KR101671009B1 - 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링 - Google Patents

와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링 Download PDF

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안다훈
허현무
박준혁
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링에 관한 것으로, 자석과 전도체를 이용한 와전류 감쇠 특성을 가미하여 온도에 따른 특성변화, 누유위험, 수명한계 등의 취약점을 갖는 종래 유압식 댐퍼의 취약점을 개선 할 수 있고 유지보수가 용이하며, 강성특성만을 갖는 종래 코일스프링 형식의 축상스프링에 감쇠 특성을 인가하여 일체로 구성할 수 있고 공진점 주변에서 진동 저감 효과를 얻을 수 있어 별도의 추가 댐퍼 설치가 필요치 않은 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링을 제공한다.

Description

와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링 {DAMPER AND AXIAL SPRING FOR RAILWAY CAR USING EDDY CURRENT DAMPING PROPERTY}
본 발명은 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 영구자석의 자기장에 대해 상대적으로 운동하는 전도체에서 발생하는 와전류에 의해 발생하는 감쇠력을 이용하는 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량용 댐퍼는 윤축과 대차 또는 대차와 차체 사이에 취부되어 윤축과 대차 또는 대차와 차체 사이의 상대 운동시 감쇠력을 발생시키는 부품이다.
종래 철도차량용 댐퍼의 일 예가 도 1에 도시된다. 이에 의하면 철도차량용 댐퍼는 실린더 내 오일의 유압을 이용하는 유압식 댐퍼로서, 피스톤의 왕복 운동에 따라 오일이 오리피스를 통해 흘러나오면서 발생하는 유체 저항이 감쇠력을 생성한다. 그런데 이와 같은 종래 유압식 댐퍼는 실린더 내 누유의 위험성이 있으며, 댐퍼의 반복운동에 의해 점도가 떨어지면 감쇠력 특성이 시간에 따라 변화하는 단점이 있다. 또한 온도에 따라 오일의 점성이 변화하므로, 외부 환경에 노출되는 철도차량의 특성상 댐퍼의 감쇠력 특성 또한 변화한다.
한편, 철도차량의 대차프레임과 액슬박스 사이에 설치되는 1차 현가장치의 일 예가 공개실용신안 실1998-026320호에 제안된 바 있다. 이와 같은 종래 축상스프링의 구체적인 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 액슬박스에 코일스프링 형식의 축상스프링이 전후에 장착되어 대차프레임 하중을 지지하고 액슬박스로부터 대차로 전달되는 고주파수의 진동을 저감시키는 기능을 수행한다. 그런데 이러한 코일스프링형식 축상스프링은 강성 특성만을 가지므로, 공진점 근처의 비교적 저주파 영역에서는 진동저감 기능을 가질 수 없다.
따라서, 코일스프링형식 축상스프링에는 도 1에서 도시된 바와 같은 유압 댐퍼를 철도차량의 임의의 위치에 설치하여 감쇠력을 발생시키거나, 도 3에 도시된 바와 같이 코일스프링형식의 축상스프링에 고무 부재를 추가하여 감쇠력을 발생시킨다. 도 3에 도시된 축상스프링은 고무 부재는 그 자체만으로도 강성 특성을 가지므로, 도 4와 같이 고무부재만으로도 축상스프링을 구성하여 차체지지 및 감쇠력 발생 기능을 수행하기도 한다.
그런데, 코일스프링형식 축상스프링에 유압 댐퍼를 적용하는 경우에는 실린더 내 누유의 위험성이 여전히 존재하고, 코일스프링형식 축상스프링에 고무 부재를 적용하거나 또는 고무 스프링을 축상 지지용으로 사용하는 경우에는 비선형 특성이 크고, 열화에 의한 수명 한계, 설계 과정에서의 특성 예측 등이 어려운 단점이 존재한다.
참고문헌 1 : 공개실용신안 실1998-026320호 참고문헌 2 : 등록특허 제10-1177337호
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 철도차량의 운행시 주변 온도나 습도 등의 변화에 영향을 받지 않고 누유 등의 우려가 없는 와전류 감쇠 특성을 이용하여 수명을 향상시킬 수 있고 유지보수가 용이한 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 영구자석에 의해 공간상에 자기장이 형성되고, 같은 공간상에 놓여 있는 전기전도성 물체가 자기장에 대하여 속도를 가질 때, 전기전도성 물체에 발생하는 와전류에 의해 발생하는 감쇠력을 이용하는 와전류 댐퍼를 사용함으로써, 기존 유압식 댐퍼에 비해 오일을 사용하지 않아 누유의 위험이 없고, 반영구적 사용이 가능하여 유지보수가 용이한 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
일단이 개구된 내통과, 상기 내통이 개구된 일단으로 삽입되어 길이방향을 안내되도록 설치되는 외통과, 상기 외통 또는 내통에 장착되는 자석부와, 상기 내통 또는 외통에 설치되는 전도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼를 제공한다.
이때, 상기 내통은 원통 형상으로 이루어지며 일단부가 개구된 구조이고, 상기 외통은 일단부가 개구되며 상기 내통이 이동할 수 있도록 원통 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 외통의 내부 중앙에 축방향으로 돌출되는 로드의 외주면에 자석부가 장착되고, 상기 내통의 내주면에 상기 자석부에 대응되게 전도체가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자석부는 상기 로드를 중심으로 복수의 사각모양의 영구자석을 N극과 S극이 교차되도록 격자 형태로 번갈아 가며 배열된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 자석부는 상기 로드를 중심으로 링 형태의 영구자석을 극성이 반대가 되도록 적층 배열된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자석부는 상기 로드를 중심으로 복수의 사각모양의 영구자석을 동심원상으로 배치시 동일 극성으로 배치하고 로드의 길이방향으로는 반대되는 극성으로 바둑판 모양으로 배열한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자석부가 지지되는 로드는 강자성체 계열의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전도체가 설치되는 내통 또는 외통은 감쇠력을 높이기 위해 반자성 및 도전성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전도체의 운동방향 길이는 상기 자석부보다 긴것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내통의 타단에 제1연결부가 구비되고 외통의 타단에 제2연결부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1연결부는 상기 내통의 타단에 구비되는 제1연장부와, 상기 제1연장부의 단부에 장착되며 제1 연결핀이 체결되는 제1회전조인트로 이루어지며;
상기 제2연결부는 상기 외통의 타단에 구비되는 제2연장부와, 상기 제2연장부의 단부에 장착되며 제2 연결핀이 체결되는 제2회전조인트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은;
철도차량의 대차프레임에 수직하방으로 설치된 내통과, 철도차량의 액슬박스에 수직상방으로 설치되어 상기 내통이 안내되도록 설치되는 외통과, 상단이 상기 내통의 상단 외주면에 형성된 상부 플랜지에 지지되고 하단은 상기 외통의 하단 외주면에 형성된 하부 플랜지에 지지되어 차륜으로부터 전달된 충격을 흡수하기 위한 코일스프링과, 상기 내통과 외통 사이에 설치되어 상기 내통과 외통의 상대운동시 와전류에 의한 감쇠력을 발생하는 와전류 댐퍼부로 구성되는 것을 특징으로 하는 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 축상스프링도 제공한다.
이때, 상기 와전류 댐퍼부는 상기 외통에 장착되는 자석부와, 상기 내통에 설치되는 전도체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 외통의 내부 중앙에 상향돌출되는 로드의 외주면에 상기 자석부가 장착되고, 상기 내통의 내주면에 상기 자석부에 대응되게 전도체가 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 와전류 댐퍼부는 상기 내통에 장착되는 자석부와, 상기 외통에 설치되는 전도체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외통의 내부 중앙에 상향돌출되는 로드의 외주면에 상기 전도체가 장착되고, 상기 내통의 내주면에 상기 전도체에 대응되게 자석부가 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자석부는 내통과 외통의 상대운동 방향으로 자기선속이 변하도록 복수의 영구자석을 배열하고,
상기 전도체는 전기전도도가 높은 은, 구리, 금, 알루미늄과 같은 금속 또는 그래핀을 이용한 복합재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전도체의 운동방향 길이는 상기 자석부보다 긴것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내통과 외통의 상하방향으로 상대운동시 미끄럼마찰이 일어나면서 수직방향의 진동을 감쇠하는 마모판이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 외통의 상단을 통해 먼지나 이물질이 내통 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해 상기 내통의 상단 외주면에 형성된 상부 플랜지에 지지되며 상기 외통의 상부 외주면을 이격되게 먼지덮개가 감싸는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 외통의 상단 외주면으로 돌출되게 구비되어 상기 먼지덮개와 상기 외통의 틈새를 최소화할 수 있도록 먼지막이가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링은 온도에 따른 특성변화, 누유위험, 수명한계 등의 취약점을 갖는 종래 유압식 댐퍼의 취약점을 개선 할 수 있고 유지보수가 용이하며, 강성특성만을 갖는 종래 코일스프링 형식의 축상스프링에 감쇠 특성을 인가하여 일체로 구성할 수 있고 공진점 주변에서 진동 저감 효과를 얻을 수 있어 별도의 추가 댐퍼 설치가 필요치 않은 장점이 있다.
아울러, 이와 같은 와전류 방식의 댐퍼기능은 철도차량의 1차 수직댐퍼 및 2차 수직, 수평, 횡, 요 댐퍼 및 차체간 댐퍼 등 다양한 종류의 댐퍼에 적용가능하며, 자동차 및 산업 기계 등 다양한 분야에도 폭넓게 적용할 수 있다.
도 1은 종래 일반적인 댐퍼의 일 예로서 유압 댐퍼 및 그 유압 댐퍼의 설치상태를 도시한 도면이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 종래 일반적인 코일스프링형식 축상스프링 조립체 및 그 축상스프링의 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 종래 고무부재가 추가된 코일스프링형식 축상스프링 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 고무 부재의 강성과 댐핑을 이용한 축상스프링 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 댐퍼 구조를 도시한 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼의 자기장 형성을 위한 영구자석 배열 구조들을 도시한 도면들이다.
도 7은 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 축상스프링의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼 및 축상스프링을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 와전류의 원리를 이용해 댐퍼의 기능을 수행한다.
우선 와전류의 발생원리를 살펴보면, 우선 금속도체에 코일을 감고 자석을 코일 가까이 움직이면 코일에는 전원을 투입하지 않아도 전류가 흐르게 되며, 발생하는 전류의 방향은 자석의 움직임을 방해하려는 쪽으로 형성된다. 이때, N극이 다가올 때는 가까이 오는 것을 방해하려는 방향, 즉 자석을 밀어내는 방향으로 전류가 흘러야 하므로 코일의 왼쪽에 N극이 형성된다. 이와는 반대로 멀어질 때는 자석을 잡아 당겨야하므로 S극이 형성이 된다. 결국 자석이 왕복할 때마다 전류의 방향이 바뀌게 된다. 이러한 현상은 자석이 알루미늄, 구리 등과 같은 자석에 붙지 않는 금속판 위를 움직일 때도 나타난다. 자석이 이동할 때 자기장이 금속판을 관통하게 된다.
그러나, 자석에 가까워지는 부분은 관통하는 자기장이 많게 되고, 멀어지는 부분에서는 자기장이 적게 된다. 이와 같이 자기장의 세기에 변화가 발생하면 금속판에는 와전류가 흐르게 된다. 이때, 자석에 가까워지는 부분은 자기장의 증가에 방해하도록 반시계 방향으로 전류가 흐르고, 멀어지는 부분은 자기장의 감소에 방해하도록 시계방향으로 전류가 흐른다. 이와 같이 생긴 와전류에 의하여 새로운 자기장이 나타나기 때문에 금속판은 하나의 자석이 되지만, 금속판의 좌·우에 나타나는 와전류의 방향이 서로 반대이므로 자석의 극은 서로 반대되고, 이것은 자석의 움직임을 방해하게 된다.
도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼(100)는 와전류의 원리를 이용한 것으로, 축상과 대차간 또는 대차와 차체간 또는 차체와 차체간에 취부되며, 1축 방향 상대운동을 위해 내통(110)을 외통(120)에 삽입하는 구조로 이루어진다.
이와 같은 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼(100)는 일단이 개구된 내통(110)과, 상기 내통(110)이 개구된 일단으로 삽입되어 길이방향을 안내되도록 설치되는 외통(120)과, 상기 외통(120) 또는 내통(110)에 장착되는 자석부(130)와, 상기 내통(110) 또는 외통(120)에 설치되는 전도체(140)로 구성된다.
이하, 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
상기 내통(110)은 원통 형상으로 이루어지며 일단부가 개구된 구조이고, 상기 외통(120)은 일단부가 개구되며 상기 내통(110)이 이동할 수 있도록 원통 형상으로 이루어진다.
좀 더 구체적으로 설명하면 상기 외통(120)의 내부 중앙에 축방향으로 돌출되는 로드(122)의 외주면에 자석부(130)가 장착되고, 상기 내통(110)의 내주면에 상기 자석부(130)에 대응되게 전도체(140)가 설치되어 상기 내통(110)과 외통(120)의 상대운동시 와전류가 발생하게 된다.
이때, 상기 전도체(140)가 상기 외통(120)의 내부 중앙에 축방향으로 돌출되는 로드(122)의 외주면에 장착되고, 상기 내통(110)의 내주면에 상기 전도체(140)에 대응되게 자석부(130)가 설치될 수 있다.
특히, 상기 전도체(140)가 설치되는 내통(110) 또는 외통(120)은 다양한 재질로 이루어질 수 있지만 감쇠력을 높이기 위해 반자성 및 도전성 재질로 이루어짐이 바람직하며, 필요에 따라 부분적으로 반자성 및 도전성 원통체를 설치함이 바람직하다.
한편, 상기 자석부(130)가 지지되는 로드(122)는 철과 같은 강자성체 계열의 재료로 구성하면 높은 감쇠력을 얻을 수 있다.
그리고, 상기 자석부(130)를 외부 충격 등에 의한 손상으로부터 보호하기 위한 별도의 몰딩 등을 통해 보호함도 바람직하다.
이와 같은 구성에 의하면 자석부(130)에 의해 공간상에 자기장이 형성되고, 같은 공간상에 놓여 있는 전기전도성 물체인 전도체(140)가 자기장에 대하여 속도를 가질때, 전도체(140)에 발생하는 와전류에 의해 감쇠력이 발생하게 되어 진동 저감의 효과를 얻을 수 있다. 이는 기존 유압식 댐퍼에 비해 오일을 사용하지 않아 누유의 위험이 없고, 반영구적 사용이 가능하여 유지보수에 용이하다.
이때, 상기 자석부(130)는 내통(110)과 외통(120)의 상대운동 방향으로 자기선속이 변하도록 복수의 영구자석을 배열하고, 상기 전도체(140)는 전기전도도가 높은 은, 구리, 금, 알루미늄과 같은 금속 또는 그래핀 등을 이용한 복합재료로 구성된다.
그리고, 상기 전도체(140)의 운동방향 길이는 상기 자석부(130)보다 길어야 하며, 이를 통해 상대운동에 따른 변위의 발생에 무관하게 동일한 속도 조건에서 동일한 감쇠력 특성을 얻을 수 있다. 이 경우 상대운동에 따른 변위는 철도차량의 진동량, 곡선 주행특성, 차체의 가변 하중 등에 의해 결정되며, 이를 고려하여 자석부(130) 및 전도체(140)의 길이가 결정된다.
한편, 상기 자석부(130)는 영구자석에 의해 자기장이 형성된 공간이 전도체(140)에 영향을 주면서, 동시에 전도체(140) 외의 공간으로 자기 누설이 일어나지 않도록 구성되어야 한다. 이를 위한 영구자석의 배열구조는 도 6에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
이에 의하면 도 6의 (a)는 로드(122)를 중심으로 복수의 사각모양의 영구자석을 N극과 S극이 교차되도록 격자 형태로 번갈아 가며 배열한 구조로서 자석의 자화 방향은 r 방향이고, 도 6의 (b)는 로드(122)를 중심으로 링 형태의 영구자석을 배열한 구조로서 상기 자석부(130)는 상기 로드(122)를 중심으로 링 형태의 영구자석을 극성이 반대가 되도록 적층되도록 배열되어 자석의 자화 방향은 z 방향이며, 도 6의 (c)는 로드(122)를 중심으로 복수의 사각모양의 영구자석을 동심원상으로 배치시 동일 극성(예를 들어 N극)으로 배치하고 로드의 길이방향으로는 반대되는 극성(예를 들어 S극)의 사각모양의 영구자석을 동심원상으로 배치한 바둑판과 같이 배열하는 것으로 자석의 자화 방향은 r 방향이다.
이와 같이 자석부(130)를 이루는 영구자석의 극을 번갈아가며 다양하게 배치하여 형성되는 자기장 내에서 전도체(140)의 움직임에 따라 자기선속의 변화로 인한 와전류가 발생한다.
이때, 와전류의 발생은 자기장과 전도체(140)의 상대위치 변화에 의해 발생하므로, 자석부(130)와 전도체(140)의 위치는 상호 맞 바뀔 수 있다. 즉, 자석부(130)가 내통(110)에, 전도체(140)가 외통(120)에 부착될 수 있다.
이와 같은 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼(100)는 도 7에 도시된 바와 같이 철도차량에 장착이 용이하게 양단에 제1 및 제2연결부(150,160)가 구비된다. 즉, 내통(110)의 타단에 제1연결부(150)가 구비되고 외통(120)의 타단에 제2연결부(160)가 구비된다.
이때, 상기 제1연결부(150)는 상기 내통(110)의 단부에 구비되는 제1연장부(152)와, 상기 제1연장부(152)의 단부에 장착되며 제1 연결핀(154)이 체결되는 제1회전조인트(156)로 이루어진다.
또한 상기 제2연결부(160)는 상기 외통(120)의 단부에 구비되는 제2연장부(162)와, 상기 제2연장부(162)의 단부에 장착되며 제2 연결핀(164)이 체결되는 제2회전조인트(166)로 이루어진다.
그리고, 와전류에 의한 댐핑력의 정도는 전도체(140)의 길이 방향을 따라 형성된 댐핑조절슬롯(123)의 크기를 통해 조절이 가능하다.
즉, 댐핑조절슬롯(123)의 갯수가 증가할 수록, 댐핑조절슬롯(123)의 너비가 증가할 수록 감쇄력이 감소하므로 배치 갯수 및 크기에 따라 감쇄력의 조절이 가능하다.
이 같은 구조에 의하면 일 예로 상기 제1연결부(150)를 철도차량의 차체에 연결하고, 상기 제2연결부(160)를 철도차량의 대차에 연결하여 철도차량의 운행시 감쇠력을 발생할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 축상스프링을 설명하기 위해 도시한 도면으로서, 축상연결부를 통해 하단은 철도차량의 축상으로 연결되고, 대차연결부를 통해 축상스프링의 상단은 대차프레임에 연결되는 축상스프링에 와전류 감쇠 특성을 갖는 댐퍼 기능을 부가하여 종래 유압식 댐퍼의 문제점을 개선하여 수명 향상 및 유지보수가 용이해진다.
이와 같은 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 축상스프링(200)은 철도차량의 대차프레임과 액슬 박스(axle box) 사이에 설치될 수 있는 축상스프링에 댐퍼기능을 일체로 적용한 구조로서, 철도차량의 대차프레임에 수직하방으로 설치된 내통(210)과, 상기 액슬박스에 수직상방으로 설치되어 상기 내통(210)이 안내되도록 설치되는 외통(220)과, 상기 내통(210)과 외통(220)의 상하방향으로 상대운동시 미끄럼마찰이 일어나면서 수직방향의 진동을 감쇠하는 마모판(230)과, 상단이 상기 내통(210)의 상단 외주면에 형성된 상부 플랜지(212)에 지지되고 하단은 상기 외통(220)의 하단 외주면에 형성된 하부 플랜지(222)에 지지되어 철도차량의 차륜으로부터 전달된 충격을 흡수하기 위한 코일스프링(240)과, 상기 내통(210)과 외통(220) 사이에 설치되어 상기 내통(210)과 외통(220)의 상하방향으로 상대운동시 와전류에 의한 감쇠력을 발생하는 와전류 댐퍼부(250)로 구성된다.
이때, 상기 와전류 댐퍼부(250)는 철도차량의 윤축과 대차 사이 또는 대차와 차체 사이에 독립적으로 취부되어 윤축과 대차 또는 대차와 차체 사이의 상대 운동시 감쇠력을 발생할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 축상스프링(200)의 각부 기능을 구체적으로 설명한다.
우선 본 발명에 따른 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 축상스프링(200)은 철도차량의 대차프레임과 액슬 박스(axle box) 사이에 설치될 수 있는 것으로, 대차프레임에 수직하방으로 설치된 내통(210)과, 상기 액슬박스에 수직상방으로 설치되어 상기 내통(210)이 안내되도록 설치되는 외통(220)이 구비된다.
이때, 상기 내통(210)은 원통 형상으로 이루어지며 중앙 하부가 개구된 구조로서 상단 외주면에는 상부 플랜지(212)가 수평으로 돌출 형성되고, 상기 외통(220)은 상기 내통(210)이 상대적으로 상하 이동할 수 있도록 원통 형상으로 이루어지며 중앙 상부가 개구된 구조로서 하단 외주면에는 하부 플랜지(222)가 수평으로 돌출 형성된다.
이와 같은 내통(210)과 외통(220) 사이에는 마모판(230)이 밀착되어 상기 내통(210)과 외통(220)이 상하방향으로 상대운동시 미끄럼 마찰이 일어나면서 수직방향의 진동을 감쇠시키게 된다.
또한, 외통(220)의 외부에는 코일스프링(240)이 장착되며, 상기 코일스프링(240)은 상단이 상기 내통(210)의 상단 외주면에 형성된 상부 플랜지(212)에 지지되고 하단은 상기 외통(220)의 하단 외주면에 형성된 하부 플랜지(222)에 지지되어 차륜로부터 전달된 충격을 흡수한다.
이때, 상기 외통(220)의 상단을 통해 먼지나 이물질이 내통(210) 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해 상기 내통(210)의 상단 외주면에 형성된 상부 플랜지(212)에 지지되며 상기 외통(220)의 상부 외주면을 이격되게 먼지덮개(260)가 감싸며, 상기 외통(220)의 상단 외주면으로 돌출되게 구비되어 상기 먼지덮개(260)와 상기 외통(220)의 틈새를 최소화할 수 있도록 먼지막이(262)가 구비된다.
이와 같은 구조에 의하면 철도차량의 주행으로 인해 대차프레임과 액슬박스 사이에서 내통(210)과 외통(220)이 상하방향으로 상대운동하며 고주파수의 진동을 저감하는 과정에서 내통(210)과 외통(220) 사이의 틈새를 통한 먼지나 기름때와 같은 이물질의 유입을 최소화시킬 수 있다.
한편, 상기 와전류 댐퍼부(250)는 도 5에 도시돤 댐퍼(100)와 동일한 원리를 채용한 것으로서, 외통(220) 또는 내통(210)에 장착되는 자석부(252)와, 상기 내통(210) 또는 외통(220)에 설치되는 전도체(254)로 구성된다.
좀 더 구체적으로 설명하면 상기 외통(220)의 내부 중앙에 상향돌출되는 로드(222)의 외주면에 자석부(252)가 장착되고, 상기 내통(210)의 내주면에 상기 자석부(252)에 대응되게 전도체(254)가 설치되어 상기 내통(210)과 외통(220)의 상하방향으로 상대운동시 와전류가 발생하게 된다.
이때, 상기 전도체(254)가 상기 외통(220)의 내부 중앙에 상향돌출되는 로드(222)의 외주면에 장착되고, 상기 내통(210)의 내주면에 상기 전도체(254)에 대응되게 자석부(252)가 설치될 수 있다.
특히, 상기 자석부(252)는 외통(220)의 중앙에 수직 상향하게 설치되는 로드(222)에 의해 지지되는데, 상기 로드(222)는 철과 같은 강자성체 계열의 재료로 구성하면 높은 감쇠력을 얻을 수 있다. 그리고, 상기 자석부(252)를 외부 충격 등에 의한 손상으로부터 보호하기 위한 별도의 몰딩 등을 통해 보호함도 바람직하다.
이와 같은 구성에 의하면 자석부(252)에 의해 공간상에 자기장이 형성되고, 같은 공간상에 놓여 있는 전기전도성 물체인 전도체(254)가 자기장에 대하여 속도를 가질때, 전도체(254)에 발생하는 와전류에 의해 감쇠력이 발생하게 되어 진동 저감의 효과를 얻을 수 있고, 반영구적 사용이 가능하여 유지보수에 용이하다.
이때, 상기 자석부(252)는 내통(210)과 외통(220)의 상대운동 방향으로 자기선속이 변하도록 복수의 영구자석을 배열하고, 상기 전도체(254)는 전기전도도가 높은 은, 구리, 금, 알루미늄과 같은 금속 또는 그래핀 등을 이용한 복합재료로 구성된다.
물론, 상기 전도체(254)가 설치되는 내통(210) 또는 외통(220)은 다양한 재질로 이루어질 수 있지만 감쇠력을 높이기 위해 반자성 및 도전성 재질로 이루어짐이 바람직하며, 필요에 따라 부분적으로 반자성 및 도전성 원통체를 설치함이 바람직하다.
그리고, 상기 전도체(254)의 운동방향 길이는 상기 자석부(252)보다 길어야 하며, 이를 통해 상대운동에 따른 변위의 발생에 무관하게 동일한 속도 조건에서 동일한 감쇠력 특성을 얻을 수 있다. 이 경우 상대운동에 따른 변위는 철도차량의 진동량, 곡선 주행특성, 차체의 가변 하중 등에 의해 결정되며, 이를 고려하여 자석부(252) 및 전도체(254)의 길이가 결정된다.
이와 같은 본 발명에 따른 축상스프링(200)은 외통(220) 하단의 축상연결부(221)를 통해 철도차량의 축상으로 연결되고, 내통(210) 상단의 대차연결부(211)를 통해 대차와 연결된다.
이상의 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 철도차량의 각 연결부 사이에 장착되는 댐퍼(100) 및 코일스프링(200)는 병렬로 연결되어 내통(110,210)과 외통(120,220)의 상대변위 및 상대속도, 즉 대차와 축상의 상대변위 및 상대속도 등 상대운동에 따라 복원력 및 감쇠력을 인가하여 진동을 저감하게 된다.
이 같은 구조를 통해 종래 유압식 댐퍼의 취약점이 누유 등의 문제점을 해소할 수 있고, 고무스프링형식 축상스프링에 비해서도 일정한 감쇠 특성 및 열화 없이 반영구적으로 사용할 수 있는 장점을 갖는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 댐퍼 110: 내통
120: 외통 130: 자석부
140: 전도체 150: 제1연결부
160: 제2연결부 200: 축상스프링
210: 내통 211: 대차연결부
220: 외통 221: 축상연결부
230: 마모판 240: 코일스프링
250: 와전류 댐퍼부 252: 자석부
254: 전도체 260: 먼지덮개
262: 먼지막이

Claims (21)

  1. 일단이 개구된 내통과, 상기 내통이 개구된 일단으로 삽입되어 길이방향을 안내되도록 설치되는 외통과, 상기 외통 또는 내통에 장착되는 자석부와, 상기 자석부가 장착되지 않는 상기 내통 또는 외통에 설치되는 전도체로 구성되고,
    상기 외통의 내부 중앙에 축방향으로 돌출되는 로드의 외주면에 자석부가 장착되고, 상기 내통의 내주면에 상기 자석부에 대응되게 전도체가 설치되며,
    상기 자석부는 상기 로드를 중심으로 복수의 사각모양의 영구자석을 동심원상으로 배치시 동일 극성으로 배치하고 로드의 길이방향으로는 반대되는 극성으로 바둑판 모양으로 배열되고,
    상기 자석부가 지지되는 로드는 강자성체 계열의 재료로 이루어지고, 상기 전도체가 설치되는 내통 또는 외통은 감쇠력을 높이기 위해 반자성 및 도전성 재질로 이루어지며,
    상기 전도체의 운동방향 길이는 상기 자석부보다 길게 형성되고,
    상기 내통의 타단에 제1연결부가 구비되고 외통의 타단에 제2연결부가 구비되는 것을 특징으로 하는 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내통은 원통 형상으로 이루어지며 일단부가 개구된 구조이고, 상기 외통은 일단부가 개구되며 상기 내통이 이동할 수 있도록 원통 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼.
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  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1연결부는 상기 내통의 타단에 구비되는 제1연장부와, 상기 제1연장부의 단부에 장착되며 제1 연결핀이 체결되는 제1회전조인트로 이루어지며;
    상기 제2연결부는 상기 외통의 타단에 구비되는 제2연장부와, 상기 제2연장부의 단부에 장착되며 제2 연결핀이 체결되는 제2회전조인트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 댐퍼.
  12. 철도차량의 대차프레임에 수직하방으로 설치된 내통과, 철도차량의 액슬박스에 수직상방으로 설치되어 상기 내통이 안내되도록 설치되는 외통과, 상단이 상기 내통의 상단 외주면에 형성된 상부 플랜지에 지지되고 하단은 상기 외통의 하단 외주면에 형성된 하부 플랜지에 지지되어 차륜로부터 전달된 충격을 흡수하기 위한 코일스프링과, 상기 내통과 외통 사이에 설치되어 상기 내통과 외통의 상대운동시 와전류에 의한 감쇠력을 발생하는 와전류 댐퍼부로 구성되고,
    상기 와전류 댐퍼부는 상기 외통에 장착되는 자석부와, 상기 내통에 설치되는 전도체로 구성되고, 상기 외통의 내부 중앙에 상향돌출되는 로드의 외주면에 상기 자석부가 장착되고, 상기 내통의 내주면에 상기 자석부에 대응되게 전도체가 설치되며,
    상기 자석부는 내통과 외통의 상대운동 방향으로 자기선속이 변하도록 복수의 영구자석을 배열하고, 상기 전도체는 전기전도도가 높은 은, 구리, 금, 알루미늄과 같은 금속 또는 그래핀을 이용한 복합재료로 구성되며,
    상기 전도체의 운동방향 길이는 상기 자석부보다 길게 형성되고,
    상기 내통과 외통의 상하방향으로 상대운동시 미끄럼마찰이 일어나면서 수직방향의 진동을 감쇠하는 마모판이 구비되며,
    상기 외통의 상단을 통해 먼지나 이물질이 내통 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해 상기 내통의 상단 외주면에 형성된 상부 플랜지에 지지되며 상기 외통의 상부 외주면을 이격되게 먼지덮개가 감싸는 것을 특징으로 하는 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 축상스프링.
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  21. 제 12항에 있어서,
    상기 외통의 상단 외주면으로 돌출되게 구비되어 상기 먼지덮개와 상기 외통의 틈새를 최소화할 수 있도록 먼지막이가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 와전류 감쇠 특성을 이용한 철도차량용 축상스프링.
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