KR20190066921A - 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 윤축조립체가 대차프레임에 대하여 롤링 운동 및 요잉 운동이 가능하도록 설치되어 철도차량이 급곡선 천이구간을 주행하는 경우 발생하는 윤중감소를 저감시킬 수 있도록 함으로써 철도차량의 주행시 탈선안전성을 제고시킬 수 있도록 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조에 관한 것이다.
본 발명은 윤축조립체와 대차프레임을 포함하여 구성되는 철도차량용 대차 구조에 있어서, 대차프레임의 트랜섬에 수평 방향으로 일정거리 이격되도록 하여 피봇에 의해 회전 가능하도록 연결 설치되는 크로스빔과, 윤축조립체의 축상에 일측 단부가 고정 설치되고 타측 단부는 크로스빔의 양측 단부에 각각 탄성조인트에 의해 결합되는 링크암을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조 {Bogie structure for railway vehicles for reducing wheel load reduction}

본 발명은 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 윤축조립체가 대차프레임에 대하여 롤링(rolling) 운동 및 요잉(yawing) 운동이 가능하도록 설치되어 철도차량이 급곡선 천이구간을 주행하는 경우 발생하는 윤중감소를 저감시킬 수 있도록 함으로써 철도차량의 주행시 탈선안전성을 제고시킬 수 있도록 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량의 대차는 차체의 중량을 지지함과 동시에 각 차륜에 차체의 중량이 고르게 분포되도록 하고, 차체에 대하여 자유롭게 방향을 전환하여 철도차량의 주행을 원활하게 하는 장치에 관한 것으로, 대한민국 등록특허공보 제10-0657622호, 제10-0516033호 및 제10-1772606호 등을 통해 다양한 형태의 대차구조가 제안된 바 있다.

이러한 다양한 형태의 대차구조 중 종래의 링크암 방식 축상구조는 주로 고속 주행을 요하는 철도차량에 적용되고 있는데, 축상(16)을 지지하는 링크암(20)은 도 1에 나타낸 바와 같이 탄성조인트(22)에 의해 대차프레임(30)에 고정 설치된다.

상기와 같이 링크암(20)이 탄성조인트(22)에 의해 대차프레임(30)에 고정 설치될 경우 탄성조인트(22)의 강성이 크므로 윤축조립체와 대차 사이의 유연성이 저하되어 철도차량의 고속 주행시에는 안정적인 주행 특성을 나타내지만, 급곡선 구간이나 구배 변동이 심한 완화곡선과 같은 천이구간을 주행하는 경우에는 적응성이 저하되는 문제점이 있다.

한편, 도 2에 나타낸 바와 같이, 급곡선 또는 완화곡선의 진출 구간에서 외측 레일은 내측 레일에 비하여 캔트(cant)가 설정되어 있으며, 직선 구간과 접하는 구간까지 캔트가 제감되어 구배가 형성되는 천이구간이 된다.

철도차량이 이와 같은 천이구간을 통과하는 경우 주행방향의 전륜 외궤차륜이 부상하게 되어 레일과의 접지력이 저하되고, 나머지 3개 차륜에 비하여 윤중이 감소하는 윤중감소 현상이 발생하게 된다.

특히, 전술한 링크암 방식 축상구조를 갖는 철도차량이 천이구간을 주행할 때에는 대차프레임에 대한 윤축조립체의 롤링 운동이 극히 제한되므로 차륜과 레일 사이의 적응성이 저하되고, 그에 따라 차륜과 레일 사이의 접지력이 저하되는 윤중감소 현상이 심하게 나타나게 된다.

또한, 상기와 같은 윤중감소 현상이 나타나는 경우 윤중에 대한 횡압의 비로 정의되는 탈선계수 또한 높아지게 되어 탈선안전도가 저하되고, 그에 따라 철도차량의 안전운행에 문제가 발생될 수 있으며, 실제로 상기와 같은 요인으로 탈선사고가 국내외에서 발생되고 있는 실정이다.

1. 대한민국 등록특허공보 제10-1772606호(2017. 08. 31. 공고)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 윤축조립체를 대차프레임에 대하여 롤링 운동 및 요잉 운동이 가능하도록 설치하여 철도차량이 급곡선 천이구간을 주행하는 경우 발생하는 윤중감소를 저감시킬 수 있도록 함으로써 철도차량의 주행시 탈선안전성을 제고시킬 수 있도록 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

윤축조립체와 대차프레임을 포함하여 구성되는 철도차량용 대차 구조에 있어서, 대차프레임의 트랜섬에 수평 방향으로 일정거리 이격되도록 하여 피봇에 의해 회전 가능하도록 연결 설치되는 크로스빔과, 윤축조립체의 축상에 일측 단부가 고정 설치되고 타측 단부는 크로스빔의 양측 단부에 각각 탄성조인트에 의해 결합되는 링크암을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 크로스빔의 중앙부에는 전,후 방향으로 관통홀이 형성된 보강부가 돌출 형성되고, 상기 관통홀에는 피봇이 결합되는 피봇결합부가 삽입 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피봇결합부는 힌지핀에 의해 관통홀의 내부에 힌지 결합되어 좌,우 방향으로 회동 가능하도록 설치된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 대차프레임과 링크암의 사이에는 대차프레임에 대한 윤축조립체의 롤링 및 요잉 운동을 지지하기 위한 지지부가 연결 설치된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 지지부는 대차프레임에 고정 설치되는 고정프레임과, 일측 단부가 상기 고정프레임에 회동 가능하도록 연결 설치되고 타측 단부는 링크암에 고정 설치되는 연결부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연결부재는 높이 조절이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 윤축조립체가 대차프레임에 대하여 롤링 운동 및 요잉 운동이 가능하도록 설치되어 철도차량이 급곡선 천이구간을 주행하는 경우 발생하는 윤중감소와 차륜횡압을 저감시킬 수 있도록 하는 뛰어난 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면 철도차량의 윤중감소 및 차륜횡압을 저감시킴으로써 급곡선 구간에서의 탈선 안전도를 제고시킬 수 있고, 그에 따라 철도차량의 탈선 사고를 예방할 수 있는 효과를 추가로 갖는다.

도 1은 종래의 링크암방식 대차 구조를 개략적으로 나타낸 부분 단면도.
도 2는 철도차량의 천이구간 주행시 나타나는 윤중감소 현상을 설명하기 위한 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조를 나타낸 사시도.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 부분 단면도.
도 5는 철도차량의 천이구간 주행시 전위 외궤차륜의 윤중 해석결과를 나타낸 그래프.
도 6은 철도차량의 천이구간 주행시 전위 좌,우 차륜의 윤중차 해석결과를 나타낸 그래프.
도 7은 철도차량의 천이구간 주행시 전위 외궤차륜의 윤중 감소율 해석결과를 나타낸 그래프.
도 8은 철도차량의 천이구간 주행시 전위 차륜의 횡압 해석결과를 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 부분 단면도이며, 도 5는 철도차량의 천이구간 주행시 전위 외궤차륜의 윤중 해석결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 철도차량의 천이구간 주행시 전위 좌,우 차륜의 윤중차 해석결과를 나타낸 그래프이며, 도 7은 철도차량의 천이구간 주행시 전위 외궤차륜의 윤중 감소율 해석결과를 나타낸 그래프이고, 도 8은 철도차량의 천이구간 주행시 전위 차륜의 횡압 해석결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 윤축조립체가 대차프레임에 대하여 롤링 운동 및 요잉 운동이 가능하도록 설치되어 철도차량이 급곡선 천이구간을 주행하는 경우 발생하는 윤중감소를 저감시킬 수 있도록 함으로써 철도차량의 주행시 탈선안전성을 제고시킬 수 있도록 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조에 관한 것으로, 그 구성은 도 3에 나타낸 바와 같이, 크게 윤축조립체(10), 대차프레임(30), 크로스빔(110) 및 링크암(20)을 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 먼저 상기 윤축조립체(10)는 1개의 차축(12)과, 상기 차축(12)의 양측 단부에 결합되는 2개의 차륜(14)을 포함하여 구성되는 윤축과, 상기 윤축을 구성하는 차축(12)의 양측 단부에 각각 결합되어 차축(12)의 회전을 보장하면서 철도차량의 하중을 지지하는 축상(16)을 포함하여 이루어지는 것으로, 상기와 같은 윤축조립체(10)의 구성 및 결합관계는 이미 공지된 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다음, 상기 대차프레임(30)은 철도차량의 하중을 지지하면서 윤축조립체(10)와 차체를 연결시키는 역할을 하는 것으로, 본 발명에서는 트랜섬(transom)(32) 즉, 가로지지대가 구비된 형태의 대차프레임(30)이 사용된다.

한편, 통상적으로 하나의 대차프레임(30)에는 두 개의 트랜섬(32)과 윤축조립체(10)가 연결 설치되고, 이하에서 설명되는 본 발명에 따른 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조는 두 개의 트랜섬(32)과 윤축조립체(10) 사이에 각각 연결 설치되는 것이지만, 구성 및 결합구조는 서로 대칭적으로 결합되는 것을 제외하고는 동일하므로 이하에서는 대차프레임(30)의 전방에 구비되는 윤축조립체(10)와 트랜섬(32) 사이의 결합구조를 중심으로 설명하기로 한다.

다음, 상기 크로스빔(110)은 윤축조립체(10)가 대차프레임(30)에 연결되어 지지될 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 대차프레임(30)의 트랜섬(32)에 수평방향으로 일정 거리 이격되도록 하여 피봇(pivot)(120)에 의해 연결 설치된다.

즉, 상기 크로스빔(110)은 트랜섬(32)의 전방에 일정거리 이격되도록 하여 수평방향으로 설치되어 그 중심부가 피봇(120)에 의해 트랜섬(32)의 중심부에 연결 설치됨으로써 크로스빔(110)이 트랜섬(32)에 대해 회전, 즉 피봇(120)을 중심으로 한 롤링 구동이 가능한 형태로 결합되는 것이다.

이때, 상기 크로스빔(110)의 중앙부에는 전,후 방향으로 관통홀(114)이 형성된 보강부(112)가 돌출 형성되는데, 상기 관통홀(114)에는 크로스빔(110)이 롤링 구동이 가능한 상태로 트랜섬(32)에 연결 설치되도록 하는 피봇(120)의 일측 단부가 결합되는 피봇결합부(140)가 삽입 설치된다.

또한, 상기 피봇결합부(140)는 도 4에 나타낸 바와 같이 힌지핀(130)에 의해 관통홀(114)의 내부에 힌지 결합되어 크로스빔(110)의 좌,우 방향으로의 회동 즉, 힌지핀(130)을 중심으로 한 요잉 구동이 가능하도록 구성되어 있다.

보다 상세히 설명하면, 상기 크로스빔(110)의 중앙부에는 대차프레임(30)의 트랜섬(32)과의 결합을 위한 피봇(120)이 결합되는 관통홀(114)이 형성되어 크로스빔(110)이 피봇(120)을 중심으로 한 롤링 구동이 가능하도록 구성되어 있고, 관통공의 형성으로 인해 작아진 단면적을 보상하기 위해 크로스빔(110)의 중앙부에는 주변보다 두께가 두꺼운 보강부(112)가 형성되어 있다.

또한, 상기 크로스빔(110)의 관통홀(114)에는 수직 방향으로 힌지핀(130)이 결합되고, 상기 관통홀(114)의 내측에는 힌지핀(130)에 의해 지지되는 피봇결합부(140)를 설치하여 상기 피봇(120)이 피봇결합부(140)에 연결 설치되도록 함으로써 크로스빔(110)이 힌지핀(130)을 중심으로 한 요잉 구동이 가능하도록 구성되어 있다.

이때, 상기 피봇결합부(140)의 일측 단부에는 힌지핀(130)이 수직 방향으로 관통되도록 하는 체결홀(142)이 형성되고, 피봇결합부(140)의 타측 단부에는 피봇(120)이 삽입 결합되는 삽입홈(144)이 수평방향으로 형성되는데, 상기 피봇(120)의 단부에는 걸림턱(122)이 돌출 형성되고, 상기 삽입홈(144)의 내측 단부에는 피봇(120)의 걸림턱(122)이 걸림 결합되는 요입홈(144a)이 형성되어 삽입홈(144)의 내측으로 삽입된 피봇(120)이 피봇결합부(140)에 결합된 상태를 유지할 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 도시하지는 않았지만, 상기 피봇결합부(140)를 볼트 등의 체결수단에 의해 체결 고정되는 상,하 2개의 피스로 분리 구성하여 삽입홈(144)에 피봇(120)을 위치시킨 후 상,하로 분리 구성된 피봇결합부(140)를 체결하는 방법에 의해 피봇(120)과 피봇결합부(140)를 결합시킬 수 있음은 물론이다.

그리고, 상기 트랜섬(32)에 결합되는 피봇(120)의 타측 단부는 고정되어 피봇(120)을 중심으로 한 크로스빔(110)의 롤링 구동을 지지할 수 있도록 구성되어 있다.

다음, 상기 링크암(20)은 윤축조립체(10)가 크로스빔(110)에 연결 설치될 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 링크암(20)의 일측 단부는 윤축조립체(10)의 축상(16) 단부에 고정 설치되고, 타측 단부는 크로스빔(110)의 양측 단부에 각각 탄성조인트(22)에 의해 결합된다.

따라서, 상기와 같이 크로스빔(110) 및 링크암(20)에 의해 대차프레임(30)에 연결 설치되는 윤축조립체(10)는 전술한 바와 같은 대차프레임(30)의 트랜섬(32)과 크로스빔(110) 사이의 연결구조에 의해 대차프레임(30)에 대해 피봇(120)을 중심으로 한 롤링 구동 및 힌지핀(130)을 중심으로 한 요잉 구동이 가능한 상태가 된다.

한편, 상기 대차프레임(30)과 링크암(20)의 사이에는 대차프레임(30)에 대한 윤축조립체(10)의 롤링 구동 및 요잉 구동을 지지하기 위한 지지부(150)가 연결 설치될 수 있는데, 상기 지지부(150)는 고정프레임(152)과 연결부재(154)를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 상기 고정프레임(152)은 축상(16)의 상부에 안치되는 대차프레임(30)의 단부에 고정 설치되어 연결부재(154)를 고정시킬 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 고정프레임(152)의 하단부는 외측으로 절곡 형성되어 연결부재(154)의 설치가 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되어 있다.

다음, 상기 연결부재(154)는 고정프레임(152)과 링크암(20)의 사이에 연결 설치되어 대차프레임(30)에 대한 윤축조립체(10)의 롤링 구동 및 요잉 구동을 지지하는 역할을 하는 것으로, 상기 연결부재(154)의 상단부는 고정프레임(152)에 회동 가능하도록 연결 설치되고, 하단부는 링크암(20)의 일측 단부에 고정 설치된다.

이때, 상기 연결부재(154)는 대차프레임(30)에 대한 윤축조립체(10)의 롤링 구동을 지지하기 위하여 높이 조절이 가능하도록 이루어질 수 있으며, 대차프레임(30)에 대한 윤축조립체(10)의 요잉 구동을 지지하기 위하여 댐핑 역할을 하도록 구성되거나 탄성재질로 이루어질 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조의 성능을 검증하기 위하여 종래의 링크암 축상구조의 대차와 비교한 테스트 결과를 도 5 내지 도 8에 나타내었다.

먼저, 도 5는 철도차량이 천이구간을 주행하는 경우 윤중감소가 가장 크게 발행하는 전위 외궤 차륜의 윤중을 해석한 결과를 나타낸 것으로, 종래의 대차 구조는 천이구간에서 윤중이 급격하게 감소하는 것으로 나타난 것에 비해, 본 발명에 따른 대차 구조는 천이구간을 주행하는 경우에도 윤중의 급격한 변화가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.

다음, 도 6은 철도차량이 천이구간을 주행하는 경우 전위 좌,우 차륜 사이의 윤중차에 대한 해석 결과를 나타낸 것으로, 종래의 대차 구조는 전위 좌,우 차륜 사이의 윤중차 최대값이 51.89kN으로 나타난 것에 비해, 본 발명에 따른 대차 구조의 경우 전위 좌,우 차륜 사이의 윤중차 최대값이 8.23kN으로 현저하게 저감된 것으로 나타나 좌,우 차륜의 윤중 변동이 크게 개선된 것을 확인할 수 있다.

다음, 도 7은 철도차량이 천이구간을 주행하는 경우 전위 외궤 차륜의 정적윤중에 대한 동적윤중 차이의 비로 나타나는 윤중 감소율을 해석한 결과를 나타낸 것으로, 종래의 대차 구조의 경우 천이구간 주행시 윤중 감소율의 최대값이 51.13%로 나타난 것에 비해, 본 발명에 따른 대차 구조의 경우 천이구간 주행시 윤중 감소율의 최대값이 8.77%로 나타나 종래 대차 구조에 비해 현저하게 윤중 감소율이 줄어든 것을 확인할 수 있다.

다음, 도 8은 철도차량이 천이구간을 주행하는 경우 전위 차륜의 차륜횡압을 측정한 결과를 나타낸 것으로, 종래의 대차 구조의 경우 천이구간에서 횡압이 급격하게 증가하는 현상이 나타난 것에 비해, 본 발명에 따른 대차 구조는 천이구간에서의 횡압 변화가 크게 나타나지 않아 종래의 대차 구조에 비해 현저하게 저감된 횡압이 작용하는 것을 확인할 수 있다.

상기와 같은 테스트 결과를 종합하여 보면, 본 발명에 따른 대차 구조는 종래의 링크암 축상구조를 갖는 대차 구조에 비해 천이구간에서의 윤중감소가 현저하게 저감될 뿐만 아니라 횡압 또한 현저하게 감소하는 개선된 효과를 보이는 것을 알 수 있다.

따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조에 의하면, 윤축조립체(10)가 대차프레임(30)에 대하여 롤링 운동 및 요잉 운동이 가능하도록 설치되어 철도차량이 급곡선 천이구간을 주행하는 경우 발생하는 윤중감소와 차륜횡압을 저감시킬 수 있도록 함으로써 급곡선 구간에서의 탈선 안전도를 제고시킬 수 있고, 그에 따라 철도차량의 탈선 사고를 예방할 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.

전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

본 발명은 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 윤축조립체가 대차프레임에 대하여 롤링 운동 및 요잉 운동이 가능하도록 설치되어 철도차량이 급곡선 천이구간을 주행하는 경우 발생하는 윤중감소를 저감시킬 수 있도록 함으로써 철도차량의 주행시 탈선안전성을 제고시킬 수 있도록 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조에 관한 것이다.

10 : 윤축조립체 12 : 차축
14 : 차륜 16 : 축상
20 : 링크암 22 : 탄성조인트
30 : 대차프레임 32 : 트랜섬
110 : 크로스빔 112 : 보강부
114 : 관통홀 120 : 피봇
122 : 걸림턱 130 : 힌지핀
140 : 피봇결합부 142 : 체결홀
144 : 삽입홈 144a : 요입홈
150 : 지지부 152 : 고정프레임
154 : 연결부재

Claims (6)

1. 윤축조립체와 대차프레임을 포함하여 구성되는 철도차량용 대차 구조에 있어서,
   대차프레임의 트랜섬에 수평 방향으로 일정거리 이격되도록 하여 피봇에 의해 회전 가능하도록 연결 설치되는 크로스빔과,
   윤축조립체의 축상에 일측 단부가 고정 설치되고 타측 단부는 크로스빔의 양측 단부에 각각 탄성조인트에 의해 결합되는 링크암을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 크로스빔의 중앙부에는 전,후 방향으로 관통홀이 형성된 보강부가 돌출 형성되고, 상기 관통홀에는 피봇이 결합되는 피봇결합부가 삽입 결합된 것을 특징으로 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 피봇결합부는 힌지핀에 의해 관통홀의 내부에 힌지 결합되어 좌,우 방향으로 회동 가능하도록 설치된 것을 특징으로 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 대차프레임과 링크암의 사이에는 대차프레임에 대한 윤축조립체의 롤링 및 요잉 운동을 지지하기 위한 지지부가 연결 설치된 것을 특징으로 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 지지부는 대차프레임에 고정 설치되는 고정프레임과,
   일측 단부가 상기 고정프레임에 회동 가능하도록 연결 설치되고 타측 단부는 링크암에 고정 설치되는 연결부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 연결부재는 높이 조절이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 윤중감소 저감을 위한 철도차량용 대차 구조.
   
   
   
   
   

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