고정축거

왜 배우는가: 고정축거는 곡선 통과성과 직선 주행안정성을 함께 좌우하는 주행장치의 기본 설계 변수이다. 정의 문제와 영향·기준 문제에서 반복해 묻는 개념이므로 정의, 원리, 설계 배경을 함께 정리해 둔다.

출제 이력: 제139회 1교시 11번, 제127회 1교시 4번, 제115회 1교시 7번, 제100회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고정축거는 강체로 묶여 방향을 바꿀 수 없는 윤축 중심 사이의 종방향 거리이다.

고정축거를 이해하는 데 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 고정축거(rigid wheel base): 방향 조정이 허용되지 않는 윤축들 가운데 가장 앞과 가장 뒤 윤축 중심 사이의 거리이다.
• 강체 주행장치: 차축과 프레임이 상대 회전 없이 결합되어 함께 방향을 바꾸는 주행 구조이다.
• 윤축: 차륜과 차축이 결합된 한 조의 구성품으로 주행장치의 기본 단위이다.
• 조향: 곡선에서 윤축의 방향을 궤도 곡률에 맞추어 바꾸는 작용이다.
• 공격각: 윤축의 진행 방향과 레일 접선이 이루는 각이다.
• 플랜지 접촉: 차륜 안쪽의 턱이 레일 측면에 닿는 현상이다.
• 주행안정성: 고속 직선 주행에서 차량이 흔들림 없이 진행하는 성질이다.

2. 개념 풀이

고정축거의 정식 정의는 강체 주행장치에서 방향 조정이 허용되지 않는 윤축들 사이의 중심 간 거리이다. 이 거리는 곡선 구간에서 윤축들의 위치 관계를 결정하므로 고정축거는 곡선 통과성을 좌우하는 기본 변수이다. 곡선 반경이 작을수록 고정축거가 곡선 통과에 주는 제약은 커진다.

원리는 다음과 같다. 곡선을 지나는 차량은 바깥쪽 레일이 안쪽 레일보다 길어서 바깥쪽 차륜이 더 많이 구르고 안쪽 차륜은 덜 구른다. 곡선에서는 이 굴림반경 차이가 윤축을 곡선 방향으로 돌리려는 작용을 만든다. 윤축이 곡선 중심을 향해 자유롭게 방향을 잡을 수 있으면 이 차이가 자연스럽게 흡수되지만, 고정축거가 길면 앞뒤 윤축이 같은 방향을 강하게 유지하므로 어느 한쪽 윤축의 공격각이 커지고 그 결과 플랜지 접촉이 생긴다.

플랜지 접촉이 발생하면 레일 측면에 횡압이 걸리고, 차륜과 레일의 마모와 소음이 함께 증가한다. 이 때문에 축거가 짧은 차량일수록 더 급한 곡선을 통과할 수 있다. 일부 대형 기관차에서는 곡선 통과를 위해 내측 차륜에 플랜지를 두지 않기도 한다.

혼동하기 쉬운 것은 차량 전체의 대차 중심 간 거리다. 고정축거를 차량의 대차 중심 간 거리로 생각하는 오류이다. 대차 중심 간 거리는 서로 다른 대차 두 개 사이의 거리이고, 고정축거는 한 대차 또는 한 강체 주행장치 안에서 방향이 묶인 윤축 사이의 거리이다. 축거는 조향 가능한 윤축까지 포함한 앞뒤 윤축 사이 거리를 가리키므로 고정축거와 구분해야 한다. 3축 이상의 강체 대차에서는 가장 앞과 가장 뒤 윤축 사이 거리가 고정축거가 되어 곡선 조건이 더 엄격해진다.

3. 등장 배경과 필요성

증기기관차 시대에는 견인력을 높이기 위해 구동 윤축을 늘렸고, 그 결과 고정된 긴 축거가 필요해졌다. 그러나 긴 축거는 작은 곡률 반경의 곡선에 잘 맞지 않아, 이를 해결하기 위해 Mallet·Garratt 등 관절식 기관차가 고안되었다. 이후 디젤과 전기 기관차가 유연한 대차를 쓰면서 고정축거에 따른 제약이 크게 줄었다.

고정축거를 길게 잡으려는 기술적 이유는 직선 주행의 안정성이다. 사행동은 윤축과 대차, 차체의 질량, 용수철 정수, 감쇠 정수 등이 얽힌 현상이며, 축거를 길게 두면 사행동을 장주기화하여 영향을 억제하는 데 유효하다. 열차가 고속화될수록 사행동은 승차감을 해치고 탈선의 원인이 되므로, 긴 축거는 고속 차량에서 중요한 설계 요소가 된다. 사행동 대책으로는 대차 구조의 강성 확보가 중요해졌고, 스윙 볼스터 양단을 전후 방향으로 지지하는 사이드 베어링과 볼스터 앵커가 함께 쓰이게 되었다.

두 번째 이유는 하중 분산이다. 같은 조건에서 축거가 짧은 차량은 궤도에 하중을 더 집중시킨다. 선로는 단위 길이당 허용 하중이 정해져 있으므로, 차량의 축거는 설계 총중량에 맞추어 정해진다. 총중량이 커질수록 축거는 길어져야 한다. 주행장치는 차량 속도에 맞는 내구성을 가져야 하므로, 축거와 하중의 관계는 주행장치 설계 전반과 맞물린다.

그러나 두 요구는 충돌한다. 축거가 길면 직선 안정성과 하중 분산에 유리하지만 곡선 통과에는 불리하다. 그래서 주행장치 설계에서는 고정축거에 상한을 두고, 고정축거 상한 이하 조건을 만족하도록 기준을 정한다. 주행장치는 접지와 고정축거를 비롯한 제한사항을 지켜야 한다는 점도 같은 맥락이다. 철도차량의 구조 요건에는 최소곡선구간의 통과와 축중 및 중량 분포가 포함되므로, 고정축거는 이 요건들과 함께 검토되는 설계 변수이다.