기초제동장치 종류와 요구조건

왜 배우는가: 기초제동장치는 제동거리와 정차 성능을 실제로 만드는 마지막 장치이므로 제동장치 전체를 이해하는 출발점이다. 종류와 요구조건을 묻는 문제가 여러 차례 출제되어, 종류별 특징과 요구조건을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제139회 3교시 1번, 제124회 1교시 11번, 제110회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

기초제동장치는 제동제어장치의 지령을 받아 제륜자나 패드를 차륜 답면 또는 디스크에 눌러 마찰력으로 운동에너지를 열로 바꾸는 장치이다.

기초제동장치는 제동장치 가운데 실제로 제동력을 발생시키는 기계 부분이다. 지령을 만드는 제동제어장치와 달리, 기초제동장치는 전달받은 힘을 마찰면에서 제동력으로 바꾸는 역할을 맡는다. 제동성능과 정차 성능은 결국 이 장치가 얼마나 크고 안정된 마찰력을 내는지에 따라 정해진다.

기초제동장치는 독립적으로 작동하지 않고 공기제동이나 전기제동과 연계된다. 이 연계 구조를 이해해야 제동 지령이 어떤 경로로 힘이 되는지 답안에 정확히 쓸 수 있다. 답안에서는 무엇이 제동력을 만드는지, 그 힘이 어떤 경로로 전달되는지, 그 힘이 어떤 조건에서 안정되게 유지되는지의 세 가지 물음에 답해야 한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 기초제동장치
• 제륜자
• 패드
• 제동통
• 마찰제동
• 답면제동
• 디스크제동

2. 개념 풀이

기초제동장치는 차량의 차륜이나 차축 주변에 설치되어 마찰력으로 제동력을 직접 발생시키는 기계 장치의 총칭이다. 구성은 공기압이나 전기 신호를 힘으로 바꾸는 제동통, 힘을 마찰부로 전달하는 레버와 링키지, 차륜 또는 디스크에 접촉하는 제륜자와 패드로 나뉜다. 힘은 이 순서대로 전달되며, 마지막 접촉면에서 마찰이 일어난다.

제동통은 공기압을 받아 피스톤을 밀고, 이 힘이 레버 비에 따라 증폭되어 링키지에 전달된다. 레버 비와 링키지의 효율이 낮으면 같은 공기압에서도 제륜자 누름력이 줄어든다. 그래서 기초제동장치의 설계에서는 전달효율을 함께 고려한다.

원리는 마찰이다. 제동통에 압력이 가해지면 링키지가 제륜자를 차륜 쪽으로 누르고, 접촉면에서 생기는 마찰력이 차륜의 회전을 늦춘다. 제동력은 제륜자의 누름력과 마찰계수의 곱으로 대략 정해지며, 식으로 쓰면 F_b = fP 이다. 여기서 F_b는 제동력(N), f는 제륜자-차륜 마찰계수, P는 제륜자 누름력(N)이다.

실제 감속은 차륜과 레일 사이의 점착력에서 이루어진다. 제동력이 점착 한계를 넘으면 차륜이 레일 위에서 미끄러지는 활주가 생기므로, 기초제동장치는 누름력을 무작정 키우지 않고 점착 한계 안에서 제동력을 내야 한다. 이 점이 기초제동장치 설계의 출발점이다.

축마다 제동력이 고르게 배분되지 않으면 일부 차륜에 점착 한계를 넘는 힘이 걸려 활주가 일어난다. 또 좌우 제동력의 차이는 제동 중 차량이 한쪽으로 쏠리는 원인이 된다. 따라서 축별·차륜별 제동력의 균형을 맞추는 것이 기초제동장치 해석의 핵심이다.

기초제동장치는 제동제어장치와 구분해야 한다. 제동제어장치는 지령을 만들고 각 차량에 분배하는 장치이고, 기초제동장치는 그 지령을 실제 힘으로 바꾸는 장치이다. 전기제동은 차륜에 마찰을 일으키지 않으므로 기초제동장치에 속하지 않는다. 다만 저속 구간에서 전기제동의 힘이 줄어들면 마찰제동이 정차를 이어받는다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 철도차량은 인력으로 제동하였다. 차장이 차량에 설치된 수동 제동 장치를 돌려 제륜자를 차륜에 눌렀으며, 이 방식은 정차 중인 차량의 움직임을 막는 데 주로 쓰였다. 열차의 길이와 속도가 커지면서 인력만으로는 필요한 제동력과 제동 시간을 확보하기 어려워졌다.

이 한계를 해결하기 위해 압축공기의 압력을 이용하는 공기제동이 도입되었다. 운전실에서 공기압을 조절하면 열차 전체의 제동통이 함께 작동하므로, 많은 차량을 짧은 시간에 같은 조건으로 제동할 수 있다. 웨스팅하우스식과 크노르식 계열의 공기제동이 초기 방식으로 실용화되었고, 이후 제동 지령과 제동력 분배가 정밀해지면서 현재의 제동장치 체계가 만들어졌다.

차량 구조의 변화도 기초제동장치의 종류를 늘린 배경이다. 동력 차량이 늘고 차량 한 칸에 설치할 수 있는 공간이 제한되면서, 견인 전동기 때문에 디스크를 장착하기 어려운 구조에서는 답면제동이 주로 쓰였다.

고속화가 진행되면서 답면제동의 한계가 드러났다. 답면제동은 차륜과 레일 사이의 점착력 이상의 제동력을 낼 수 없고, 마찰에 의해 차륜 답면이 마모되어 차륜 수명이 짧아진다. 그래서 제동열을 차륜과 분리해 처리할 수 있는 디스크제동이 고속 차량의 기초제동장치로 확대되었다.

전기제동은 마찰부 마모를 줄이고 회생 에너지를 회수하기 위해 함께 쓰이게 되었다. 다만 저속에서는 전기제동의 힘이 줄어들므로 마찰제동을 대체할 수 없다. 비상 제동 상황에서는 짧은 시간에 큰 제동력이 필요하므로 기초제동장치의 응답성과 내열 성능이 더 중요해진다. 연속 제동이 반복되면 제륜자와 디스크의 온도가 올라가 마찰계수가 변할 수 있으므로, 열 부하를 견디는 재료 선정이 필요하다.