KR20020086448A

KR20020086448A - 열차의 전두부 구조

Info

Publication number: KR20020086448A
Application number: KR1020020065818A
Authority: KR
Inventors: 정경렬; 이병종
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2002-11-18
Also published as: KR100498261B1

Abstract

고속 열차의 동력차에 적용되는 전두부 구조가 개시된다. 열차의 전두부 구조는 커플러, 커플러의 후면에 배치되는 완충 부재, 완충 부재의 후방에 배치되는 운전실, 완충 부재 및 운전실을 수용하는 전두 프레임, 전방에 위치하여 커플러를 덮는 커플러 커버, 전두 프레임을 덮는 메인 패널 및 메인 패널로부터 돌출된 전면 윈도우부를 포함하며, 상기 메인 패널의 상면과 커플러 커버의 상면은 이어져 2이상의 세장비를 갖는 후드 경사면을 형성한다. 후드 경사면의 세장비를 증가시켜 전두부 구조의 공기 역학적 특성을 개선하는 동시에, 운전실 전면의 윈도우부를 돌출 시켜 운전자의 시야를 충분히 확보할 수 있다.

Description

열차의 전두부 구조{FRONT HEAD STRUCTURE OF A POWER CAR OF A TRAIN}

본 발명은 열차의 전두부 구조에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 열차의 동력차 전두부의 유체 역학적 구조 및 충격 흡수 구조에 관한 것이다.

일반적으로 열차(train)는 전방 또는 후방에 배치되는 동력차(power car) 및 객실차(passenger car)로 구성되며, 동력차 또는 객실차의 일부에 동력 대차가 장착되고 동력 대차에 장착된 구동기로부터 주행 구동력을 제공받는다. 열차는 한번에 많은 수의 승객을 이송시킬 수 있다는 장점에서 개발의 필요성이 점차적으로 중요시되고 있는 교통 수단이며, 실제로 열차의 고속화 및 안전성을 주요 과제로 발전되고 있다.

열차의 주행 속력을 증가시키기 위한 최선의 방법은 빠른 동력대차를 개발하는 구동 방식을 개선일 것이며, 그 예로 자기 부상 열차(Magnetic Levitation Train), 고속 열차(High Speed Train) 등이 동력 대차의 구동 방식을 개선한 것들이 있다.

하지만, 같은 구동 방식에 구동된다고 해도 열차의 공기 역학적 특성에 따라 공기 저항의 차이가 현저하게 나타날 수 있으며, 특히 열차의 전두부 형상의 설계 변경에 의해서 공기 저항의 특성을 향상시킬 수 있다.

실제로 열차의 공기 저항에 있어서 전두부 구조에 의한 공기 저항은 전체에서 약 5~10%를 차지한다. 그러나, 전두부 구조 이외의 공기 저항은 객실차의 측면에 의한 것이 대부분이고 객실차의 형상은 전체적으로 동일 또는 유사하기 때문에 객실차 구조의 설계 변경에 의해서 공기 저항을 개선하기는 그리 쉽지 않다. 오히려, 전두부 구조의 설계 변경을 통해서 공기 저항 특성을 향상시키는 것이 더 효율적이다.

또한, 열차가 터널을 통과할 때 열차 및 터널은 공기 역학적으로 상호 작용하여 열차의 정상적인 주행을 방해하며, 또한 열차가 터널을 통과할 때 발생하는 충격파 및 소음은 주변 환경 오염의 원인이 된다. 이러한 열차-터널 시스템의 공기역학적 상호작용은 열차가 고속화되면서 열차 제작 및 철도 건설에 있어 중요한 요소로 작용하고 있으며, 이러한 제한 조건의 부가는 열차 제작 및 터널의 설계에 점점 더 많은 문제점을 부여한다. 특히, 지형적으로 산이 많은 우리나라와 같이 철도 구간 중 터널이 차지하는 비율이 상당히 높은 경우 이러한 문제점은 반드시 고려되어야 할 사항이며, 열차 및 터널 간의 상호 작용을 최소화할 수 있는 최적의 설계가 이루어져야 할 것이다.

현재 고속철도의 경우 터널은 일반적으로 약 100~110m²의 단면적을 가지며,열차의 최대 단면적은 약 8~9m²의 단면적을 갖는다. 즉, 터널의 단면적에 대한 열차의 최대 단면적의 비는 약 0.08~0.09 정도로 이는 통상의 디젤 열차나 다른 고속 전철과 비교하여도 매우 낮은 값이다. 따라서, 고속 열차의 설계 개선을 통해 터널 에 대한 열차의 단면적 비를 증가시킬 수 있다면 철도 건설비용을 현저하게 절감할 수 있다.

이와 병행하여 고속 열차의 차량 기밀도를 높여 터널 통과시 열차 주위의 압력 변화를 승객이 감지하지 못하도록 하는 방법이 제공될 수 있다. 하지만, 터널공사에 소요되는 막대한 비용과 차량을 밀폐시키기 위한 기술적, 경제적 부담을 고려할 때, 미기압파를 최소화할 수 있도록 열차의 전두부를 최적화 설계하거나 터널 후드(hood), 수갱(air shaft) 또는 수막(water curtain) 등의 미기압파 저감시설의 개발을 통하여 열차-터널 상호작용을 근원적으로 저감시키는 것이 바람직하다.

또한, 열차가 터널을 통과할 때 발생하는 미기압파는 터널 출구 주변에서 심각한 환경소음문제를 야기하는 충격성 소음(Booming noise)을 일으키기 때문에 열차의 전두부는 이를 최소화할 수 있는 구조를 갖는 것이 바람직하다.

미기압파는 터널 출구 주변에서 심각한 환경소음문제를 야기하는 충격성 소음(Booming noise)의 원인이므로 발생 매커니즘과 저감책에 관하여 오래 전부터 연구되고 있다.

일반적으로 미기압파의 크기는 압축파의 파두구배에 비례한다고 알려져 있다. 압축파의 파두구배, 즉 최대압력변화율은 열차의 속도, 터널-열차 간의 단면적 비 등에 의해 결정된다. 열차의 속도를 줄이게 되면 그만큼 운행시간이 늘어나고,감속에 의한 에너지 효율의 감소가 예상되며, 열차-터널 단면적비를 증가시키기 위해서는 터널 단면적을 증가하는 것을 높은 터널건설비용의 원인이 된다.

열차의 주행 또는 터널 통과시 열차에 대한 공기 저항 및 주변 환경에 대한 피해를 최소화시키는 것 외에도 전두부 설계에서의 가장 중요한 핵심 기술 중 하나는 충돌 안전도이다. 고속 열차 전두부의 충돌 안전도를 결정함에 있어서 가장 중요한 사항을 전두부에서의 충격에너지 흡수이며 운전자의 보호이다. 일반적인 열차의 설계 기준에 따르면 건널목에서 비교적 높은 속도로 장애물과 충돌하는 사고의 경우, 충돌 에너지의 70∼80%를 동력차에서 흡수할 수 있어야 한다. 이러한 기준에 따라 최근 개발되는 고속 열차(TGV-NG, American Flyer 등)는 전두부에서 약 5 MJ 이상의 충격에너지를 흡수하도록 설계되고 있다.

도 1은 종래의 전두부 구조의 완충 부재를 설명하기 위한 개략도이며, 도 2는 도 1의 완충부재에 의한 충격 흡수 과정 나타낸 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 열차 전두부 구조에서 커플러(10)가 맨 앞에 배치되고, 커플러(10) 후면에는 헤드스톡(head stock)(24) 및 알루미늄 재질의 하니컴(honeycomb) 블록(26)이 위치한다. 헤드스톡(24) 및 하니컴 블록(26)은 전두 프레임의 내부에 장착되어 열차의 전두부 충돌시 충격을 완화하기 위한 완충부재로서, 도 2의 그래프에 따르면, 충돌사고시 헤드스톡(24)과 하니컴 블록(26)에서 대부분의 충격에너지를 흡수한다.

도 3은 도 1의 전두부 구조의 모의 충돌실험의 결과를 도시한 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 종래의 전두부 구조에서 하니컴 블록(26) 및 헤드스톡(24)의 압괴 하중(crushed force)은 약 10000kN으로 나타났으며, 헤드스톡 및 하니컴 블록 후면에 배치된 운전실의 압괴 하중이 약 6000kN인 것을 감안할 때 완충 부재의 압괴(crush)가 일어나기 전에 운전실의 압괴가 발생하여 운전자를 보호하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 공기 저항을 최소화시키면서 운전실의 공간 확보에 용이한 구조를 갖는 열차의 전두부 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 열차의 공기 저항에 대한 영향을 최소화시키면서 운전자의 가시 영역을 최대한 확보할 수 있는 열차의 전두부 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 열차가 터널을 통과하거나 2대의 열차가 서로 교행하는 경우라도 열차에 대한 주행 방해를 최소화할 수 있는 열차의 전두부 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 열차의 충돌시 충격 흡수는 물론 운전자를 보호할 수 있는 열차의 전두부 구조를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 전두부 구조의 완충 부재를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 도 1의 완충부재에 의한 충격 흡수 과정 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 열차 전두부 구조를 부분적으로 도시한 측면도이다.

도 5는 도 4의 열차 전두부 구조의 평면도이다.

도 6은 도 4의 열차 전두부 구조의 정면도이다.

도 7은 전두부 차량에서 미기압파의 저감효과를 도시한 그래프들이다.

도 8은 전면 윈도우부를 설명하기 위한 그래프이다.

도 9는 도 4의 전두부 구조의 완충 부재를 설명하기 위한 개략도이다.

도 10은 도 9의 완충 부재의 개략도이다.

도 11은 도 9의 완충 부재의 효과를 나타내기 위한 그래프이다.

도 12는 도 4의 전두부 구조의 내부를 도시한 측면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100：전두부 구조110：커플러

120：완충 부재122：완충 튜브

124：헤드스톡126：하니컴 블록

130：운전실140：전두 프레임

150：커플러 커버160：메인 패널

170：전면 윈도우부180：전조등

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 커플러, 커플러의 후면에 배치되는 완충 부재, 완충 부재에 후방에 근접하게배치되는 운전실, 완충 부재 및 운전실을 수용하는 전두 프레임, 전두부 구조의 전방에 위치하여 커플러를 덮는 커플러 커버, 전두 프레임을 덮는 메인 패널, 및 메인 패널의 상면으로부터 돌출되어 운전실의 전면에 가시 영역을 형성하는 전면 윈도우부를 포함하는 열차의 전두부 구조가 제공된다.

상기 메인 패널은 커플러 커버와 함께 전두부 구조의 외관을 형성하며, 열차의 주행시 주변 환경과 직접적으로 접하기 때문에 전두부 구조의 유체 역학적 특성을 결정한다. 메인 패널의 상면은 커플러 커버의 상면과 이어져 전방을 향하는 후드 경사면을 형성하고, 후드 경사면은 2이상의 세장비(slenderness ratio)를 가져 열차의 단면적 변화를 최적화한다.

후드 경사면의 세장비가 증가할수록 열차의 단면적 변화가 작아지기 때문에, 큰 세장비를 갖는 열차의 전두부 공기저항의 영향을 적게 받는다. 하지만, 열차의 경우 전두부의 세장비가 약 2.0을 넘어서면서 항력저감효과가 둔화되어 그 변화가 크지 않다.

전두부 구조의 끝점을 시작점으로 정의하고 전두부 구조 중 최초로 최대 단면적을 형성하는 부분을 경계점으로 정의한 후, 시작점 및 경계점 사이의 거리를 기준 거리라 정의하여 각 비율에 따른 후드 경사면의 세장비를 규정할 수 있다.

구체적으로, 후드 경사면은 시작점으로부터 기준 거리의 20% 지점까지 약 2.0~2.5의 세장비를 갖고, 기준 거리의 20%에서 50% 지점까지 약 3.0~4.0의 세장비를 갖고, 그리고 기준 거리의 50% 지점 이후에서 약 5.0이상의 세장비를 갖는 것이 바람직하다. 이렇게, 메인 패널은 후드 경사면 및 양 측면에 있어 유연한 곡선을형성하여 높은 공기 역학적 특성을 향상시킨다.

2이상의 세장비를 갖는 후드 경사면은 공기 역학적 조건을 만족시키나, 운전석과 전면 유리창 사이 거리가 멀기 때문에 좌우방향의 시각이 좁아지게 되고, 운전자는 심리적으로도 좁은 시야를 느낀다. 또한, 전면 유리창 각이 매우 완만하기 때문에 운전석을 앞으로 당길 경우에는 운전자의 머리와 유리창이 너무 가까워 어느 한계 이상 운전석을 전방에 배치시킬 수도 없다. 따라서, 운전자의 시야가 좁게 느껴지는 문제를 해결하기 위해서, 전면 윈도우부를 돌출시켜 유리창의 각을 세워주고 운전석을 가능한 전방으로 배치하여 운전자와 유리창과의 거리를 좁힐 수 있다.

다시 말하면, 운전실 전면에 위치한 제1 윈도우면의 경사각을 높여 운전자의 시야를 확보하고, 제1 윈도우면에 이어지는 제2 윈도우면으로 전면 윈도우부의 상면을 덮어 전면 윈도우부는 후드 경사면으로부터 돌출된 형상을 갖는다. 여기서, 제2 윈도우면은 지면과 평행하거나 전방을 향하여 기울어져 후드 경사면에 다시 수용된다. 따라서, 전면 윈도우부는 후드 경사면으로부터 각지게 돌출되고 다시 후드 경사면에 완만하게 수용됨으로써, 전면 윈도우부의 제1 윈도우면이 높은 경사각을 갖음에도 불구하고 운전실 및 전면 윈도우부가 공기 저항에 대한 영향을 거의 미치지 않고 동력차 형상과 유연하게 조화될 수 있다.

전두 프레임은 전체적인 전두부 구조의 골격을 형성하며, 전두 프레임의 내부에는 완충 부재 및 운전실이 배치된다. 완충 부재는 커플러 및 운전실 사이에 위치하여 전두부 구조의 충돌시 충격 에너지를 흡수하여 객실차로 전달되는 충격을흡수하며 운전실 및 운전자를 보호하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 완충 부재는 커플러의 후면에 배치되는 완충 튜브 및 완충 튜브와 운전실 사이에 배치되는 완충 블록을 포함하며, 완충 블록은 완충 튜브의 일부를 수용하는 헤드스톡 및 헤드스톡 상에 배치되는 하니컴 블록을 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 전두부 구조는 커플러, 완충튜브, 헤드스톡 및 하니컴 블록이 순차적으로 압괴되면서 전두부에 가해지는 충격을 흡수한다. 커플러와 완충 튜브 사이의 직접적인 충격 전달을 완화하기 위하여 커플러와 완충부재 사이에 고정핀이 장착되는 것이 바람직하다.

전두부 구조의 충돌시 커플러 및 완충 부재의 충격 흡수 단계는 다음과 같다.

1차적으로 유압식 카트리지를 포함하는 커플러가 변형되면서 충격 에너지를 흡수하고, 2차적으로 충격 하중에 의해 커플러의 고정핀이 절단되면서 충격 에너지를 흡수하고, 3차적으로 완충 튜브의 팽창 또는 압괴에 의해서 충격 에너지가 흡수되며, 끝으로 4차적으로 헤드스톡 및 하니컴 블록이 동시에 압괴되면서 충격 에너지를 흡수한다. 종래의 전두부 구조에서 완충 부재가 흡수하여야 하는 충격 에너지는 약 5MJ이며, 이를 달성하기 위해 종래의 헤드스톡 및 하니컴 블록의 압괴 하중은 약 10000kN을 가져야 한다. 하지만, 본 고안에 따라 유압식 카트리지, 커플러 고정핀, 완충 튜브, 헤드스톡 및 하니컴 블록으로 이어지는 충격 흡수는 단계적으로 이루어지기 때문에 헤드스톡 및 하니컴의 압괴 하중을 운전실의 압괴 하중(약 6000kN)보다 낮게 설계하는 것이 가능하며, 운전실 및 운전자를 보호하는 동시에전두부 구조의 충격 흡수 조건을 충족시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명에 따른 열차 전두부 구조를 부분적으로 도시한 측면도이며, 도 5는 도 4의 열차 전두부 구조의 평면도이고, 도 6은 도 4의 열차 전두부 구조의 정면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 열차 전두부 구조(100)는 커플러(110), 완충 부재(120), 완충 부재(120)의 후면에 배치되는 운전실(130), 완충 부재(120) 및 운전실(130)을 수용하는 전두 프레임(140), 전두부 구조(100)의 전방에서 커플러(110)를 덮는 커플러 커버(150), 전두 프레임(140)을 덮는 메인 패널(160) 및 메인 패널(160)의 상면으로부터 돌출되어 운전실(130)의 전면(front)에 가시 영역을 형성하는 전면 윈도우부(170)를 포함한다. 또한, 전면 윈도우부(170) 하방의 후드 경사면의 양 측부에는 각각 전조등(180)이 매설되어, 후드 경사면에 돌출되거나 만입된 면 없이 전두부 구조(100)가 갖는 공기 역학적 특성을 동일하게 유지한다.

전두 프레임(140)이 전두부 구조(100)의 골격을 형성하고, 커플러 커버(150) 및 메인 패널(160)이 전두부 구조(100)의 외관을 형성한다. 메인 패널(160)의 상면 일부는 커플러 커버(150)의 상면과 이어져 후드 경사면을 형성한다. 본 발명에 따른 후드 경사면은 고속 주행 성능을 개선하고 터널에서의 안정적인 운행을 할 수있도록 최소한 2이상의 세장비(slenderness ratio)를 갖는다. 즉, 후드 경사면은 전체적으로 유연한 곡면을 형성하며, 임의 지점에서의 세장비는 다른 지점에서의 세장비와 다를 수 있지만 최소한 2이상의 세장비를 갖는다.

커플러 커버(150)는 주행시 커플러(110)가 장착된 부분을 덮어 공기의 흐름을 원활하게 하며, 커플러(110)를 보호하는 가드로서 기능한다. 커플러 커버(150)는 전두부 구조(100)의 중심을 기준으로 양측을 개폐되며, 커플러 커버(150)의 개방시 커플러(110)가 외부로 드러나고 드러난 커플러(110)는 열차 또는 동력차를 이송하기 위한 외부의 이송 장치와 결속된다.

커플러 커버(150)의 외관과 이어지는 메인 패널(160)이 전두 프레임(140)을 덮는다. 커플러 커버(150)와 메인 패널(160)은 전두부 구조(100)의 공기 역학적 특성을 결정하는 주요 요소이다. 메인 패널(160)은 후드 경사면을 형성하는 후드 패널(164) 및 후드 패널(164)과 이어져 전두 프레임(140)의 양 측면을 덮어 전방으로 좁아지는 구조를 갖는 사이드 패널(166)들을 포함한다. 각 사이드 패널(116)에는 전후방향으로 형성된 2개의 제1 변곡 라인(168)이 형성되어 있으며, 제1 변곡 라인(168)은 커플러 커버(150)에 형성된 제2 변곡 라인(158) 및 반대편의 사이드 패널(166)에 형성된 제1 변곡 라인(168)과 이어져 전체적으로 통일감이 있는 외관을 형성한다.

커플러 커버(150)에서 제2 변곡 라인(158)의 하방으로 곡면이 형성되어, 고속 주행시 공기 디플렉터(air deflector)로 공기가 원활하게 흐르게 한다.

전두부 구조(100)의 끝점을 시작점(S)이라 하고 전두부 구조 중 최초로 최대단면적을 형성하는 부분을 경계점(E)이라 할 때, 전두부 구조(100)에서 후드 경사면은 시작점(S)으로부터 경계점(E)까지 완만하게 증가하여 단면적 변화율을 최소화시키는 것을 특징으로 한다. 전두부 구조(100)에서 시작점에서 경계점까지의 거리는 약 15.0m이고, 경계점에서의 전두부 구조(100)의 높이는 약 4.1m이며 너비는 약 2.8m이다.

후드 경사면의 형상을 구체적으로 나타내면 다음과 같다. 시작점(S)으로부터 기준 거리(BL)의 20% 지점(L20)인 약 3m까지의 후드 경사면의 세장비는 약 2.0~2.5이다. 단, 여기서 시작점(S)에서 최초 굴곡이 형성되는 약 10cm까지의 세장비는 2.0 이지만, 이는 고려하지 않는 것으로 한다. 계속해서, 기준 거리의 20%에서 50% 지점(L20~L50)인 약 3.0~7.5m 영역에서 후드 경사면의 세장비는 약 3.0~4.0이다. 또한, 기준 거리의 50% 지점이후, 즉 약 7.5~15.0m 영역에서 후드 경사면의 세장비는 약 5.0이상이다.

또한, 경계점(E)에서의 전두부 구조(100)의 너비는 약 2.8m이고 이를 기본 너비로 정의할 때, 각 지점에 따른 전두부의 너비는 경계점으로부터 상기 기준 거리의 5% 지점(W5)에서의 너비는 기준 너비의 60%인 약 1.7m이며, 기준 거리의 10% 지점(W10)에서의 너비는 기준 너비의 75%인 약 2.0m이고, 기준 거리의 20% 지점(W20)에서의 너비는 기준 너비의 90%인 약 2.5m이다. 그리고 기준거리의 50% 지점에서의 너비는 기준 너비의 95%인 약 2.7m로 그 이후의 너비는 거의 일정하게 유지된다.

후드 경사면에 전면 윈도우부(170)가 돌출된다. 전면 윈도우부(170)는 제1윈도우면(172) 및 제2 윈도우면(174)을 포함한다. 제1 윈도우면(172)은 기준 거리의 20% 지점인 약 3.0m 지점에서 예각을 형성하며 후드 경사면으로부터 돌출되며, 제2 윈도우면(174)은 약 6.5m 지점에서 후드 경사면에 수용된다.

상술한 바와 같이, 고속 열차의 터널 주행시 고속 주행으로 발행하는 미기압파 및 공기압 변동은 차체의 횡진동, 이명현상에 의한 승차감의 불량, 터널 출구에서의 충격성 소음 등을 야기한다. 특히 열차의 전두부 형상은 터널의 미기압파 및 공기압 변동에 매우 큰 영향을 미친다. 열차의 터널 통과시 미기압파를 조절할 수 있는 파라미터는 차량 전두부 세장비, 속도, 열차-터널 단면적비 등이다.

도 7은 전두부 차량의 세장비(a/b)에 따른 미기압파의 저감효과를 도시한 그래프들이다.

도 7을 참조하면, 세장비를 2, 3, 및 5로 달리하여 그 변화를 나타낸 것이며, 세장비가 줄어들수록 최적설계의 효과가 점점 떨어져서 세장비(a/b)가 2인 경우 최적화 설계로 인한 미기압파의 저감효과가 불과 2.4%에 머무르는 것으로 나타난다. 따라서, 전두부 최적화설계는 항상 의미를 갖는 것이 아니라, 최소한 세장비(a/b)가 2 이상인 전두부에 대해서 효과를 가진다고 할 수 있다.

도 8은 전면 윈도우부에 의한 공기 역학적 특성 변화를 설명하기 위한 그래프로서, S1N1의 기본형상의 전두부 구조 및 S1N1의 전두부 구조에 전면 윈도우부가 돌출된 S1N1-C의 전두부 구조를 비교하기 위한 것이다.

도 8을 참조하면, S1N1의 기본형상에 전면 윈도우가 추가된 경우가 S1N1-C의 경우 공기역학적 성능을 나타낼 수 있는 지표인 압력항력의 증가분은 약 2.7%이다.보통 전체 열차에서 전두부의 형상에 의한 저항의 크기는 전체 저항의 약 5~10%정도인 것을 감안한다면, 2.7%의 압력항력의 증가는 거의 미비한 것이다. 따라서 적절하게 설계된 전면 윈도우부는 열차의 공기역학적 특성에 거의 영향을 미치지 않는다고 판단할 수 있다. 전두부 구조(100)에서 전면 윈도우부(170)는 예각을 형성하며 후드 경사면으로부터 돌출되기 때문에 특수한 위치에서의 박리나 그에 따른 심각한 공기역학적 특성의 변화는 없다.

도 9는 도 4의 전두부 구조의 완충 부재를 설명하기 위한 개략도이며, 도 10은 도 9의 완충 부재의 개략도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 전두 프레임(140)의 내부에는 커플러(110), 커플러(110)의 후면에 위치한 완충 튜브(122), 완충 튜브(122) 및 커플러(110)를 수용하는 헤드스톡(124) 및 헤드스톡(124) 상에 배치되는 하니컴 블록(126)이 있다. 하니컴 블록(126)의 후면에는 운전실(130)이 배치된다.

또한, 커플러(110) 및 헤드스톡(124)을 잇는 4개의 고정핀(128)들이 장착된다.

전두부 구조(100)의 충돌시 커플러(110), 완충 부재 및 운전실(130)로 충격이 전달되면서 완충 부재의 구성 요소들이 충격을 순차적으로 흡수한다. 완충 부재의 충격 흡수 과정은 다음과 같다.

1차적으로 커플러(110)의 유압식 카트리지(도시되지 않음)에 의해서 충격에너지가 흡수된다. 약 2000 kN 이하에서 충격에너지를 흡수되며 이때 변형길이는 120 mm였다. 2차적으로, 약 2,000 kN의 충격 하중에서 커플러의 고정핀 절단된다.3차적으로 약 2,000 kN의 충격하중에서 금속 재질의 완충 튜브(122)의 팽창 또는 압괴에 의해 충격 에너지를 흡수한다. 이때, 튜브의 압괴 길이는 약 800mm이고, 흡수된 충격 에너지는 약 1.6 MJ이었다. 마지막으로, 약 5,000 kN의 충격하중에서 알루미늄 하니컴 블록(126)과 헤드스톡(124)이 동시에 압괴된다. 이때, 헤드스톡(124)의 압괴하중 약 3000 kN, 하니컴 블록(126)의 압괴 하중 약 2000 kN이었고, 압괴길이 약 900 mm였다. 따라서, 헤드스톡(124) 및 하니컴 블록(126)에 의해서 흡수된 충격 에너지는 약 4.5 MJ이었다.

여기서, 헤드스톡(124) 또는 하니컴 블록(126)은 알루미늄 이외에도 마그네슘과 같은 다른 금속 또는 고분자 화합물로 구성될 수 있다.

도 11은 도 9의 완충 부재의 효과를 나타내기 위한 그래프이며, 도 12는 도 4의 전두부 구조의 내부를 도시한 측면도이다.

도 11을 참조하면, 완충 부재의 순차적인 충격 에너지 흡수과정에서 하니컴 블록(126)과 헤드스톡(124)의 압괴하중은 약 5,000 kN 정도로, 완충 부재 후방의 운전실 압괴하중인 약 6,000 kN보다 낮아 충격 흡수과정에서 운전실의 압괴 발생 없이 5.0 MJ 이상의 충격 에너지를 흡수할 수 있다.

본 발명에 따르면, 열차의 주행 중 발생할 수 있는 공기 저항 및 터널 통과시 발생할 수 있는 미기압파 발생과 소음을 최소화할 수 있다.

또한, 돌출된 전면 윈도우를 통해 열차의 공기 저항을 거의 동일하게 유지하며 운전자에게 충분한 시야를 제공할 수 있다.

또한, 전두부의 충돌시 충격 에너지를 효율적으로 흡수하여 운전실의 압괴를 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

커플러;

상기 커플러의 후면에 배치되는 완충 부재;

상기 충격 흡수 부재의 후방에 근접하게 배치되는 운전실;

상기 완충 부재 및 상기 운전실을 수용하는 전두 프레임;

전방에 위치하여 상기 커플러를 덮는 커플러 커버;

상기 전두 프레임을 덮는 메인 패널 -상기 메인 패널의 상면 일부는 상기 커플러 커버의 상면과 이어져 후드 경사면을 형성하고, 상기 후드 경사면은 2이상의 세장비(slenderness ratio)를 가짐-;

상기 후드 경사면으로부터 돌출되어 상기 운전실의 전면에 가시 영역을 형성하는 전면 윈도우부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제1항에 있어서,

상기 전면 윈도우부는 상기 후드 경사면으로부터 예각을 형성하며 돌출된 제1 윈도우면 및 상기 전면 윈도우부의 상면을 덮는 제2 윈도우면을 포함하는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제2항에 있어서,

상기 제2 윈도우면은 지면과 수평하거나 상기 전두부의 정면을 향하여 경사지며, 상기 제2 윈도우면의 후단은 상기 후드 경사면과 예각을 형성하며 배치되는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제1항에 있어서,

상기 전두부 구조의 끝점을 시작점으로 정의하고, 상기 전두부 구조 중 최초로 최대 단면적을 형성하는 부분을 경계점으로 정의하고, 상기 시작점 및 상기 경계점 사이의 거리를 기준 거리라 정의하며,

상기 후드 경사면은 상기 시작점으로부터 상기 기준 거리의 20% 지점까지 2.0~2.5의 세장비를 갖고, 상기 기준 거리의 20%에서 50% 지점까지 3.0~4.0의 세장비를 갖고, 상기 기준 거리의 50% 지점 이후에서 5.0이상의 세장비를 갖는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제4항에 있어서,

상기 메인 패널의 측면은 포물선 형상으로 형성되며, 상기 경계점에서의 상기 전두부 구조의 너비를 기본 너비로 정의하고,

상기 전두부의 너비는 상기 시작점으로부터 상기 기준 거리의 5% 지점에서상기 기준 너비의 55~60%이며, 상기 기준 거리의 10% 지점에서 상기 기준 너비의 70~80%이며, 상기 기준 거리의 20% 지점에서 상기 기준 너비의 85%이상이며, 그리고 상기 기준거리의 50% 지점에서 상기 기준 너비의 90%이상인 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제4항에 있어서,

상기 전면 윈도우부는

상기 시작점으로부터 상기 기준 거리의 18~22% 지점에서부터 상기 후드 경사면에서 예각을 형성하며 돌출된 제1 윈도우면; 및

상기 제1 윈도우면과 이어져 상기 기준 거리에서 45~55% 지점에서 상기 후드 경사면에 수용되는 제2 윈도우면을 포함하는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제6항에 있어서,

상기 제2 윈도우면은 지면과 수평하거나 상기 전두부의 정면을 향하여 경사진 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제1항에 있어서,

상기 전면 윈도우부 하방의 상기 후드 경사면의 양 측부에는 각각 전조등이 매설된 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제1항에 있어서,

상기 완충 부재는

상기 커플러의 후면에 장착되는 완충 튜브; 및

상기 완충 튜브를 부분적으로 수용하여 상기 완충 튜브의 압괴 이후에 충격을 흡수하는 완충 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제9항에 있어서,

상기 완충 블록은 상기 완충 튜브를 수용하는 헤드스톡 및 상기 헤드스톡 상에 장착되는 하니컴 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제10항에 있어서,

상기 헤드스톡 또는 상기 하니컴 블록은 알루미늄 및 마그네슘으로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제9항에 있어서,

상기 커플러 및 상기 완충 부재 사이를 잇는 고정핀을 포함하여 상기 커플러로부터 전달되는 충격 에너지를 흡수하는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제12항에 있어서,

상기 커플러는 유압식 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제1항에 있어서,

상기 메인 패널은 상기 후드 경사면을 형성하는 후드 패널 및 상기 후드 패널과 이어져 상기 전두 프레임의 양 측면을 덮어 전방으로 좁아지는 구조를 갖는 사이드 패널들을 포함하며,

상기 각 사이드 패널은 상기 사이드 패널이 굴곡되어 전후방향으로 형성된 제1 변곡 라인을 포함하며, 상기 제1 변곡 라인은 상기 커플러 커버에 형성된 제2 변곡 라인 및 타측 사이드 패널의 제1 변곡 라인과 이어지는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.
제14항에 있어서,

상기 커플러 커버는 상기 제2 변곡 라인의 하방으로 곡면을 형성하여 열차의 주행시 공기의 흐름을 원활하게 하는 것을 특징으로 하는 열차의 전두부 구조.