제동배율·전달효율·제동률

왜 배우는가: 제동배율과 전달효율은 기초제동장치가 제륜자에 얼마나 큰 힘을 전달하는지 설계와 검사에서 계산하는 값이다. 제동률은 열차 전체의 제동 능력을 중량 기준으로 평가하는 지표이므로 실무 검사에서 빠지지 않는다. 세 용어는 1교시 용어 문제로 반복해서 묻는 개념이다.

출제 이력: 제118회 1교시 8번, 제115회 1교시 10번, 제92회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

제동배율은 제동통 힘을 제륜자 누름력으로 증폭하는 기계적 배율이다. 제동배율은 기초제동장치의 레버 구조가 힘을 얼마나 키우는지 나타내는 값이며, 제동력 산출식의 핵심 인자이다. 제동률과 전달효율은 함께 묻는 값이지만 힘의 흐름에서 맡는 단계가 다르므로 구분해 익혀야 한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 제동배율: 제동통 추력에 대한 제륜자 누름력의 비율이며 레버 구조의 증폭 정도를 나타낸다.
• 전달효율: 제동통에서 나온 힘이 레버와 링크를 거쳐 제륜자에 전달되는 비율이다.
• 제동률: 차량 중량 대비 제동력 합계의 백분율로 열차의 제동 능력을 평가한다.
• 제동효율: 제륜자 누름력이 차륜과의 마찰을 통해 실제 제동력으로 바뀌는 비율이다.
• 제동통: 압축공기 압력을 받아 피스톤을 밀어 추력을 내는 실린더이다.
• 제륜자: 차륜 답면을 눌러 마찰로 제동력을 만드는 부품이다.
• 기초제동장치: 차륜 주변에서 제동력을 직접 발생시키는 장치 전체이다.

세 용어는 기초제동장치 안의 힘의 흐름을 단계별로 나눈 값이다. 제동통에서 시작해 레버와 링크를 거쳐 제륜자, 차륜 답면으로 이어지는 흐름을 떠올리면 각 용어의 자리가 정해진다. 제동배율은 레버 구조가 만드는 증폭, 전달효율은 링크에서 생기는 기계 손실, 제동효율은 마찰로 제동력이 생기는 단계에 해당한다. 제동률은 이 결과를 차량 단위로 모은 지표이다. 이 구분을 잡아 두어야 1교시 용어 문제에서 용어를 섞지 않는다.

2. 개념 풀이

정식 정의로 보면 제동배율은 제동통 추력에 대한 제륜자 누름력의 비이다. 식으로 쓰면 제동배율 = 제륜자 누름력 ÷ 제동통 추력이며, 기초제동장치의 레버 기구가 힘을 증폭하는 정도를 나타낸다. 제동배율이 클수록 같은 제동통 압력으로 더 큰 제륜자 누름력을 얻는다. 제동배율은 레버 기구의 기하 구조로 정해지므로 설계 단계에서 정하는 고정값이다.

원리를 풀어 보면 다음과 같다. 제동 명령이 내려지면 제동통에 압축공기가 들어가 피스톤이 밀려 나오고, 이때 발생한 제동통 추력이 레버와 링크를 거쳐 제륜자로 전달된다. 이 전달 과정에는 핀의 마찰과 링크의 기계적 손실이 있으므로 제륜자에 도달하는 힘은 제동통에서 나온 힘보다 작다. 실제로 제륜자에 전달되는 비율을 전달효율이라 하며, 1 이하의 값으로 표시한다.

제동력은 제동통 압력, 피스톤 면적, 제동배율, 전달효율의 곱으로 구한다. 제동통의 공기압력을 P, 피스톤 유효 단면적을 A, 제동통 개수를 n, 제동배율을 i, 전달효율을 η, 제동효율을 η_b라 하면 제동력 B는 다음 식으로 쓴다.

$B = n × P × A × i × η × η_b$

문제 조건대로 제동효율 100%로 가정하면 η_b = 1이 되어 식은 $B = n × P × A × i × η$로 줄어든다. P는 제동통 공기압력(Pa), A는 피스톤 단면적(㎡)이므로 두 값의 곱은 N 단위의 힘이다. 따라서 제동력 B도 N 단위로 나온다.

제동률은 차량 한 대나 편성 전체에서 제동력 합계를 차량 중량으로 나눈 뒤 100을 곱한 백분율이다. 식으로 쓰면 제동률 = ΣB ÷ W × 100(%)이며, ΣB는 모든 제동 장치 제동력의 합(N), W는 차량 중량(N)이다. 제동률은 제동배율과 달리 열차 단위의 제동 능력을 중량 대비로 평가하는 지표이다.

두 값을 혼동하지 않도록 적용 범위를 나눈다. 제동배율과 전달효율은 한 제동 장치 안의 힘 전달을 설명하고, 제동률은 그 결과를 모아 차량 전체를 평가한다. 전달효율을 낮추는 원인은 핀과 링크의 마찰 증가와 마모이므로, 검사와 정비에서 링크의 마찰 상태를 함께 본다. 제동배율은 레버 구조가 바뀌지 않는 한 그대로이므로 전달효율만 변한다는 점을 기억해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

철도차량은 편성 질량이 크고 속도 범위가 넓어서 정해진 거리 안에 멈추려면 큰 제동력을 안정적으로 만들어야 한다. 사람의 힘만으로는 제륜자를 충분히 누를 수 없으므로 압축공기를 동력으로 쓰는 공기제동이 표준 방식이 되었다. 공기제동은 압축공기로 제동통 피스톤을 밀고, 이 힘을 레버와 링크로 증폭해 제륜자를 차륜에 누르는 방식이다. 같은 크기의 제동통이라면 공기제동이 진공제동보다 훨씬 큰 제동력을 낸다. 진공제동은 대기압이 최대 차압이므로 힘의 한계가 있기 때문이다.