)을 포함한 차체 지지 구조와, 당해 차체 지지 구조를 통해 대차(1)에 지지된 차체(2)로 구성되어 있다. 대차(1)에는 대차(1)의 기초가 되는 대차 프레임(11)이 구비되어 있다. 차체(2)에는 차량 구조체의 기초가 되는 언더프레임(12)이 구비되어 있다. 공기 스프링(3)은 대차 프레임(11)과 언더프레임(12) 사이에 있어서, 차량의 좌우 및 전후에 균형있게 배분하여 배치되어 있다. 이 공기 스프링(3)에 의해, 차체(2)는 대차(1)에 대해 차폭 방향으로 틸팅 가능하게 지지되어 있다.
각 공기 스프링(3)에는 차체(2)에 설치된 리저버(71)로부터 공기 공급 배관(72)을 통해 압축 공기가 공급된다. 리저버(71)에는 에어컴프레서(70)에서 생성된 압축 공기가 저장되어 있다. 공기 공급 배관(72)에는 자동 높이 조절 밸브(6)가 각 공기 스프링(3)에 대해 설치되어 있다. 자동 높이 조절 밸브(6)에는 공급 밸브와 배출 밸브(모두 미도시)가 설치되어 있다. 공급 밸브가 개방됨에 따라 공기 스프링(3)에 압축 공기가 공급되어 공기 스프링(3)의 높이가 증가한다. 배출 밸브가 개방됨에 따라 공기 스프링(3)에서 대기로 공기가 배출되어 공기 스프링(3)의 높이가 감소한다.
자동 높이 조절 밸브(6)의 함체는 언더프레임(12)에 장착되어 있다. 자동 높이 조절 밸브(6)의 밸브 조작 기구(60)는 자동 높이 조절 밸브(6)에서 돌출된 작동 축(62), 조작 링크(63), 연결 링크(64), 수평 링크(66) 등으로 구성되어 있다. 조작 링크(63)의 기단은 작동 축(62)과 연결되어 있으며, 조작 링크(63)의 선단은 연결 링크(64)의 상단과 연결되어 있다. 연결 링크(64)의 하단은 대차 프레임(11)과 요동 가능하게 연결되어 있다. 자동 높이 조절 밸브(6)의 함체와 연결 링크(64)는 수평 링크(66)로 연결되어 있다.
상기 구성의 자동 높이 조절 밸브(6)와 그 밸브 조작 기구(60)에 있어서, 조작 링크(63)가 수평 위치에 있을 때는 공기 스프링(3)에 급배기가 되지 않는다. 그리고 언더프레임(12)의 높이가 변화하여 조작 링크(63)의 선단이 수평 위치보다 아래쪽으로 회전하면, 자동 높이 조절 밸브(6)가 공기 스프링(3)에 압축 공기를 공급하는 상태로 바뀐다. 또한, 언더프레임(12)의 높이가 변화하여 조작 링크(63)의 선단이 수평 위치보다 위쪽으로 회전하면, 자동 높이 조절 밸브(6)는 공기 스프링(3) 내의 공기를 배출하는 상태로 바뀐다. 이렇게 하여 자동 높이 조절 밸브(6)에서는 차체(2)의 차고를 일정하게 유지하도록 공기 스프링(3)에 대한 급배기가 조절된다.
다음으로, 공기 스프링(3)의 구조에 대해 상세하게 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 스프링(3)은 상면판(21), 상면판(21)과 대향 배치된 하면판(22), 상면판(21)의 둘레 단부와 하면판(22)의 둘레 단부를 기밀하게 연결하여 내부에 공기실(24)을 형성하는 탄성막(23), 및 하면판(22)과 연결된 탄성 지지체(25)(탄성 지지 부재) 등으로 구성되어 있다. 탄성 지지체(25)는 교대로 적층 된 원형 또는 링형 고무와 금속판으로 구성되어 있다.
공기 스프링(3)의 상면판(21)에는 중앙부에 있어서 위쪽으로 돌출하는 원추형 보스(28)가 형성되어 있다. 보스(28)의 중앙부에는 보스(28)를 상하 방향으로 관통하는 급배기구(26)가 설치되어 있다. 언더프레임(12)의 공기 스프링(3)과 상하 방향으로 대향하는 위치에, 공기 스프링 베어링(15)이 설치되어 있다. 공기 스프링 베어링(15)에는 공기 스프링(3)의 보스(28)와 상보적으로 대응하는 원추 형상의 감입부(15a)가 형성되어 있다. 감입부(15a)에는 공기 공급 배관(72)과 연결된 공기 공급구(15b)가 개구되어 있다.
대차 프레임(11)과 언더프레임(12)을 연결할 때에는 먼저, 대차 프레임(11)에 공기 스프링(3)이 재치되고, 그 다음에 공기 스프링(3)에 언더프레임(12)이 재치된다. 공기 스프링(3)에 언더프레임(12)이 재치될 때, 공기 스프링(3)의 보스(28)가 언더프레임(12)의 감입부(15a)에 안내되면서 감입된다. 보스(28)와 감입부(15a)가 결합함으로써 공기 스프링(3)의 급배기구(26)와, 공기 스프링 베어링(15)의 공기 공급구(15b)와 연결된다. 이로써 공기 스프링(3)의 공기실(24)과 공기 공급 배관(72)이 연결되어 압축 공기가 리저버(71)에서 공기실(24)로 공급 가능해진다.
상기 구성의 공기 스프링(3)에 있어서, 에어컴프레서(70)의 고장, 차체(2)의 롤링, 자동 높이 조절 밸브(6) 또는 그 밸브 조작 기구(60)의 고장이 발생하면, 공기 스프링(3)이 과급기 신경 상태가 되어 공기 스프링(3)의 높이가 비정상적으로 상승할 우려가 있다. 그래서 공기 스프링(3)의 높이를 소정의 허용 범위(이하, "스프링 높이 허용 범위"라고 한다) 내에 유지하기 위해, 공기 스프링(3)에 비정상 상승 멈춤 기구(8)가 구비되어 있다. 또한, 스프링 높이 허용 범위는 공기 스프링(3)마다 또는 철도 차량마다 미리 정해져 있다.
여기서, 비정상 상승 멈춤 기구(8)에 대해 상세하게 설명한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비정상 상승 멈춤 기구(8)는 배기로(95)가 형성된 배기로 형성체(9)(배기로 형성 부재)와, 배기로 형성체(9)를 지지하는 통형체(82)(통형 부재)와, 배기로 형성체(9)를 가압하는 스프링(81)(가압 부재)으로 구성되어 있다.
통형체(82)는 공기 스프링(3)의 상면판(21)에 설치되고, 상면판(21)을 상하로 관통하고 있다. 통형체(82)는 상면판(21)을 따라, 하면판(22)과 상대적으로 상하 방향으로 이동한다. 통형체(82)의 상단부는 공기실(24) 외부(대기)로 개구되어 있으며, 통형체(82)의 하단부는 공기실(24) 내부로 개구되어 있다. 통형체(82)의 내주면에는 고리형 홈인 실링 부재 유지부(82a)가 형성되어 있다.
배기로 형성체(9)는 상면판(21)에 상하 방향으로 관통하여 설치. 배기로 형성체(9)는 전체적으로 원기둥형을 이루고 있으며 둘레면에 배기로 입구(951)가 개구되고, 일측 단면에 배기로 출구(952)가 개구되어 있다. 배기로 형성체(9)는 상하 방향으로 연장되는 원기둥형 메인 부재(91)와, 메인 부재(91)의 하단부에 설치된 기단 부재(92)와, 메인 부재(91)의 상단부에 설치된 선단 부재(93)로 구성되어 있다. 배기로 형성체(9)의 메인 부재(91)에 통형체(82)가 끼워져 결합되어 있고, 통형체(82)는 상면판(21)의 이동에 따라 배기로 형성체(9)의 둘레면 위를 상하 방향으로 슬라이딩한다. 통형체(82)의 내주면과 배기로 형성체(9)의 외주면 사이에는 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)에 배치된 오링(O-ring) 등의 실링 부재(83)로 밀봉되어 있다. 이 실링 부재(83)에 의해 공기실(24) 내부와 공기실(24) 외부(공기)가 격리되어 있다.
기단 부재(92)는 메인 부재(91)보다 큰 직경의 원반 형상을 이루고 있다. 기단 부재(92)의 상면은 메인 부재(91)의 하면과 접합되어 있다. 기단 부재(92)의 하면은 매끄러운 구면 모양으로 형성되어 있으며, 공기 스프링(3)의 하면판(22)과 맞닿아져 있다. 기단 부재(92)의 하면에는 하면 판(22)과의 마찰을 줄이기 위한 표면 처리가 되어 있어도 좋다.
공기 스프링(3)에 뒤틀림이나 사이드 슬립이 생기면, 하면판(22)과 상대적으로 상면판(21)이 회전하거나 횡 방향으로 이동하거나 하여 수평 방향으로 변위한다. 이와 같이 상면판(21)과 하면판(22)이 수평 방향으로 상대 변위를 했을 때, 구면 모양의 기단 부재(92)의 하면이 하면판(22)의 상면 위를 슬라이딩하거나 구르거나 함으로써 통형체(82)의 축 방향과 배기로 형성체(9)의 축 방향의 평행이 유지된다. 그리고 배기로 형성체(9)에 축 방향 이외로부터 부하가 작용하지 않기 때문에, 배기로 형성체(9)의 둘레면 위를 통형체(82)가 슬라이딩할 때에 갉아먹음이 생기지 않아 비정상 상승 멈춤 기구(8)의 동작이 안정되고 또한, 배기로 형성체(9)의 손상이 방지된다.
기단 부재(92)의 상면이며 메인 부재(91)보다 외주 측은 스프링 시트(92a)로서의 기능을 가지고 있다. 이 스프링 시트(92a)와 상면판(21) 사이에, 스프링(81)이 배치되어 있다. 스프링(81)은 공기 스프링(3)의 높이가 스프링 높이 허용 범위 내에 있을 때에 압축된 상태에 있으며, 공기 스프링(3)의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상한 또는 그 이상에서 자유 길이가 된다. 이 스프링(81)에 의해 기단 부재(92)의 하면이 하면판(22)과 맞닿도록 배기로 형성체(9)가 하면판(22)을 향해 가압되고 있다.
선단 부재(93)는 메인 부재(91)의 외경 및 통형체(82)의 내경보다 큰 직경의 원반형을 이루는 머리부(93a)와, 머리부(93a)의 하면에서 돌출 형성된 나사부(93b)를 일체로 갖고 있다. 나사부(93b)의 외주에는 수나사가 형성되어 있다. 이 선단 부재(93)의 나사부(93b)와 대응하는 직경의 나사 구멍(91a)이, 메인 부재(91)의 상단 면에 형성되어 있다. 그리고 선단 부재(93)의 나사부(93b)가, 기둥 부재의 나사 구멍(91a)에 나사 진입됨으로써 선단 부재(93)와 메인 부재(91)가 결합되어 있다.
선단 부재(93)의 머리부(93a)는 공기 스프링(3)의 상면판(21)에서 위쪽으로 돌출되어 있는 배기로 형성체(9)의 선단부를 형성하고 있다. 이와 같이 공기 스프링(3)에서 위쪽으로 돌출하는 배기로 형성체(9)와 간섭하지 않도록, 언더프레임(12)의 배기로 형성체(9)와 대응하는 위치에는 개구부(16)가 설치되어 있다. 선단 부재(93)의 머리부(93a)는 상면판(21)의 상면과 맞닿을 수 있으며, 배기로 형성체(9)가 통형체(82)에서 빠져나가지 않도록 하기 위한 스토퍼로서의 기능을 가지고 있다.
배기로 형성체(9)에 형성된 배기로(95)는 배기로 형성체(9)의 상부에 있어서 배기로 형성체(9)를 반경 방향으로 관통하는 제1 통로(95a)와, 배기로 형성체(9)의 축 방향으로 연장되는 제2 통로(95b)에 의해 T자 모양을 이루고 있다.
제1 통로(95a)의 일단은 배기로 형성체(9)의 메인 부재(91)의 둘레면에 개구되어 배기로 입구(951)를 형성하고 있다. 제1 통로(95a)의 타단은 메인 부재(91)에 형성된 나사 구멍(91a)에 개구되어 있다. 제2 통로(95b)는 메인 부재(91)에 형성된 나사 구멍(91a)과 선단 부재(93)를 상하로 관통하는 구멍(93c)의 협동에 의해 형성되어 있다. 제2 통로(95b)의 상단부는 선단 부재(93)의 상면, 즉 배기로 형성체(9)의 상단 면에 개구되어 배기로 출구(952)를 형성하고 있다.
배기로 형성체(9)에 있어서 배기로 입구(951)의 위치는 상면판(21)과 하면판(22)의 상하 방향 이격 거리(D)(이하, "이격 거리(D)"라고 한다)가 소정의 허용 범위 내에 있을 때에 공기실(24) 외부(대기)로 배기로 입구(951)가 개구되고, 이격 거리(D)가 소정의 허용 범위의 상한값을 초과하면 공기실(24) 내부로 배기로 입구(951)가 개구되도록 결정되어 있다. 공기 스프링(3)에 있어서, 이격 거리(D)는 공기 스프링(3)의 높이 중의 변화 요소이다. 따라서 본 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구(8)에서는 이격 거리(D)에 따라 공기 스프링(3)의 높이가 조절되어 있다. 이격 거리(D)의 허용 범위는 공기 스프링(3)의 스프링 높이 허용 범위에 따라 정해져 있으며, 스프링 높이 허용 범위와 이격 거리(D)의 허용 범위는 대응 관계가 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 상면판(21)의 상면과 하면판(22)의 상면의 상하 방향 거리를 이격 거리(D)로 하고 있다. 단, 이격 거리(D)는 적절히 설정하는 것이 가능하다.
본 실시예에 따른 배기로 형성체(9)에 있어서는 이격 거리(D)가 허용 범위 내에 있을 때 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)보다 배기로 입구(951)가 위쪽에 위치하는 한편 이격 거리(D)가 허용 범위의 상한을 초과하면 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)보다 배기로 입구(951)가 아래쪽으로 위치하도록, 배기로 입구(951)의 위치가 정해져 있다.
여기서, 상기 구성의 비정상 상승 멈춤 기구(8)의 동작을 설명한다. 공기 스프링(3)의 높이는 공기 스프링(3)에 걸리는 부하의 변동에 따라, 또한 차고를 일정하게 유지하기 위한 자동 높이 조절 밸브(6)의 동작에 따라 변화한다. 배기로 형성체(9)의 기단 부재(92)는 스프링(81)의 가압에 의해 하면판(22)과 맞닿은 상태로 유지되고 있기 때문에, 공기 스프링(3)의 높이 변동에 따라 이격 거리(D)가 변화하면, 상면판(21)에 고정된 통형체(82)가 배기로 형성체(9)의 둘레면 위를 상하 방향으로 슬라이딩한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이격 거리(D)가 허용 범위 내에 있을 때(즉, 공기 스프링(3)의 높이가 스프링 높이 허용 범위 내에 있을 때)는 배기로 형성체(9)의 배기로 입구(951)는 공기실(24) 외부에 위치한다. 본 실시예에서는 배기로 형성체(9)의 배기로 입구(951)는 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)보다 위쪽에 위치한다. 배기로 입구(951)가 공기실(24) 외부에 있을 때에는 배기로(95)와 공기실(24)은 미연결 상태이며, 공기실(24)의 공기는 배기로(95)를 통하여 배출되지 않는다.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 공기 스프링(3)이 과급기 상태로 되어 이격 거리(D)가 허용 범위의 상한을 초과하면(즉, 공기 스프링(3)의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상한을 초과하면), 배기로 형성체(9)의 배기로 입구(951)는 공기실(24) 내부에 위치한다. 본 실시예에 있어서는 배기로 형성체(9)의 배기로 입구(951)는 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)보다 아래쪽에 위치한다. 배기로 입구(951)가 공기실(24) 내부에 있을 때에는 배기로(95)와 공기실(24)이 연결되어 있으며, 공기실(24)의 공기는 배기로(95)를 통해 외부로 배출된다. 이와 같이 공기실(24) 내의 과잉 공기가 외부로 배출됨으로써 이격 거리(D)가 허용 범위 안으로 회복되면, 배기로 입구(951)는 다시 공기실(24) 외부에 위치하며, 배기로(95)와 공기 스프링(3)이 미연결된다.
이상 설명한 비정상 상승 멈춤 기구(8)에 따르면, 공기 스프링(3)의 뒤틀림이나 사이드 슬립의 유무에 상관없이 이격 거리(D)가 허용 범위의 상한을 초과하면(즉, 공기 스프링(3)의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상한을 초과하면), 공기 스프링(3)에서 자동으로 공기가 배출된다. 그리고 공기 스프링(3)에서 과잉 공기가 배출되어 이격 거리(D)가 허용 범위 안으로 회복되면(즉, 공기 스프링(3)의 높이가 스프링 높이 허용 범위 안에 있으면), 공기 스프링(3)으로부터 배기는 자동으로 멈춘다. 이와 같이, 비정상 상승 멈춤 기구(8)의 기계적인 동작에 의해, 공기 스프링(3)의 높이가 스프링 높이 허용 범위를 초과하여 비정상적으로 상승하는 것을 방지할 수가 있다.
본 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구(8)는 기계적으로 작동하기 때문에 공기 스프링(3)의 높이를 감지하는 센서, 공기 스프링(3)과 대기의 사이를 개폐하는 전자(電磁) 밸브 및 이를 작동시키는 전기 계통 등이 불필요하다. 이와 같이, 비정상 상승 멈춤 기구(8)는 전기적으로 작동하는 종래의 비정상 상승 멈춤 기구와 비교하여 구조를 단순화할 수 있고, 차량에 대한 조립 작업을 단순화할 수 있으며, 제조 코스트를 절감할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구(8)의 배기로 형성체(9)에는 종래의 미캐니컬 스토퍼처럼 공기 스프링(3)의 힘이 작용하지 않는다. 따라서 배기로 형성체(9)를, 종래의 미캐니컬 스토퍼와 비교하여 경량화 및 소형화할 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 공기 스프링(3)을 구비한 철도 차량은 종래의 미캐니컬 스토퍼와 종래의 공기 스프링을 구비한 철도 차량과 비교하여 경량화와 제조 코스트의 절감을 할 수가 있다. 또한, 비정상 상승 멈춤 기구(8)는 그 대부분이 공기 스프링(3) 내부에 위치하여 공기 스프링(3) 주위의 공간에 간섭하지 않기 때문에, 공기 스프링(3) 주위의 공간을 배선이나 배관을 위한 공간으로 이용하는 것이 가능해져 배선이나 배관의 레이아웃 및 부설 작업을 쉽게 할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구(8)에서는 이격 거리(D)의 변동에 따라, 배기로 입구(951)가 공기실(24)의 내부와 외부 중 하나에 개구되는지가 결정된다. 따라서 배기로 형성체(9)와 차체(2)가 링크 등으로 연결되지 않는다. 따라서 본 실시예에 따른 공기 스프링(3)은 차체와 링크로 연결된 비정상 상승 멈춤 기구를 구비한 종래의 공기 스프링과 비교하여 차량에 대한 조립이나 메인티넌스 등을 단순화할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 공기 스프링(3)은 배기 밸브를 포함하는 비정상 상승 멈춤 기구를 구비한 공기 스프링과 비교하여 배기 밸브와 그 개폐 액추에이터 및 센서 등을 구비하지 않기 때문에 구성이 단순해져 경량화 및 소형화할 수가 있다.
[제2 실시예]
다음으로, 제2 실시예를 설명한다. 도 5는 제2 실시예에 따른 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위 내에 있을 때의 공기 스프링을 나타내는 단면도이고, 도 6은 제2 실시예에 따른 공기 스프링의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상하를 초과했을 때의 공기 스프링을 나타내는 단면도이고, 도 7은 제2 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구의 확대도이다. 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 차량은 상기 제1 실시예에 따른 철도 차량에 비해 공기 스프링(3)에 설치된 비정상 상승 멈춤 기구(8)의 구성이 다르고, 나머지 구성은 동일하다. 따라서 비정상 상승 멈춤 기구(8)에 대해서만 상세하게 설명하고, 전술한 제1 실시예와 동일하거나 유사한 부재에는 도면에 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.
본 실시예에 따른 비정상 상승 멈춤 기구(8)는 공기 스프링(3)의 공기실(24) 내부와 공기실(24) 외부(대기)를 연결하는 배기로(95)가 형성된 배기로 형성체(9)와, 배기로 형성체(9)를 지지하는 통형체(82)와, 배기로 형성체(9)를 가압하는 스프링(81)으로 구성되어 있다.
통형체(82)는 공기 스프링(3)의 하면판(22)의 주연부이며 탄성 지지체(25)와 상하 방향으로 중복되지 않는 위치에 설치되며, 하면판(22)을 상하 방향으로 관통하고 있다. 통형체(82)의 상단은 공기실(24) 안으로 개구되어 있으며, 통형체(82)의 하단은 대기로 개구되어 있다. 통형체(82)의 내주면에는 고리 모양의 홈인 실링 부재 유지부(82a)가 형성되어 있다.
배기로 형성체(9)는 상하 방향으로 연장되는 원기둥형 메인 부재(91)와, 메인 부재(91)의 상단에 설치된 기단 부재(92)와, 메인 부재(91)의 하단에 설치된 선단 부재(93)로 구성되어 있다. 배기로 형성체(9)는 공기 스프링(3)의 하면판(22)을 상하 방향으로 관통하고 있으며 메인 부재(91)에 통형체(82)가 상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 결합되어 있다. 통형체(82)의 내주면과 배기로 형성체(9)의 외주면 사이는 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)에 배치된 오링(O-ring) 등의 실링 부재(83)로 밀봉되어 있다. 이 실링 부재(83)에 의해 통형체(82)의 내주면과 배기로 형성체(9)의 외주면이 밀봉되어 공기실(24) 측의 공간과 대기 측의 공간이 격리되어 있다.
기단 부재(92)는 메인 부재(91)보다 큰 직경의 원반 형상을 이루고 있다. 기단 부재(92)의 하면은 메인 부재(91)의 상면과 접합되어 있다. 기단 부재(92)의 상면은 매끄러운 구면형으로 형성되어 있으며, 공기 스프링(3)의 상면판(21)과 맞닿아 있다. 기단 부재(92)의 하면에는 상면판(21)과의 마찰을 감소시키기 위한 표면 처리가 되어 있어도 좋다.
기단 부재(92)의 하면이며 메인 부재(91)보다 외주 측은 스프링 시트(92a)로서의 기능을 가지고 있다. 이 스프링 시트(92a)와 하면판(22) 사이에, 스프링(81)이 배치되어 있다. 스프링(81)은 공기 스프링(3)의 스프링 높이가 스프링 높이 허용 범위 내에 있을 때에 압축된 상태에 있으며, 공기 스프링(3)의 높이가 스프링 높이 허용 범위의 상한 또는 그 이상이면 자유 길이가 된다. 이 스프링(81)에 의해 기단 부재(92)의 상면이 상면판(21)과 맞닿도록, 배기로 형성체(9)가 가압되고 있다.
선단 부재(93)는 메인 부재(91)의 외경 및 통형체(82)의 내경보다 큰 직경의 원반형을 이루는 머리부(93a)와, 머리부(93a)의 상면에서 돌출 형성된 나사부(93b)를 일체로 갖고 있다. 나사부(93b)의 외주에는 수나사가 깎여져 있다. 선단 부재(93)의 나사부(93b)와 대응하는 직경의 나사 구멍(91a)이, 메인 부재(91)의 하단면에 형성되어 있다. 그리고 선단 부재(93)의 나사부(93b)가, 메인 부재(91)의 나사 구멍(91a)에 나사 진입됨으로써 선단 부재(93)와 메인 부재(91)가 결합되어 있다.
선단 부재(93)의 머리부(93a)는 공기 스프링(3)의 하면판(22)에서 아래쪽으로 돌출하여 배기로 형성체(9)의 선단을 형성하고 있다. 선단 부재(93)의 머리부(93a)는 하면판(22)의 하면과 맞닿을 수 있으며, 배기로 형성체(9)가 통형체(82)에서 빠져나가지 않도록 하기 위한 스토퍼로서의 기능을 가지고 있다.
배기로 형성체(9)에 형성된 배기로(95)는 배기로 형성체(9)를 반경 방향으로 관통하는 제1 통로(95a)와, 배기로 형성체(9)의 축 방향으로 연장되는 제2 통로(95b)에 의해 T자형으로 형성되어 있다. 제1 통로(95a)의 일단은 배기로 형성체(9)의 메인 부재(91)의 둘레면에 개구되어 배기로 입구(951)를 형성하고 있다. 제1 통로(95a)의 타단은 메인 부재(91)에 형성된 나사 구멍(91a)에 개구되어 있다. 제2 통로(95b)는 메인 부재(91)에 형성된 나사 구멍(91a)과 선단 부재(93)를 상하 방향으로 관통하는 구멍(93c)의 협동에 의해 형성되어 있다. 제2 통로(95b)의 하단은 선단 부재(93)의 하면, 즉 배기로 형성체(9)의 하단 면에 개구되어 배기로 출구(952)를 형성하고 있다.
배기로 형성체(9)에 있어서 배기로 입구(951)의 위치는 상면판(21)과 하면판(22)의 상하 방향 이격 거리(D)(이하, 간단하게 "이격 거리(D)"라고 한다)가 소정의 허용 범위 내에 있을 때 공기실(24) 외부(대기)로 개구되고, 이격 거리(D)가 소정의 허용 범위의 상한값을 초과하면 공기실(24) 내부로 개구되도록, 결정되어있다. 본 실시예에서는 공기 스프링(3)의 스프링 높이 허용 범위에 따라 이격 거리(D)의 허용 범위가 정해져 있으며, 스프링 높이 허용 범위와 이격 거리(D)의 허용 범위는 대응하고 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 상면판(21)의 하면과 하면판(22)의 하면의 상하 방향 거리를 이격 거리(D)로 하고 있다. 단, 이격 거리(D)는 적절히 설정하는 것이 가능하다.
본 실시예에 따른 배기로 형성체(9)에 있어서는 이격 거리(D)가 허용 범위 내에 있을 때 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)보다 배기로 입구(951)가 아래쪽에 위치하는 한편, 이격 거리(D)가 허용 범위의 상한을 초과하면 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)보다 배기로 입구(951)가 위쪽에 위치하도록, 배기로 입구(951)의 위치가 정해져 있다.
다음으로, 상기 구성의 비정상 상승 멈춤 기구(8)의 동작을 설명한다. 배기로 형성체(9)의 기단 부재(92)는 스프링(81)의 가압에 의해 상면판(21)과 맞닿은 상태로 유지되고 있기 때문에, 공기 스프링(3)의 높이 변동에 따라 이격 거리(D)가 변화하면, 배기로 형성체(9)의 둘레면 위를 하면판 (22)에 고정된 통형체(82)가 상하 방향으로 슬라이딩한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이격 거리(D)가 허용 범위 내에 있을 때에는 배기로 형성체(9)의 배기로 입구(951)는 공기실(23) 외부에 위치한다. 즉, 배기로 형성체(9)의 배기로 입구(951)는 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)보다 아래쪽에 위치한다. 배기로 입구(951)가 공기실(23) 외부에 있을 때에는 배기로(95)와 공기실(24)은 미연결 상태이며, 공기실(24)의 공기는 배기로(95)를 통해 배출되지 않는다.
그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 공기 스프링(3)이 과급기 상태로 되어 이격 거리(D)가 허용 범위의 상한을 초과하면, 배기로 형성체(9)의 배기로 입구(951)는 공기실(24) 내부에 위치한다. 즉, 배기로 형성체(9)의 배기로 입구(951)는 통형체(82)의 실링 부재 유지부(82a)보다 위쪽에 위치한다. 배기로 입구(951)가 공기실(24) 내부에 있을 때에는 배기로(95)와 공기실(24)이 연결되어 있으며, 공기실(24)의 공기는 배기로(95)를 통해 외부로 배출된다. 이렇게 하여 공기실(24)의 과잉 공기가 외부로 배출됨으로써 이격 거리(D)가 허용 범위 안으로 회복되면, 배기로 입구(951)는 다시 공기실(24) 외부에 위치하며, 배기로(95)와 공기 스프링(3)이 미연결된다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예(제1 실시예 및 제2 실시예)를 설명했지만, 상기 구성은 다음과 같이 변경할 수 있다.
예를 들어, 제1 실시예 및 제2 실시예에 있어서, 비정상 상승 멈춤 기구(8)는 배기로 형성체(9), 통형체(82) 및 스프링(81)으로 이루어진 유닛을 1개 구비하고 있지만, 이 유닛이 복수 구비되어 있어도 좋다.
또한, 예를 들어, 제1 실시예 및 제2 실시예에 있어서, 곡선 구간에 있어서의 차체 경사를 줄이거나 승객의 증감 등으로 인한 부하의 변화에 대해 차고를 일정하게 유지하거나 하기 위해, 철도 차량은 자동 높이 조절 밸브(6)를 구비하고 있지만, 자동 높이 조절 밸브(6)를 구비하지 않은 철도 차량에도 비정상 상승 멈춤 기구(8)를 구비할 수 있다.
또한, 예를 들어, 제1 실시예 및 제2 실시예에 있어서, 대차(1)는 볼스터리스 대차이지만, 대차(1)가 볼스터를 구비한 대차이어도 좋다. 이 경우, 차체와 볼스터 사이에 공기 스프링이 배치된다.
1: 대차 2: 차체
3: 공기 스프링 11: 대차 프레임
12: 언더프레임 21: 상면판
22: 하면판 23: 탄성막
24: 공기실
25: 탄성 지지체(탄성 지지 부재)
9: 배기로 형성체(배기로 형성 부재)
91: 메인 부재 92: 기단 부재
93: 선단 부재 95: 배기로
951: 배기로 입구 952: 배기로 출구
81: 스프링(가압 부재) 82: 통형체(통형 부재)
83: 실링 부재

Claims (11)

  1. 상면판과,
    상기 상면판과 대향 배치된 하면판과,
    상기 상면판의 주연부와 상기 하면판의 주연부를 기밀하게 연결하여 내부에 공기실을 형성하는 탄성막과,
    상기 하면판과 연결된 탄성 지지 부재와,
    상기 상면판과 상기 하면판의 상하 방향의 이격 거리가 소정의 허용 범위 내에 있을 때 상기 공기실 외부로 개구되고, 상기 이격 거리가 상기 소정의 허용 범위의 상한을 초과했을 때에 상기 공기실 내부로 개구되는 배기로 입구와, 대기로 개방된 배기로 출구를 갖는 배기로가 형성된 배기로 형성 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기로 형성 부재가, 둘레면에 상기 배기로 입구가 설치되고, 단면에 상기 배기로 출구가 설치된 원기둥형을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기실 내부로 개구되는 단부와 상기 공기실 외부로 개구되는 단부를 가지며, 상기 배기로 형성 부재에 외부로부터 끼워져, 상기 이격 거리의 변동에 따라 상기 배기로 형성 부재의 둘레면 위를 상하 방향으로 슬라이딩하는 통형 부재를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 통형 부재와 상기 배기로 형성 부재의 사이를 밀봉하는 실링 부재를 더 구비하며,
    상기 실링 부재에 의해 상기 공기실 내부와 상기 공기실 외부가 격리되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기로 형성 부재가 상기 상면판보다 위쪽으로 돌출되어 있는 선단부와, 상기 공기실 내에서 상기 하면판과 맞닿아 있는 기단부를 가지며, 상기 상면판에 상하 방향으로 관통하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배기로 형성 부재의 상기 하면판과 맞닿아 있는 기단부가 구면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.

  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 배기로 형성 부재의 기단부가 상기 하면판과 맞닿도록, 상기 배기로 형성 부재를 상기 하면판을 향해 가압하는 가압 부재를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기로 형성 부재가, 상기 하면판보다 아래쪽으로 돌출되어 있는 선단부와, 상기 공기실 내에서 상기 상면판과 맞닿아 있는 기단부를 가지며, 상기 하면판에 상하 방향으로 관통하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배기로 형성 부재의 상기 상면판과 맞닿아 있는 기단부가 구면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 배기로 형성 부재의 기단부가 상기 상면판과 맞닿도록, 상기 배기로 형성 부재를 상기 상면판을 향해 가압하는 가압 부재를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 공기 스프링.
  11. 언더프레임을 갖는 차체와,
    대차 프레임을 갖는 대차와,
    상기 대차 프레임과 상기 언더프레임 사이에 설치된 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 공기 스프링을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량.
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