철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치 {rotatory motion constraining apparatus of pair wheels for a low floor railway vehicle}
본 발명은 철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 차량 바닥 전면이 낮아지도록 차축이 없으면서도 한 쌍의 차륜의 회전각을 구속하여 동일하게 구르게 설계하면서도 그 구조가 간단한 철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량에서는 철도차륜이 차축으로 연결되는 일체형 윤축(輪軸)을 이용하고 있다. 이때, 차륜은 테이퍼진 단면을 가지고 있어 레일 상을 구르며 주행할 때 한쪽으로 치우친 경우에는 서로 다른 속도 차에 의한 복원력이 작용하여 중앙으로 돌아오게 되어 안정하게 주행한다. 한편, 노면 경량전철(이하, '트램'이라 한다.)에서 승객의 탑승 시 편리성을 위하여 차량 바닥을 낮춘 저상 차량이 운행되고 있으며, 이와 같은 트램은 윤축의 차축 공간까지 차량 바닥을 넓히기 위하여 차축을 제거한 독립형 차륜이 이용되고 있다. 이러한 차축의 제거로 양 차륜의 회전은 독립적으로 이루어지게 되어 복원력이 발생하지 않고, 다만 중력에 의한 힘이 작용할 뿐이어서 중앙으로 복원하기 위한 복원력이 부족하다. 따라서, 차량이 주행시 차륜의 플랜지와 레일이 주로 접촉하게 되어 차륜의 마모가 커지고 소음이 발생하거나 분기기에서의 탈선이 발생하는 등의 문제점이 있었다. 물론, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 유럽 공개특허 EP0911239A1호 및 일본 공개특허 JP2004-276730호에 제시된 기술이 있다. 먼저, 상기 유럽 공개특허 EP0911239A1호에는 레일 위로 350 mm 높이의 차량 바닥을 확보하기 위하여 연결 샤프트와 여러 기어를 통해 차축 없이 양측 차륜의 회전을 구속하는 구조가 제시되어 있는데, 이는 연결 샤프트의 한쪽에 여러 기어를 통해 전동기와 연결되어 구동력이 전달되고 양 차륜을 회전시키며, 전동기는 차축과 평형을 이루며 설치되고, 전동기가 있는 차륜의 반대편 차륜에는 브레이크디스크를 연결하여 제동력을 발생할 수 있는 구조로 이루어지며, 대차의 뒤쪽 차륜들도 앞쪽과 동일하게 대칭되도록 배치된다. 그리고, 상기 일본 공개특허 JP2004-276730호에는 양측 차륜의 회전 구동력을 전달하는 구동력 전달 기구를 설치한 구조가 제시되어 있는데, 이는 각 차륜을 지지하는 축에 톱니바퀴가 설치되고 톱니바퀴를 통해 다시 연결 샤프트로 구속된다. 특히 기어들은 액슬박스와 톱니바퀴상자가 겸하도록 되어 있다. 이때, 기어들의 배치는 상황에 따라 몇 가지 종류가 제시되어 있으며, 특히 연결 샤프트와 차축 간의 거리를 더 크게 하기 위하여 추가적인 기어들도 사용한다. 이와 같은 추가적인 기어들은 한쪽 당 2개의 베벨기어를 사용하거나 또는 4개의 톱니바퀴를 사용해 회전 구동력을 전달하는 구조가 제시된다. 그런데, 상기 유럽 공개특허 EP0911239A1호에는 대차 프레임과 겸하는 구조물 내에 연결 샤프트를 두고 차륜의 기어와 연결되는 배치의 방식으로 이루어져 1차 현가장치를 설치하기 어려운 구조적 단점이 있을 뿐만 아니라, 기어의 유지보수시에는 프레임 부분을 분해하기 어려운 문제점이 있다. 그리고, 상기 일본 공개특허 JP2004-276730호에는 차량 바닥의 높이를 더욱 낮추기 위하여 연결 샤프트와 차축 간의 거리를 키우는데 있어서 액슬박스와 겸해서 설치되어 있어서 기어의 크기를 적절하게 크게 하는데 제한이 따른다. 즉, 연결 샤프트와 차축 간의 거리를 크게 할 수 없으며, 베벨기어 등을 추가하여야 하므로 그 구조가 복잡해진다. 또한 한 쪽에 4개의 톱니바퀴를 이용하여 연결 샤프트와 차축 간의 거리를 크게 할 수 있지만 이 역시 구조가 복잡해 제작성과 유지보수 면에서 비효율적인 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 차량 바닥 전면이 낮아지도록 차축이 없으면서도 한 쌍의 차륜 회전각을 구속하여 동일하게 구르게 설계함은 물론 그 구조가 간단하여 제작이 용이하고 유지보수가 용이한 철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 차량 바닥의 높이를 낮추어 승객들의 접근성이 뛰어나고 유모차 이용자, 고령자 등 교통약자들에게 고품질 서비스를 제공하면서도 안전한 주행을 가능하게 하고 유지보수 측면에서 경제적인 철도차량의 운행을 가능케 하는 철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은; 제1 및 제2차륜의 안쪽면에 각각 형성되는 제1 및 제2내접기어와; 상기 제1 및 제2내접기어에 각각 치합되는 제1 및 제2연동기어가 양단에 일체로 결합되어 연동회전하는 연결샤프트;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치를 제공한다. 이때, 상기 제1 및 제2차륜의 제1 및 제2차축은 연결프레임의 양단에 일체로 결합 구비되는 제1 및 제2액슬박스의 제1 및 제2축공에 축설되고; 상기 연결샤프트는 상기 제1 및 제2액슬박스의 하부와 연결 프레임에 형성되는 관통공에 설치되는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 제1차륜의 일측에는 차량의 견인을 위한 구동수단이 구비되고, 상기 제2차륜의 일측에는 제동을 위한 제동수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 연결샤프트는 상기 제1 및 제2차륜의 중앙에 형성되는 제1 및 제2차축의 하측에 위치하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 제1 및 제2액슬박스와 연결 프레임에는 상기 제1 및 제2차륜의 제1 및 제2내접기어를 감싸는 제1 및 제2기어커버가 더 고정되는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 연결 프레임은 그 양단에 제1 및 제2차륜의 테두리 외측으로 제1 및 제2사이드 프레임이 연장 형성되는 것을 특징으로 한다. 한편, 상기 제1 및 제2사이드 프레임에 상기 제1 및 제2차륜의 제1 및 제2차축이 축설되는 제1 및 제2축공을 갖는 제1 및 제2액슬박스가 일체로 결합된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제1 및 제2차륜의 일측에는 차량 제동을 위한 제동수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 저상대차용 차륜 회전구속 장치를 통하여 기존 일체형 차륜 방식에서와 같은 동역학적으로 안정된 차량 주행이 가능하도록 하고 차륜 마모가 과다하지 않도록 하면서 차량바닥을 레일 면 위 350 mm 이하로 낮출 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명에 따른 저상대차용 차륜 회전구속 장치는 종래의 회전구속 장치와 비교하여서는 좁은 공간에 설치가 가능하고, 1차 및 2차 현가장치를 모두 설치할 수 있는 방식으로 승차감 및 동적 안전성 제어 측면에서 유리할 뿐만 아니라 구조가 단순하면서도 원하는 높이로의 차량 저상화를 이룰 수 있는 장점도 있다. 또한, 이와 같은 저상대차용 차륜 회전구속 장치를 활용하여 차량 바닥의 높이를 낮추어 줌으로써 승객들의 접근성이 뛰어나고, 철도차량을 이용하는 유모차 이용자나 고령자 등의 교통약자들에게 안전하면서도 고품질 서비스를 제공함은 물론 유지보수 측면에서도 경제적인 잇점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 철도차량용 저상대차의 차륜 및 회전구속 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 회전구속장치의 요부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 철도차량용 저상대차의 차륜 쌍 및 회전구속 장치가 설치되는 엑슬박스 및 연결프레임을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1 및 도 2의 차륜 쌍 및 회전구속 장치가 엑슬박스 및 연결프레임에 조립된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 일측 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 철도차량용 저상대차의 차륜 및 회전구속 장치를 동력대차에 적용한 예를 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 동력대차의 정면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 철도차량용 저상대차의 차륜 및 회전구속 장치를 종대차에 적용한 예를 도시한 사시도이다.
도 9는 도 8의 동력대차의 정면도이다.
도 10은 도 8의 동력대차의 차륜 쌍 및 회전구속 장치가 설치되는 엑슬박스 및 연결프레임을 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 차륜 쌍 및 회전구속 장치가 도 10의 엑슬박스 및 연결프레임에 조립된 상태를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치를 첨부한 도면들을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치는 차축이 없이 차축 공간까지 차량 바닥을 넓히고자 하는 철도차량용 저상대차에 적용하여 양측 차륜의 회전각을 구속한다. 이때, 저상대차에는 1차 및 2차 현가장치를 모두 설치하도록 하고 제한된 설치공간과 저중량 및 유지보수성 등을 고려하여 간결하게 설계함이 바람직하다. 이와 같은 본 발명에 따른 철도차량용 저상대차 차륜 쌍의 회전구속 장치는 동력대차(driving bogie)와 종대차(trailing bogie)에 모두 적용할 수 있다.
먼저, 도 1 내지 도 5에 의하면 본 발명에 따른 저상대차용 차륜 및 회전구속 장치(100)는 제1 및 제2차륜(110,120)의 안쪽면에 각각 형성되는 제1 및 제2내접기어(112,122)와, 상기 제1 및 제2내접기어(112,122)에 각각 치합되는 제1 및 제2연동기어(132,133)가 양단에 일체로 결합되어 연동회전하는 연결샤프트(130)로 이루어진다. 좀 더 상세하게는 상기 제1 및 제2차륜(110,120)은 중앙에 제1 및 제2차축(111,121)이 각각 돌출형성되고, 안쪽면에 제1 및 제2내접기어(112,122)가 형성된다. 이와 같은 제1 및 제2내접기어(112,122)는 제1 및 제2차축(111,121)과 일정거리 이격된 거리상에 위치하는 것으로, 상기 연결샤프트(130)의 제1 및 제2연동기어(132,133)와 각각 치합된다. 이때, 상기 연결샤프트(130)는 상기 제1 및 제2차륜(110,120)의 중앙에 짧게 형성되는 제1 및 제2차축(111,121)에 비해 하측에 위치한다. 이와 같이 연결샤프트(130)를 제1 및 제2차축(111,121)에 비해 낮게 형성함으로써 차량바닥을 레일 면 위 350 mm 이하로 낮게 형성할 수 있음은 물론 상대적으로 좁은 공간에서도 적용할 수 있다. 이와 같은 구조에 의해 예를 들어 제1차륜(110)이 회전하게 되면 그 제1차륜(110)의 안쪽면에 형성되는 제1내접기어(112)가 회전 이동하게 되고 그에 따라 제1내접기어(112)에 치합되는 연결샤프트(130)의 일단에 구비되는 제1연동기어(132)가 회전한다. 따라서, 연결샤프트(130)가 회전하게 되고 연결샤프트(130)의 타단에 구비되는 제2연동기어(133)에 치합되는 제2내접기어(122)를 갖는 다른 쪽 제2차륜(120)이 회전하게 된다. 즉, 동일한 회전각으로 제1 및 제2차륜(110,120)이 레일 위를 구르도록 할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2차륜(110,120)의 안쪽면에 설치되는 제1 및 제2내접기어(112,122)는 제1 및 제2차륜(110,120)의 안쪽면을 가공하여 일체형으로 하거나, 기어(톱니)를 차륜 몸체의 안쪽면에 용접하거나 볼트 체결하는 등의 다양한 방식을 적용할 수 있다. 또한, 차륜 답면이 분리가 가능한 탄성차륜의 경우 별도의 체결부재(미도시됨)를 더 구비하여 내접기어를 형성함도 가능하다. 이와 같이 제1 및 제2차륜(110,120)의 안쪽면에 형성되는 제1 및 제2내접기어(112,122)는 일반적인 평기어에 비해 제1 및 제2차륜(110,120)의 안쪽 부피를 줄이고, 제1 및 제2차륜(110,120)의 무게 역시 최소화할 수 있어 안정된 동역학적 성능을 확보하는데 유리하다. 이와 같은 본 발명에 따른 저상대차용 차륜 및 회전구속 장치(100)를 구성하는 제1 및 제2내접기어(112,122)와 연결샤프트(130)는 제1 및 제2액슬박스(10,20) 및 연결프레임(30)에 설치 고정된다. 즉, 상기 연결프레임(30)은 양단에 제1 및 제2차륜(110,120)의 제1 및 제2차축(111,121)이 회전이 자유롭게 축설되는 제1 및 제2축공(12,22)을 갖는 제1 및 제2액슬박스(10,20)가 일체로 결합 구비된다. 이때, 상기 제1 및 제2차륜(110,120)을 제1 및 제2액슬박스(10,20)에 조립하는 경우에는 상기 제1 및 제2차륜(110,120)의 제1 및 제2내접기어(112,122)를 감싸는 형태의 제1 및제2기어커버(14,24)를 제1 및 제2액슬박스(10,20) 및 연결 프레임(30)에 볼트 등의 체결수단(미도시됨)으로 고정시켜 주게 되어 이물질 등이 제1 및 제2차륜(110,120)의 안쪽면으로 들어가는 것을 방지한다. 한편, 상기 제1 및 제2액슬박스(10,20)의 하부와 연결 프레임(30)에는 연결샤프트(130)가 관통되는 관통공(33)이 형성되며, 연결샤프트(130)가 회전이 자유롭게 관통설치된다. 이때, 상기 연결샤프트(130)는 제1 및 제2액슬박스(10,20)와 연결 프레임(30)을 관통하는 관통공(33) 내에서 저항없이 부드럽게 회전할 수 있도록 다수의 볼베어링(미도시됨)으로 연결샤프트(130)를 지지하여 줌이 바람직하다. 이와 같은 구조의 저상대차용 차륜 회전구속 장치(100)를 통하여 기존 일체형 차륜 방식에서와 같은 동역학적으로 안정된 차량 주행이 가능하고 차륜 마모가 과다하지 않도록 하면서도 차량의 바닥을 레일 면 위에서 350 mm 이하로 낮게 설계할 수 있다. 특히 좁은 공간에 설치가 가능하면서도, 1차 및 2차 현가장치를 모두 설치할 수 있는 방식으로 승차감이 향상됨은 물론 동적 안전성 제어가 가능하며 원하는 차량 높이로의 저상화 역시 가능해진다.
이와 같은 본 발명에 따른 저상대차용 차륜 및 회전구속 장치(100)가 설치된 다수의 제1 및 제2액슬박스(10,20)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 동력대차에 적용할 수 있다. 이때, 제1 및 제2액슬박스(10,20)에는 스프링(40)을 대차 프레임(50) 사이에 연결하여 1차 현가장치가 될 수 있도록 할 수 있다. 특히 대차 프레임(50)은 연결프레임(52)을 통하여 양측 제1 및 제2차륜(110,120)의 축방향 변위가 고정되어 주행 안정성을 높이고, 대차 프레임(50)에는 차량의 차체(미도시됨)와의 사이에 스프링(60)을 설치하여 2차 현가장치를 설치할 수 있다. 따라서, 1차 및 2차 현가장치를 모두 사용하여 차량이 레일 위를 주행시 발생하는 진동을 저감시켜 승차감을 향상시키고 동적 안정성을 높일 수 있다. 한편, 동력대차는 차량의 견인을 위한 구동수단(70)과 제동을 위한 제동수단(80)이 구비된다. 도 6 및 도 7은 차량의 견인을 위한 구동수단(70)으로 2개의 구동모터(72)를 가지는 동력대차의 예를 도시한 것이다. 이 경우 상기 구동수단(70)은 구동모터(72)와 상기 구동모터(72)의 회전력을 제1차륜(110)에 전달하는 공지의 구동기어(74)로 이루어진다. 이때 상기 구동기어(74)는 다양한 기어 구성으로 조합될 수 있음은 당연하다. 또한, 상기 제동수단(80)은 차륜의 일측에 구비되는 브레이크디스크(82)와, 상기 브레이크디스크(82)를 가압하는 브레이크패드(84)로 이루어진다. 이와 같은 구동수단(70)과 제동수단(80)이 구비됨으로써 동력대차의 기존적인 구성이 우러지게 된다. 이와 같은 구성에 의해 예를 들어 어느 한쪽의 구동모터(72)가 구동되면 구동기어(74)를 통해 제1차륜(110)에 구동력이 전달된다. 따라서 제1차륜(110)이 회전하게 되면 상대적으로 제1차륜(110)의 안쪽면에 형성되는 제1내접기어(112)가 회전하게 되면서 제1연동기어(132)가 구비되는 연결 샤프트(130)가 연동 회전하게 된다. 그리고, 연결 샤프트(130)의 제2연동기어(133)와 치합되는 제2차륜(120) 역시 회전하게 된다. 그리고, 다른 한쪽의 제동수단(80)이 작동되면 제2차륜(120)의 브레이크디스크(82)의 제동력이 제2차륜(120)에 전달되어 연결 샤프트(130) 및 제1차륜(110)에 그대로 전달되어 제동을 하게 된다. 한편, 다른 구동모터(72)는 대각선 방향 대칭으로 설치되어 위에서 언급하지 않은 다른 차륜을 구동하고, 역시 반대편에는 브레이크디스크(82) 및 브레이크패드(84)를 설치할 수 있다. 이와 같은 구조로 인해 차축으로 연결된 일체형 차륜 방식과 동일하게 차륜의 치우침에 대한 복원력의 발생이 이루어질 수 있어 안정된 주행이 가능하다. 또한, 차축이 있던 공간까지 차량 바닥을 낮출 수 있어서 승객의 승하차 시 편리하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 저상대차용 차륜 및 회전구속 장치가 설치된 액슬박스는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 종대차에 적용할 수 있다. 이때, 종대차는 차량의 견인을 위한 구동수단이 필요 없고, 제동을 위한 제동수단(80)만 구비된다. 따라서, 종대차에 대해 적용하는 경우 구동모터를 설치하지 않으므로 연결프레임(30)의 구조를 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이 설계 변형함으로써 차량의 공간활용을 극대화함이 바람직하다. 이를 위해 상기 연결프레임(30)은 그 양단에 제1 및 제2차륜(110,120)의 외측으로 제1 및 제2사이드 프레임(32,33)이 연장 형성된다. 그리고, 상기 제1 및 제2사이드 프레임(32,33)에 제1 및 제2차륜(110,120)의 제1 및 제2차축(111,121)이 회전이 자유롭게 축설되는 제1 및 제2축공(12,22)을 갖는 제1 및 제2액슬박스(10,20)가 일체로 결합한다. 따라서, 연결 프레임(30)에 고정되는 제1 및 제2액슬박스(10,20)가 제1 및 제2차륜(110,120)의 외측부에 설치되고, 연결 프레임(30)의 내부에 연결 샤프트(130)가 삽입된다. 물론, 제1 및 제2차륜(110,120)의 바깥쪽에는 브레이크디스크(82) 및 브레이크패드(84)를 설치한다. 즉, 모든 차륜에 제동장치를 설치하여 제동력을 최대로 할 수 있다. 이와 같은 제1 및 제2차륜(110,120)의 외측으로 사이드 프레임(32,33)이 설치되어 저상 바닥을 더욱더 넓게 설계 및 활용할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
10: 제1액슬박스 20: 제2액슬박스
30: 연결프레임 100: 차륜 및 회전구속 장치
110: 제1차륜 111: 제1차축
112: 제1내접기어 120: 제2차륜
121: 제2차축 122: 제2내접기어
130: 연결샤프트 132: 제1연동기어
133: 제2연동기어 |
