KR20010049324A - 고-워프 마찰 모멘트와 저-완충력을 위해 최적화된 완충시스템 및 그 설계 방법 - Google Patents

Abstract

철도 차량 트럭용 완충 시스템은 철도 차량 트럭 받침과 그를 지지하는 측면 프레임 사이의 상대 운동을 완화시키기 위해 측면 스프링에 의해 지지되는 마찰 쐐기를 이용한다. 각 마찰 쐐기는 측면 프레임에 대하여 지탱되는 수직 마찰면과 받침에 대하여 상대적으로 움직이는 경사 마찰면 사이에서 θ의 각으로 일반적인 삼각형을 이룬다. 각 θ와 측면 스프링의 힘 P 는 다음으로 정의된다.

Description

고-워프 마찰 모멘트와 저-완충력을 위해 최적화된 완충 시스템 및 그 설계 방법{FRICTION WEDGE DESIGN OPTIMIZED FOR HIGH WARP FRICTION MOMENT AND LOW DAMPING FORCE}

본 발명은 "3-피스(three-piece)" 철도 차량 트럭, 더욱 자세하게는 측면 프레임을 구비한 받침(bolster)을 결부시키고, 서스펜션 완충 및 워프 강성을 제공하는 4개의 마찰 쐐기에 관한 것이다. 트럭 워프를 생성하는 축간 전단 모멘트의 측정에 필요한 워프 마찰 모멘트는 트럭 워프 강성을 지배하는 주된 특성이고, 3-피스 트럭의 결점으로 알려진 특성이다. 완충력 수준은 원하는 정도에서는 문제점이 없지만, 너무 낮거나 높은 경우 문제가 된다. 본 발명은 무한하게 높은 워프 마찰 모멘트와 적절히 낮은 완충력을 동시에 만드는 마찰 쐐기를 제공하는 마찰 쐐기 각도, 마찰 계수, 쐐기 스프링 힘, 및 쐐기 폭 사이의 원하는 관계를 제시한다.

워프 마찰 모멘트를 증가시킴으로써, 보다 높은 축간 전단 강성(interaxle shear stiffness), 또는 트럭 워프 강성이 얻어진다. 워프 강성은 고속 안정성과, 무거운 축 부하 만곡 성능(heavy axle load curving performance)을 결정하는 2축 트럭의 주된 특성이다. 일반적으로 워프 마찰 모멘트로 설명된 정지 워프 마찰 모멘트는 마찰 우력(friction force couple)이며, 트럭 워프력(truck warp force)이나 축간 전단력에 대한 저항으로써 주로 마찰 쐐기에 의해 생성된다. 그것은 쐐기 의해 생성된 저항 모멘트가 정지 마찰에 의해 한정되기 때문에, 정지 워프 마찰 모멘트라고 불린다. 본 발명의 목적은 마찰 쐐기 설계의 최적화를 통해 워프 마찰 모멘트를 증가시킴으로써 3-피스 트럭의 워프 강성을 증가시키는 것이다.

본 발명에서, 최대 축간 전단력과 함께 워프 마찰력 및 스프링된 무게의 백분율로 완충력을 연립 방정식화함으로써, 트럭 워프에 저항하며, 서스펜션 완충의 안전한 정도를 유지하는 마찰 쐐기를 설계하는 것이 가능하다. 한 쌍의 연립 방정식을 사용함으로써 설계 엔지니어가 단지 완충비에 의한 것보다, 최대 워프 마찰 모멘트 및 원하는 완충비에 기초한 마찰 쐐기를 설계하는 것이 가능하게 된다. 방정식은 마찰 쐐기의 완전한 설계와 워프 마찰 및 완충을 위해 최적화된 측면 스프링을 위한 매개변수의 세트이다.

북미 운송 철도 서비스에서, 일반적인 2바퀴 세트를 구비하는 3-피스 운송 차량 트럭은 중요한 작동 및 경제적 요구의 다양성을 만족시키도록 발전해왔다. 다른 요구 사항중에서, 그것들은 철도에 높은 수준의 경제적 가치를 유도할 수 있어야함과 동시에, 안전하게 지지되고 폭이 넓은 트랙 상황에서도 높은 바퀴 부하(load)를 균일하게 할 수 있어야 한다. 상기의 기본적인 기준에 부가하여, 트럭과 그 부품은 상호 연결된 철도 네트워크 시스템을 통해 상호 교환가능해야 한다. 오늘날 3-피스 트럭은 그 일반적인 설계가 간단하고, 유연성이 있고, 내구성이 있으며, 신뢰할 수 있기 때문에 어느정도 상기의 요구를 만족시킨다. 그러나, 발전 과정에 있어서, 작동 효율면에서의 트럭 설계의 주요 특징은 워프 마찰 모멘트의 설계에 있어 상당히 무시되어 왔다.

일반적인 3-피스 트럭은 대개 고속으로 작동하기 때문에, 일반적인 사용에 있어서 충분한 에너지와 직면할 경우, 바퀴 세트는 트랙과 관련하여 그리고 "트럭 헌팅(truck hunting)"으로 알려진 불안정성을 야기하는 다른 것과 관련하여 측면으로 움직이도록 강제되어진다. 트럭 헌팅은 철도 차량과 그 랜딩에 높은 측면 힘을 전달하고, 기관차에 드래그(drag)를 증가시키고, 효율을 감소시키기 때문에, 트럭 헌팅은 바람직하지 않다. 또한, 일반적인 3-피스 트럭이 일상적인 사용에 있어서 커브에 직면하는 경우, 바퀴 세트는 "트럭 워프(truck warp)"로 알려진 상태의 다른 결과와 관련하여 측면으로 움직이도록 강제되어진다. 트럭 워프는 리딩 바퀴 세트(leading wheelset)와 레일 사이에서 발생하는 높은 어택 각도(angle of attack)를 야기하고 레일과 바퀴의 마모비를 높이는 결과를 초래하기 때문에, 트럭 워프는 바람직하지 않다. 트럭 헌팅과 트럭 워프가 고속의 결과이거나 커브의 결과이든지 간에, 트럭 헌팅과 트럭 워프는 서로에 관하여 바퀴 세트의 측면 변위, 및 받침에 관한 측면 프레임의 사각형 관계를 각도 관계로 변화시키는 것으로 특징된다.

무거운 축 부하 탈선(heavy axle load deraolment)에 관계된 일반적인 3-피스 운송 차량 트럭의 테스트는 성능을 좌우하는 축간 전단 강성의 상당 부분이 받침 연결부에의 측면 프레임에 기인한다는 것을 보인다. 그러나, 상기 연결부의 최근의 설계는 상기 연결부를 고정하는 쿨롱 마찰력의 한계를 넘어서 측면 프레임과 받침 사이의 비정방형 운동에 대한 저항을 제공할 뿐이라는 근원적 문제점을 가진다. 최근의 이론적 모델링과 연구 실험은 3-피스 트럭의 성능에 있어서 워프 마찰 모멘트가 결정적인 요소인 것을 확인하였다.

3-피스 트럭의 받침 연결부에 대한 측면 프레임은 한 면에 받침내의 포켓에 의해 접하고 유지되는 정삼각형 마찰 쐐기, 다른 면에 측면 프레임의 수직 표면, 및 세번째 면에 스프링을 가지는 것으로 일반적으로 특징된다. 연결부는 3개의 부하 베어링 인터페이스[스프링 시트(seat) 표면, 경사면, 및 칼럼 표면]로 구성된다. 쐐기 표면은 스프링 시트가 있는 정삼각형으로 맞추어지고, 칼럼 표면은 서로 수직으로 맞추어지고, 경사면은 칼럼 표면에 날카로운 각으로 맞추어진다. 쐐기는 철도 차량 몸체의 동적인 힘에 기인한 측면 프레인에 관한 받침의 미끄럼 운동을 가능하게 하도록 칼럼 표면에 수직하게 맞추어진다. 쐐기 경사면은 받침 포켓 경사면에 지지되고, 그것은 스프링의 힘을 직접적으로 스프링 세트 표면에서 칼럼 표면으로 작용시킨다. 쐐기의 형상과 방향 설정의 결과, 3개의 인터페이스에서, 힘 평형은 측면 프레임의 받침의 상대적 위치와 운동에 의해 지배되는 마찰 쐐기위에서 형성된다.

3개의 다른 힘 평형[스프링 압축 행정 힘 평형, 스프링 감압 행정 힘 평형, 및 트럭 워프 동작 힘 평형]이 가능하다. 압축 및 감압 행정 힘 평형은 3-피스 트럭에서 쿨롱 완충력을 설명하는 힘 평형이고, 수직 완충을 위한 마찰 쐐기를 설계하는 설계 엔지니어에 의해 다년간 사용되어져 왔다. 상기 2힘 평형은 쐐기 각도, 스프링 힘, 쐐기와 칼럼 소재 사이의 마찰 계수, 및 경사면에 의해 지배되어진다. 워프 동작 힘 평형은 축간 전단력 상태하에서 쐐기에 작용하는 힘을 설명하고, 쐐기 힘을 생성하는 축간 전단력, 또는 트럭 워프력 으로부터 그 명칭을 얻었다. 워프 동작하에서, 다른 경우 반대 방향으로 작용하는 마찰력은 상부 방향으로 작용하고, 상기 인터페이스에서의 정지 마찰력의 한계를 넘어서 칼럼과 측면 프레임 사이의 쐐기를 고정한다.

쐐기에서 워프 작용력을 설명하는 워프 작용 힘 평형은 새로운 것이며, 공보나 선행기술에서 설명되지 아니하였다. 그것은 쐐기 힘 평형 매개변수의 매개변수 효과 분석을 통해 발견되었다. 상기 분석의 목적은 지배 매개변수(쐐기 각도, 마찰 계수, 및 스프링 힘)의 완충력에서의 효과를 결정하는 것이다. 상기 분석은 완충력이 쐐기 각도 및 마찰 계수에 지수적(exponential)인 성질을 드러낸다. 쐐기각이 작은 트럭이 쉽게 탈선하지 않는다는 탈선 조사에서 밝혀진 사실과 상기의 사실의 결합은 쐐기에서 고유한 마찰 힘 평형이 트럭 워프력 상태하에 존재해야 한다는 발견에 이르게 된다.

전개된 매개변수 분석은 완충력 분석이 그러하듯이 워프 마찰 모멘트가 쐐기 및 마찰 계수에 대해 동일한 지수(exponential) 관계임을 나타낸다. 이것은, 비록 감소하는 쐐기 각도와 증가하는 마찰 계수에 대해 완충력과 워프 마찰력 양자가 지수적으로 증가하더라도, 워프 마찰력은 완충력보다 더 빨리 증가한다는 사실에 이른다. 이러한 사실은 어느 정도 마찰 계수가 주어졌을 때, 높은 워프 마찰 모멘트와 낮은 완충력을 만드는 쐐기 각도와 스프링 힘의 조합의 존재 가능성을 포함한다.

상기 핵심적인 쐐기 힘 평형 매개변수의 최적 조합의 존재 가능성은 객관적 입력 자료의 수단에 의한 매개변수 수치를 정하도록 설계된 모델을 발전시켰다. 그 결과, 본 발명의 목적은 이렇게 유도된 수학적 모델이며, "측면 워프 모멘트와 수직 완충력을 최적화하는 마찰 쐐기 및 측면 스프링 설계 방법"으로 명명된다. 본 모델의 핵심은 압축 완충 힘 평형의 연립 방정식의 쌍에서, 트럭 워프 힘 평형과 조합된 워프 작용 힘 평형이다.

상기 모델은 기본적인 객관적인 입력 자료(쐐기 폭, 쐐기 마찰 계수, 및 완충비)와 철도 차량 중량, 주요 트럭 디멘젼(dimension), 중앙판과 측면 베어링 마찰 계수 및 레일 마찰 계수를 사용한다. 이러한 입력 자료는 2그룹(마찰 쐐기 특징을 설명하는 그룹 및 비어있거나 짐을 실은 차량 상태에서의 트럭 특성을 설명하는 그룹)으로 나눌수 있다. 비록 양 그룹의 매개변수가 객관적으로 정의되더라도, 쐐기 그룹으로부터 1매개변수, 및 트럭 그룹으로부터 2매개변수는 가능한한 가장 최적화된 솔루션을 구하기 위해 그 수치를 정하는 데 있어 어느 정도 재량을 요구한다. 레일 마찰 계수 및 중앙판(및 측면 베어링) 마찰 계수는 비어있거나 짐을 실은 차량 워프력 각각의 기본적 운동 요소이고, 완충비는 완충력의 기본적 운동 요소이다. 따라서, 상기 3 매개변수는 워프 저항 및 트럭 장치의 완충력의 필요한 수준에 기초하여 정해지도록 설계된다.

기본적 입력 매개변수가 결정되면, 상기 모델은 미지의 마찰 쐐기, 및 측면 스프링 디멘젼(쐐기 각도, 쐐기 높이, 쐐기 깊이, 및 작업 포인트), 스프링 바 직경, 외경, 및 자유 높이에 관한 솔루션을 생성한다. 쐐기 폭, 및 스프링 솔리드 높이와 같은 입력 자료와 함께 상기 모델은 워프 마찰 모멘트 및 완충력의 설정된 조합을 생성하기 위해 최적화된 측면 스프링 설계와 완전한 마찰 쐐기를 위한 정확한 디멘젼을 제공한다. 상기 설계를 위한 디멘젼을 제공함에 부가하여, 상기 모델은 쐐기와 측면 스프링 설계의 솔루션과 일치하는 완전한 서스펜션 배열을 설계하기 위해 필요한 수치와 부하 스프링의 정확한 솔루션을 제공한다.

전술한 바와 같이, 이러한 모델은 차량 부하, 트럭 크기 및 쐐기 소재의 어떠한 조합을 위한 최적의 스프링 설계 솔루션과 쐐기를 정하도록 설계된다. 임의의 입력 자료는 엔지니어가 원하는 쐐기 및 스프링 설계 솔루션을 구하기 위해 입력 매개변수를 적응시키는 유연성을 가질 수 있도록 설계된다. 그러나, 임의의 입력 자료는 객관적인 한계를 가지는 실제항에 그 근원을 둔다. 따라서, 쐐기 및 스프링 설계의 최적 솔루션은 임의의 입력 자료의 객관적으로 정해진 해석의 적용을 통해 찾아진다. 이것이 이루어지면, 입력 매개변수에서의 자연스러운 변화를 위해 어느 정도 허용이 이루어져서, 필수 설계 매개변수의 특별한 범위를 가지는 쐐기 설계 형태가 출현한다.

모든 필수 쐐기 설계 매개변수중에서, 쐐기 각도는 그것이 쐐기의 삼각형을 결정하고, 완충 및 워프 마찰력에 가장 큰 제어 가능한 효과를 주는 디멘젼이기 때문에, 가장 필수적이다. 완전히 객관적인 입력 케이스로부터 나타나는 쐐기 각도 범위는 마찰 쐐기 설계의 전형적인 각도 범위 이내에 놓인다. 충분한 쐐기 폭, 적당한 쐐기 마찰 계수, 및 특정 스프링 힘의 조합에서, 일반적인 쐐기 각도보다 작은 것은 하나의 마찰 쐐기와 측면 스프링 설계에서 적당히 낮은 완충력과 높은 워프 마찰 모멘트의 조합을 만드는 강력한 형태가 된다.

상술한 바에 따르면 본 발명은 설계 방법 모델에 부가하여, 본 발명에 서술된 객관적인 입력값으로 설계된 스프링과 마찰 쐐기에 대한 2개의 양호한 실시예를 서술하고 있다. 상기 2개의 양호한 실시예는 설계 방법 모델에 의해 정해지는 솔루션으로 설계되는 쐐기와 스프링 쌍이 된다. 쐐기와 스프링 쌍의 설계 범위는 모델에 객관적인 입력 자료의 변화 가능한 수치로 정해진다.

본 발명의 목적은 3-피스 운송 차량 트럭, 특히 워프 강성을 증가시키는 3-피스 운송 차량 트럭을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적절한 수준으로 쿨롱 완충력을 제한하는 동안 축간 전단 강성을 증가시키는 운송 차량 트럭을 설계하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 충분한 워프 모멘트와 한정된 완충력으로 최적화된 마찰 쐐기 및 측면 스프링을 설계하는 수학적 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 워프 마찰 모멘트를 증가시킴으로써 축간 전단 강성을 증가시키기 위해 1-피스 쐐기나 2-피스 분할 쐐기로 특별히 설계된 마찰 쐐기를 구비하는 운송 차량 트럭 설계를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이하에서 설명될 설계 방법에 의해 정해지는 28°내지 32°의 범위를 가지는 쐐기 각도를 구비하는 마찰 쐐기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 비어있거나, 짐을 실은 차량 상태에서 힘의 최적 총량을 만들도록 특별히 설계되어 완충력이 충분히 낮고 워프 마찰 모멘트가 충분히 높은 측면 스프링을 구비하는 운송 차량 트럭 설계를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 철도 차량 트럭의 모양을 도시하는 측면도.

도 2는 철도 차량 트럭의 수평 단면의 평면도.

도 3은 받침대, 측면 프레임, 쐐기의 관계를 도시하는 확대 단면도.

도 4A, 4B, 4C, 및 4D는 힘이 트럭에 가해지는 경우를 도시하는 각 마찰 쐐기의 측면도 및 단면도.

도 5A, 5B, 5C, 및 5D는 철도 차량 트럭이 사용될 때 힘이 분할 마찰 쐐기에 작용되는 것을 각각 도시하는 측면도 및 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

12: 측면 프레임 18: 바퀴 세트

22: 칼럼면 24: 경사면

본 발명은 고속과 곡선 작동시 트럭의 성능을 개선시키는 측면 프레임과 받침대 사이의 개선된 인터페이스에 관한 것이다. 이하에서 설명될 트럭 형상은 워프 강성, 또는 축간 전단 강성, 또는 트럭의 운행시 작용하는 비정방형의 힘(unsquaring force)에 대한 저항력을 증대시킨다. 개선된 인터페이스는 워프 마찰 모멘트(워프 강성)와 완충력 사이의 균형을 최적화하는 수학적 방법에 의해 결정되는 마찰 쐐기와 측면 스프링이다. 본 발명의 전술한 실시예는 도출된 마찰 쐐기와 측면 스프링 세트이다.

최적화된 형태의 마찰 쐐기는 측면과 수직 안정성을 유지하기 위해 충분히 낮은 완충력과 함께 충분히 높은 워프 마찰 모멘트를 만드는 모든 수준의 압축에서 최적의 힘을 나누어주도록 대응하여 설계된 측면 스프링으로 조합된다. 삼각형의 마찰 쐐기는 측면 프레임 스프링 시트(side frame spring seat)에 장착된 하나 이상의 코일 스프링에 의해 아래로부터 지지되거나, 위로부터 보유되거나, 받침 포켓 경사면에 의해 측면에, 측면 프레임 칼럼에 각각 보유된다.

일반적인 3-피스 운송 차량 트럭에서, 안정성과 커브(curving) 성능을 제어하는 축간 전단 강성은 대개 측면 프레임에 의해 스프링이 작용된 마찰 쐐기를 통하여 받침 연결부에 제공된다. 이러한 연결의 설계에 대한 최근의 문제점은 상기 형상이 쓰레스홀드(threshold)나 파단력에 대한 쿨롱 마찰 저항에 의한 적절한 축간 전단 강성을 제공할 뿐이라는 것이다. 파단력보다 큰 축간 전단력에서, 3-피스 트럭의 축간 전단 강성은 양호한 안정성과 커브를 위해 적당한 수준 이하로 떨어진다.

특히, 마찰 저항 특성은 정지 마찰, 운동 마찰의 2경우를 포함한다. 정지 모드는 측면 프레임과 받침 사이의 미끄럼 요동 운동(sliding yaw movement)에 대한 높은 저항 강성으로 특징된다. 정지 모드는 실질적으로 워프 저항력과 축간 전단 강성 면에서 운동 모드보다 크다. 정지 모드의 한계는 간혹 정지 워프 마찰 모멘트로도 불리는 워프 마찰 모멘트로서 정의된다. 운동 모드는 측면 프레임이 회전하는 동안 가해진 저항력에 의해 미끄러지고, 받침에 대해 요동하는 것으로 특징된다. 저속 및 적절한 커브 상태에서, 일반적인 마찰 쐐기의 정지 워프 마찰 모멘트는 측면 프레임과 받침 사이의 상대적 요동 운동에 대하여 효과적으로 저항한다. 그러나, 고속 및 심한 커브 상태하에서, 입력 힘은 정지 모드의 마찰 저항을 능가하여, 측면 프레임이 받침에 대하여 요동하며 미끄러지게 한다.

측면 프레임과 받침 사이의 연결부의 정지 워프 마찰 모멘트를 실질적으로 증가시킴으로써, 일반적인 운송 차량 트럭의 워프 강성을 극적으로 증가시키는 것이 가능하다. 본 발명은 수직 서스펜션 완충의 안전한 정도를 유지하면서 워프 마찰 모멘트를 실질적으로 증가시키는 마찰 쐐기와 측면 스프링의 설계를 위한 수학적 방법을 제공한다. 수학적 설계 방법의 핵심은 마찰 쐐기각 및 측면 스프링 힘의 최적 조합을 찾기 위한 방정식 시스템에서 조합된 워프 마찰력과 완충력을 위한 한 쌍의 기초 힘 평형이다.

도 1 및 2에서, 철도 차량 트럭은 받침(14)에 의해 연결된 한 쌍의 측면 프레임(10, 12)을 포함하여 도시된다. 16에 도시된 부하 스프링(load spring)은 측면 프레임 위에서 받침을 지지하고, 측면 프레임의 단부는 18로 표시된 바퀴 세트 단부 근처에 위치된 롤러 베어링 위에서 지지되어진다. 상기 설명된 구조는 철도 기술 분야에서 일반적인 것이다.

도 3에서, 받침(12)은 그 단부에 포켓(20)을 구비하여, 받침의 각 단부에는 2개의 포켓이 있다. 포켓은 이하 설명될 완충 시스템의 핵심인 마찰 쐐기를 가진다. 도 3 및 4A 내지 4D에서 도시된 마찰 쐐기는 칼럼면(22)과 경사면(24)을 구비하여, 경사면(24)은 받침 포켓의 경사진 면을 지탱하고, 칼럼면(22)은 측면 프레임에 인접한 칼럼을 지탱한다. 마찰 쐐기의 저부면은 공지된 바와 같이 측면 스프링에 의해 지지된다. 각 θ는 22 및 24 표면의 연결부에 형성되고, 이하에서 더욱 상세하게 서술될 것이다. 도 4A 내지 4D에 도시된 힘(P)은 마찰 쐐기의 저부에 가해지는 측면 스프링 힘이다. 측면 스프링과 상기 요소의 이용은 일반적인 공지 기술이다. 아직 공지 기술이 아닌 것은 마찰 쐐기에 측면 스프링에 의해 가해지는 힘(P)과 마찰 쐐기의 마찰 표면 사이에 형성된 각 θ의 관계이며, 상기 두 매개변수간의 관계는 고-워프 마찰 모멘트와 저-완충력을 위해 최적화될 수 있다.

도 5A 내지 5D는 쐐기가 본 출원의 양수인인 스탠다드 카 트럭 캄퍼니(Standard Car Truck Company) 소유인 미국 특허 제 5,555,818 호에서 설명되고 청구된 분할 쐐기로서 알려진 쐐기인 경우를 제외한 도 4A 내지 4D 에서의 마찰 쐐기에 힘을 가하는 동일한 경우를 도시한다. 상기 미국 특허 제 5,555,818 호는 또한 마찰 쐐기 지지하기 위한 일반적인 측면 스프링을 도시하며, 상기 특허의 설명은 본 발명에서 참조 인용되었다.

설계 방법의 핵심은 마찰 쐐기 역학 평형의 3가지 모드로 설명된다. 압축 행정 모드에서, 칼럼 마찰력은 위로 향하고, 노말 마찰력(normal friction force)은 아래로 항한다. 감압 행정 모드에서, 칼럼력(column force)은 아래로 향하고, 노말 마찰력은 위로 향한다. 압축 및 감압 행정 모드는 위, 아래 각각의 2개 서스펜션 완충 행정 방향으로 기초 역학 평형을 나타낸다. 워프 작용 모드에서, 양 마찰력은 워프 마찰 모멘트를 만드는 힘 평형 효과를 나타내기 위해 위로 향한다.

상향 마찰력은 노말 힘의 수직 성분의 작용을 막으면서 마찰 쐐기를 포켓에 보유하도록 작용한다. 포켓에 마찰 쐐기를 보유함으로써, 워프 작용 모드는 마찰 쐐기가 측면 프레임과 받침 사이에서 매우 강한 연결부로서 작용하게 한다. 대개의 마찰 쐐기 설계에서, 칼럼 및 경사면에서의 마찰력은 정지 마찰의 한계에 워프 작용 힘을 한정한다. 쐐기 각도와 소재의 마찰 계수는 상기 한계를 정한다. 마찰 쐐기 각도는 감소하고, 마찰 계수가 증가하면, 그 한계는 워프 작용 모멘트가 무한한 지점에 지수적으로(exponentially) 증가한다.

워프 작용 모드는 받침과 측면 프레임 사이의 요동 운동 관계의 강제 변화에 의해 마찰 쐐기에서 생성된다. 아주 작은 크기인 상기 요동 운동은 받침 포켓 경사면에 대하여 측면 프레임 칼럼의 각도를 변화시킨다. 교대로, 각도 변화는 쐐기의 일면에 압착 작용을 유도하는 식으로 마찰 쐐기의 허용 공간의 모양을 변화시킨다. 압착 작용을 가장 잘 도시하는 역학 평형 부분이 도 4D 및 5D 에 도시된다. 도면에서, 2개의 힘[칼럼력 및 경사력(,)의 x-방향 성분으로 등가 대체된]만이 도시된다. 내부 경사 반력() 및 칼럼력()은 쐐기에서의 워프 작용 힘 평형과 측면 프레임과 받침에서의 워프 힘 평형 사이의 연결을 나타내는 상기 도면에 도시된다.

3-피스 트럭에서 워프력(warp force)은 만곡(curving) 및 측면의 불안정성에 의해 2가지 방법으로 생성된다. 만곡의 경우, 도 1, 2, 및 3에서 도시한 바와 같이, 차체(car body)와 트럭에 의해 대응 모멘트가 트럭에 작용된다. 차체 인터페이스에서, 회전 모멘트는 트럭의 요동 회전의 미끄럼 마찰력 때문에 중앙판 및 측면 베어링에서 트럭에 작용된다. 상기 회전 모멘트는 조종 모멘트(steering moment)및 축간 전단 모멘트에 의해 트랙에서 반작용되나, 조종 모멘트는 트럭 워프의 최악의 경우를 나타내도록 0으로 가정된다. 남은 모멘트인 회전, 축간 전단 모멘트는 트럭에 워프 모멘트를 가하도록 트럭을 통과하여 서로 작용한다. 측면 불안정성에서, 워프 작용은 롤링 크리프 힘(rolling creep force)이 상(phase) 조종 모멘트를 생성하기 때문에 바퀴 세트 전체에 의해 트랙에 수직하게 생성된다. 측면 불안정성의 워프 힘 평형은 마찰 쐐기에서의 효과가 동일하지 않으므로 도시되지 않는다.

커브에 기인하거나, 측면 불안정성에 기인한 것에 있어서, 트럭에서의 워프 모멘트는 트럭 구성 요소에서 내부 우력(force couple)이나 모멘트에 의해 반작용된다. 도 1 및 2는 마찰 쐐기에서의 워프력 반작용을 나타낸다. 도 3은 도 1 및 2에서 도시된 워프 모멘트에 의해 생성된 내부 워프 반력의 방향을 도시한다.로 도시된 임계 칼럼력은 어느 지점에서 힘이 큰지와 파단점 힘을 나타내기 위해 칼럼력()과 구별된다.

트럭 워프의 외부힘과 굴곡을 측정하는 편리한 방법은 트럭 워프 표 테스트를 이용하는 것이다. 상기 테스트에서, 트럭의 1축은 고정되고, 다른 축은 고정된 축에 대하여 측면에 위치된다. 테스트 힘이 중앙판에서 받침에 의하지 않고 고정축에 의하여 균형 맞추어져야하는 트럭에 회전 모멘트를 가하기 때문에, 상기 테스트에 의해 생성된 워프 작용은 커브 힘 평형 및 측면 안정 힘 평형과는 다소 다르다. 모멘트 평형의 차이의 결과로서, 임계 워프력의 위치는 쐐기의 외측면으로부터 내측면으로 이동한다. 워프 마찰 모멘트를 정하기 위해, 마찰 쐐기의 워프 모멘트와 워프 작용력 사이의 관계는 힘 평형에 있어서 차이점에 의해 영향받지 않는다. 워프 마찰 모멘트를 측정하기 위해, 워프 마찰 모멘트는 바퀴 저부(b)에의해 파단시 전단력을 증대함으로써 입력 축간 전단력으로부터 직접적으로 계산될 수 있기 때문에, 상기 테스트는 적절하고 편리하다. 워프 마찰 모멘트를 예상하고 본 발명의 수학적 모델을 위해 도출된 방정식은 상기 힘 평형을 기초로 한다.

이하에서 워프력(F) 및 압축 완충력()으로 설명된 2개의 방정식은 마찰 쐐기 설계, 스프링 힘(P) 및 쐐기 각도(θ)의 2기초 매개변수를 정하는데 반드시 필요한 방정식이다. 연립 방정식의 2방정식의 조합은 비어있거나 화물을 적재한 차량 중량 상태 모두에서 P 및 θ를 정한다. 방정식은 교대로 솔루션을 찾기 위해 입력 매개변수에 의존한다. 입력 매개변수 중에서, 일부는 "차량 중량", "트럭 크기", "스프링 특성치", "트럭 인터페이스 특성치", 및 "쐐기 마찰 특성치"는 고정되고, 나머지는 "쐐기 형상", 및 "서스펜션 완충 및 용량 비율"처럼 판단에 맡겨진다. 차량 크기, 트럭 크기, 및 소재 특성치는 고정 매개변수를 예정하여, 이러한 매개변수를 정하는데는 재량이 거의 없다. 다른 매개변수는, 특히 쐐기 폭(), 쐐기 높이(R), 및 스프링된 중량에 대한 압축 완충력의 비(), 설계하는 엔지니어에 의해 필요한 성능에 부합되도록 조정될 수 있으므로 재량에 맡겨진다. 또한 부하 걸린 스프링의 선택을 위한 입력 매개변수도 있다. 상기 섹션은 다중-코일 스프링 그룹의 별개의 성질을 설명하기 위해 일체의 부하 스프링 비를 대신하여 포함된다. 그 결과, 측면 스프링 힘과 설계는 상기 매개변수의 최적 수치보다는 개개 부하 스프링 비, 및 용량에 정확히 비례하여 결정된다.

상기 방법의 목적은 모든 평균적 작동 상태하에서 차량 안정성을 유지하고, 동시에 마모 상태에서 충분한 완충 및 워프 저항을 이루는 마찰 쐐기 및 측면 스프링 쌍의 설계치를 생산하는 것이다. 상기 방법에서, 엔지니어는 결과치가 제조 가능하며, 새로운 차량 완충 장치에 합리적으로 적용 가능한 정도를 넘지 않는다는 것을 확신해야 한다.

본 설계 방법의 분석적 결과는, 최대화된 워프 저항과 최소화된 완충을 위해, 가장 효과적인 트럭 작동을 위한 이상적 상태는 마찰 쐐기의 각(θ)이 단일 쐐기이거나, 분할 쐐기로서 알려진 것이든지 간에 28°내지 약 32°이라는 것을 나타낸다. 이것은 상기 도시된 타입의 완충 시스템에서 사용되어졌던 것보다 일반적으로 작은 쐐기 각도이다. 가장 효과적인 완충을 위해, 차량의 매개변수에 다소 의존하여 어느 정도의 범위에서, 힘(P)은 대략 1,350 lbs 내지 7,300 lbs 사이이어야 한다. 상기의 범위에서, 차량 크기, 타입, 및 부하를 고려하여, 많은 변형예를 상정할 수 있으나, 측면 스프링 부하는 상기의 수치 범위 이내이어야 한다.

Claims (11)

1. 받침, 한 쌍의 측면 프레임, 받침과 측면 프레임 사이의 상대 운동을 완충시키는 복수의 마찰 쐐기, 및 각 마찰 쐐기를 지지하는 측면 스프링을 구비하는 철도 차량 트럭의 완충 시스템에 있어서,

   각 마찰 쐐기는 삼각형을 이루어서, 각(θ)은 수직 마찰면과 경사 마찰면 사이에서 정의되고, 각(θ)과 힘(P)이 방정식:

   로 정의되는 것을 특징으로 하는 완충 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 각(θ)은 28°와 32° 사이에서 변하는 것을 특징으로 하는 완충 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 힘(P)은 1,350 lbs 와 7,300 lbs 사이에서 변하는 것을 특징으로 하는 완충 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 받침은 그 단부 각각에 한 쌍의 포켓을 구비하며, 각 포켓은 측면 프레임의 칼럼에 대향하며, 각각의 포켓에는 마찰 쐐기가 있는 것을 특징으로 하는 완충 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 각 마찰 쐐기는 단일의 쐐기 요소인 것을 특징으로 하는 완충 시스템.
6. 제 4 항에 있어서, 각 마찰 쐐기는 대칭인 2개의 쐐기 절반부로 이루어진 것을 특징으로 하는 완충 시스템.
7. 받침, 한 쌍의 측면 프레임 및 마찰 쐐기를 지지하는 측면 스프링을 이용하는 받침과 측면 프레임의 상대 운동을 위한 완충 시스템을 구비하는 철도 차량 트럭의 설계 방법에 있어서,

   최적화된 측면 워프 마찰 모멘트와 저-완충력에 관한 연립 방정식:

   을 포함하고, 각 (θ)은 마찰 쐐기의 수직 및 경사면 사이에서 정해지며, 힘(P)은 측면 스프링 힘인 것을 특징으로 하는 철도 차량 트럭 설계 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 각(θ)은 28° 내지 32°사이에서 변하는 것을 특징으로 하는 철도 차량 트럭 설계 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 측면 스프링 힘(P)은 1,350 lbs 내지 7,300 lbs 로 변하는 것을 특징으로 하는 철도 차량 트럭 설계 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 각 마찰 쐐기는 단일 마찰 요소인 것을 특징으로 하는 철도 차량 트럭 설계 방법.
11. 제 7 항에 있어서, 각 마찰 쐐기는 대칭인 마찰 쐐기 요소로 형성되는 것을 특징으로 하는 철도 차량 트럭 설계 방법.