KR20180068384A - 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치에 관한 것으로; 철도차량의 차체를 지지하는 대차에 설치되어 윤축을 지지하는 엑슬 박스를 대차프레임에 탄성지지하는 현가장치를 포함하는 철도차량의 축상지지장치에 있어서, 상기 현가장치는 자기유변탄성체로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 축상지지장치에 자기유변탄성체를 현가장치로 적용하여 기존 철도차량 대비 최적의 곡선주행성능 및 주행안정성을 확보할 수 있고, 현가장치를 이루는 자기유변탄성체는 실리콘이나 고무에 자성을 가질 수 있는 입자를 결합한 형태로서 종래 축상지지장치에 비해 경량화할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수성 역시 우수한 정점이 있다.

Description

자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치 {Primary suspension equipment for railway vehicle using MR elastomer}

본 발명은 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 주행환경에 따라 일차현가시스템을 부분 또는 통합적으로 제어하여 최적의 주행성능을 도모할 수 있도록 철도차량의 축상지지장치(Primary Suspension)에 자기유변탄성체(MRE: Magneto-Rheological Elastomer)를 적용한 철도차량의 축상지지장치에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량은 대형수송수단으로서 점진적으로 그 이용인원이 증가함에 따라 그 중요성이 확대되고 있으며, 전국적인 연결망을 갖도록 건설 또는 운영되고 있는바, 이와 같은 철도의 양적 팽창에 따라 철도의 이용자는 성능, 안정성, 쾌적성 및 기술력 확보 등 질적 서비스의 향상을 요구하고 있는 실정이다.

이와 같은 철도차량은 대차의 상부에 차체가 지지된 상태로 운행되는 것으로, 철도차량 대차는 통상적으로 전후(X)방향, 좌우(Y)방향 및 상하(Z)방향의 강성을 조합하고 축상지지장치(Primary Suspension)는 대차프레임과 윤축이 결합된 상태로 열차의 주행안정성 및 곡선주행성능 향상에 기여한다.

이때, 상기 축상지지장치는 주행환경에 맞게 다양한 타입으로 설계될 수 있는데, 일본 공개특허 JP11171014호에 제안된 철도 차량용 축상지지장치에는 종래 대부분의 축상지지장치의 완충고무로 전후방향과 좌우방향의 지지강성을 조정하는 구조로 되어 있어 전후방향의 강성을 조정할 경우 상하방향과 좌우방향의 지지강성까지 변화시켜주는 문제를 해결하기 위해 각 방향에 대하여 지지부와 탄성 부재를 장착하는 장치가 제안되어 있다.

그런데, 이와 같은 종래의 철도차량용 대차의 축상지지장치는 윤축의 양단에 차륜과 차축 사이에 베어링을 삽입하여 전후 방향의 움직임을 억압하고 좌우방향의 횡압을 완화하는 여유를 가지도록하며, 상하방향으로는 완충작용을 하도록 구성되어 있는데 특히 조향성능에 기여하는 전후방향 현가장치의 구성은 통상 코일스프링과 적층고무로 한 방향의 강성을 변화시킬 경우 다른 강성까지 바뀌는 문제가 발생한다.

또한, 일반적으로 축상지지장치의 강성은 일반적으로 주행환경에 적합하도록 설계목적(고속주행/곡선주행 등)에 맞춰 특성(물성)치가 결정되지만, 최적설계를 하더라도 한가지의 특성(물성)치만으로는 다양한 주행 조건을 만족하기 어려우며 이를 극복하기 위해서는 다양한 (반)능동현가장치((Semi)Active Suspension)를 연구 개발하여 적용하고 있는 실정이다.

물론, 이와 같은 (반)능동현가장치에 대한 연구개발은 차량에 곡선주행이나 속도 증진과 같은 목적에 맞게 각 기능에 해당되는 유닛(unit) 별로 개발되어 부분적 성능은 우수하지만 그로 인해 진동, 인터페이스, 제어 등과 같은 또 다른 문제점의 발생 우려가 있다.

참고문헌 1: 일본공개특허 JP11171014호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 철도차량의 축상지지장치(Primary Suspension)에 자기유변탄성체(MRE: Magneto-Rheological Elastomer)를 적용하여 주행환경에 따라 일차현가시스템을 부분적 또는 통합적으로 제어하여 최적의 주행성능을 도모할 수 있는 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기존의 축상지지장치보다 경량화에 유리하며 유지보수성이 우수한 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

철도차량의 차체를 지지하는 대차에 설치되어 윤축을 지지하는 엑슬 박스를 대차프레임에 탄성지지하는 현가장치를 포함하는 철도차량의 축상지지장치에 있어서, 상기 현가장치는 자기유변탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치를 제공한다.

이때, 상기 현가장치는 전후(X) 방향, 좌우(Y) 방향 및 상하(Z) 방향의 변위 및 강성을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 자기유변탄성체는 폴리머 재료에 극성을 이루는 입자들을 첨가한 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 폴리머 재료는 천연고무 또는 실리콘 고무인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 축상지지장치에 자기유변탄성체를 현가장치로 적용하여 기존 철도차량 대비 최적의 곡선주행성능 및 주행안정성을 확보할 수 있다.

아울러 본 발명에 따르면 현가장치를 이루는 자기유변탄성체는 실리콘이나 고무에 자성을 가질 수 있는 입자를 결합한 형태로서 종래 축상지지장치에 비해 경량화할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수성 역시 우수한 정점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치를 설명하기 위해 도시한 자기유변탄성체의 구조 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치를 설명하기 위해 도시한 자기유변탄성체의 제어 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 철도차량의 축상지지장치에 자기유변탄성체를 적용한 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치를 설명하기 위해 도시한 제어 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치를 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 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치(Primary Suspension)는 자기유변탄성체(MRE: Magneto-Rheological Elastomer)(1)를 적용하여 철도차량(2)의 주행환경에 따라 일차현가시스템을 부분 또는 통합적으로 제어하여 최적의 주행성능을 도모할 수 있도록 한다.

우선 도 1을 참고하면 자기유변탄성체(MRE : Magneto-rheological Elastomer)(1)는 전류에 의해 유도된 자기장으로 특성을 제어하는 스마트 소재의 일종으로서, 천연 고무 또는 합성 고무 등의 탄성 물질에 자성입자가 분포되어 있는 구성을 갖는다.

특히, 상기 자기유변탄성체(1)는 자기장이 가해지지 않은 상태인 경우에는 일반적인 고무와 같이 유연한 상태를 유지하다 외부 자기장이 가해지면 내부의 자성입자로 인해 단단해지는 특성을 가지며, 이러한 특성은 탄성 물질 및 자성입자의 종류에 따라 다양하게 변한다.

이와 같은 자기유변탄성체(1)는 기존의 자기유변유체(MRF : Magneto-rheological Fluid)를 이용한 장치에 대비하여 비해 잔유물이 발생하지 않고 유체의 누수(leakage)에 의한 유지보수의 어려움과 환경 오염 측면에서 유리하고 강성의 변위가 넓어 고유진동수를 변화시켜 공진 현상을 회피할 수 있어 진동 제어에 유리한 면을 지니고 있다.

이상의 장점을 지닌 자기유변탄성체(1)를 이용한 본 발명에 따른 축상지지장치는 기존의 MR 유체를 이용한 방법보다 형태를 자유롭게 구성할 수 있으며, 댐핑과 강성의 제어를 통해 철도차량의 조향성능 및 진동저감 뿐만아니라 고유진동수를 변화시켜 주행안전성과 밀접한 공진현상도 피할 수 있다.

본 발명에 따른 축상지지장치(100)는 차체를 지지하는 대차(10)에 설치되는 구조로서, 대차프레임(12)의 하부에 위치하는 차륜(14a) 및 차축(14b)을 포함하는 윤축(14)을 지지하는 엑슬 박스(16)를 대차프레임(12)에 탄성지지하여 진동이나 충격을 흡수하는 기능을 수행하는 것으로, 통상적으로 엑슬스프링 및 고무스프링 등의 현가장치(110)를 포함한다.

이때, 본 발명에서는 상기 현가장치(110)를 상기 대차프레임(12)에 탄성지지시켜 윤축(14)의 큰 차륜공격각도를 흡수함과 동시에 횡 변위를 제한하고 가이드하게 할 수 있도록 함으로써 양호한 곡선 주행성을 갖을 수 있도록 하기 위해 현가장치의 재질을 자기유변탄성체(1)로 형성한다.

즉, 본 발명은 조향성능 및 진동 저감을 위해 부분 또는 통합적으로 제어할 수 있도록 하기 위해 철도차량 축상지지장치(100)의 전후(X) 방향, 좌우(Y) 방향 및 상하(Z) 방향의 현가장치(110)를 자기유변탄성체(MRE : Magneto- rheological Elastomer)를 적용한다.

도 3에 도시된 바와 같이 자기유변탄성체는 천연고무나 실리콘 고무와 같은 폴리머 재료 안에 극성(자성)을 이루는 입자들을 첨가한 것으로, 자기유변탄성체를 철도차량(2)의 축상지지장치(100)에 적용하여 자기장에 의한 강성을 변화시킴에 따라 철도차량의 조향 및 진동 제어를 수행할 수 있다.

이와 같은 자기유변탄성체(1)는 구, 막대, 직육면체, 판 등의 다양한 형상으로 제작이 가능하며 입자배열에 따라 다양한 방향으로 강성 제어가 가능하다. 따라서 철도차량(2)의 축상지지장치(100)에 적용시 지지강성 방향에 따라 부분 또는 통합적으로 최적제어가 가능하다.

도 4를 참고하면 본 발명에서와 같이 자기유변탄성체(1)를 철도차량(2)의 축상지지장치(100)의 현가장치(110)에 적용함으로의 현가장치(110)의 기능을 부분적 또는 통합적으로 제어할 수 있다.

우선 철도차량(2)의 조향 기능이 필요한 경우, 주행환경에 맞게 자기유변탄성체(1)를 적용한 축상지지장치(100)를 통해 곡선구간에서 차륜(14a)이 주행하는 방향과 선로(3)의 레일(3a) 방향이 일치하도록 윤축(14)의 조향성을 부여하여 차륜(14a)과 레일(3a) 사이의 횡압이 최소화되도록 제어를 수행한다.

그리고, 선로(3)의 레일(3a) 불규칙도에 의해 유발되는 진동을 저감하고자 하는 경우에는 철도차량(2)의 주행방향과 횡방향 그리고 상하방향까지 부분 또는 통합제어 수행을 통해 주행안정성을 확보한다.

즉, 철도차량(2)의 축상지지장치(100)의 현가장치(110)에 자기유변탄성체(1)를 적용함으로써 전후(X) 방향, 좌우(Y) 방향 및 상하(Z) 방향의 변위 및 강성을 변화시킬 수 있고 이에 지지강성 방향에 따라 부분적 또는 통합적으로 최적의 제어가 가능하다.

물론, 상기 자기유변탄성체(1)의 윤축의 조향성 부여 및 진동 저감을 위한 상태 변화를 유도하기 위해서는 외부 자기장의 인가가 필요하며, 따라서 상기 자기유변탄성체(1)의 일측에는 전자석(미도시됨)을 구비하고 철도차량(2)의 차상에 설치되는 제어장치(미도시됨)에 의해 제어할 수 있도록 함이 바람직하다.

따라서, 하나 이상의 현가장치(110)를 구성하는 자기유변탄성체(1)로 외부 자기장을 인가하고자 하는 경우에는 제어장치의 제어에 따라 전자석을 구동하여 자기장의 세기를 조절함이 바람직하다.

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: 자기유변탄성체 2: 철도차량
3: 선로 3a: 레일
10: 대차 12: 대차프레임
14: 윤축 14a: 차륜
14b: 차축 16: 엑슬 박스
100: 축상지지장치 110: 현가장치

Claims (4)

1. 철도차량의 차체를 지지하는 대차에 설치되어 윤축을 지지하는 엑슬 박스를 대차프레임에 탄성지지하는 현가장치를 포함하는 철도차량의 축상지지장치에 있어서,
   상기 현가장치는 자기유변탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 현가장치는 전후(X) 방향, 좌우(Y) 방향 및 상하(Z) 방향의 변위 및 강성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 자기유변탄성체는 폴리머 재료에 극성을 이루는 입자들을 첨가한 것을 특징으로 하는 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 폴리머 재료는 천연고무 또는 실리콘 고무인 것을 특징으로 하는 자기유변탄성체를 이용한 철도차량의 축상지지장치.
   

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