철도의 기초 지식 - 대차의 구조 편

1. 대차의 종류와 구조는 어떻게 되어 있을까?

(1). 대차의 역할
대차란 차체와 레일 간에 위치하는 주행장치이며 차체, 승객 등의 하중을 지지하고 견인력과 제동력을 전달함과 동시에 차량의 주행 성능과 관련된 승차감 및 안정성 유지, 원활한 곡선 통과를 할 수 있도록 하는 매우 중요한 장치이다. 대차는 승객의 안전과 안락감에 직접적인 영향을 미치므로 소음 발생이 적고 양호한 승차감을 제공할 수 있는 구조를 가져야 하며, 특히 안전에 관련하여 신뢰도가 높아야 한다.

 

(2). 대차의 종류
대차의 종류는 용도 또는 하중 지지방식 등에 따라 구분된다. 모터와 감속기 등 구동장치가 있어 차체에 동력을 전달하는 구동 대차와 동력 기능이 없는 부수 대차로 구분된다. 한 대 차에 포함된 육 축의 수에 따라 2축 대차, 3축 대차로 구분하기도 한다.

2축 대차 2대를 1 차량에 구성하는 것이 일반적이며 전동차, 객차 등을 들 수 있다. 한편 두 개의 차체를 연접하여 지지하는 연접 대차가 있으며 고속철도차량인 KTX가 해당한다. 이외 고속 곡선 주행을 실현한 차체 경사 기능을 갖춘 진자 대차, 급곡선 주행을 실현한 조향 대차, 모노레일에 사용되는 특수 대차 등이 있다.
하중 지지방식에 의한 구분은 차체와 대차 간 하중을 지지하는 볼스터(bolster) 장치를 적용한 볼스터 대차와 적용하지 않은 볼스터리스(bolster less) 대차로 구분하기도 한다.

 

(3) 대차 구조
대차의 일반적 구조는 대차 프레임, 윤축, 1차 현가장치, 차체지지 장치, 견인장치, 구동장치, 제동장치 등으로 구성된다. 초기의 대차 구조는 윤축과 대차 프레임을 1차 현가장치로 연결하고 대차 프레임과 하부볼스터는 스윙 링크로, 하부볼스터와 상부볼스터를 2차 현가장치로, 상부볼스터와 차체를 센터 피벗으로 연결하였다.

 

대차 프레임은 축스프링 장치와 액슬 박스를 끼운 윤축을 취부 하며, 2차 현가장치인 차체지지장치를 이용하여 차체를 지지하는 중요한 구조체이다.

윤축은 상부 하중을 부담하는 외에 전동기의 회전력이나 제동력을 전달하는 역할을 한다. 차축과 2개의 차륜으로 구성된다.
1차 현가장치는 궤도로부터 윤축으로 전달되는 진동을 완충하여 대자 프레임에 전달하는 장치로서 차체 하중을 대차 프레임의 사이드프레임을 통하여 차축에 전달하기 위하여 설치되어 있다.
견인장치는 대차와 차체 간의 견인력을 전달하는 장치이다. 센터 피벗 방식이나 견인 링크 방식의 구조가 통용되며 견인력 작용점은 가급적 낮게 하며 축중 이동이 적게 되어야 한다.
구동장치는 주전 동기의 토크를 동륜에 전달하는 장치를 구동장치라고 한다. 이 장치를 크게 나누면 전동기 단축 구동방식과 전동기 다축 구동방식이 있다.

차체 지지장치는 2차 현가장치로서 차체 하중을 지지한다. 하중 및 차량 특성에 따라 코일스프링이나 러버 블록을 적용하기도 한다. 전동차, 객차와 같이 승객의 승차감 확보가 중요한 차량에서는 공기스프링이 적용되고 있다.
제동장치는 윤축에 제동력을 부여하기 위한 장치로서 차륜과 레일 간의 마찰력을 이용한 점착 제동에서 최근에는 전자기력을 이용한 레일제농이나 공압을 이용한 풍압 제동 방식이 개발되고 있다.

 

2. 조향 대차란 뭐지?

기존 철도차량 대차는 윤축의 조향 기능 미흡으로 차륜과 레일 간에는 공격각(angle of atack)이 발생하게 된다. 이는 차륜의 주행 중 차륜의 종 방향, 횡 방향 작용력을 증가시켜 차륜과 레일의 마모를 발생시키게 되며 더불어 심각한 소음 문제를 유발하여 민원 요인이 되고 있다. 이러한 문제는 차륜의 조기 삭정, 그로 인한 차량 가용성 저하, 유지 보수 비용 증가와 같은 문제점을 초래한다. 조향대차란 곡선 부 곡률반경에 부합하게 윤축을 곡률반경의 중심 방향으로 정렬시킴으로써 차륜과 레일 간에 발생하는 공격 각과 불필요한 종 방향, 횡 방향 작용력을 최소화하기 위한 대차를 말한다. 

 

3. 구동력과 점착력의 관계는?

(1) 점착 현상
점착력이 열차의 가감 속도를 향상하는 중요한 열쇠이므로 접착이라는 현상이 무엇인지를 이해할 필요가 있다. 철도는 기본적으로 철로 된 차량이 철로 된 레일의 안내를 받으면서 회전하여 주 행하는 것으로 극히 단순하지만 차륜• 레일 간에는 아직도 충분히 해명되지 않는 복잡하고 어려운 문제가 존재하며, 그중에 대표적인 것이 차륜• 레일 간의 접착 현상이다.

 

(2) 구동력
열차를 움직이기 위해서는 필요한 힘이 구동력이며, 최근에 개발되거나 운행되는 대부분의 열차는 전기를 이용한 전동기를 사용하여 구동되고 있다. 대차나 차체에 장착되어 있는 전동기에서 발생 한 구동력은 전동기 - 1차 감속기 -> 트리포드 -> 2차 감속기 - 윤축 -> 차륜 순서로 전달된다.

(3) 구동력과 점착력의 관계
점착력은 열차의 진행 방향과는 반대 방향으로 작용하여 열차를 가속시켜 움직이게 한다. 점착력의 한계 내에서는 구동력이 크면 클수록 열차를 빠르게 가속할 수 있지만 점착의 한계를 벗어나면 아 무리 구동력을 크게 하여도 차륜이 슬립(공전) 하여 가속도가 증가하지 못하게 된다. 따라서 구동력의 최댓값은 최대 점착력에 의해 제한되므로 열차의 가속도와 점착력은 다음 식과 같은 관계를 갖게 되며, 최대 가속도는 점착 계수에 의하여 결정된다.

 

열차의 제동력이 점착력의 한계를 초과하는 경우에는 활주(미끄럼)가 발생하며, 활주가 심한 경우에는 차륜이 찰상이 되는 현상이 발생하여 열차의 안전성에 문제를 발생시킬 수도 있다.