볼스터 대차·볼스터리스 대차

왜 배우는가: 볼스터리스 대차는 볼스터와 센터피봇을 없애 경량화와 부품 단순화를 이룬 방식이므로 대차 구조와 성능을 설명하는 기본 개념이 된다. 볼스터 대차와 힘 전달 구조가 대비되어 비교 문항으로 자주 묻는다.

출제 이력: 제134회 3교시 5번, 제130회 3교시 3번, 제122회 3교시 5번, 제118회 3교시 1번, 제116회 3교시 4번, 제109회 4교시 3번, 제101회 2교시 3번, 제97회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

볼스터리스 대차는 볼스터를 생략하고 공기스프링과 견인장치로 하중·회전·견인력을 분담하는 대차이다.

볼스터 대차는 차체의 하중과 견인력, 회전 운동을 볼스터라는 부재를 거쳐 전달하는 대차이다. 볼스터리스 대차는 이 세 기능을 공기스프링과 견인장치로 나누어 맡기고 볼스터와 센터피봇을 없앤 구조이다. 두 방식의 차이는 힘을 전달하는 경로를 어디에 두느냐에 있다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 볼스터 대차: 차체와 대차 사이에 볼스터를 두어 상하 하중, 견인력, 회전을 함께 전달하는 대차 형식이다.
• 볼스터리스 대차: 볼스터를 생략하고 공기스프링과 견인장치로 기능을 대신하는 대차 형식이다.
• 볼스터: 차체 하중을 대차에 전달하는 부재이며, 볼스터 스프링을 통해 차체를 지지한다.
• 센터피봇: 차체와 대차의 회전 중심을 이루는 지지점이다.
• 공기스프링: 수직하중을 지지하고 횡강성으로 대차의 회전을 흡수하는 2차 현가 요소이다.
• 견인장치: 대차와 차체 사이에서 전후 방향의 견인력과 제동력을 전달하는 기구이다.
• 요댐퍼: 고속 주행 시 차체의 요잉을 억제하는 댐퍼이다.

2. 개념 풀이

대차는 윤축을 지지하여 차량 중량을 받치고, 주행 중 생기는 진동과 충격을 흡수하며, 곡선 선로에서 대차 자체가 회전할 수 있게 하는 철도차량의 주행 장치이다. 이 세 가지 요구를 실현하는 대표적인 방식이 볼스터 대차와 볼스터리스 대차이다.

볼스터 대차에서는 축스프링이 윤축의 상하동만 흡수하고, 볼스터 스프링은 상하동을 흡수함과 동시에 대차의 회전을 허용한다. 볼스터 스프링은 중량을 지지하면서 회전시켜야 하므로 상반된 두 요구를 함께 만족하는 구조가 필요하다. 볼스터 대차는 견인력을 볼스터 앵커나 스윙 볼스터 가이드 같은 기구로 차체에 전달한다.

볼스터 대차에서 사이드 베어링은 대차와 차체가 접하는 면에서 마찰력을 만들어 사행동을 억제하는 기능도 가진다. 볼스터 앵커를 장비한 대차는 견인력 전달과 함께 이 마찰 효과를 부차적으로 얻는다.

볼스터리스 대차는 볼스터 스프링 자체를 횡방향으로 변형시켜 대차의 회전에 대응한다. 볼스터리스 대차에서 수직하중과 회전력은 공기스프링이 담당하고, 견인력은 견인장치가 전달한다. 견인장치는 가상 센터피봇 위치에 놓이며, 공기스프링의 높은 횡강성이 회전 특성을 좌우하는 핵심 요소이다.

견인장치는 가상 센터피봇 방식의 위치 관계를 역전하여 축소한 Z링크식, 싱글 링크식, 판 용수철식, 적층고무식 등으로 구현된다. 판 용수철이나 적층고무처럼 변위를 용수철의 변형에 의존하는 방식은 보수 면에서 문제가 많다. 그래서 현재 새로 제조되는 차량에는 링크를 사용하는 견인장치가 일반적으로 쓰인다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 가상 센터피봇: 실제 핀 대신 링크 배치로 만든 가상의 회전 중심이다.
• 횡강성: 좌우 방향의 힘에 대해 변형에 저항하는 정도이며, 볼스터리스 대차에서는 공기스프링의 횡강성이 곡선 통과 성능을 좌우한다.
• 사이드 베어링: 차체와 대차가 접하는 지점으로, 마찰력을 통해 사행동을 억제하는 보조 기구이다.

3. 등장 배경과 필요성

볼스터리스 대차가 등장하기 전까지 주로 쓰인 것은 가상 센터피봇 방식 대차였다. 이 방식은 부품 수가 많아지고 구조가 복잡해진다는 문제가 있었다.

1960년대 후반 대구경 다이어프램형 공기스프링이 실용화되었다. 이 공기스프링을 대차에 직접 장착하는 방식이 일반화되면서, 공기스프링이 지닌 높은 횡강성을 활용해 볼스터를 생략하는 방안이 각국에서 모색되었다. 이때 가상 센터피봇 방식 개발에서 얻은 Z링크식 견인기구 기술이 함께 활용되었다.

20세기 후반에 개발된 볼스터리스 대차는 볼스터 스프링 자체를 횡방향으로 변형시켜 회전에 대응하는 구조이다. 그 이전에는 볼스터로 불리는 부재를 개입시키는 방식이 주류였다.

대표 사례로 DT50 대차가 있다. DT50 대차는 1985년 205계 전동차에 처음 채용되었다. 일본국철이 자국 대차 제작사와 공동으로 개발한 이 대차는 극한까지 단순화된 구조와 낮은 단가, 유지관리 비용, 주행 성능에서 이전 대차를 앞섰고, 이후 파생형이 전동차와 기동차에 널리 채용되었다.