2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A447

산악트램 객실 쾌적성 향상을 위한 저진동 랙앤피니언 추진장치 개발

Development of a Low Vibration Rack&Pinion Traction System for More

Comfortable Cabin on Mountain Tram

서승일*†, 문형석*, Abu MD Ariful Islam**, 남학기***

Sung-il Seo*†, Hyung-suk Mun*, Abu MD Ariful Islam**, Hak Ki Nam***

Abstract Rack&pinion traction system on mountain tram for climbing steep gradient tracks makes worse the comfortability of cabin because of the vibration generated by gear contact. That is the main reason for complaint of tourists. In this study, to reduce the vibration level of the previous rack&pinion traction system, a low vibration rack&pinion traction system was developed and test models were made so that it could be verified by a wheel-rail contact testing machine. The vibration level induced by the low vibration rack&pinion traction system was 20 times less than that by the conventional rack&pinion traction system. This low vibration rack&pinion traction system can be maintained easily because simple replacement of resilient body is possible. If this resilient rack&pinion traction system is applied to a mountain tram, the vibration and noise level in cabins is reduced drastically so that the comfortability of tourists can be increased. Keywords : Cabin comfortability, High gradient, Mountain tram, Low Vibration Rack & pinion, Resilient Body

초 록 급구배 등판을 위해 산악트램에서 적용하는 랙앤피니언 추진장치는 기어가 맞물리

면서 발생하는 진동에 의해 객실 쾌적성을 저해하게 되어 관광객들의 불만이 되고 있다. 본

연구에서는 기존 랙앤피니언 추진 장치의 진동을 저감하기 위해 저진동 랙앤피니언 추진장

치를 개발하고 시험체를 제작하여 차륜접촉 시험기를 통해 그 효과를 확인하였다. 기존 강

체 랙앤피니언 추진장치에 비해 탄성 랙앤피니언 추진장치는 진동이 1/20 이하로 저감됨을

확인할 수 있었고, 탄성체의 교체를 편리하게 하기 위해 착탈 방식으로 설계하여 유지보수

성도 향상시켰다. 탄성 랙앤피니언 추진장치를 산악트램에 적용하였을 시에 진동을 획기적

으로 감소시켜 객실 쾌적성 향상에 크게 기여할 수 있으리라 전망된다.

주요어 : 객실 쾌적성, 급구배, 산악트램, 저진동 랙앤피니언, 탄성체

1. 서 론

† 교신저자: 한국철도기술연구원 신교통연구본부(siseo@krri.re.kr)

* 한국철도기술연구원 신교통연구본부

** 과학기술연합대학원 철도시스템공학(한국철도기술연구원 신교통연구본부)

** 현우시스템 기술연구소

산악지역에서 운행하는 열차는 급구배를 등판해야 하므로, 기존 차륜 방식의 점착력 한계

를 극복할 수 있는 톱니바퀴의 랙앤피니언 추진장치가 필요하다. 랙앤피니언 추진장치는

200‰ 이상의 급구배를 상승할 수 있으므로 오래 전부터 산악철도에 활용되어 왔다. Fig. 1

과 같이 해외 유명 산악관광지에 운행하는 열차는 대부분 랙앤피니언 추진장치를 적용하고

있다[1]. 그런데, 랙앤피니언 추진장치는 기어가 맞물리면서 진동과 소음이 발생하고, 객실

로 전달되어 승차감을 저해하고 있다[2]. 특히 노후화된 객차의 경우 하부 랙앤피니언으로

부터 전달되는 진동이 심각하여 랙앤피니언 추진장치가 없는 객실에 비해 10dB 이상의 높은

소음 수준을 보이고 있다. 따라서, 관광객들이 쾌적한 분위기에서 자연 경치를 조망하기 위

해서는 진동원이 되고 있는 랙앤피니언 장치의 진동 감소가 필수적이다. 본 연구에서는 기

존 산악열차와는 차별화된 세계 최고수준의 산악트램을 개발하기 위해 객실 쾌적성을 획기

적으로 향상시킬 수 있는 저진동 랙앤피니언 장치를 개발하고 그 효과를 검증하고자 한다.

Fig. 1 Mountain tram on Switzerland Jungfrau Fig. 2 Von roll rack&pinion traction system

2. 저진동 랙앤피니언 추진 장치

급구배 상승을 위한 랙앤피니언 추진장치는 Strub, Abt, Riggenbach, Locher 등이 있으나,

일반적으로 간단한 Strub 형식을 많이 사용한다. 본 연구에서는 Strub 형식의 랙앤피니언

추진장치 중에서 Fig. 2와 같이 랙의 유지보수를 간편하게 한 Von Roll 형식을 적용하였다.

랙앤피니언 추진장치는 강체의 기어가 맞물리면서 접촉 충격에 의해 진동이 확대되고 있다.

일반적으로 진동을 감소시키는 효과적인 방법은 진동원에서 전달되는 진동을 절연시키는 것인

데, 랙앤피니언 추진장치에서도 적용할 수 있다. 피니언이 회전하면서 강체인 기어 이빨이 랙

의 기어 이빨과 접촉할 때 발생하는 진동을 절연하여 차축과 대차, 차체로 전달되는 진동 성

분을 감소시킬 수 있다. 랙앤피니언의 진동 절연은 랙에서도 할 수 있고 피니언에서도 할 수

있으나, 랙의 진동을 절연한다고 하면, 랙이 있는 트랙 전체에 탄성체를 부설해야 하므로 비

용이 커서 효과적이지 못하고, 피니언에서 진동 절연을 하는 것이 경제적이면서 효과적이다.

피니언의 회전에 따른 기어 이빨의 접촉 충격 진동을 절연하기 위해, Fig. 3과 같은 저진동

피니언을 설계하였다. 피니언을 외부 타이어 부분과 내심으로 분리하고 그 사이에 고무 탄성

체를 삽입하여 타이어와 내심이 절연이 되도록 하였다. 내심과 타이어를 일체화하는 커버를

부착하고 볼트로 체결하게 함으로 정기적인 검사와 내부 고무 탄성체의 교체를 용이하게 설계

하였다.

Fig. 3 Low vibration resilient rack

3. 진동 계측 시험

저진동 탄성 랙앤피니언 추진장치의 진동 저감 효과를 확인하기 위해 차륜접촉시험기에서

진동 계측 시험을 실시하였다. 대차의 차축에 설치되는 피니언은 시험체와 동일한 형상이나

랙은 접촉시험을 위해 원형의 무한 궤도로 변경하여 Fig. 4와 같이 시험을 수행하였다. 피니

언 시험체의 재질 및 주요 사양 정보는 다음의 Table 1과 같다.

Table 1 Main specification of test pinion models

항 목 제 원

비탄성 강체 피니언 탄성 피니언

기어 모듈 20

이빨수 22

피치원 경 Ø440 mm

압력각 20°

열처리 침탄

부품 수 1 4

재 질 SCM420

기어 SCM420

보스 SM45C

카바 SS400

탄성체 RUBBER

탄성체 -

구 분 A형 B형

경도 50~60 Shore A 80~90 Shore A

인장강도 2,372 N/㎟ 1921 N/㎟

신장율 599 % 388 %

중량(kg) 68.5 73.8

피니언을 회전시키면서 피니언에 부착된 센서로부터 신호를 받아 가속도를 계측하였다. 피

니언은 급구배에서 산악트램의 주행속도 20km/h에 맞춰서 240rpm의 속도로 회전시켰다. 회전

시의 토오크 변화는 다음의 Fig. 5와 같다.

(a) Rigid-rigid contact (b) Rigid-resilient contact

Fig. 4 Rack&pinion contact test on testing machine

Fig. 5 Torque variation during testing

탄성 피니언의 진동 저감효과를 파악하기 위해 3종류의 시험을 실시하였다. 먼저 강체 피니

언과 강체 랙(비탄성)에 대해 회전시험을 실시하였고, 다음으로 단단한 탄성체를 삽입하여 회

전시험을 실시하였고, 마지막으로 연한 탄성체를 삽입하여 회전시험을 실시하였다. 시험결과

로 얻어진 진동 가속도 계측 결과는 Fig. 6와 같다. 탄성 피니언에서 계측된 진동 수준은 강

체 피니언에서 계측된 진동 수준의 1/20임을 알 수 있다. 단단한 탄성체와 연한 탄성체의 진

동 수준은 약간의 차이가 있으나 강체에 비해 월등히 감소된 수준을 보이고 있다.

0

1250

2500

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Torque(Nm)

Time(Sec)

Time - s

Am

plitud

e g

0 100806040200

20

15

10

5

비탄성_RMS Time History(Acc_Verti) 탄성(soft)_RMS Time History(Acc_Verti) 탄성(hard)_RMS Time History(Acc_Verti)

Fig. 6 Measured vibration level of contact test

4. 결 론

본 연구에서는 기존 급구배 운행 산악트램의 문제점 중 하나인 랙앤피니언 추진장치로부터

발생하는 진동을 줄이기 위해 저진동 랙인피니언 추진장치를 개발하였고, 시험체를 제작한 후,

차륜접촉시험장치에서 회전시험을 실시하고 진동 가속도 수준을 계측하였다. 계측결과 강체

피니언 시험체에 비해 탄성 피니언 시험체는 1/20 이하의 가속도 수준을 나타내어 탄성 피니

언의 진동 저감 효과를 확인할 수 있었다. 본 연구에서 개발한 저진동 탄성 랙앤피니언 추진

장치를 개발 중인 실제 산악트램에 적용할 시에, 객실 진동 저감에 효과적으로 기여할 수 있

으리라 예상되며, 진동과 함께 소음 수준도 저감되어 객실 쾌적성 향상에 크게 기여할 수 있

으리라 전망된다. 저진동 산악트램은 차별화된 경쟁력을 바탕으로 국내 도입은 물론 해외 시

장에도 진출할 수 있는 유리한 조건을 갖추게 되었다.

참고문헌

[1] 서승일 외(2012), 산악철도 기술 현황 및 개념설계안, 철도저널, 15(6), pp.53-58.

[2] 서승일 외(2013), 급경사 운행 산악철도용 대차 기술 개발, 철도저널, 16(3), pp.60-63.