KR20190097875A - 철도 차량용 공력제동장치 - Google Patents

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KR20190097875A KR1020180017828A KR20180017828A KR20190097875A KR 20190097875 A KR20190097875 A KR 20190097875A KR 1020180017828 A KR1020180017828 A KR 1020180017828A KR 20180017828 A KR20180017828 A KR 20180017828A KR 20190097875 A KR20190097875 A KR 20190097875A
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한국철도기술연구원
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Abstract

철도 차량용 공력제동장치는 철도 차량의 루프의 매립공간에 매립되는 고정부 및 회전부를 통해 제1 측이 상기 고정부와 연결되어 상기 고정부에 대하여 회전되는 제동부를 포함하고, 상기 철도 차량이 운행되는 경우, 상기 제동부는 상기 고정부와 중첩되며 상기 매립공간에 매립되고, 상기 철도 차량이 제동되는 경우, 상기 제동부는 상기 회전부를 회전축으로 상기 고정부에 대하여 회전하여 상기 철도 차량의 루프의 외측으로 경사지도록 위치하는 것을 특징으로 한다.

Description

철도 차량용 공력제동장치{AERODYNAMIC BRAKING SYSTEM FOR RAILWAY VEHICLE}
본 발명은 공력제동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철도 차량의 상부 또는 지붕에 적용되어 제동시 발생되는 공기유동을 제어하여 공력제동력을 극대화하고 공력소음의 발생을 최소화하는 철도 차량용 공력제동장치에 관한 것이다.
최근 철도 차량의 고속화가 진행되고, 철도 차량을 감속시키기 위해서 여러 가지의 공력제동장치가 연구 개발되고 있다.
예를 들면, 일본국 공개특허 제2003-002194호에 개시된 공력 브레이크판을 전개하여 제동력을 발생시키는 공력제동장치는, 차체에 부착 고정되고, 차량의 진행 방향에 대해서 직교하는 연직면 내에 있어서 연장되는 리니어 가이드 레일과, 공력 브레이크판에 설치되고 리니어 가이드 레일에 슬라이딩 가능하게 걸어 맞춰지는 리니어 가이드 블록과, 공력 브레이크판과 차체의 사이에 설치되고, 공력 브레이크판을, 차체보다 상방 또는 측방의 외부에까지 돌출시켜 전개시키는 전개 수단을 구비하고 있다.
그러나, 특히 고속 주행에 대한 제동시 공력 브레이크판의 공기저항의 발생특성을 고려하여 제동성능을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있도록 설계된 공력제동장치는 아직까지 개발되고 있지 않다.
나아가, 철도차량은 한 방향으로만 운행되는 것이 아니라 왕복으로 운행하는 것이 일반적인데, 이러한 공력제동장치는 설치된 철도차량의 진행방향과 무관하게 일 방향만 향하여 전개되고 있다. 이로 인해, 역방향으로 진행하는 경우에는 공력 브레이크 제동력의 특성이 바뀌고, 공력브레이크 내부로 많은 이물질이 유입되어 고장확률이 높아질 수 있다.
이와 같이, 아직까지는 철도 차량의 진행 방향에 따라 공력 브레이크판의 전개방향이 가변되고, 공력 브레이크 판이 공기역학적으로 설계된 경우는 없는 상황이다.
일본국 공개특허 제2003-002194호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 협소한 철도차량 상부공간에서 공력 브레이크 판의 제동력을 극대화 시키고,공력 브레이크 판 주변에서 발생되는 유동박리를 억제시켜 공력소음 발생을 최소화하며, 철도 차량의 진행 방향에 따라 공력제동장치의 작동방향을 가변되도록 하여 공력제동장치의 안정성과 신뢰성을 극대화 하는 철도 차량용 공력제동장치에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 철도 차량용 공력제동장치는 철도 차량의 루프의 매립공간에 매립되는 고정부 및 회전부를 통해 제1 측이 상기 고정부와 연결되어 상기 고정부에 대하여 회전되는 제동부를 포함한다.
상기 철도 차량이 운행되는 경우, 상기 제동부는 상기 고정부와 중첩되며 상기 매립공간에 매립되고, 상기 철도 차량이 제동되는 경우, 상기 제동부는 상기 회전부를 회전축으로 상기 고정부에 대하여 회전하여 상기 철도 차량의 루프의 외측으로 경사지도록 위치하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제동부의 상면에는 공기의 유동 방향과 평행한 방향으로 연장되며, 서로 소정 간격으로 이격된 복수의 핀부재들이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부의 양측면에는 상기 제동부 또는 상기 고정부를 향하여 회전하는 펜스부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 펜스부는 상기 철도 차량의 제동 시, 상기 제동부의 연장면에 대하여 수직으로 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부의 제2 측에는 상기 제동부에 대하여 소정 각도로 회전하며, 복수의 상향 경사면들 및 복수의 하향 경사면들을 포함하는 톱니부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 철도 차량의 제동 시, 유동하는 공기가 상기 서로 인접한 상향 경사면 및 하향 경사면에 의해 형성된 공간을 통과할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부의 일 측에는 상기 톱니부의 회전 각도를 조절하는 톱니각 조절부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부가 상기 매립공간에 매립되는 경우, 상기 제동부의 상면은 상기 루프의 상면과 동일선 상에 위치되는 것이 바람직하지만, 상기 루프의 상면보다 높거나 낮은 위치로 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부, 상기 펜스부 및 상기 톱니부 중 적어도 하나를 선택적으로 구동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부 및 상기 고정부의 제2 측도 회전부를 통해 서로 연결되고, 상기 철도 차량의 진행 방향에 따라 상기 제동부의 제1 측 또는 제2 측이 선택적으로 회전되어 상기 제동부가 상기 철도 차량의 루프의 외측으로 경사지도록 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부의 상기 제1 측에는 제1 결합부가 형성되고, 상기 제2 측에는 제2 결합부가 형성되며, 상기 고정부는 상기 제1 및 제2 결합부들 각각과 결합하며 상기 철도 차량의 진행 방향에 따라 선택적으로 상기 결합을 해제하는 제1 및 제2 잠금부들을 포함하는 잠금부 및 상기 잠금부와 상기 제동부의 결합이 해제되는 경우, 상기 제동부의 회전 방향을 조정하는 회전 조정부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회전 조정부는 상기 철도 차량의 진행방향과 반대 방향으로 이동하는 이동부 및 상기 이동부의 이동에 따라 제1 측 또는 제2 측이 상부를 향하여 회전하는 회동부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회동부의 상기 제1 측은 회전부를 통해 상기 이동부와 체결되고, 상기 제2 측은 회전부를 통해 상기 제동부와 체결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부는 상기 회동부의 회전에 의해 상기 회동부의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제동부의 저면에 형성되며 상기 제1 및 제2 결합부들과 접촉하는 이탈 방지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 제동부에 유동 박리를 억제할 수 있는 핀부재들, 톱니부 및 펜스부가 형성됨에 따라 종래의 공력제동장치가 단순히 평판 형태로 구성되어 공기 유동을 제어할 수 없어 난류 발생으로 인한 공력 소음을 증가시킨 문제를 해결할 수 있다.
또한, 제동부의 표면압력 손실을 억제하여 주행 중인 철도 차량에서 발생하는 압력차에 의한 공력제동력을 극대화 하며, 철도 차량에서 발생하는 진동을 저감시켜 보다 안정적인 주행이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 핀부재들, 톱니부 및 펜스부 각각은 구동부에 의해 선택적으로 제어되어 철도 차량이 고속으로 주행하는 경우에는 제동부에 접혀진 형태를 유지함에 따라 철도 차량의 주행 및 공기의 유동 흐름을 방해하지 않을 수 있다.
또한, 철도 차량의 진행 방향에 따라 제동부가 철도 차량의 진행 방향을 향하여 가변적으로 회전함으로써, 철도 차량이 역 방향으로 회전하는 경우에도 최적의 공력 제동 효과를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공력제동장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 공력제동장치에서 'A'부분을 확대한 확대도이다.
도 3은 도 1의 공력제동장치를 도시한 측면도이다.
도 4는 도 1의 공력제동장치가 철도 차량의 루프에 매립된 상태를 도시한 모식도이다.
도 5는 도 1의 공력제동장치의 구동부의 제어 동작 상태를 도시한 블록도이다.
도 6은 도 1의 공력제동장치의 펜스부 및 톱니부에서 공기가 유동되는 상태를 도시한 모식도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 펜스부에 의한 제동부의 표면압력 손실이 억제되는 효과를 설명하기 위한 모식도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 공력제동장치를 도시한 모식도이다.
도 9는 도 8의 공력제동장치를 하부에서 관찰한 저면도이다.
도 10은 도 8의 공력제동장치가 철도 차량이 일 방향으로 진행하는 경우 제동을 수행하는 상태를 도시한 모식도이다.
도 11은 도 10의 공력제동장치가 철도 차량이 상기 일 방향과 반대 방향으로 진행하는 경우 제동을 수행하는 상태를 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공력제동장치를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 공력제동장치에서 'A'부분을 확대한 확대도이다. 도 3은 도 1의 공력제동장치를 도시한 측면도이다. 도 4는 도 1의 공력제동장치가 철도 차량의 루프에 매립된 상태를 도시한 모식도이다. 도 5는 도 1의 공력제동장치의 구동부의 제어 동작 상태를 도시한 블록도이다. 도 6은 도 1의 공력제동장치의 펜스부 및 톱니부에서 공기가 유동되는 상태를 도시한 모식도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 의한 공력제동장치(10)는 제동부(100), 고정부(200) 및 구동부(300)를 포함한다.
상기 제동부(100)는 상기 고정부(200)의 상부에 위치하고, 상기 제동부(100)의 일단과 상기 고정부(200)의 일단은 서로 연결된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제동부(100)와 상기 고정부(200)의 일 단은 제1 회전부(201)를 통해 서로 연결될 수 있으며, 이에 따라 상기 제동부(100)는 상기 고정부(200)에 대하여 상기 제1 회전부(201)를 회전축으로 회전하게 된다.
그리하여, 철도 차량의 제동이 필요한 경우, 상기 제동부(100)는 상기 고정부(200)에 대하여 소정의 회전각(θ)을 유지하도록 회전될 수 있으며, 이 경우, 상기 회전각(θ)의 크기는 필요한 제동력의 크기나 현재 열차의 속도 등의 다양한 인자들을 고려하여 설정될 수 있다.
한편, 일반적인 주행 상태에서는 상기 제동부(100)는 상기 제1 회전부(201)를 회전축으로 회전하여 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제동부(100) 및 상기 고정부(200)가 서로 중첩되도록 위치할 수 있으며, 철도 차량이 고속으로 주행하는 경우에는 공기의 유동을 방해하지 않도록 이와 같이 중첩된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에 의한 공력제동장치(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 철도 차량의 하부면에 언더플로어 타입으로 설치되는 것이 아니라 철도 차량의 상부면의 루프(20)에 매립된 상태인 루프타입으로 설치되는 것으로, 이에 따라 작업공간이나 설치공간의 협소에 따른 문제가 전혀 없이 설치작업이 매우 용이하고 언더플로어 타입에 비해 공간활용도가 증대될 수 있다.
또한, 상기 공력제동장치(10)는 상기 철도 차량의 루프(20)에 형성된 매립공간(30)에 매립되는데, 이 경우 상기 제동부(100)의 상면이 상기 루프(20)의 상면과 동일선 상에 위치되도록 상기 매립공간(30)에 위치되는 것이 바람직하다. 다만,상기 제동부(100)의 높이 및 위치를 이에 한정하는 것은 아니며 이와 달리, 상기 제동부(100)의 상면이 상기 루프(20)의 상면보다 낮게 위치할 수도 있고, 상기 루프(20)의 상면보다 높게 위치할 수도 있다.
나아가, 상기 철도 차량의 루프(20)는 상기 공력제동장치(10)가 상기 매립공간(30)으로 매립되는 경우, 상기 공력제동장치(10)의 상면을 커버하며 밀폐하는 별도의 밀폐부재(21)를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 밀폐부재(21)는 슬라이딩되어 상기 공력제동장치(10)의 상면을 커버하거나 개방할 수 있다.
그리하여, 상기 공력제동장치(10)는 상기 철도 차량의 주행 시 상기 철도 차량 주변에서 유동하는 공기의 흐름을 방해하지 않으며 상기 공기와의 유동 간섭을 발생시키지 않을 수 있다.
상기 제동부(100)는 전체적으로 사각 플레이트(plate) 형상으로 형성되며, 상기 고정부(200)와 중첩된 상태에서 상부를 향하여 상기 제1 회전부(201)를 중심으로 회전하여, 상기 고정부(200)에 대하여 소정의 회전각(θ)을 유지하도록, 즉, 상기 철도 차량의 루프(20)의 외측으로 경사지도록 위치하고, 이를 통해 철도 차량의 제동을 수행할 수 있다.
이 경우, 상기 제동부(100)는 상기 구동부(300)로부터 동력을 전달받아 회전할 수 있으며, 상기 제동부(100)가 상기 고정부(200)와 이루는 경사각은 철도 차량 주변의 공기의 유동 속도, 방향 등에 따라 상기 구동부(300)에 의해 선택적으로 제어될 수 있음은 이미 설명한 바와 같다.
구체적으로, 상기 제동부(100)의 상면에는 상기 제동부(100)의 길이 방향과 동일한 방향으로 연장되면서 상부 방향으로 돌출되며, 서로 이격된 복수개의 핀부재들(110)이 형성된다.
상기 핀부재들(110)이 상부 방향으로 돌출됨에 따라 상기 제동부(100)의 상면에는 상기 핀부재들(110)과의 경계부가 형성되며, 철도 차량의 주행 중 발생하는 공기들은 상기 경계부에 의해 유동 박리가 억제될 수 있다.
특히, 상기 핀부재들(110)이 상기 제동부(100)의 상면에 상기 공기들의 유동 방향, 즉 철도 차량이 진행하는 방향과 평행한 방향으로 연장 형성됨으로써 상기 공기의 유동 중에 발생되는 유동 박리를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
이와 같이 상기 핀부재들(110)은 주행 중인 철도 차량 주변의 공기흐름을 변화시켜 공기저항을 줄이며 유동 박리를 억제하는 역할을 하는 것으로, 상기 핀부재들(110)의 개수, 길이 및 간격은 상기 제동부(100)의 형상, 철도 차량에서 발생하는 제동력 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 상기 제동부(100)의 양측면에는 직사각형 플레이트 형상의 펜스부(130)가 형성된다. 이 경우, 상기 펜스부(130)는 상기 제동부(100)의 양측면에 형성되어 상기 제동부(100)로 유동되는 공기의 유동 박리를 억제하기 위한 것으로, 상기 제동부(100)의 형상에 따라 형상이 다양하게 변경될 수 있음은 자명하다.
한편, 철도 차량이 고속으로 주행하는 경우에는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제동부(100) 및 상기 고정부(200)가 상기 루프(20)에 매립되며 중첩되어 있는 상태를 유지한다. 이 경우, 상기 펜스부(130)는 도시하지 않았으나 공기의 유동을 방해하지 않도록 상기 제동부(100)와 평행하도록 동일 선상에 위치하거나, 상기 제동부(100)의 양 측면에서부터 상기 고정부(200)를 향하여 접혀진 상태를 유지할 수 있다.
이러한 상태에서 상기 제동부(100)가 제동을 수행하기 위해 상기 제1 회전부(201)를 축으로 상부로 회전하여 상기 고정부(200)에 대하여 경사를 이루는 경우, 예를 들어, 상기 펜스부(130)는 상기 제동부(100)를 향하여 회전하여 상기 제동부(100)와 수직으로 위치할 수 있다. 즉, 상기 제동부(100)가 연장되며 형성되는 면(面)과 수직인 방향으로 상기 펜스부(130)의 면(面)이 위치할 수 있다.
물론, 상기 펜스부(130)의 면과 상기 제동부(100)의 면이 이루는 각은 제동 조건 등을 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 상기 펜스부(130)가 이상과 같이 상기 제동부(100)를 향하여 또는 상기 고정부(200)를 향하여 회전하기 위해, 상기 펜스부(130)와 상기 제동부(100)가 서로 연결되는 부분에는 도시하지는 않았으나 별도의 제1 회전부가 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 구동부(300)에 의해 상기 펜스부(130)의 회전 동작 및 각도가 제어될 수 있으며, 상기 펜스부(130)의 회전 각도는 공기의 유동 속도, 방향 등에 따라 선택적으로 제어될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 구동부(300)에 의해 상기 펜스부(130)가 상기 제동부(100)와 수직으로 위치하게 되면, 상기 제동부(100)의 양 측면의 공기의 흐름이 변하게 되고, 이에 따라 상기 제동부(100)의 양 측면에서 발생하는 유동 박리 현상이 저하되어 공력소음 발생을 감소시킬 수 있다.
나아가, 도 7a 및 도 7b는 도 6의 펜스부에 의한 제동부의 표면압력 손실이 억제되는 효과를 설명하기 위한 모식도들이다.
도 7a를 참조하면, 상기 제동부(100)의 양 측면에 상기 펜스부(130)가 형성되지 않은 경우, 상기 제동부(100)의 모서리 부분의 표면압력이 ­50 내지 ­950 Pa의 범위로 손실된 것을 확인할 있다.
이와 달리, 도 7b를 참조하면, 상기 제동부(100)의 양 측면에 상기 펜스부(130)를 형성하면, 상기 제동부(100)의 모서리 중 상기 펜스부와 접하는 부분의 표면압력은 손실되지 않고 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 상기 펜스부(130)에 의해 상기 제동부(100)의 양 측면에서 발생되는 표면압력 손실을 줄임으로써, 주행 중인 철도 차량에서 발생하는 압력차에 의한 공력제동력을 극대화 시킬 수 있다.
한편, 상기 제동부(100)의 상기 고정부(200)와 연결된 일단, 즉 상기 제1 회전부(201)와 연결된 측의 반대 측인 타단에는 복수의 톱니부재들을 포함하는 톱니부(150)가 형성된다.
상기 톱니부재들 각각의 외면은 상향 경사면(152) 및 하면 경사(153)면으로 이루어지며, 이에 따라 상기 톱니부(150)는 복수개의 상향 경사면들(152) 및 하면 경사면들(153)을 포함하게 된다.
그리하여, 상기 톱니부재들 각각은 상기 제동부(100)의 타면을 포함하여 전체적으로 이등변 삼각형 형상을 가질 수 있다.
상기 철도 차량의 주행 중 발생하는 공기는 상기 제동부(100)의 상기 일단에서부터 상기 타단으로 이동하는데, 이와 같은 방향으로 이동하면서 상기 톱니부(150)를 경유하며 상기 제동부(100)를 통과하게 된다.
이 때, 상기 톱니부(150)가 복수개의 상향 경사면들(152) 및 하면 경사면들(153)을 포함함에 따라, 상기 공기는 도 6에 도시된 바와 같이 서로 인접한 상향 경사면(152) 및 하향 경사면(153)의 사이, 즉 상기 상향 경사면(152) 및 상기 하향 경사면(153)에 의해 형성된 공간(155)을 통과하게 된다.
그리하여, 상기 제동부(100)의 상단에서 발생되는 유동박리가 억제되고 와류 생성이 방해되어 이에 따라 상기 철도 차량에서 발생하는 공력 소음 또한 저감될 수 있다.
한편, 상기 톱니부(150)는 상기 펜스부(130)와 마찬가지로, 철도 차량이 고속으로 주행하는 경우에는 상기 철도 차량의 주행을 방해하지 않도록 상기 고정부(200)를 향하여 접혀진 상태를 유지하게 되며, 상기 철도 차량이 제동 동작을 수행하는 경우 상부를 향하여 즉 상기 제동부(100)를 향하여 소정 각도로 회전하게 된다.
이 때, 상기 구동부(300)에 의해 상기 톱니부(150)의 회전 동작 및 각도가 제어될 수 있으며, 상기 톱니부(150)의 회전 각도는 공기의 유동 속도, 방향 등에 따라 선택적으로 제어될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제동부(100)의 일 측에는 상기 톱니부(150)의 회전 각도를 조절하는 톱니각 조절부(160)가 형성될 수 있으며, 상기 톱니각 조절부(160)가 상기 톱니부(150)와 연결되어 상기 톱니부(150)의 회전 각도를 조절하는 경우, 상기 구동부(300)가 상기 톱니각 조절부(160)를 제어하여 상기 톱니부(150)의 회전 각도를 결정할 수 있다.
상기와 같이, 상기 제동부(100)에는 유동 박리를 억제할 수 있는 상기 핀부재들(110), 상기 톱니부(150) 및 상기 펜스부(130)가 형성됨에 따라, 종래의 공력제동장치가 단순히 평판 형태로 구성되어 공기 유동을 제어할 수 없어 난류 발생으로 인한 공력 소음을 증가시킨 문제를 해결할 수 있으며, 이에 따라 철도 차량에서 발생하는 진동을 저감시켜 보다 안정적인 주행이 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 공력제동장치를 도시한 모식도이다. 도 9는 도 8의 공력제동장치를 하부에서 관찰한 저면도이다. 도 10은 도 8의 공력제동장치가 철도 차량이 일 방향으로 진행하는 경우 제동을 수행하는 상태를 도시한 모식도이다. 도 11은 도 10의 공력제동장치가 철도 차량이 상기 일 방향과 반대 방향으로 진행하는 경우 제동을 수행하는 상태를 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 공력제동장치(11)는 상기 고정부가 회전 조정부 및 잠금부를 포함하는 것을 제외하고는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 상기 공력제동장치(10)와 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 의한 공력제동장치(11)에서 상기 고정부(200)는 회전 조정부(210) 및 잠금부(250)를 포함하고, 상기 회전 조정부(210)는 이동부 (220) 및 회동부(230)를 포함한다.
상기 잠금부(250)는 도시된 바와 같이 철도 차량이 고속으로 주행하는 동안 상기 공력제동장치가 상기 루프(20)의 상기 매립공간(30)에 매립되는 경우, 상기 제동부(100)를 상기 매립공간(30)의 바닥면에 고정하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 상기 잠금부(250)가 제1 잠금부(251) 및 제2 잠금부(252)를 포함하여 상기 제1 및 제2 잠금부(251, 252)들이 각각 상기 제동부(100)의 일측 및 타측과 결합함으로써 상기 제동부(100)를 상기 루프(20)에 고정시킬 수 있게 된다.
이 경우, 상기 제동부(100)의 상기 일측에는 제1 결합부(101)가 형성되고 상기 제동부(100)의 상기 타측에는 제2 결합부(102)가 형성되어 상기 제1 및 제2 잠금부(251, 252)들 각각이 상기 제1 및 제2 결합부들(101, 102) 각각과 결합한다.
이 경우, 상기 제1 결합부(101)와 상기 제1 잠금부(251), 및 상기 제2 결합부(102)와 상기 제2 잠금부(252)는 각각 전자 잠금 장치 또는 자기 잠금 장치를 구성할 수 있어, 외부로부터 전기력 또는 자기력이 인가되면 서로 결합되어 잠금되고, 외부로부터 인가되는 전기력 또는 자기력이 소멸되면 서로 이탈되어 잠금이 해제될 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제1 결합부(101)는 상기 제동부(100)의 저면의 일 측에 상기 제동부(100)의 일 측 모서리를 따라 연장될 수 있으며, 상기 제2 결합부(102)는 상기 제동부(100)의 저면의 타 측에 상기 제동부(100)의 타 측 모서리를 따라 연장될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 잠금부(251) 및 상기 제2 잠금부(252)도 상기 밀폐 공간(30)을 형성하는 저면, 즉 상기 철도 차량의 루프(20) 상에 상기 제1 및 제2 결합부들(101, 102)의 연장 길이와 동일한 길이로 연장될 수 있다.
그리하여, 상기 잠금부들(251, 252)과 상기 결합부들(101, 102) 사이에서의 잠금력을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제1 결합부(101)는 제1 회전 조정부(211)와 결합되어 특정 동작을 수행함으로써 상기 제동부(100)가 회전되도록 하고, 상기 제2 결합부(102)는 제2 회전 조정부(212)와 결합되어 특정 동작을 수행함으로써 상기 제동부(100)가 회전되도록 한다.
이 경우, 상기 회전 조정부(210)가 상기 제 1 및 제2 회전 조정부들(211, 212)을 포함하므로 이에 따라 상기 이동부(220)는 제1 및 제2 이동부들(221, 222)를 포함하고, 상기 회동부(230)는 제1 및 제2 회동부들(231, 232)을 포함하며, 상기 이동부들(221, 222) 각각은 상기 회동부들(231, 232) 각각과 제2 및 제3 회전부들(271, 272) 각각을 통해 연결된다.
또한, 후술하겠으나 상기 제1 이동부(221)는 제1 리니어 모터(linear motor, 276)를 포함할 수 있고, 상기 제2 이동부(222)는 제2 리니어 모터(277)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 결합부(101)는 상기 제1 회동부(231)의 제1 측과 결합하며, 상기 제1 회동부(231)의 제2 측은 상기 제2 회전부(271)를 통해 상기 제1 이동부(221)의 제2 측과 결합된다. 상기 제2 결합부(102)는 상기 제2 회동부(232)의 제2 측과 결합하며, 상기 제2 회동부(232)의 제1 측은 상기 제3 회전부(272)를 통해 상기 제2 이동부(222)의 제1 측과 결합된다.
한편, 철도 차량은 일 방향, 즉 제1 방향(X)으로만 진행되는 것이 아니라, 왕복하는 경우에는 역방향, 즉 제2 방향(-X)으로도 진행된다. 이에 따라, 상기 공력제동장치(11)의 상기 제동부(100)는 상기 철도 차량이 상기 제1 방향(X)으로 진행하는 경우에는 도 10에 도시된 바와 같이 상기 제1 방향(X)을 향하여 회전(즉, 상기 철도 차량의 진행방향을 향해 상기 제동부(100)가 상승하여, 상기 진행방향에 대하여 상기 제동부(100)가 경사지도록 위치)하고, 상기 철도 차량이 역방향으로 이동하는 경우에는 도 11에 도시된 바와 같이 상기 제2 방향(-X)을 향하여 회전(마찬가지로, 상기 철도 차량의 진행방향을 향해 상기 제동부(100)가 상승하여, 상기 진행방향에 대하여 상기 제동부(100)가 경사지도록 위치)한다.
이 경우, 상기 제동부(100)는 상기 고정부(200)의 상기 회전 조정부(210)에 의해 회전 방향이 조정되며, 이와 같이 상기 철도 차량의 진행 방향에 따라 상기 제동부(100)의 회전 방향이 변화됨으로써 본 실시예에 의한 공력제동장치는 철도 차량의 진행 방향에 맞춰 최적의 공력 제동 효과를 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 도 10을 참조하면, 상기 공력제동장치(11)에 제동신호가 인가되고 상기 철도 차량이 상기 제1 방향(X)을 진행하고 있는 경우, 상기 제2 잠금부(252)는 전기력 또는 자기력 제공을 정지하여 상기 제2 결합부(102)와의 결합을 해제한다.
이때, 상기 제2 결합부(102)의 고정이 해제되면 상기 제2 이동부(222)는 직선으로 구동되는 상기 제2 리니어 모터(277)에 의해 상기 제2 방향(-X)으로 이동한다.
이와 같이 상기 제2 이동부(222)가 상기 제2 방향(-X)으로 이동함에 따라 상기 제1 측이 상기 제2 이동부(222)와 체결된 상기 제2 회동부(232)는, 상기 제2 측이 상기 제2 결합부(102)와의 결합이 해제된 상태이므로, 상기 제2 측이 상부를 향하여 도시된 회전각(θ1) 만큼 회전하고, 이에 따라 상기 제동부(100)도 상기 제2 회동부(232)와 동일한 방향으로 회전된다.
즉, 상기 제2 회동부(232)의 상기 제2 측이 상기 철도 차량의 진행 방향인 상기 제1 방향(X)을 향하여 상기 회전각(θ1) 만큼 회전하고, 이에 따라 상기 제동부(100)도 상기 제1 방향(X)을 향하여 도시된 회전각(θ2) 만큼 회전함으로써, 상기 제동부(100)가 상기 제2 방향(-X)으로 유동하는 공기와 마주볼 수 있어 제동을 수행할 수 있게 된다.
한편, 상기 제2 회동부(232)의 상기 제2 측이 상기 제1 방향(X)을 향하여 상부 방향으로 회전하는 경우, 상기 제2 결합부(102)에 상승하는 힘이 인가될 수 있으며, 이와 같은 인가되는 힘에 의해 상기 제2 결합부(102)와 접촉하면서 결합된 상기 제동부(100)의 제2 측이 분리될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 상기 제동부(100)의 제2 측의 저면과 접하며 상기 제2 결합부(102)와도 결합하는 'ㄱ'자 혹은 갈고리 형상의 제2 이탈 방지부(602)를 형성하여, 상기 제2 결합부(102)에 인가되는 힘을 분산 또는 상쇄시키도록 하며, 이에 따라 상기 제2 결합부(102)와 상기 제동부(100)의 제2 측이 분리되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 제동부(100)의 제1 측의 저면에는 상기 제1 결합부(101)와도 결합하는 'ㄱ'자 혹은 갈고리 형상의 제1 이탈 방지부(601)가 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 제2 회동부(232)의 상기 제2 측이 상기 제1 방향(X)을 향하여 회전하여 상기 제동부(100)의 제1 측도 상기 제1 방향(X)을 향하여 회전하는 경우, 상기 회전에 의해 상기 제1 결합부(101)에 힘이 집중됨으로써 상기 제1 결합부(101)와 상기 제동부(100)의 제1 측이 분리될 수 있는데, 이 경우 상기 제1 이탈 방지부(601)가 상기 제1 결합부(101) 및 상기 제동부(100)의 제1 측과 결합되어 상기 제1 측에 집중되는 힘을 분산시킴으로써 이를 방지할 수 있다.
도 11은 상기 철도 차량이 상기 제2 방향(-X)으로 주행하는 경우 상기 제동부(100) 및 상기 고정부(200)가 동작하는 상태를 나타낸다. 이 경우 먼저, 상기 제2 잠금부(251)는 전기력 또는 자기력 제공을 정지하여 상기 제1 결합부(101)와의 결합을 해제한다.
이때, 상기 제1 결합부(101)의 고정이 해제되면 상기 제1 이동부(221)는 직선으로 구동되는 상기 제1 리니어 모터(276)에 의해 상기 제1 방향(X)으로 이동한다.
이와 같이 상기 제1 이동부(221)가 상기 제1 방향(X)으로 이동함에 따라 상기 제2 측이 상기 제2 이동부(222)와 체결된 상기 제1 회동부(231)는, 상기 제1 측이 상기 제1 결합부(101)와의 결합이 해제된 상태이므로, 상기 제1 측이 상부를 향하여 도시된 회전각(θ3) 만큼 회전하고, 이에 따라 상기 제동부(100)도 상기 제1 회동부(231)와 동일한 방향으로 회전된다.
즉, 상기 제1 회동부(231)의 상기 제1 측이 상기 철도 차량의 진행 방향인 상기 제2 방향(-X)을 향하여 상기 회전각(θ3) 만큼 회전하고, 이에 따라 상기 제동부(100)도 상기 제2 방향(-X)을 향하여 도시된 회전각(θ4) 만큼 회전함으로써, 상기 제동부(100)가 상기 제1 방향(X)으로 유동하는 공기와 마주볼 수 있어 제동을 수행할 수 있게 된다.
한편, 상기 제1 회동부(231)의 상기 제1 측이 상기 제2 방향(-X)을 향하여 상부 방향으로 회전하는 경우, 상기 제1 결합부(101)에 상승하는 힘이 인가될 수 있으며, 이와 같은 인가되는 힘에 의해 상기 제1 결합부(101)와 접촉하면서 결합된 상기 제동부(100)의 제1 측이 분리될 수 있다.
이 경우 마찬가지로, 상기 제1 이탈 방지부(601)는 상기 제1 결합부(101)에 인가되는 힘을 분산 또는 상쇄시키도록 하며, 이에 따라 상기 제1 결합부(101)와 상기 제동부(100)의 제1 측이 분리되는 것을 방지할 수 있다.
또한 마찬가지로, 상기 제2 회동부(232)의 상기 제2 측이 상기 제1 방향(X)을 향하여 회전하여 상기 제동부(100)의 제1 측도 상기 제1 방향(X)을 향하여 회전하는 경우, 상기 회전에 의해 상기 제2 결합부(102)에 힘이 집중됨으로써 상기 제2 결합부(102)와 상기 제동부(100)의 제2 측이 분리될 수 있는데, 상기 제1 이탈 방지부(601)가 상기 제2 결합부(101) 및 상기 제동부(100)의 제2 측과 결합되어 상기 제2 측에 집중되는 힘을 분산시킴으로써 이를 방지할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 제동부에 유동 박리를 억제할 수 있는 핀부재들, 톱니부 및 펜스부가 형성됨에 따라 종래의 공력제동장치가 단순히 평판 형태로 구성되어 공기 유동을 제어할 수 없어 난류 발생으로 인한 공력 소음을 증가시킨 문제를 해결할 수 있다.
또한, 제동부의 표면압력 손실을 억제하여 주행 중인 철도 차량에서 발생하는 압력차에 의한 공력제동력을 극대화 하며, 철도 차량에서 발생하는 진동을 저감시켜 보다 안정적인 주행이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 핀부재들, 톱니부 및 펜스부 각각은 구동부에 의해 선택적으로 제어되어 철도 차량이 고속으로 주행하는 경우에는 제동부에 접혀진 형태를 유지함에 따라 철도 차량의 주행 및 공기의 유동 흐름을 방해하지 않을 수 있다.
또한, 철도 차량의 진행 방향에 따라 제동부가 철도 차량의 진행 방향을 향하여 가변적으로 회전함으로써, 철도 차량이 역 방향으로 회전하는 경우에도 최적의 공력 제동 효과를 나타낼 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 11 : 공력제동장치 100 : 제동부
101, 102 : 제1 및 제2 결합부들 110 : 핀부재들
130 : 펜스부 150 : 톱니부
160 : 톱니각 조절부 200 : 고정부
201 : 제1 회전부 210 : 회전 조정부
220 : 이동부 230 : 회동부
250 : 잠금부 271, 272 : 제2 및 제3 회전부들
601, 602 : 제1 및 제2 이탈 방지부들

Claims (15)

  1. 철도 차량의 루프의 매립공간에 매립되는 고정부; 및
    회전부를 통해 제1 측이 상기 고정부와 연결되어 상기 고정부에 대하여 회전되는 제동부를 포함하고,
    상기 철도 차량이 운행되는 경우, 상기 제동부는 상기 고정부와 중첩되며 상기 매립공간에 매립되고,
    상기 철도 차량이 제동되는 경우, 상기 제동부는 상기 회전부를 회전축으로 상기 고정부에 대하여 회전하여 상기 철도 차량의 루프의 외측으로 경사지도록 위치하는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제동부의 상면에는 공기의 유동 방향과 평행한 방향으로 연장되며, 서로 소정 간격으로 이격된 복수의 핀부재들이 형성되는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제동부의 양측면에는 상기 제동부 또는 상기 고정부를 향하여 회전하는 펜스부가 형성되는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 펜스부는,
    상기 철도 차량의 제동 시, 상기 제동부의 연장면에 대하여 수직으로 위치하는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제동부의 제2 측에는 상기 제동부에 대하여 소정 각도로 회전하며, 복수의 상향 경사면들 및 복수의 하향 경사면들을 포함하는 톱니부가 형성되는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 철도 차량의 제동 시, 유동하는 공기가 상기 서로 인접한 상향 경사면 및 하향 경사면에 의해 형성된 공간을 통과하는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제동부의 일 측에는 상기 톱니부의 회전 각도를 조절하는 톱니각 조절부가 형성되는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제동부가 상기 매립공간에 매립되는 경우, 상기 제동부의 상면은 상기 루프의 상면과 동일선 상에 위치되거나, 상기 루프의 상면보다 높거나 낮은 위치로 위치되는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  9. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 제동부, 상기 펜스부 및 상기 톱니부 중 적어도 하나를 선택적으로 구동시키는 구동부를 더 포함하는 공력제동장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제동부 및 상기 고정부의 제2 측도 회전부를 통해 서로 연결되고,
    상기 철도 차량의 진행 방향에 따라 상기 제동부의 제1 측 또는 제2 측이 선택적으로 회전되어 상기 제동부가 상기 철도 차량의 루프의 외측으로 경사지도록 위치하는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제동부의 상기 제1 측에는 제1 결합부가 형성되고, 상기 제2 측에는 제2 결합부가 형성되며,
    상기 고정부는,
    상기 제1 및 제2 결합부들 각각과 결합하며 상기 철도 차량의 진행 방향에 따라 선택적으로 상기 결합을 해제하는 제1 및 제2 잠금부들을 포함하는 잠금부; 및
    상기 잠금부와 상기 제동부의 결합이 해제되는 경우, 상기 제동부의 회전 방향을 조정하는 회전 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 회전 조정부는,
    상기 철도 차량의 진행방향과 반대 방향으로 이동하는 이동부; 및
    상기 이동부의 이동에 따라 제1 측 또는 제2 측이 상부를 향하여 회전하는 회동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회동부의 상기 제1 측은 회전부를 통해 상기 이동부와 체결되고, 상기 제2 측은 회전부를 통해 상기 제동부와 체결되는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제동부는,
    상기 회동부의 회전에 의해 상기 회동부의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제동부의 저면에 형성되며 상기 제1 및 제2 결합부들과 접촉하는 이탈 방지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공력제동장치.
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