Ｙ형 모노레일 시스템용 다자유도 철도차량{Railcar of multiple degrees of freedom for Y type monorail system}
본 발명은 Y형 모노레일 시스템용 철도차량에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 여러 가지 원인에 의해 발생하는 벡터력(vector force: 방향성을 가진 외력)이 철도차량의 차체(carriage: 승객이 머무는 객실)에 작용할 때, 차체가 철도차량의 구동대차에 대해 상하좌우로 소정의 각도 범위 내에서 각변위(角變位)하거나, 구동대차와 차체 사이의 수직간격이 변하게 하여, 차체와 구동대차 사이의 연결부위인 센터피봇에 비틀림력이나 전단력이 가해지지 않도록 함으로써, 철도차량의 운행안전성과 내구성이 동시에 향상될 수 있도록 한, Y형 모노레일 시스템용 다자유도(多自由度) 철도차량에 관한 것이다.
본 발명의 종래기술로서, 예를 들면 대한민국 등록특허 제10-0754802호(모노레일 시스템, 특허권자: 스벤슨 에이너)가 공지되어 있다. 도 6은 상기 등록특허에서 제안되는 Y형 모노레일 시스템을 나타낸 것으로서, 지면으로부터 설정 높이에 가설된 Y형 모노레일(510)을 따라, 후술하는 철도차량이 운행하도록 구성되어 있다. 상기 철도차량은 승객이 타고 내리는 차체(520)와, 차체의 플로어(521) 밑에 배치되는 구동대차(530)로 이루어져 있는데, 상기 구동대차의 프레임(534)의 중앙에는 센터피봇 어셈블리(540)가 설치되어 있어, 상기 차체에 외력이 가해지는 경우에, 차체가 구동대차와 평행을 유지한 상태로 소정의 각도 범위 내에서 요운동(yaw motion, 수평면 내에서의 선회)을 하도록 구성되어 있다. 그러나 종래 Y형 모노레일 시스템에서 사용하던 철도차량은 구동대차(530)의 가속, 제동, 방향전환 시에 발생하는 관성력 또는 풍력(風力)과 같은 외력이 차체에 가해질 때, 구동대차의 센터 프레임의 중앙에 설치된 센터피봇 어셈블리(540)를 중심으로 차체가 요운동(yaw motion)만 할 뿐, Y형 모노레일(510)의 좌우방향으로 기울어지는 롤운동(roll motion)이나 Y형 모노레일의 앞뒤방향으로 기울어지는 피치운동(pitch motion)은 전혀 행할 수 없었다. 따라서, 롤운동 방향이나 피치운동 방향으로 차체에 힘이 가해지는 경우, 차체를 통해 센터피봇 어셈블리에도 비틀림력이나 전단력이 가해지기 때문에, 이와 같은 비틀림력이나 전단력에 의해 센터피봇 어셈블리의 내구성이 저하되고, 결과적으로 철도차량의 내구수명이 짧아짐은 물론, 철도차량의 운행 시 소음이 발생하고, 더 나아가서는 철도차량의 안전운행에도 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 외력(풍력이나 관성력 등)이 가해지는 방향에 따라, 구동대차의 센터프레임에 설치된 다자유도(多自由度) 센터피봇 어셈블리를 중심으로 Y형 모노레일 시스템용 철도차량의 차체가 요운동(yaw motion), 롤운동(roll motion), 피치운동(pitch motion), 상하운동(up-and down) 중 적어도 어느 한 운동을 행하도록 하여, 차체와 구동대차의 연결부위가 파손되는 일이 없도록 한 다자유도 철도차량을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 과제의 해결을 위해 제안되는 본 발명의 Y형 모노레일 시스템용 다자유도 철도차량은, 승객이 타고 내리는 차체 및 이 차체 밑에 배치되는 구동대차로 이루어지며, 그 중 상기 구동대차는 센터 프레임의 중앙에 다자유도(多自由度) 센터피봇 어셈블리가 설치되어 있고, 상기 차체는 플로어에 결합된 다자유도 센터피봇 어셈블리를 중심으로, 구동대차에 대해 요운동(yaw motion), 롤운동(roll motion), 피치운동(pitch motion) 중 적어도 어느 한 운동이 행해지도록 구성된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 특징적 구성요소인 다자유도 센터피봇 어셈블리는, 구동대차의 센터 프레임에 하단부가 지지되면서 상단부가 돌출되도록 설치되는 피봇과, 피봇의 상단부가 내측에 끼워지고 차체의 플로어가 상단에 결합하는 연결유닛 및 상기 피봇의 상단부와 연결유닛의 내측 사이에 삽입되는 스페리컬 베어링으로 구성된 것을 특징으로 한다. 또한, 상술한 다자유도 센터피봇 어셈블리는 피봇의 상단부와 스페리컬 베어링 사이에, 내구성 및 유지보수성의 향상을 위한 금속캡이 더 끼워져 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상술한 다자유도 센터피봇 어셈블리는 금속캡과 스페리컬 베어링 사이에, 상기 구동대차에 대한 차체의 상하운동(up-and-down motion)을 가능하게 하는 부시(bush)와 탄성요소가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상술한 연결유닛은 상기 피봇의 상단부가 내측으로 끼워지는 원통과, 차체의 플로어(floor)에 결합하도록 상기 원통의 상단에 설치되는 연결판과, 이 연결판의 강도 향상을 위해 일측은 상기 원통의 외면에 고정되고 타측은 상기 연결판에 고정되는 브레이스로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 구성되는 본 발명의 Y형 모노레일 시스템용 다자유도 철도차량에 의하면, 승객이 타고 내리는 차체가 다자유도 센터피봇 어셈블리를 통해 구동대차에 결합하므로, 다자유도 센터피봇 어셈블리를 중심으로, 상기 차체가 자유롭게 변위될 수 있다. 그 결과, 여러 원인에 의해 발생하는 외력이 차체에 가해지면, 차체나 구동대차에 미치는 외력에 의한 악영향이 감소하는 방향으로 차체가 변위되어, 철도차량의 내구성이 향상된다. 즉, 대부분의 외력이 차체를 변위시키는데 사용되고 일부만이 다자유도 센터피봇 어셈블리에 가해지므로, 종래 철도차량보다 본 발명에 따 른 철도차량의 내구성이 향상되는 것이다. 그리고 이와 같이 철도차량의 내구성이 향상됨에 따라, 철도차량의 운행안전성도 향상된다. 또한, 차체가 스페리컬 베어링의 변화를 통해, 요운동(yaw motion)을 하거나 롤운동(roll motion)을 하거나 피치운동(pitch motion)을 함으로써, 차체가 구동대차에 대해 변위하는 경우에 소음이 잘 생기지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 Y형 모노레일 시스템용 다자유도 철도차량의 구성 및 작용에 대해 설명한다. 한편, 본 발명에 따른 Y형 모노레일 시스템용 다자유도 철도차량의 구성요소 중, 종래기술로서 언급한 등록특허 제10-0754802호를 통해 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 구성요소에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다. 따라서 이하의 각 실시예에서는 본 발명의 특징적 구성요소인 다자유도 센터피봇 어셈블리만 다루어진다. 실시예 1 첨부도면 중, 도 1은 본 발명에 따른 Y형 모노레일 시스템용 철도차량의 부분 모형도이고, 도 2는 상기 철도차량으로부터 구동대차만 분리하여 나타낸 모형도이며, 도 3은 상기 철도차량을 구성하는 구동대차와 차체가 서로 수평을 이루고 있을 때의 요부(要部) 단면도이고, 도 4는 상기 구동대차와 차체가 서로 경사를 이루고 있을 때의 요부 단면도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 다자유도(多自由度) 철도차량은 Y형 모노레일을 따라 주행하는 구동대차(200)와 차체(100)로 구성되며, 상기 차체의 길이에 따라, 구동대차의 사용개수가 달라진다. 도 1 및 2에 나타나 있듯이, 상기 구동대차는 센터 프레임(210)에 의해 내부영역이 좌우 2개의 영역으로 구획되어 보이는 장방형 프레임워크와, 센터 프레임을 사이에 두고 상기 프레임워크의 좌우측 내부영역에 각각 설치되는 주행휠(300)과, 상기 프레임워크의 전후측에 각각 2개가 쌍을 이루어 설치되는 스테빌라이저 가이드휠(400) 및, 상기 차체와의 결합을 위해 상기 센터 프레임의 중앙에 설치되는 다자유도 센터피봇 어셈블리(220)로 이루어져 있다. 도 1 내지 4에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 다자유도 센터피봇 어셈블리(220)는, 그 하단부가 센터 프레임(210)에 지지되면서 상단부가 센터 프레임에서 돌출하도록 설치된 피봇(221)과, 피봇(221)의 상단부가 내측에 끼워진 상태로 상기 차체의 플로어(110)와 결합하는 연결유닛(222) 및, 상기 피봇의 상단부와 상기 연결유닛의 내측 사이에 끼워지는 스페리컬 베어링(223)으로 구성되어 있다. 또한, 상기 연결유닛은, 피봇(221)의 상단부가 내측으로 끼워지는 짧은 길이의 원통(251)과, 상기 플로어에 고정할 수 있도록 상기 원통(251)의 상단에 설치되는 연결판(252)과, 상기 연결판이 큰 하중을 지지할 수 있도록 상기 원통의 외면과 상기 연결판의 뒷면 사이에 용접되는 브레이스(253)로 구성되어 있다. 한편, 상기 연결유닛을 주물로 제작하는 경우, 상기 브레이스의 양단부를 원통과 연결판에 고정하기 위한 용접작업이 생략될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 다자유도 센터피봇 어셈블리의 내구성 향상과 유지 보수성의 향상을 위해, 상기 피봇의 상단부와 스페리컬 베어링(223) 사이에는 역Ｕ자 형상의 금속캡(224)이 끼워져 있다. 이상과 같이 구성되는 본 실시예의 다자유도 철도차량에 의하면, 차체(100)와 구동대차(200)가 다자유도 센터피봇 어셈블리(220)를 통해 결합하고 있기 때문에, 외력이 가해지는 방향으로 상기 차체가 변위될 수 있다. 그 결과, 상기 차체와 구동대차의 연결부위인 다자유도 센터피봇 어셈블리(220)가 외력에 의해 쉽게 파손되지 않으므로, 철도차량의 내구성과 운행안전성이 모두 향상된다. 실시예 2 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 센터피봇 어셈블리를 나타낸 요부 단면도이다. 도 5에서 참조되는 바와 같이, 상기 금속캡과 스페리컬 베어링(223) 사이에는 부시(225)가 끼워져 있고, 상기 부시의 하면과 센터 프레임(210)의 상면 사이에는 스프링과 같은 탄성요소(226)가 더 배치되어 있다. 따라서, 승객 수에 증감함에 따라, 상기 차체가 상기 구동대차에 대해 수직인 방향으로 상하운동을 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 Y형 모노레일 시스템용 철도차량의 부분 모형도. 도 2는 도 1의 철도차량으로부터 구동대차만 분리하여 나타낸 모형도. 도 3은 도 1의 철도차량을 구성하는 구동대차와 차체가 서로 수평을 이루고 있을 때의 요부(要部) 단면도. 도 4는 도 1의 철도차량을 구성하는 구동대차와 차체가 서로 경사를 이루고 있을 때의 요부 단면도. 도 5는 본 발명에 의한 다른 구성의 센터피봇 어셈블리가 사용된 경우를 나타낸 요부 단면도. 도 6은 종래 구성에 따른 Y형 모노레일 시스템용 철도차량의 요부 단면도. [도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명] 100...차체(carriage) 110...플로어(floor) 200...구동대차(bogie) 210...센터 프레임(center frame) 220...다자유도(多自由度) 센터피봇 어셈블리(center pivot assembly) 221...피봇(pivot) 222...연결유닛(connecting unit) 223...스페리컬 베어링(spherical bearing) 224...금속캡(metal cap) 225...부시(bush) 226...탄성요소(elastic element) 251...원통(short pipe) 252...연결판(connecting plate) 253...브레이스(brace) 300...주행휠(driving wheel) 400...스테빌라이저 가이드휠(stabilizer guide wheel) |
