관절대차

왜 배우는가: 관절대차는 고속철도와 도시철도 차량의 대차 구조를 묻는 핵심 개념이다. 정의, 장·단점, 적용 사유를 함께 묻는 문항이 여러 회차에 걸쳐 나왔으므로 정의와 원리를 먼저 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제136회 1교시 6번, 제127회 4교시 5번, 제112회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

관절대차는 대차 1개를 두 차량의 연결부에 놓아 앞뒤 차량을 함께 지지하는 대차이다.

관절대차(Articulated Bogie)는 차량과 차량 사이에 대차를 하나만 두고, 그 대차가 양쪽 차체를 함께 받치는 구조의 대차이다. 차량 사이에 연결기를 두지 않으므로 두 차체가 대차를 통해 직접 이어진다. 이 구조 때문에 편성 전체의 대차 수가 줄어들고, 차량 단위의 연결과 분리가 제한된다. 연접대차(連接臺車)라고도 부르며, 주로 전동차나 디젤동차처럼 한 편성으로 고정되어 운용되는 열차에 적용된다. 답안의 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 구조의 특징과 장·단점을 쓰면 된다.

구조적으로 관절대차 한 개에는 차축 두 개가 놓이는 대차 프레임이 있다. 프레임의 양쪽이 앞뒤 차체를 각각 지지하고, 차체는 프레임 위에서 상대 회전이 가능하다. 이 점이 차체마다 독립된 대차를 두는 일반 대차와 가장 크게 다른 부분이다.

관절대차를 이해하는 데 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 관절대차: 두 차체 사이에 놓여 양쪽을 함께 지지하는 공유 대차이다.
• 연접대차: 관절대차와 같은 뜻으로 쓰이는 이름이다.
• 차체 직접 연결: 연결기 없이 대차로 두 차체를 잇는 구조를 가리킨다.
• 대차 수 절감: 편성 전체의 대차 수가 줄어 중량과 비용이 낮아지는 효과이다.
• 곡선 통과: 차체에 대한 대차의 변위각이 작아져 곡선 주행이 쉬워지는 성질이다.
• 차상고: 레일면에서 차체 바닥까지의 높이이며, 관절대차는 이를 낮출 수 있다.
• 축중 증가: 차축 수가 줄어 한 축이 받는 하중이 커지는 단점이다.

2. 개념 풀이

관절대차의 정식 정의는 철도차량 두 대의 연결부에 대차 1개를 설치하여 두 차량을 연결하고 지지하는 대차이다. 보통 대차 편성은 차량마다 대차 2개를 쓰므로 대차 수가 차량 수에 비례하여 늘어난다. 관절대차 편성은 차량과 차량 사이마다 대차 1개를 공유하므로, 차량 수보다 대차 수가 적게 든다. 이 차이가 관절대차를 설명하는 출발점이다.

일반 대차와 비교하면 차이는 대차가 어느 차량에 속하는가에 있다. 일반 대차는 한 차량의 하부에 속하여 그 차체만 받치지만, 관절대차는 두 차량에 걸쳐 두 차체를 함께 받친다. 따라서 대차 하나를 두 차량이 공유하는 것이 관절대차의 핵심 특징이다.

원리는 대차의 회전 중심이 두 차체 사이에 놓이는 데서 나온다. 차체는 대차에 대해 상대적으로 회전하며, 곡선 구간에서 차체가 대차에 대해 이루는 변위각이 작아진다. 변위각이 작으므로 차체가 원래의 점유 범위를 벗어나는 양이 줄고, 곡선에서 차량이 차지하는 점유폭이 감소한다. 이 효과 때문에 같은 건축한계 안에서 차체 폭을 더 넓게 잡을 수 있다. 차체에 대한 대차의 변위각이 작아져 곡선 통과가 쉬워진다.

관절대차는 두 차축 사이에 회전점을 하나 더 두는 구조이기도 하다. 곡선에서 긴 차량이 반경을 따라 돌 때 각 차축은 레일과 맞지 않는 각도로 놓이게 되어 바퀴가 레일을 긁으며 괴성 소음을 낸다. 회전점이 추가되면 차축이 레일에 맞는 각도로 돌아가므로 바퀴와 레일의 마찰과 소음이 줄어든다.

흔히 하는 오류는 관절대차를 연결기로 묶인 두 차량으로 생각하는 것이다. 관절대차는 연결기 대신 대차가 두 차체를 받치는 구조이므로, 차량 사이의 연결은 연결기가 아니라 대차의 회전으로 이루어진다고 이해해야 한다.

차상고는 레일면에서 차체 바닥까지의 높이이다. 관절대차는 회전축이 차체 사이에 놓이므로 차상고를 낮추고 차량의 무게중심을 내릴 수 있으며, 이는 주행 안정성과 직결된다.

3. 등장 배경과 필요성

철도차량의 편성이 길어지고 운행 속도가 높아지면서 보통 대차 편성의 한계가 드러났다. 대차 하나는 자체 중량과 주행 저항, 제작·정비 비용을 더하기 때문에 편성이 길어질수록 대차 수 자체가 부담이 된다. 관절대차는 대차를 차량 사이에 공유시켜 대차 수를 줄이므로, 같은 편성 길이에서 경량화와 비용 절감을 함께 도모할 수 있다.

예를 들어 6량 편성을 기준으로 하면 보통 대차 편성은 대차가 12개 필요하지만, 관절대차 편성은 대차 7개면 충분하다. 차량 사이마다 대차를 하나씩 두고 편성 양 끝에 대차 두 개를 더하는 계산이다. 다만 차축 수가 줄어 한 축이 받는 하중이 커지므로 궤도 부담이 증가하는 한계가 함께 따른다.