볼스터리스 대차
볼스터리스 대차(영어: bolsterless bogie)는 보기 대차에서 차체 중량을 받는 부품인 볼스터를 생략한 대차다.
개요[편집]
대차에서 수직하중과 견인력, 그리고 회전력이라는 세 가지의 힘을 전달했던 볼스터와 센터피봇을 배제하고, 수직하중과 회전력을 공기 용수철로, 견인력을 견인장치에서 각각 분담하는 것으로 대체, 무거운 볼스터와 센터피봇을 생략하여 경량화[1]를 이룬 것이 볼스터리스 대차의 특징이다.
이 방식은 가상 센터피봇이 놓이는 위치에 견인장치라 불리는 견인력을 전달하는 메커니즘이 설치된다. 이 장치에는 가상 센터피봇 방식의 위치 관계를 역전하여 축소시킨 Z링크식, 싱글 링크식[2], 판 용수철 식, 적층고무식 등이 존재하지만, 결과적으로 변위 대응을 용수철의 변형에 의존하는 방식은 보수 면에서 문제가 많아, 현재 새로이 제조되는 차량에는 링크를 사용하는 방식이 일반적으로 쓰이고 있다.
역사[편집]
볼스터리스 대차가 개발되기 이전까지 주로 사용되어 왔던 가상 센터피봇 방식 대차에는, 당시의 설계로는 부품 수가 많아지고 구조가 복잡해진다는 문제점이 있었다. 그러나 공기 용수철 기술의 발전으로 1960년대 후반에는 대구경 다이어프램 형 공기 용수철이 실용화되어 이것을 사용한 다이렉트 마운트 형 공기 용수철 대차가 일반화[3]되자, 가상 센터피봇 방식 대차 개발 과정에서 얻어진 Z링크식 견인기구 기술과 함께 이 용수철이 지닌 높은 횡강성을 활용해 볼스터를 생략한 심플한 구조의 대차를 개발하는 방안이 각국에서 모색되게 되었다[4].
볼스터리스 대차 중에서 유명한 것으로는 DT50 대차가 있다. 1985년 205계 전동차의 대차로 데뷔한 DT50 대차는 이전까지 자국의 사철에 비해 볼스터리스 대차 개발에서 뒤쳐져 있던 일본국철이 자국의 대차 메이커와 공동으로 개발한 것으로, 극한까지 단순화된 심플한 구조와 낮은 단가, 유지관리 비용, 주행성능[5] 등 여러 방면에서 이전의 대차를 압도했다. 때문에 DT50과 그 파생형은 이후 약 10년간(한국에서는 현재까지 40년 가까이) 대량 생산되어 전동차·기동차 등에 대량 채용되었으며 이후의 JR 각사에서도 이를 토대로 축상지지장치를 변경한 모델이 채용되는 등 큰 성공을 거뒀다.
하지만 DT50을 비롯한 경량 볼스터리스 대차는 고속운전에 적합한 특성을 갖추었으나, 그 선회특성이 공기 용수철의 수평 강성에 의존하기 때문에 허용한도를 넘는 급곡선 통과가 요구되는 구간에서의 사용에는 적합하지 않으며[6]또 고속 주행시에는 차체의 요잉(yawing)을 억제하는 댐퍼(안티 요잉 댐퍼, 요댐퍼)부여가 필수적인 등 몇가지 문제점이 존재한다.[7]
각주[편집]
- ↑ 이 경량화는 고속철도용 대차에서 특히 큰 효과를 발휘한다.
- ↑ MAN사에 의해 1970년대 후반에 개발되었다. 독일에서는 1978년 11월 24일에 No.2850878로서 특허가 성립(미국 특허 No.4357879)하여 있다.
- ↑ 다이렉트 마운트 대차 자체는 1960년대 전반 단계에서 벨로즈 식 공기 용수철을 활용하여 이미 실용화되어 있었다.
- ↑ 애초에 1960년의 프랑스 특허 No.1066650A(미국 특허 No.3121402) 등에서는 안내 링크와 전후로부터의 앵커에 의한 견인기구를 조합한 볼스터리스 구조가 묘사되어 있어, 가상 센터피봇 방식의 발양국인 프랑스에서는 이른 시기부터 이 방식의 검토가 이루어지고 있었던 것을 알 수 있다.
- ↑ 공기 용수철을 이용하여 승차감을 개선하였음은 물론 같은 공기 용수철 대차인 기존의 DT32, DT46에 비해서도 1기당 1톤 이상(코일 용수철 대차인 DT33에 비해서는 약 2.5톤)의 경량화를 이루었으며, 이에 따른 궤도의 부담 경감, 즉 궤도 보수 비용 절감 효과는 엄청났다. 일반적인 20m급 차량의 경우 통상의 철강 차체를 대신해서 알루미늄 차체를 채용하면 대체로 4-5t안팎, 경량 스테인리스 구조의 경우 3-4t정도 경량화가 가능하므로 부품 수를 줄이는 데에 따른 제조·보수비 절감과 함께 기존의 대차보다 1량당 2~3t의 경량화를, 그것도 궤도 파괴에 영향이 큰 대차 용수철간 질량의 삭감으로 실현되는 볼스터리스 대차가 가져오는 장점은 지대하다. 또한 이 DT50의 파생형 대차는 고속주행 성능이 좋은데, 예를 들면 서일본 여객철도 221계 전동차에 장착된 파생형인 WDT50H·WTR235H는 요댐퍼 없이 표준 상태(나중에 개조로 설치)에서 120km/h 운전이 이루어졌으며, 신조 직후에 고세이 선에서 이루어진 성능시험에서는 축상지지장치와 용수철에 별도 개조를 하지 않고, 홋카이도 여객철도 785계 전동차용 N-DT785, 동일본 여객철도 651계 전동차용 DT56 등 이 대차 이후에 설계된 130km/h운전에 대응하는 같은 계열 대차와 마찬가지로 요댐퍼를 추가하고 제동장치를 강화함으로써 160km/h의 속도 기록을 달성하고 있다.
- ↑ 때문에 국내외의 급곡선이 많은 지하철과 일부 사철 등에서는 공간 면에서는 불리함에서도 불구하고 볼스터를 갖춘 대차가 채용되는 경우가 많다. 예를 들어 급곡선 통과 성능이 특히 중요한 경전철 등에서는 대부분 볼스터 방식 다이렉트 마운트 대차가 채용되고 있다.
- ↑ 요댐퍼는 일반적으로 고속전철을 포함하여 120km/h 이상으로 영업운전하는 차량에 설치되지만, 최고속도 120m/h 이하의 차량임에도 승차감이 충분하지 못한 경우가 있는데, 예를 들면 서일본 여객철도 221계 전동차에는 제조 후 약 10년이 지난 1998년 이후 추가로 요댐퍼를 설치하는 개조가 이루어졌다.