차로의 편경사 검사장치{An inspection device for superelevation of high ways}

본 고안은 차로(車路)의 편경사(片傾斜) 검사장치에 관한 것이다. 특히 본 고안은 고속도로나 일반 도로에서 차량의 안전사고와 상당한 관련이 있는 편경사(片傾斜)가 설계서의 수치대로 시공되어 있는지 여부를 단시간 내에 정확하고 쉽게 검측할 수 있는 기술에 대하여 개시한다.

지금까지는 차로의 편경사가 설계서의 수치대로 시공되었는지의 여부를 검사하는데 수준의(水準儀)를 사용하고 있다. 수준의는 정확도면에서는 매우 우수하지만 전술한 바와 같이 수준의의 정치와 측정과정이 매우 번거롭고 시간이 걸린다.

한 개의 평면곡선 부에 대한 편경사를 측정하는데는 전술한 바와 같이 2 내지 3인의 인력과, 30분 내지 60분의 시간이 소요되기 때문에, 많은 준공검사자의 경우, 제한된 시간 안에 서로 떨어져 있는 여러 곡선구간의 편경사를 수준의를 사용하여 일일이 실측하기란 그리 쉬운 일이 아니다. 따라서 이 검사가 소홀히 되는 경우가 있을 수 있다.

본 고안은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 지구의 중력(重力)과 톱니바퀴를 이용하여 정도 높은 편경사 검사 장치를 구성하여 번거롭지 않고, 단시간 내에 쉽고 정확하게 차로의 편경사를 측정할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 편경사 검사장치 내부의 무브멘트 유닛 (movement unit)의 구성도;

도 2 는 편경사 검사장치(무브멘트 유닛)의 단면도;

도 3 은 눈금판(112)의 상세도;

도 4 는 눈금자판(217)의 상세도;

도 5 는 본 고안의 편경사 검사장치를 위에서 본 외함(111)의 평면도;

도 6 은 본 고안의 검사장치를 사용하기 위하여 펼친상태의 입체도;

도 7 은 본 고안의 검사장치를 이동, 보관 등을 위하여 접은 상태의 입체도;

도 8 은 경첩부위의 상세도;

도 9 는 수평보조1 및 2(614, 619)의 입체도;

도 10 은 수평보조1 및 2(614, 619)의 측면도;

도 11 은 미끄럼자(611, 622)의 임시 자동 고정장치의 상세도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

111 : 외함(外函) 112 : 눈금판

113 : 톱니바퀴 축(115)의 원활한 소통을 위한 공간

114 : 검측창(檢測窓)

115 : 톱니바퀴 축 116 : 톱니식 추(錘)

117 : 추(錘) 118 : 톱니식 추(116)의 톱니

119 : 피니언 기어(pinion gear) 120 : 피니언 기어 축

211 : 샤시(chassis) 212 : 검측 단추

213 : 스프링 214 : 검측 단추의 탄력성 고정자

215 : 밀대(push-rod) 216 : 연성 패드(pad)

217 : 눈금자판 218 : 베어링

219 : 베어링 220 : 저지 턱

311 : 경량화를 위한 공간

411 : 중앙 기준선 412 : % 눈금선

413 : 0.5% 눈금선

511 : 외함(111)의 정상적인 장착 유도를 위한 방향키(key)

512 : 기준선

611 : 미끄럼 자(slider) 612 : 눈금

613 : 마개(plug) 614 : 수평(水平)보조1

615 : 경첩(hinge) 616 : 수평본체(水平本體)

617 : 외함(111) 정치를 위한 틀 618 : 경첩(hinge)

619 : 수평보조2 620 : 마개(plug)

621 : 눈금 622 :미끄럼 자(slider)

811 : 경첩고정나사 812 : 페라이트자석(ferrite magnet)

911 : 손잡이 912 : 스프링

913 : 유도공(guide-hole) 914 : 유도자(guide-rod)

915 : 압판(pressure-sheet)

본 고안은 차로의 편경사 검사를 위한 장치에 관한 것으로서, 길이 17cm, 높이 10cm, 너비 5cm 정도의 외함(外函, 111)에 내장된 톱니식 추(錘, 116)와, 상기 톱니식 추(116)의 원호 중심 가까이에 부착된 추(117)와, 상기 톱니식 추(116)의 원호를 형성하고있는 톱니(118)와, 상기 톱니식 추(116)의 톱니(118)와 맏물리는 피니언 기어(119)와, 상기 피니언 기어(119)에 고착되어있는 눈금판(112)과, 상기 눈금판(112)의 원호면(圓弧面)에 직각으로 부착된 눈금자판(217)을 구비한 무브멘트 유닛(movement unit, 외함 내부의 구성물 들)과, 길이 90cm, 너비 5cm, 높이 12cm의 잘 다듬어진 경질의 나무토막 세(3)개, 즉 수평보조1(614), 수평본체(616) 및 수평보조2(619)가 그 주요 구성요소들이다.

수평본체(616) 중앙 부위의 소정 위치에 만들어진 틀(617)에는 검사장치 외함(111)이 정치되고, 상기 외함(111)의 정상부위에는 유리로 된 검측창(114)을 구비하고, 상기 검측창(114)의 중앙에는 측정값을 확인할 수 있게 기준선(512)을 구비하고, 외함(111)의 밑바닥을 도 5에서 보는 바와 같이 좌우의 모양을 비대칭으로 만들어 틀(617)의 소정 모양에 정합하게 하고, 수평본체(616) 양단에 설치되어 있는 경첩(615, 618)을 통하여 수평보조1 및 2(614, 619)를 서로 연결하여, 이들을 접었다 폈다 할 수 있게 한다. 수평보조 1 및 2(614, 619)의 내부에는 미끄럼 자(611)를 수용할 수 있는 공간을 구비하고, 상기 수평보조 1 및 2(614, 619)쪽에 부착되는 경첨(615, 618)에는 소정 크기의 공간을 구비하고, 상기 공간 내부에 경첩(615, 618)과는 절연시켜 소정의 자력강도를 가진 페라이트 자석(812, ferrite magnet)을 매설한다. 또한 상기 수평보조 1 및 2(614, 619)의 소정위치에 직경 20mm정도의 유도공(913)을 뚫고, 상기 유도공(913) 내부에 마개(613), 스프링(912), 유도자(914) 및 압판(915)으로 구성되는 미끄럼 자(611)의 임시적인 자동고정장치를 구비한다.

상기 유도자(914) 바닥부위에는 두께 2mm정도의 연성합성수지로 된 압판(915)을 양질의 접착제로 고착시킨다. 상기 유도자(914)와 이에 고착된 압판(915)은 일체가 되어 상기 유도공(913) 안에서 상하이동이 용이하게 될 수 있게 설치한다.

수평보조 1 및 2(614, 619) 내부에 장치되는 미끄럼 자(611, 621)의 길이는 75cm이고, 소정 단면형태(도 9, 도 11)를 가지며, 외부 쪽을 면한 단면의 소정위치에 손잡이(911)를 설치한다.

상기 수평본체(616)의 중앙부위에 위치한 틀(617)에 정치되는 무브멘트 유닛을 내포한 외함(111)이 수평으로 정치되었을 때에, 눈금자판(217)의 중앙 기준선(411)이 검측창(114)의 기준선(512)에 일치하게 하고, 상기 기준선(411)을 기준으로 하여 좌우 양방향으로 눈금(412)을 표시한다. 눈금(412)의 간격은 3mm로 하되 매 6mm에 해당되는 눈금은 길게 표시하여 3mm눈금과 차별화(도 4) 한다.

후술하는 바와 같이 본 고안에서 3mm의 눈금은 편경사 0.5%에 해당하고, 편경사가 8.5%인 것까지 읽을 수 있게 눈금을 표시한다. 또한 상기 눈금은 중앙의 영점(零點), 즉 기준선(411)을 기준으로 좌우방향으로 퍼센트 경사를 표기한다. 즉, 처음 6mm표시 상에는 1%, 다음 6mm표시 상에는 2%, 이와 같이 하여 8.5%경사까지를 눈금자판(217) 위에 표시한다. 도 4에서 중앙 기준선(411) 우측의 선과 수자는 청색으로 표기하고, 좌측의 그것들은 주황색으로 표기하고, 바탕색은 흰색으로 한다.

이제 본 고안의 이해를 높이기 위하여 편경사에 대하여 좀더 상술한다. 자동차가 평면곡선부를 주행할 때 작용하는 원심력에 저항하는 힘은 횡방향 마찰력과 설치된 편경사에 의하여 포장면에 수직으로 작용하는 분력으로서, 원심력 중에서 운전자에 불쾌감을 주는 횡방향력을 적게 하기 위해서는 가능한 한 평경사를 크게 하여야 하지만 편경사가 너무 클 경우, 저속으로 주행하는 자동차는 횡방향 즉, 곡선의 중심쪽으로 미끄러지려 하기 때문에 운전자가 주행방향을 유지하기 위해서는 부자연스러운 핸들조작을 하여야 하며, 또한 포장면이 결빙되었을 경우, 자동차의 정지 및 출발시 곡선의 중심방향으로 미끄러질 우려가 있어 편경사의 최대치를 6 내지 8퍼센트(%)로 제한하고 있다.

도로에서 평면곡선을 설치해야 할 경우 적용하고 있는 공식은 수학식 1과 같다.

R = 평면곡선반경(m)

υ = 자동차의 속도(m/s)

g = 중력가속도(9.8m/s ² )

i = 경사값

f = 횡방향 마찰계수 (0.10 내지 0.14)로서 자동차 속도에 따라 선택함.

참고로 자동차 속도 100km/h 때의 최소 평면 곡선 반경을 계산하면 식 2와 같다. 단, 편경사는 6%로 한다.

자동차 속도가 100km/h(=27.78m/s)이기 때문에 f값을 0.11로 취한다.

즉, 자동차의 시속이 100km이고 편경사가 6% 때에 소요되는 평면곡선의 반경은 적어도 463m가 되어야 안전운전에 지장이 없음을 알 수 있다.

다음에는 본 고안에서 가장 핵심적인 무브멘트 유닛(외함의 내부)에 대하여 상술한다. 본 고안의 편경사 검사장치는 전술한 바와 같이 지구의 중력과 톱니바퀴를 이용하여 차로의 편경사를 정도 높게 측정하는 장치이다. 반경이 50mm이고, 그 원호의 길이가 20mm 이고, 그 두께가 3mm인 놋쇠(황동)판에 추(錘, 117)를 부착한 톱니식 추(116)에 톱니바퀴 축(115)을 설치하고, 상기 톱니바퀴 축(115)의 양단을 베어링(218)으로 지지하면, 톱니식 추(116)의 무게중심선은 수평면(水平面)에 대하여 수직(垂直)을 이룬다.

도 1 및 2에서와 같이 톱니식 추(116)의 원호(圓弧)에 해당하는 부위는 톱니(118)로 형성하고, 상기 톱니(118)는 피니언 기어(119)와 맏물려 있으며, 베어링(218, 219)을 통하여 샤시(chassis, 211) 내부에 장치되고, 상기 샤시(211)는 외함(111)에 내장된다.

이 상태에서 외함(111)을 틀(617)에 정치하고, 도 6과 같이 본 검사장비를 사용상태로 한 후, 이들이 수평면 상에 놓여있다고 가상한다. 이때 톱니식 추(116)의 무게 중심선은 수평면에 대하여 수직(垂直)을 이룬다. 이 상태에서 톱니식 추(116)가 움직이지 못하게 검측 단추(212)를 눌러서 고정시킨다. 그런 후에 방향키(511)가 평면곡선의 중심 쪽을 향하게 하여 측정하고자 하는 곳에 위치시키고(이때 평면곡선의 외부쪽 표고가 내부쪽 표고보다 높다고 가정함) 검측 단추(212)를 당겨서 톱니식 추(116)의 고정장치를 해제하면 톱니식 추(116)의 톱니(118)가 도 1에서 볼 때, 우측으로 기울어져 있던 톱니식 추(116)의 톱니(118) 부위가 좌측으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 이때 톱니식 추(116)의 무게중심은 외함(111)이 경사면상에 있음에도 불구하고 중력의 영향으로 여전히 수평면에 대하여 수직을 이룬다. 이때의 톱니식 추(116)의 이동량은 상기 톱니식 추(116)의 톱니(118)와 맏물려있는 피니언 기어(119)를 소정량 만큼 반(反)시계 방향으로 회전시킨다.

1% 경사 때의 피니언 기어(119) 원호상의 1점이 이동하는 거리를 계산하면 수학식 3과 같다. 우선, 1% 경사가 이루는 각도(角度)를 계산한다.

tan

^-1 (1/100) = 0.57294°(도)

원호의 길이는 수학식 4와 같이 계산된다.

L = rθ

L = 원호의 길이(mm)

r = 원의 반경(mm)

θ = 원호가 형성하는 중심각(라디안, radian)

1 ^o = 0.0174533 radian

편경사가 1퍼센트(%)일 때 반경 50mm(톱니식 추 (116)의 반경임)의 원호상의 1점이 이동하는 거리를 계산하면 수학식 5와 같다.

θ = tan

^-1 (1/100) × 0.0174533 = 0.01 rad

L = rθ = 50 × 0.01 = 0.5mm

즉, 1% 의 편경사에 대해 톱니(118) 원호상의 1점이 이동하는 거리는 0.5mm가 된다. 따라서 톱니(118) 원호상의 1점이 0.5mm 이동하면 서로 맏물려있는 피니언 기어(119) 원호상의 1점도 0.5mm 이동한다. 상기 피니언 기어(119)의 반경은 5mm이다.

눈금판(112)의 반경은 60mm이고, 상기 눈금판(112)은 알루미늄 등과 같은 경량재료를 이용하며, 상기 눈금판(112) 몸체에는 구조상 문제가 생기지 않을 정도의 많은 공간(311)을 만들어 경량화를 돕는다.

상기 눈금판(112) 원호면(圓弧面)에 직각이 되게 눈금자판(217)을 부착하고, 눈금판(112) 부채꼴의 중심각은 94°(도)로 한다. 또한 상기 눈금판(112)의 원(圓)의 중심부위는 피니언 기어 축(120)에 물리고, 상기 눈금판(112)은 상기 피니언 기어(119)와 고착되어있다.

피니언 기어(119) 원호상의 1점이 0.5mm 이동할 때, 눈금판(112) 원호상 1점의 이동거리는 수학식 6과 같이 계산된다. 즉 비례식을 이용하면,

이동거리 = (피니언 기어(119) 상의 이동거리 × 눈금판(112)의 반경) / (피니언 기어(119)의 반경)

= (0.5mm × 60mm) / 5mm = 6.0mm

즉, 1%의 경사는 본 안의 편경사 검사장치의 눈금자판(217)의 눈금에서는 6mm 이동한다. 따라서 눈금자판(217)의 중앙 기준선(411) 에서 6mm 가 되는 점이 1%의 경사가 되는 점이다.

상기 관계는 비례관계에 있기 때문에 2%의 경사 때에는 6 + 6 = 12mm, 3% 때에는 12 + 6 = 18mm, 4% 때는 18 + 6 = 24mm, 5% 때는 24 + 6 = 30mm, 6% 때는 30 + 6 = 36mm, 7% 때는 36 + 6 = 42mm, 8% 때는 42 + 6 = 48mm, 8.5% 때는 48 + 3 = 51mm 가 된다. 그리고 중앙 기준선(411)으로부터 좌우로 각각 8.5%까지의 경사를 측정하고자 하면 최소 102mm(=51 + 51) 길이의 눈금자판(217)이 필요하게 된다.

본 고안의 편경사 검사장치를 사용하지 않을 경우에는 외함(111)을 틀(617)에서 분리하고, 수평본체(616), 수평보조 1 및 2(614, 619) 등을 접어서 (도 7 참조) 이동이나 보관에 편리하게 하고, 사용할 때에는 펴서(도 6 참조) 사용한다. 수평본체(615), 수평보조 1 및 2(614, 619) 각각의 길이는 경첩(615, 618)의 부착으로 연장되는 길이를 감안한 것이 90cm이다. 따라서 편 상태(도 6)의 총 길이는 270cm이다. 차로(車路)의 표준 폭은 350 또는 360cm이기 때문에 길이를 360cm로 하려면, 수평보조 1 및 2(614, 619)에 내장되어 있는 미끄럼 자(611, 621)의 손잡이(911)를 이용하여 소정의 길이가 되게 잡아당긴다.

미끄럼 자(611, 621)의 길이는 각각 75cm나 되고, 상기 미끄럼 자의 상부측 표면에 길이의 단위인 cm로 표시된 눈금(612)이 있어 사용에 편리하다. 그리고 손잡이(911)로 미끄럼 자(611, 621)를 소정길이 만큼 잡아당기고 그냥 손잡이(911)를 놓기만 하면, 미끄럼 자(611, 621)는 압력판(915)의 압력에 의하여 소정 위치에 임시로 고정된다.

본 고안의 검사장치를 사용하는 도중에, 경첩(615, 618)부위가 불필요하게 접쳐저서 사용을 불편하게 하는 것을 방지하기 위하여 경첩(615, 618)의 다른 일면에는 소정의 자력을 가지는 페라이트자석(812, ferrite magnet)을 경첩과 절연시켜서 매립한다. 따라서 상기 자석이 경첩의 다른 면을 자력으로 지보(支保) 함으로 사용도중에 접혀질 염려는 없다. 또한 본 검사장치를 사용할 때 눈금자판(217)의 청색 및 주황색 글자의 방향이 항시 동일한 상태로 되게 하기 위하여 틀(617)의 화살표 방향은 평면곡선의 중심을 향하게 정치하는 것이 바람직하다.

본 고안의 편경사 검사장치를 사용하여 도로의 편경사(片傾斜)를 측정하면 다음의 이점이 있다.

첫째, 상기 검사장치를 소정위치에 정치하고 눈금을 읽기만 하면 설계서 내용대로 제대로 시공되었는지 여부는 물론 실제로 시공된 편경사의 경사값을 즉석에서 판단 할 수 있다.

둘째, 사용하기가 번거롭지 않고, 단시간 내에 쉽고 정확하게 차로의 편경사를 측정할 수 있다.

셋째, 검사장치의 정치와 측정과정이 매우 간단하고 시간이 적게 소요된다.

넷째, 검사장치를 이용하여 검사하는 과정이 간단하여 검사를 소홀히 하게 되는 경우가 매우 적다.