공기스프링

왜 배우는가: 공기스프링은 대차의 2차 현가장치로 쓰여 승차감과 차체 안정성을 좌우한다. 원리, 구조, 장단점은 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에 반복해서 나오는 핵심 내용이다.

출제 이력: 제136회 1교시 12번, 제124회 2교시 1번, 제97회 1교시 8번, 제92회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기스프링은 압축공기의 탄성을 이용하여 차체 하중을 지지하고 진동과 충격을 흡수하는 현가 요소이다.

• 2차 현가장치: 차체와 대차 사이에 설치되어 차체로 전달되는 상하·좌우 진동을 흡수하는 장치이다.
• 압축성: 공기가 압축되면 내부 압력이 높아져 반력을 내는 성질로, 공기스프링 탄성의 근원이다.
• 보조공기실: 대차 프레임 내부 공간을 공기 용적으로 쓰는 공간이며, 스프링 강성을 낮추는 역할을 한다.
• 레벨링 밸브: 하중 변화에 따라 공기를 공급하거나 배출하여 차체 바닥 높이를 일정하게 유지하는 밸브이다.
• 저횡강성: 횡방향 변형에 대한 복원력을 낮춘 특성으로, 볼스터리스 대차의 회전을 허용한다.
• 벨로즈형·다이어프램형: 공기스프링의 두 가지 기본 구조이며, 횡방향 복원력이 있는지에서 차이가 난다.
• 진동전달율: 가진 진동수와 고유진동수의 비에 따라 진동이 전달되는 정도를 나타내는 척도이다.

2. 개념 풀이

공기스프링은 밀폐된 용기 안에 압축공기를 채우고, 그 공기의 압축성을 이용하여 하중을 지지하는 탄성 요소이다. 금속 코일스프링이 재료의 탄성 변형으로 힘을 내는 것과 달리, 공기스프링은 기체의 체적과 압력의 관계로 힘을 낸다. 이 차이에서 공기스프링의 강성 조절성, 높이 조정성, 감쇠 특성이 대부분 나온다.

공기는 액체와 달리 쉽게 압축된다. 체적 V가 줄어들면 내부 압력 p가 올라 차체를 밀어 올리는 힘이 생기며, 온도가 일정하다고 보면 pV가 일정하게 유지된다. 식으로 쓰면 Δp/p ≈ −ΔV/V이다. 여기서 p는 내부 압력(Pa), V는 체적(㎥), Δ는 변화량을 뜻한다. 같은 체적 변화에 대한 압력 변화가 체적이 클수록 작아지므로, 용적을 키울수록 스프링이 부드러워진다.

공기스프링의 용적을 늘리기 위해 대차 프레임 내부를 보조공기실로 쓰는 경우가 많다. 하중이 늘어 차체가 내려가면 레벨링 밸브가 공기를 공급하고, 하중이 줄면 배출하여 바닥 높이를 일정하게 유지한다. 이 기능으로 승차 인원에 따른 만차와 공차의 높이 차이를 줄일 수 있다.

공기스프링 본체는 탄성만 가지므로 그 자체로는 진동 에너지를 소모하지 못한다. 그러나 보조공기실과 스프링 본체 사이에 조절 밸브(배관으로 연결된 경우)나 조절 구멍(직접 맞닿은 경우)을 두면 공기 유량이 제한된다. 좁은 통로를 지나는 공기의 점성 저항으로 감쇠력이 생기므로, 별도의 오일 댐퍼 없이도 진동을 줄일 수 있다.

진동 격리 성능은 진동전달율로 평가한다. 진동수 비 f/fn은 가진 진동수 f와 고유진동수 fn의 비이며, f/fn이 √2 ≈ 1.414보다 작으면 진동이 증폭되고 그보다 크면 진동이 격리된다. 공기스프링은 용적을 키워 고유진동수를 낮출 수 있으므로 격리가 시작되는 구간을 낮은 진동수 쪽으로 넓힐 수 있다. 또한 공진점 부근의 증폭을 억제하면서 격리 효율을 함께 확보하기 쉬운 것이 금속 스프링과 구분되는 점이다.

공기스프링은 상하 방향뿐 아니라 횡방향 강성도 가진다. 벨로즈형은 풀무처럼 세로로 늘어나는 구조로 수직 하중을 받는 데 적합하며 횡변형에는 약하다. 다이어프램형은 밥그릇을 엎어 놓은 형태로 횡변형에도 복원력이 생긴다. 볼스터리스 대차에서는 대차 회전을 공기스프링의 횡변형으로 허용해야 하므로 저횡강성 공기스프링을 쓴다. 횡강성은 사행동 억제에는 유리하고 회전 허용에는 불리하므로, 설계 목적에 따라 횡강성을 조정한다.

• 공적차: 차량의 만차와 공차 사이의 중량 차이를 뜻하며, 공기스프링은 이 차이에서도 높이와 스프링 특성을 유지해야 한다.
• 점성 감쇠: 유체가 좁은 통로를 지나며 생기는 저항으로 진동 에너지를 소산시키는 감쇠 방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

철도차량의 대차는 윤축을 지지하여 차량 중량을 받치고, 주행 중 진동과 충격을 흡수하며, 곡선 선로에서 대차가 회전할 수 있도록 해야 한다. 20세기 후반 이전에는 볼스터라는 부재를 두는 방식이 주류였으며, 볼스터 스프링이 상하 흡수와 회전 허용을 함께 맡았다.

볼스터 방식은 차체 하중과 견인력, 회전력을 볼스터와 센터피봇으로 전달하므로 부재가 무겁고 구조가 복잡하였다. 이 무게를 줄이기 위해 볼스터와 센터피봇을 생략하고, 수직 하중과 회전력은 공기스프링이 분담하며, 견인력은 별도의 견인장치가 담당하는 볼스터리스 대차가 개발되었다. 볼스터리스 대차는 20세기 후반에 개발되었으며, 경량화와 함께 공기스프링의 역할을 키운 구조이다.