WO2016200073A1 - 마찰장치 - Google Patents

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WO2016200073A1
WO2016200073A1 PCT/KR2016/005311 KR2016005311W WO2016200073A1 WO 2016200073 A1 WO2016200073 A1 WO 2016200073A1 KR 2016005311 W KR2016005311 W KR 2016005311W WO 2016200073 A1 WO2016200073 A1 WO 2016200073A1
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rail
contact
hardening
friction device
friction
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PCT/KR2016/005311
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English (en)
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조용현
최진유
강윤석
김주욱
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한국철도기술연구원
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Publication date
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a friction device, and more particularly, to improve the adhesive performance between the first member and the second member moving in contact with each other, to shorten the braking distance between the first member and the second member, the first member
  • the present invention relates to a friction device capable of reducing noise and abrasion generated between the second member and a friction energy.
  • a device that moves relative to each other using a friction force in a state in which a plurality of devices are in contact with each other such as a wheel member and a rail part of a railroad vehicle
  • accurate friction control is possible only when a friction force of a predetermined value or more is secured.
  • the adhesion coefficient between the wheel member and the rail portion is low, so that the driving and braking performance is lowered.
  • slippage occurs, thereby increasing the braking distance.
  • the adhesion coefficient which is the friction coefficient between the wheel member and the rail part, falls within a predetermined range, and the friction occurs even when the relative speed between the wheel member and the rail part increases. Maintain positive friction with increasing coefficient.
  • the present invention has been made in order to improve the above problems, improve the adhesive performance between the devices that are mutually moved by the frictional force, to secure the braking distance of the railway vehicle, and to reduce the slip in the slope section, at the same time noise, wear And it is an object to provide a friction device that can reduce the generation of friction energy.
  • the friction device comprises: a first member having a first surface; And a second member having a second surface in contact with the first surface and moving in contact with the first member, wherein at least one of the first surface or the second surface is hardened. do.
  • the first surface or the second surface is characterized in that it is intermittently hardened.
  • the first member characterized in that it comprises a first hardening portion which is cured by heat treatment of the first surface.
  • a plurality of the first hardening part is provided and arranged on the first surface.
  • the plurality of first hardening parts are arranged to be spaced apart at equal intervals.
  • the distance between the plurality of first hardening parts is longer than the length of the contact patch which is an instantaneous contact area between the first member and the second member.
  • the distance between the plurality of first hardening parts is shorter than the length of the contact patch which is an instantaneous contact area between the first member and the second member.
  • the second member is characterized in that it comprises a second hardening portion which is cured by heat treatment of the second surface.
  • the second hardening portion is provided with a plurality, characterized in that arranged on the second surface.
  • the plurality of second curing units are arranged to be spaced apart at equal intervals.
  • the distance between the plurality of second hardening parts is longer than the length of the contact patch which is an instantaneous contact area between the first member and the second member.
  • the distance between the plurality of second hardening parts is shorter than the length of the contact patch which is an instantaneous contact area between the first member and the second member.
  • the distance between the plurality of first hardening portion or the distance between the plurality of second hardening portion by adjusting the friction force between the first member and the second member.
  • the first member is a rail member including a pair of rail parts.
  • the rail portion the rail base portion coupled to the fixture;
  • a rail head portion in contact with the second member, including the first surface on which the first hardening portion is formed;
  • a rail connection part connecting the rail base part and the rail head part.
  • the second member is characterized in that the wheel member which is rotated in contact with the first member.
  • the second member the axle coupling portion to which the axle is coupled;
  • a wheel flange portion extending from the rail contact portion and in contact with the side of the rail portion.
  • the second hardening portion characterized in that arranged in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the rail contact portion.
  • the first member is a rail member including a rail part
  • the second member is a wheel member including a rail contact part in contact with an upper surface of the rail part, and an upper side surface of the rail part and the rail contact part.
  • the first surface or the second surface is hardened so that the coefficient of friction is greater than 0.25 and less than 0.40.
  • Friction device by applying a hardened portion to the first member or the second member which is moved in contact with each other to improve the coefficient of adhesion, it is possible to reduce the wear and noise of the device.
  • the present invention can adjust the adhesion coefficient by adjusting the distance between the pattern to which the cured part is applied, the cured part.
  • the present invention can maintain a sufficient level of adhesion coefficient even when a large relative speed between the first member and the second member, such as sudden braking, it is possible to stably run the railway vehicle on the slope section, In case of emergency, the braking force can be secured to prevent safety accidents.
  • the present invention since the heat treatment using a plurality of laser, it is possible to perform a curing treatment by applying a laser irradiation apparatus of low power.
  • the present invention because the heat treatment is performed using induction heating, by adjusting the shape and shape of the induction coil and the output and frequency of the high frequency current of the induction heating apparatus to be used to adjust the area, length, width of the curing portion, or between the curing portion Curing treatment to adjust the spacing and the like can be performed.
  • the first hardening portion or the second hardening portion is applied, to suppress the plastic flow (plastic flow) of the first member or the second member that may be generated by rapid braking or rapid acceleration to wear and fatigue It can improve performance.
  • the present invention when the size of the unevenness is smaller than the contact patch between the first member and the second member, the generation of noise is reduced between the plurality of first hardening portion using the so-called 'Contact Filter Effect' By shortening the interval between the plurality of second hardening portions or the interval between the plurality of second hardening portion, the noise caused by the intermittent hardening of the first member or the second member can be reduced.
  • the present invention by making the distance between the center portion of the neighboring first hardening portion or the center portion of the second hardening portion longer than the longitudinal length of the contact patch of the rail member as the first member and the wheel member as the second member, Noise between the wheel member and the rail member is maintained by maintaining the coefficient of adhesion between the rail member and the wheel member within a predetermined range and maintaining a positive friction state in which the friction coefficient increases even when the relative speed between the wheel member and the rail member increases. , Wear and friction energy can be reduced.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an embodiment of a friction device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 2 is a view showing a state in which the first member and the second member in contact with the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a first member in a friction device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a view showing a second member in the friction device of according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a view showing that the distance between the hardened portion in the friction device according to an embodiment of the present invention is shorter than the length of the contact patch.
  • FIG. 6 is a view showing that the distance between the curing unit in the friction device according to an embodiment of the present invention longer than the length of the contact patch.
  • FIG. 7 is a view showing a change in the adhesion coefficient according to the increase of the slip ratio in accordance with the application of the hardened portion and the interval between the hardened portion.
  • FIG 8 is a view showing a first member section to which the first hardening part is applied in the friction device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing a state in which the heat treatment using a laser in the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a state in which the heat treatment using induction heating in the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • 11 is a view comparing the noise level according to whether the application of the curing unit and the spacing in the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view comparing the noise level according to the application and spacing of the hardened part when the slip ratio of 2% in the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an embodiment of a friction device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows a state in which the first member and the second member in contact with the friction device according to an embodiment of the present invention Drawing.
  • the friction device 1 according to an embodiment of the present invention includes a first member 100 and a second member 200, the second member 200 is a first member ( It is moved in friction with the first member 100 in contact with the 100.
  • the first member 100 is illustrated as a rail member of a railway vehicle having a first surface 101, and is in contact with the second surface 201 of the second member 200, and the second member 200 is a second member. Illustrated as a wheel member of a railroad vehicle having a surface 201 and moving in contact with the first surface 101 of the first member 100.
  • FIG 3 is a view showing a first member in the friction device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a view showing a second member in the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • At least one of the first surface 101 or the second surface 201 is hardened to obtain frictional performance of the first member 100 and the second member 200. Can be improved.
  • the first member 100 includes a first hardening portion 117 that is cured by heat treating the first surface 101.
  • the first hardening unit 117 is formed by curing the laser in a manner of irradiating a laser or applying a vibration to the first member 100.
  • the hardened portions 117 and 270 formed by hardening process increase the hardness of the untreated hardened portion, thereby increasing friction with the second member 200. By preventing displacement due to friction with the 200, wear of the first member 100 may be reduced.
  • a plurality of first hardening parts 117 are arranged at equal intervals on the first surface 101 to uniformly distribute frictional force with the second member 200, thereby allowing the first member 100 to be uniformly distributed. To prevent partial wear and the like.
  • FIG 5 is a view showing that the distance between the curing unit in the friction device according to an embodiment of the present invention is shorter than the length of the contact patch
  • Figure 6 is a distance between the curing unit in the friction device according to an embodiment of the present invention Is a view showing that is longer than the length of the contact patch
  • Figure 7 is a view showing a change in the adhesion coefficient with the increase of the slip ratio depending on whether the hardened portion is applied and the interval between the hardened portion.
  • the distance d2 between the first hardening part 117 is a contact patch P which is an instantaneous contact area between the first member 100 and the second member 200. It may be formed shorter than the length (d3) of.
  • the adhesion coefficient Maintains a positive friction state to prevent noise and wave wear, and to prevent the driving force or braking force from being lowered below a set value, and when applied to a rail member or a wheel member such as a railway vehicle, the railway in a slope section, etc. It is possible to prevent the vehicle from slipping.
  • the distance d2 between the first hardening part 117 is a contact patch P which is an instantaneous contact area between the first member 100 and the second member 200. It may be formed longer than the length (d3) of.
  • the distance d2 between the first hardening portions 117 is formed to be longer than the length d3 of the contact patch P, while maintaining a positive friction state in which the adhesion coefficient generally increases even with an increase in the slip ratio, The variation of the adhesion coefficient can be reduced (see FIG. 7).
  • the adhesion coefficient Maintains a positive friction state to prevent noise and wave wear, and to prevent the driving force or braking force from being lowered below a set value, and when applied to a rail member or a wheel member such as a railway vehicle, the railway in a slope section, etc. It is possible to prevent the vehicle from slipping.
  • the distance d2 between the first hardening part 117 is longer than the length d3 of the contact patch P, which is an instantaneous contact area between the first member 100 and the second member 200, Since the adhesion coefficient is prevented from increasing rapidly even when the slip ratio is increased, and the range of the adhesion coefficient can be maintained within the set range, the first member 100 or the second member 200 is worn out due to excessive increase in the adhesion coefficient. Can be prevented.
  • the second member 200 includes a second hardening part 270 which is cured by heat treating the second surface 201.
  • the second curing unit 270 is formed in a manner of curing by applying heat to the second member 200 by applying a laser or applying vibration to the second member 200.
  • the hardness of the second hardened portion 270 also increases compared to the uncured portion on the second surface 201, the uncured portion is prevented from being displaced by friction with the first member 100. By reducing the number of wear of the second member 200 can be reduced.
  • a plurality of second hardening parts 270 are provided to be spaced apart at equal intervals on the second surface 201 so that the frictional force with the first member 100 is uniformly distributed. To prevent partial wear and tear.
  • the distance d2 ′ between the second hardening part 270 is a contact patch P which is an instantaneous contact area between the first member 100 and the second member 200. It may be formed shorter than the length (d3) of.
  • the distance d2 ′ between the second hardening portions 270 is shorter than the length d3 of the contact patch P, which is an instantaneous contact region between the first member 100 and the second member 200, the adhesion Since the coefficient maintains a positive friction state, noise and wave wear can be prevented, and the driving force or braking force is prevented from being lowered below a set value, and when applied to a rail member or a wheel member of a railway vehicle, such as a slope section, The railroad car can be prevented from slipping.
  • the distance d2 ′ between the second hardening unit 270 is a contact patch P which is an instantaneous contact area between the first member 100 and the second member 200. It may be formed longer than the length (d3) of.
  • the adhesive coefficient maintains a positive friction state in which the adhesion coefficient generally increases even when the slip ratio is increased. , The variation in the adhesion coefficient can be reduced (see FIG. 7).
  • the adhesion Since the coefficient maintains a positive friction state, it is possible to prevent noise and wave wear, and to prevent the driving force or braking force from being lowered below a set value.
  • the railroad car can be prevented from slipping.
  • the adhesion coefficient is prevented from increasing rapidly even when the slip ratio is increased, and thus the range of the adhesion coefficient can be maintained within the set range, so that the first member 100 or the second member 200 is caused by excessive increase in the adhesion coefficient. Wear can be prevented.
  • the friction device 1 adjusts the distance between the plurality of first hardening parts 117 or the distance between the plurality of second hardening parts 270, such that the first member 100 and the second member ( It is possible to adjust the frictional force or adhesive performance between the 200).
  • the slip ratio is 0.4 to 0.5 to 5%.
  • the adhesion coefficient between 0.5 is shown, the adhesion coefficient decreases while the slip ratio exceeds 1%.
  • the positive coefficient increases even if the slip ratio exceeds 1%.
  • the first member 100 is illustrated as a rail member including a pair of rail parts 110
  • the second member 200 is illustrated as a wheel member that is rotated in contact with the first member 100. It can be applied to railway vehicles.
  • the rail unit 110 includes a metal material and is fixed to the fixture 50.
  • the rail unit 110 includes a rail base unit 111, a rail head unit 113, and a rail connecting unit 115.
  • the rail base portion 111 is coupled to the fixture 50 through a sleeper or the like by bolting, and supports the rail head portion 113 and the rail connecting portion 115.
  • the rail head 113 is in contact with the wheel member, which is the second member 200, and is intermittently provided with a first hardening portion 117 formed by heat treatment on the first surface 101, which is an upper surface. That is, the first hardening part 117 which improves hardness by heating the rail head part 113 which consists of iron (Fe) and a carbon (C) compound is provided.
  • the first hardening part 117 is arranged along the longitudinal direction of the rail part 110. Since the first hardening part 117 has a higher hardness than the rail head 113 which is not heat treated, the first hardening part 117 acts as a protrusion when contacting the second member 200, which is a wheel member. The stick zone is increased between the members 200.
  • FIG 8 is a view showing a first member section to which the first hardening part is applied in the friction device according to the embodiment of the present invention.
  • the first hardening unit 117 may be applied to the inclined sections B and D of the rail unit 110.
  • the inclined sections B and D of the rail unit 110 are divided into an upward section B in which the altitude increases along the moving direction of the body member 300, and a downward section D in which the altitude decreases.
  • the second member 200 is the rail unit 110 in the case of the stop, etc. If the case can be slipped with respect to the bar, it is necessary to increase the friction between the second member 200 and the rail unit 110.
  • the braking distance is compared with the horizontal sections A, C, and E. As it can be lengthened, it is necessary to increase the friction force between the second member 200 and the rail portion 110.
  • the rail connection part 115 connects the rail base part 111 and the rail head part 113.
  • the rail base portion 111, the rail head portion 113, and the rail connecting portion 115 are made of a steel material composed of a compound such as iron (Fe) and carbon (C), and are integrally formed.
  • the second member 200 illustrated as the wheel member is rotated in contact with the first member 100 illustrated as the rail member, and the body member 300 is moved on the first member 100. Let's do it.
  • the second member 200 includes an axle coupling portion 210, a rail contact portion 230, and a wheel flange portion 250.
  • the axle 10 is coupled to the axle coupling portion 210.
  • the axle coupling portion 210 is rotated together with the axle 10 is fitted into the axle (10).
  • the rail contact portion 230 is formed in a shape surrounding the axle coupling portion 210, and includes a second surface 201 in contact with the rail portion 110 and having a second hardening portion 270 formed thereon. Contact with (101).
  • the second hardening portion 270 is intermittently formed on the second surface 201.
  • the second hardening portion 270 is arranged in the circumferential direction along the outer circumferential surface on the outer circumferential surface of the rail contact portion 230.
  • the wheel flange portion 250 extends outwardly from the rail contact portion 230 and is in contact with the side surface of the rail portion 110.
  • the friction device 1 includes the first surface 101 or the second surface 201 such that the friction coefficient between the upper surface of the rail portion 110 and the rail contact portion 230 is greater than 0.25 and less than 0.40. Can be cured.
  • the propulsion force for propelling the railway vehicle or the braking force for braking the railway vehicle cannot be sufficiently secured, so that the movement control of the railway vehicle can be controlled. Difficult problems arise.
  • the friction device 1 includes the upper surface of the rail portion 110 and the friction coefficient of the rail contact portion 230 of greater than 0.25 and less than 0.40. To be cured in 201).
  • Control of the degree of the curing treatment can be implemented by adjusting the area, the length (d1), the width of the curing unit (117, 270), or the interval between the curing unit (117, 270).
  • the hardened parts 117 and 270 that is, the first hardened part 117 or the second hardened part 270 may be formed by irradiating a plurality of lasers L. Referring to FIG. 9, in the present exemplary embodiment, the hardened parts 117 and 270, that is, the first hardened part 117 or the second hardened part 270 may be formed by irradiating a plurality of lasers L. Referring to FIG. 9, in the present exemplary embodiment, the hardened parts 117 and 270, that is, the first hardened part 117 or the second hardened part 270 may be formed by irradiating a plurality of lasers L. Referring to FIG.
  • the friction device 1 irradiates the plurality of lasers L by using the plurality of laser irradiation devices 500 to apply the hardened parts 117 and 270 even if an expensive high power laser device is not applied.
  • the manufacturing cost is reduced and the damage of the device by the high power laser is prevented.
  • first hardening unit 117 or the second hardening unit 270 may be formed by hardening the first surface 101 or the second surface 201 in a manner of induction heating, respectively.
  • FIG. 10 is a view showing a state in which the heat treatment using induction heating in the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • the friction device 1 adjusts the shape of the induction coil 610 of the induction heating device 600 and the output and the frequency of the high frequency current to adjust the area and length d1 of the hardened parts 117 and 270. ), The width, or the gaps d2 and d2 ′ between the curing units 117 and 270 may be adjusted.
  • the hardening part 117 or 270 may be formed by a heating method using heat generated when burning a gas, etc., in addition to the above-mentioned irradiation of the laser L and induction heating. Of course, various methods may be applied, such as a method of heating by placing it in contact with the 101 or the second surface 201.
  • the area where the laser L is irradiated or heated by the vibrator is increased in temperature to transform martensite, thereby increasing hardness compared to the unheated area, and increasing toughness through post-treatment.
  • the hardened parts 117 and 270 which are areas of increased hardness, serve as protrusions when the first member 100 and the second member 200 are in friction, and thus the first member 100 and the second member 200 may have different hardness. Increase the coefficient of adhesion, which is the coefficient of friction between them.
  • the shape, spacing, number, etc. of the first hardening part 117 and the second hardening part 270 may vary depending on the material of the first member 100 and the second member 200, the required adhesion coefficient, and the like.
  • the vehicle body member 300 is rotatably coupled to the second member 200 illustrated as the wheel member, and moves on the first member 100 illustrated as the rail member according to the rotation of the second member 200.
  • the vehicle body member 300 receives power from the tramline 30 through the pantograph 70, rotates the second member 200 using the supplied power, and moves on the rail unit 110. .
  • 11 is a view comparing the noise level according to whether the application of the curing unit and the spacing in the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • the hardened portions 117 and 270 may not be applied. , 270), but the noise is similar to the slip rate of 0.5%, and when the slip ratio exceeds 1%, the noise is hardened when the hardening parts 117 and 270 are applied. 117, 270) is not more than 10dB less than the case can be seen.
  • FIG. 12 is a view comparing the noise level according to the application and spacing of the hardened part when the slip ratio of 2% in the friction device according to an embodiment of the present invention.
  • the noise value is greater than 100 dB when the slip ratio is 2%.
  • the hardening parts 117 and 270 are applied, about 90 dB is applied. It can be seen that the noise value appears.
  • the noise of 30 Hz or less is slightly increased and the high frequency component is increased.
  • the contribution to the overall noise is low, and the noise in the 400 to 1000 Hz range is significantly lower, so that the overall noise There is an effect to reduce.
  • the laser L is irradiated using the plurality of laser irradiation apparatuses 500.
  • the temperature to which the laser L is irradiated increases martensite due to the increase in temperature, the hardness of the laser L to which the laser L is not irradiated increases, and the toughness of the laser irradiated area is increased through post-treatment.
  • the first hardening part 117 or the second hardening part 270 which is an area of which hardness is increased, functions as a protrusion when the railroad vehicle runs, and a fastening area between the second member 200 and the rail part 110 ( Increase stick zone
  • the shape, spacing, number, etc. of the first hardening part 117 and the second hardening part 270 may include the materials of the rail part 110 and the second member 200, the required adhesion coefficient, and the specification of the vehicle body member 300. And so on.
  • the friction device 1 improves the adhesion coefficient by applying the hardening parts 117 and 270 to the first member 100 or the second member 200 which are moved in contact with each other. It can reduce wear and noise.
  • the friction device 1 by adjusting the distance between the pattern, the curing unit 117, 270, the curing unit 117, 270, it is possible to adjust the coefficient of adhesion, the generation of noise. .
  • the friction device 1 by increasing the coefficient of adhesion between the rail unit 110 and the second member 200, it is possible to stably run the railway vehicle in the inclined sections (B, D) In addition, it can prevent a safety accident by securing a braking force in an emergency.
  • the friction device 1 since the friction device 1 performs heat treatment using a plurality of lasers L, a curing process is performed by applying a laser irradiation device 500 having a relatively low cost (about 500 W).
  • a curing process is performed by applying a plurality of first hardening units 117 or second hardening units 270, the braking performance of the railway vehicle can be improved.
  • the friction device 1 is applied with the first hardening part 117 or the second hardening part 270 so that the plastic flow of the rail part 110 or the second member 200 is reduced. By suppressing it, it is possible to improve wear resistance and fatigue of the rail unit 110 and the second member 200.
  • the friction device 1 may have a distance d2 between the plurality of first hardening parts 117 or a distance d2 'between the plurality of second hardening parts 270, and the contact patch P The generation of noise can be reduced by making it shorter than the longitudinal length d3 of the region.
  • the friction device 1 can be maintained so as not to reduce the coefficient of adhesion even when the relative speed between the rail unit 110 and the wheel member is large, it is generated between the rail unit 110 and the wheel member Noise, wear and friction energy can be reduced.
  • the friction device 1 allows the adhesion coefficient between the rail unit 110 and the wheel member to fall within a predetermined range, thereby preventing noise, abrasion, and friction energy generated between the rail unit 110 and the wheel member. Can be reduced.
  • the friction device 1 may set the distances d2 and d2 'between the center of the first hardening part 117 or the center of the second hardening part 270 to the first member 100 and the second.
  • the adhesive coefficient between the first member 100 and the second member 200 falls within the set range, and the first member 100 ) And the noise, wear and friction energy generated between the second member 200 can be reduced.

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Abstract

마찰장치에 관한 발명이 개시된다. 개시된 마찰장치는, 제1표면을 구비하는 제1부재와, 제1표면에 접하는 제2표면을 구비하며, 제1부재와 접하여 이동하는 제2부재를 포함하며, 제1표면 또는 제2표면 중 적어도 어느 하나는 경화처리되는 것을 특징으로 한다.

Description

마찰장치
본 발명은 마찰장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상호 접하여 이동하는 제1부재와 제2부재 간의 점착성능을 향상시켜, 제1부재와 제2부재 사이의 제동거리를 단축하고, 제1부재와 제2부재 간 발생되는 소음 및 마모를 줄이며, 마찰에너지를 저감할 수 있는 마찰장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 휠부재와 레일부와 같이 복수 개의 장치가 접한 상태에서 마찰력을 이용하여 상대 운동하는 장치는, 소정 값 이상의 마찰력이 확보되어야 정확한 운동 제어가 가능하다.
특히, 철도차량을 안정적으로 운행하기 위해서는 휠부재와 레일부 사이의 마찰계수인 점착계수(adhesion coefficient)를 소정 값 이상 유지하여 추진력 및 제동력 등을 일정 수준 이상 확보해야 한다.
그러나 종래의 철도차량은 휠부재와 레일부 사이의 점착계수가 낮아, 운행, 제동성능 등이 떨어지는데, 특히, 하향 경사구간을 운행하는 경우 미끄럼이 발생되어, 제동거리가 증대되는 문제점이 있다.
휠부재와 레일부 간 소음, 마모 및 마찰에너지의 저감을 위해서는 휠부재와 레일부 사이의 마찰계수인 점착계수가 소정의 범위 이내에 들어가고, 휠부재와 상기 레일부 사이의 상대속도가 증가하여도 마찰계수가 증가하는 Positive friction 상태를 유지해야 한다.
종래에는 점착계수가 소정의 범위 이내에 들어가고, Positive friction 상태를 유지하기 위하여 마찰조절재(friction modifier)를 휠부재와 레일부에 도포하였으나, 마찰조절재의 효과가 단기간만 지속되며, 마찰조절재의 도포를 위한 별도의 장치가 설치되어야 하는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0027754호(2004.04.01 공개, 발명의 명칭: 열차의 정지거리 단축장치)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 마찰력에 의하여 상호 이동되는 장치 간의 점착성능을 개선하여, 철도차량 등의 제동 거리 확보 및 경사구간에서의 미끄럼을 저감하며, 동시에 소음, 마모 및 마찰에너지의 발생을 줄일 수 있는 마찰장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 마찰장치는, 제1표면을 구비하는 제1부재; 및 상기 제1표면에 접하는 제2표면을 구비하며, 상기 제1부재와 접하여 이동하는 제2부재;를 포함하며, 상기 제1표면 또는 상기 제2표면 중 적어도 어느 하나는 경화처리되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1표면 또는 상기 제2표면은 단속적으로 경화처리되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1부재는, 상기 제1표면을 열처리하여 경화되는 제1경화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1경화부는, 복수 개가 구비되어 상기 제1표면에 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 복수 개의 상기 제1경화부는, 동일 간격으로 이격되게 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 복수 개의 상기 제1경화부 사이의 거리는, 상기 제1부재와 상기 제2부재의 순간접촉영역인 컨택패치의 길이보다 긴 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 복수 개의 상기 제1경화부 사이의 거리는, 상기 제1부재와 상기 제2부재의 순간접촉영역인 컨택패치의 길이보다 짧은 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2부재는, 상기 제2표면을 열처리하여 경화되는 제2경화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2경화부는, 복수 개가 구비되어 상기 제2표면에 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 복수 개의 상기 제2경화부는, 동일 간격으로 이격되게 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 복수 개의 상기 제2경화부 사이의 거리는, 상기 제1부재와 상기 제2부재의 순간접촉영역인 컨택패치의 길이보다 긴 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 복수 개의 상기 제2경화부 사이의 거리는, 상기 제1부재와 상기 제2부재의 순간접촉영역인 컨택패치의 길이보다 짧은 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 복수 개의 상기 제1경화부 사이의 거리 또는 복수 개의 상기 제2경화부 사이의 거리를 조절하여, 상기 제1부재와 상기 제2부재 사이의 마찰력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1부재는, 한 쌍의 레일부를 포함하는 레일부재인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 레일부는, 고정물에 결합되는 레일베이스부; 상기 제1경화부가 형성되는 상기 제1표면을 포함하여, 상기 제2부재에 접하는 레일헤드부; 및 상기 레일베이스부와 상기 레일헤드부를 연결하는 레일연결부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2부재는, 상기 제1부재에 접하여 회전되는 휠부재인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2부재는, 차축이 결합되는 차축결합부; 상기 차축결합부를 둘러싸며, 상기 레일부에 접하고, 상기 제2경화부가 단속적으로 구비되는 레일접촉부; 및 상기 레일접촉부에서 연장 형성되며, 상기 레일부의 측면에 접하는 휠플랜지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2경화부는, 상기 레일접촉부의 외주면에 원주 방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1부재는, 레일부를 포함하는 레일부재이고, 상기 제2부재는, 상기 레일부의 상측면에 접하는 레일접촉부를 포함하는 휠부재이며, 상기 레일부의 상측면과 상기 레일접촉부의 마찰계수가 0.25보다 크고, 0.40보다 작아지도록 상기 제1표면 또는 상기 제2표면이 경화처리되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마찰장치는, 상호 접하여 이동되는 제1부재 또는 제2부재에 경화부를 적용하여 점착계수를 향상시키고, 장치의 마모 및 소음의 발생을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은, 경화부가 적용되는 패턴, 경화부 사이의 거리를 조절함으로써, 점착계수를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은, 급제동과 같이 제1부재와 제2부재 사이의 상대속도가 크게 발생하는 경우에도 충분한 수준의 점착계수를 유지할 수 있어, 경사구간에서 철도차량 등을 안정적으로 운행할 수 있고, 비상 시 제동력을 확보하여 안전사고를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은, 복수의 레이저를 이용하여 열처리를 수행하므로, 저출력의 레이저조사장치를 적용하여 경화처리를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은, 유도가열을 이용하여 열처리를 수행하므로, 사용되는 유도가열 장치의 유도코일의 형상과 고주파 전류의 출력과 주파수를 조절하여 경화부의 면적, 길이, 폭으로 조절하거나, 경화부 사이의 간격 등을 조절할 수 있는 경화처리를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은, 제1경화부 또는 제2경화부가 적용되어, 급제동 혹은 급가속에 의하여 발생될 수 있는 제1부재 또는 제2부재의 플라스틱 플로우(plastic flow)를 억제하여 내마모 및 내피로성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 요철의 크기가 제1부재와 제2부재 사이의 컨택패치보다 작은 경우 소음 발생이 줄어든다는 이른바 ‘컨택 필터 효과(Contact Filter Effect)’를 이용하여 복수 개의 제1경화부 사이의 간격 또는 복수 개의 제2경화부 사이의 간격을 컨택패치 영역의 종방향 길이보다 짧게 함으로써, 제1부재 또는 제2부재의 단속적 경화(hardening)로 인해 발생되는 소음을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 이웃하는 제1경화부 중심부 사이의 간격 혹은 제2경화부 중심부 사이의 간격을, 제1부재인 레일부재와 제2부재인 휠부재의 컨택패치의 종방향 길이보다 길게 함으로써, 레일부재와 휠부재 사이의 점착계수를 소정의 범위 이내로 유지하고, 휠부재와 레일부 사이의 상대속도가 증가하여도 마찰계수가 증가하는 Positive friction 상태를 유지하여 휠부재와 레일부재 간 발생되는 소음, 마모 및 마찰에너지를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 제1부재와 제2부재가 접한 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 제1부재를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 의 마찰장치에서 제2부재를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 경화부 사이의 거리가 컨택패치의 길이보다 짧은 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 경화부 사이의 거리가 컨택패치의 길이보다 긴 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 경화부의 적용여부 및 경화부의 간격에 따라 슬립율 증가에 따른 점착계수 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 제1경화부가 적용된 제1부재 구간을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 레이저를 이용하여 열처리를 수행하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 유도가열을 이용하여 열처리를 수행하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 경화부의 적용여부 및 간격에 따른 소음크기를 비교한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 슬립율 2%일 때, 경화부의 적용여부 및 간격에 따른 소음크기를 비교한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 마찰장치의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 제1부재와 제2부재가 접한 상태를 나타내는 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치(1)는 제1부재(100) 및 제2부재(200)를 포함하여, 제2부재(200)가 제1부재(100)에 접촉한 상태로 제1부재(100)와 마찰되어 이동된다.
제1부재(100)는 제1표면(101)을 구비하는 철도차량의 레일부재로 예시되며, 제2부재(200)의 제2표면(201)에 접하고, 제2부재(200)는 제2표면(201)을 구비하여, 제1부재(100)의 제1표면(101)에 접한 상태로 이동하는 철도차량의 휠부재로 예시된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 제1부재를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 제2부재를 나타내는 도면이다.
도 3 및 4를 참조하면, 제1표면(101) 또는 제2표면(201) 중 적어도 어느 하나는 경화(硬化)처리되어, 제1부재(100)와 제2부재(200)의 마찰성능을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서 제1부재(100)는 제1표면(101)을 열처리하여 경화되는 제1경화부(117)를 포함한다. 제1경화부(117)는 제1부재(100)에 레이저를 조사하거나, 진동을 가하는 방식으로 경화 처리하여 형성된다.
경화 처리되어 형성되는 경화부(117, 270)는 경화 처리되지 않은 부분 대비 경도가 증가하므로 제2부재(200)와의 마찰력을 증강시키는 역할을 하며, 나아가, 경화 처리되지 않은 부위가 제2부재(200)와의 마찰에 의하여 변위(dislocation)되는 것을 차단함으로써, 제1부재(100)의 마모를 줄일 수 있다.
본 실시예에서 제1경화부(117)는 복수 개가 제1표면(101)에 동일 간격으로 이격되게 배열되어, 제2부재(200)와의 마찰력이 균일하게 배분되도록 함으로써, 제1부재(100)의 부분 마모 등을 방지한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 경화부 사이의 거리가 컨택패치의 길이보다 짧은 것을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 경화부 사이의 거리가 컨택패치의 길이보다 긴 것을 나타내는 도면이며, 도 7은 경화부의 적용여부 및 경화부의 간격에 따라 슬립율 증가에 따른 점착계수 변화를 나타내는 도면이다.
도 5 및 7을 참조하면, 제1 실시예에서 제1경화부(117) 사이의 거리(d2)는 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 짧게 형성될 수 있다.
제1경화부(117) 사이의 거리(d2)가 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 짧게 형성되는 경우, 슬립율의 증가에도 점착계수가 증가하는 positive friction 상태를 유지하게 된다(도 7 참조).
제1경화부(117) 사이의 거리(d2)가 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 짧게 형성되는 경우, 점착계수가 positive friction 상태를 유지하므로, 소음 및 파상마모를 방지할 수 있으며, 추진력 또는 제동력이 설정값 이하로 낮아지는 것을 방지함으로써, 철도차량 등의 레일부재 또는 휠부재에 적용하는 경우, 경사구간 등에서 철도차량이 미끄러지는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 6 및 7을 참조하면, 제2 실시예에서 제1경화부(117) 사이의 거리(d2)는 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3) 보다 길게 형성될 수 있다.
제1경화부(117) 사이의 거리(d2)가 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 길게 형성되는 경우, 슬립율의 증가에도 점착계수가 대체로 증가하는 positive friction 상태를 유지하는 것과 함께, 점착계수의 변동 폭을 줄일 수 있다(도 7참조).
제1경화부(117) 사이의 거리(d2)가 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 길게 형성되는 경우, 점착계수가 positive friction 상태를 유지하므로, 소음 및 파상마모를 방지할 수 있으며, 추진력 또는 제동력이 설정값 이하로 낮아지는 것을 방지함으로써, 철도차량 등의 레일부재 또는 휠부재에 적용하는 경우, 경사구간 등에서 철도차량이 미끄러지는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 제1경화부(117) 사이의 거리(d2)가 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 길게 형성되는 경우, 슬립율의 증가에도 점착계수가 급격하게 증가하는 것을 방지하여, 점착계수의 범위를 설정 범위 이내로 유지할 수 있으므로, 점착계수의 과다한 증가에 의하여 제1부재(100) 또는 제2부재(200)가 마모되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 제2부재(200)는 제2표면(201)을 열처리하여 경화되는 제2경화부(270)를 포함한다. 제2경화부(270)는 제2부재(200)에 레이저를 조사하거나, 진동을 가하는 방식으로 열을 가하여 경화 처리하는 방식으로 형성된다.
제2경화부(270) 역시, 제2표면(201)에서 경화 처리되지 않은 부분 대비 경도가 증가하므로, 경화 처리되지 않은 부위가 제1부재(100)와의 마찰에 의하여 변위되는 것을 차단, 변위 정도를 줄임으로써, 제2부재(200)가 마모되는 것을 줄일 수 있다.
본 실시예에서 제2경화부(270)는 복수 개가 구비되어 제2표면(201)에 동일 간격으로 이격되게 배열되어, 제1부재(100)와의 마찰력이 균일하게 배분되도록 함으로써, 제2부재(200)의 부분 마모를 방지한다.
도 5 및 7을 참조하면, 제1 실시예에서 제2경화부(270) 사이의 거리(d2’)는 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 짧게 형성될 수 있다.
제2경화부(270) 사이의 거리(d2’)가 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 짧게 형성되는 경우, 슬립율의 증가에도 점착계수가 증가하는 positive friction 상태를 유지하게 된다(도 7 참조).
제2경화부(270) 사이의 거리(d2’)가 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 짧게 형성되는 경우, 점착계수가 positive friction 상태를 유지하므로, 소음 및 파상마모를 방지할 수 있으며, 추진력 또는 제동력이 설정값 이하로 낮아지는 것을 방지함으로써, 철도차량 등의 레일부재 또는 휠부재에 적용하는 경우, 경사구간 등에서 철도차량이 미끄러지는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 6 및 7을 참조하면, 제2 실시예에서 제2경화부(270) 사이의 거리(d2’)는 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3) 보다 길게 형성될 수 있다.
제2경화부(270) 사이의 거리(d2’)가 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 길게 형성되는 경우, 슬립율의 증가에도 점착계수가 대체로 증가하는 positive friction 상태를 유지하는 것과 함께, 점착계수의 변동 폭을 줄일 수 있다(도 7참조).
제2경화부(270) 사이의 거리(d2’)가 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 길게 형성되는 경우, 점착계수가 positive friction 상태를 유지하므로, 소음 및 파상마모를 방지할 수 있으며, 추진력 또는 제동력이 설정값 이하로 낮아지는 것을 방지함으로써, 철도차량 등의 레일부재 또는 휠부재에 적용하는 경우, 경사구간 등에서 철도차량이 미끄러지는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 제2경화부(270) 사이의 거리(d2’)가 제1부재(100)와 제2부재(200)의 순간접촉영역인 컨택패치(P)의 길이(d3)보다 길게 형성되는 경우, 슬립율의 증가에도 점착계수가 급격하게 증가하는 것을 방지하여, 점착계수의 범위를 설정 범위 이내로 유지할 수 있으므로, 점착계수의 과다한 증가에 의하여 제1부재(100) 또는 제2부재(200)가 마모되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 마찰장치(1)는 복수 개의 제1경화부(117) 사이의 거리 또는 복수 개의 제2경화부(270) 사이의 거리를 조절하여, 제1부재(100)와 제2부재(200) 사이의 마찰력 또는 점착성능을 조절할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1부재(100)와 제2부재(200)의 상대속도 50km/h에서 경화부(117, 270)가 적용되지 않는 경우, 슬립율이 0.5 ~ 5 % 사이에서 0.4 ~ 0.5 사이의 점착계수를 보이지만, 슬립율 1 %를 초과하면서 점착계수가 감소하는 것을 보인다.
반면, 경화부(117, 270)가 적용되는 경우, 특히 경화부(117, 270) 사이의 간격이 컨택패치(P)보다 작은 경우에는 슬립율이 1%를 초과하더라도 점착계수가 증가하는 positive friction 상태를 유지하여, 마찰력 및 제동력을 유지하여 미끄럼을 방지하고, 소음 및 파상마모가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 경화부(117, 270) 사이의 간격이 컨택패치(P)보다 긴 경우에는 슬립율이 1%를 초과하더라도 점착계수가 증가하는 positive friction 상태를 유지할 뿐만 아니라, 점착계수가 급격하게 증가하는 것을 방지하여, 제1부재(100)와 제2부재(200) 사이의 마모를 방지할 수 있다.
본 실시예에서 제1부재(100)는 한 쌍의 레일부(110)를 포함하는 레일부재로 예시되며, 제2부재(200)는 제1부재(100)에 접하여 회전되는 휠부재로 예시되어 철도차량 등에 적용될 수 있다.
본 실시예에서 레일부(110)는 금속 재질을 포함하여 이루어지며, 고정물(50)에 고정된다. 본 실시예에서 레일부(110)는 레일베이스부(111), 레일헤드부(113) 및 레일연결부(115)를 포함한다.
레일베이스부(111)는 침목 등을 매개로 고정물(50)에 볼팅 등의 방식으로 결합되어, 레일헤드부(113) 및 레일연결부(115)를 지지한다.
레일헤드부(113)는 제2부재(200)인 휠부재에 접하며, 상측면인 제1표면(101)에 열처리되어 형성되는 제1경화부(117)가 단속적으로 구비된다. 즉, 철(Fe)과 탄소(C) 화합물을 포함하여 이루어지는 레일헤드부(113)를 가열하여 경도를 향상시킨 제1경화부(117)가 구비된다.
본 실시예에서 제1경화부(117)는 레일부(110)의 길이 방향을 따라 배열된다. 제1경화부(117)는 열처리 되지 않은 레일헤드부(113) 대비 경도가 높으므로, 휠부재로 예시되는 제2부재(200)와의 접촉 시 돌기로 작용하여 제1부재(100)와 제2부재(200) 사이에 고착영역(stick zone)을 증대시킨다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 제1경화부가 적용된 제1부재 구간을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 제1경화부(117)는 레일부(110)의 경사구간(B, D)에 적용될 수 있다. 레일부(110)의 경사구간(B, D)은 차체부재(300)의 이동 방향을 따라 고도가 높아지는 상향구간(B)과, 반대로 고도가 낮아지는 하향구간(D)으로 나뉜다.
상향구간(B)에서는 차체부재(300)에 작용하는 중력에 의하여 차체부재(300)에 진행방향에 대하여 후방으로 힘이 작용하므로, 정차 등의 경우 제2부재(200)가 레일부(110)에 대하여 미끄러지는 경우가 발생될 수 있는바, 제2부재(200)와 레일부(110) 사이의 마찰력을 증대시킬 필요가 있다.
또한, 하향구간(D)에서는 차체부재(300)에 작용하는 중력에 의하여 차체부재(300)에 진행방향에 대하여 전방으로 힘이 작용하므로, 수평구간(A, C, E) 대비하여 제동거리가 길어질 수 있는바, 제2부재(200)와 레일부(110) 사이의 마찰력을 증대시킬 필요가 있다.
레일연결부(115)는 레일베이스부(111)와 레일헤드부(113)를 연결한다. 본 실시예에서 레일베이스부(111), 레일헤드부(113) 및 레일연결부(115)는 철(Fe)과 탄소(C) 등의 화합물로 구성된 강재를 포함하여 이루어지며, 일체로서 형성된다.
도 2 내지 4를 참조하면, 휠부재로 예시되는 제2부재(200)는 레일부재로 예시되는 제1부재(100)에 접하여 회전되며, 차체부재(300)를 제1부재(100) 상에서 이동시킨다. 본 실시예에서 제2부재(200)는 차축결합부(210), 레일접촉부(230) 및 휠플랜지부(250)를 포함한다.
차축결합부(210)에는 차축(10)이 결합된다. 본 실시예에서 차축결합부(210)는 내측으로 차축(10)이 끼움 결합되어 차축(10)과 함께 회전된다.
레일접촉부(230)는 차축결합부(210)를 둘러싸는 형상으로 형성되며, 레일부(110)에 접하고, 제2경화부(270)가 형성되는 제2표면(201)을 포함하여 제1표면(101)에 접한다. 제2표면(201)에는 제2경화부(270)가 단속적으로 형성된다. 본 실시예에서 제2경화부(270)는 레일접촉부(230)의 외주면에, 외주면을 따라 원주 방향으로 배열된다.
휠플랜지부(250)는 레일접촉부(230)에서 외측으로 연장 형성되며, 레일부(110)의 측면에 접한다.
본 실시예에서 마찰장치(1)는 레일부(110)의 상측면과 레일접촉부(230)의 마찰계수가 0.25보다 크고, 0.40보다 작아지도록, 제1표면(101) 또는 제2표면(201)을 경화처리 할 수 있다.
레일부(110)의 상측면과, 레일접촉부(230)의 마찰계수가 0.25 이하인 경우, 철도차량을 추진하는 추진력 또는 철도차량을 제동하는 제동력을 충분히 확보할 수 없게 되어, 철도차량의 이동 제어가 어려운 문제가 발생된다.
또한, 레일부(110)의 상측면과 레일접촉부(230)의 마찰계수가 0.40 이상인 경우, 레일부(110)의 상측면과 레일접촉부(230) 사이의 마모가 심하게 발생된다. 따라서 본 실시예에서 마찰장치(1)는 레일부(110)의 상측면과, 레일접촉부(230)의 마찰계수가 0.25보다 크고, 0.40보다 작도록, 제1표면(101) 또는 제2표면(201)에 경화처리되는 것을 조절한다.
이러한 경화처리 정도의 조절은 경화부(117, 270)의 면적, 길이(d1), 폭으로 조절하거나, 경화부(117, 270) 사이의 간격 등을 조절하는 방식으로 구현 가능하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 레이저를 이용하여 열처리를 수행하는 상태를 나타내는 도면이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예에서 경화부(117, 270), 즉 제1경화부(117) 또는 제2경화부(270)는 복수의 레이저(L)를 조사하여 형성될 수 있다.
이에 따라 본 실시예에서 마찰장치(1)는 고가의 고출력 레이저 장치를 적용하지 않더라도, 복수의 레이저 조사장치(500)를 이용하여 복수의 레이저(L)를 조사, 경화부(117, 270)를 형성함으로써, 제작 단가를 절감하고, 고출력 레이저에 의한 장치의 파손을 방지한다.
또한, 제1경화부(117) 또는 제2경화부(270)는, 각각 제1표면(101) 또는 제2표면(201)을 유도가열 하는 방식으로 경화처리 하여 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 유도가열을 이용하여 열처리를 수행하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1부재(100) 또는 제2부재(200)를 지그 등에 견고하게 고정한 상태에서 경화부(117, 270)를 적용할 둘레에 유도가열 장치(600)의 유도코일(610)을 위치시키고, 유도가열 장치(600)의 전원부(630)에서 고주파 전류를 보내면 제1, 제2표면(101, 201)에 전류가 유도되고, 해당 전류에 의하여 제1, 제2표면(101, 201) 자체가 저항 가열되는 것을 이용하여 경화처리 될 수 있다.
이에 따라 본 실시예에서 마찰장치(1)는, 유도가열 장치(600)의 유도코일(610)의 형상과 고주파 전류의 출력과 주파수를 조절하여 경화부(117, 270)의 면적, 길이(d1), 폭을 조절하거나, 경화부(117, 270) 사이의 간격(d2, d2’) 등을 조절하는 방식으로 구현 가능하다.
경화부(117, 270)의 형성은 상술한 레이저(L)의 조사 및 유도가열 이외에도, 가스 등을 연소할 때 발생되는 열을 이용한 가열방식, 고온의 매체를 가열한 후 해당 매체를 제1표면(101) 또는 제2표면(201)에 접하도록 위치시켜 가열하는 방식 등 다양한 방식이 적용될 수 있음은 물론이다.
레이저(L)가 조사되거나 진동부에 의하여 가열되는 영역은 온도가 상승하여 마르텐사이트 변태되어, 가열되지 않은 영역 대비 경도가 상승하며, 후처리를 거쳐 인성이 증대된다.
경도가 증대된 영역인 경화부(117, 270)는 제1부재(100)와 제2부재(200)의 마찰 시 돌기와 같은 역할을 하여, 제1부재(100)와 제2부재(200)와의 사이의 마찰계수인 점착계수를 증대시킨다.
제1경화부(117)와 제2경화부(270)의 형상, 간격, 개수 등은 제1부재(100)와 제2부재(200)의 재질, 요구되는 점착계수 등에 따라 달라질 수 있다.
차체부재(300)는 휠부재로 예시되는 제2부재(200)가 회전 가능하게 결합되어, 제2부재(200)의 회전에 따라 레일부재로 예시되는 제1부재(100) 상에서 이동한다.
본 실시예에서 차체부재(300)는 팬터그래프(70)를 통하여 전차선(30)으로부터 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 이용하여 제2부재(200)를 회전시켜, 레일부(110) 상에서 이동한다.
레일부재로 예시되는 제1부재(100)와 휠부재로 예시되는 제2부재(200)에 경화부(117, 270)를 적용한 경우에는 소음의 저감 효과를 얻을 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 경화부의 적용여부 및 간격에 따른 소음크기를 비교한 도면이다.
도 11을 참조하면, 제1부재(100)와 제2부재(200) 사이의 슬립율이 작은 경우(0.5% 미만)에는 경화부(117, 270)를 적용하지 않는 경우가, 경화부(117, 270)를 적용한 것에 비하여 소음이 작지만, 슬립율이 0.5 % 부근에서 소음 정도가 유사하며, 슬립율이 1%를 넘어가는 경우에는 경화부(117, 270)를 적용한 경우의 소음이 경화부(117, 270)를 적용하지 않은 경우 대비 많게는 10dB 이상 작은 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치에서 슬립율 2%일 때, 경화부의 적용여부 및 간격에 따른 소음크기를 비교한 도면이다.
도 12를 참조하면, 경화부(117, 270)의 적용이 없는 경우, 슬립율이 2%에서는 소음값이 100dB을 넘는 것으로 나타났으며, 경화부(117, 270)를 적용한 경우에는 약 90dB의 소음값이 나타나는 것을 알 수 있다.
경화부(117, 270)를 적용한 경우 30Hz 이하의 소음은 미약하게 증가하고, 고주파 성분이 증가되는 것을 알 수 있지만, 전체 소음에 대한 기여도가 낮고, 또한 400 ~ 1000Hz 범위의 소음이 크게 낮아 전체 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰장치(1)의 작동원리 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
레일부(110) 또는 제2부재(200)를 고정 지그 등에 고정한 후, 복수의 레이저조사장치(500)를 이용하여 레이저(L)를 조사한다. 레이저(L)가 조사된 영역은 온도가 상승하여 마르텐사이트 변태되어, 레이저(L)가 조사되지 않은 영역 대비 경도가 상승하며, 후처리를 거쳐 레이저 조사 영역의 인성을 증대시킨다.
경도가 증대된 영역인 제1경화부(117) 또는 제2경화부(270)는 철도차량의 운행시 돌기와 같은 역할을 하여, 제2부재(200)와 레일부(110) 사이의 고착영역(stick zone)을 증대시킨다.
제1경화부(117)와 제2경화부(270)의 형상, 간격, 개수 등은 레일부(110)와 제2부재(200)의 재질, 요구되는 점착계수, 차체부재(300)의 사양 등에 따라 달라질 수 있다.
이로써, 본 실시예에 따른 마찰장치(1)는, 상호 접하여 이동되는 제1부재 (100)또는 제2부재(200)에 경화부(117, 270)를 적용하여 점착계수를 향상시키고, 장치의 마모 및 소음의 발생을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마찰장치(1)는, 경화부(117, 270)가 적용되는 패턴, 경화부(117, 270) 사이의 거리를 조절함으로써, 점착계수, 소음의 발생을 조절할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마찰장치(1)는, 레일부(110)와 제2부재(200) 사이의 점착계수를 증대시켜, 경사구간(B, D)에서 철도차량을 안정적으로 운행할 수 있고, 비상 시 제동력을 확보하여 안전사고를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 마찰장치(1)는 복수의 레이저(L)를 이용하여 열처리를 수행하므로, 상대적으로 단가가 저렴한 저출력(약 500W)의 레이저조사장치(500)를 적용하여 경화처리를 수행할 수 있고, 제1경화부(117) 또는 제2경화부(270)를 복수 개 적용함으로써, 철도차량의 제동성능 등을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서 마찰장치(1)는 제1경화부(117) 또는 제2경화부(270)가 적용되어 레일부(110) 또는 제2부재(200)의 플라스틱 플로우(plastic flow)를 억제하여 레일부(110) 및 제2부재(200)의 내마모 및 내피로를 향상할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 마찰장치(1)는 복수 개의 제1경화부(117) 사이의 간격(d2) 또는 복수 개의 제2경화부(270) 사이의 간격(d2')은, 컨택패치(P) 영역의 종방향 길이(d3)보다 짧게 하여 소음의 발생을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에서 마찰장치(1)는 레일부(110)와 휠부재 사이의 상대속도가 크게 발생하는 경우에도 점착계수가 줄어들지 않도록 유지할 수 있어, 레일부(110)와 휠부재 간 발생되는 소음, 마모 및 마찰에너지를 저감할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 마찰장치(1)는 레일부(110)와 휠부재 사이의 점착계수가 소정의 범위 이내에 들어가게 하여, 레일부(110)와 휠부재 간 발생되는 소음, 마모 및 마찰에너지를 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에서 마찰장치(1)는 제1경화부(117)의 중심부 또는 제2경화부(270)의 중심부 사이의 간격(d2, d2’)을 제1부재(100)와 제2부재(200)의 컨택패치(P)의 종방향 길이(d3)보다 길게 함으로써, 제1부재(100)와 제2부재(200) 사이의 점착계수를 설정 범위 이내에 들어가게 하여, 제1부재(100)와 제2부재(200) 간 발생되는 소음, 마모 및 마찰에너지를 줄일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 제1표면을 구비하는 제1부재; 및
    상기 제1표면에 접하는 제2표면을 구비하며, 상기 제1부재와 접하여 이동하는 제2부재;를 포함하며,
    상기 제1표면 또는 상기 제2표면 중 적어도 어느 하나는 경화처리되는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1표면 또는 상기 제2표면은 단속적으로 경화처리되는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제1부재는,
    상기 제1표면을 열처리하여 경화되는 제1경화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제1경화부는,
    복수 개가 구비되어 상기 제1표면에 배열되는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  5. 제 4항에 있어서, 복수 개의 상기 제1경화부는,
    동일 간격으로 이격되게 배열되는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  6. 제 4항에 있어서, 복수 개의 상기 제1경화부 사이의 거리는,
    상기 제1부재와 상기 제2부재의 순간접촉영역인 컨택패치의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  7. 제 4항에 있어서, 복수 개의 상기 제1경화부 사이의 거리는,
    상기 제1부재와 상기 제2부재의 순간접촉영역인 컨택패치의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  8. 제 3항에 있어서, 상기 제2부재는,
    상기 제2표면을 열처리하여 경화되는 제2경화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제2경화부는,
    복수 개가 구비되어 상기 제2표면에 배열되는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  10. 제 9항에 있어서, 복수 개의 상기 제2경화부는,
    동일 간격으로 이격되게 배열되는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  11. 제 9항에 있어서, 복수 개의 상기 제2경화부 사이의 거리는,
    상기 제1부재와 상기 제2부재의 순간접촉영역인 컨택패치의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  12. 제 9항에 있어서, 복수 개의 상기 제2경화부 사이의 거리는,
    상기 제1부재와 상기 제2부재의 순간접촉영역인 컨택패치의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  13. 제 9항에 있어서, 복수 개의 상기 제1경화부 사이의 거리 또는 복수 개의 상기 제2경화부 사이의 거리를 조절하여, 상기 제1부재와 상기 제2부재 사이의 마찰계수를 조절하는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 제1부재는,
    레일부를 포함하는 레일부재인 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 레일부는,
    고정물에 결합되는 레일베이스부;
    상기 제1경화부가 형성되는 상기 제1표면을 포함하여, 상기 제2부재에 접하는 레일헤드부; 및
    상기 레일베이스부와 상기 레일헤드부를 연결하는 레일연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 제2부재는,
    상기 제1부재에 접하여 회전되는 휠부재인 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 제2부재는,
    차축이 결합되는 차축결합부;
    상기 차축결합부를 둘러싸며, 상기 레일부에 접하고, 상기 제2경화부가 단속적으로 구비되는 레일접촉부; 및
    상기 레일접촉부에서 연장 형성되며, 상기 레일부의 측면에 접하는 휠플랜지부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제2경화부는, 상기 레일접촉부의 외주면에 원주 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 제1부재는, 레일부를 포함하는 레일부재이고,
    상기 제2부재는, 상기 레일부의 상측면에 접하는 레일접촉부를 포함하는 휠부재이며,
    상기 레일부의 상측면과 상기 레일접촉부의 마찰계수가 0.25보다 크고, 0.40보다 작아지도록 상기 제1표면 또는 상기 제2표면이 경화처리되는 것을 특징으로 하는 마찰장치.
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