답면제동
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1. 개요
답면제동은 철도 차량의 제동 장치 중 하나로, 차륜의 답면에 제륜자를 밀착시켜 마찰력을 발생시켜 제동하는 방식이다. 제륜자 재료에 따라 주철, 레진, 특수 주철 제륜자로 나뉘며, 제동 시 제륜자의 밀착 방식에 따라 양압식과 한쪽 밀어넣기식 답면 브레이크로 구분된다. 유닛 브레이크는 브레이크 실린더와 제륜자 부착부가 일체화된 한쪽 밀어넣기식으로, 구조 간소화, 소형화, 경량화, 정비 시간 단축 등의 장점을 가지고 있다.
제륜자는 사용되는 재료에 따라 여러 종류로 나눌 수 있으며, 각 재료의 특성에 따라 제동 성능이나 마모 수명 등이 달라진다.
제동 시 브레이크 슈를 차륜의 답면에 밀착시키는 방식에 따라 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 하나는 '''양압식 답면 브레이크'''(클래스프 브레이크)이고, 다른 하나는 '''한쪽 밀어넣기식 답면 브레이크'''(싱글 브레이크)이다. 각 방식은 구조와 작동 원리, 장단점에서 차이를 보인다.
2. 제륜자의 종류
2. 1. 주철 제륜자
초창기부터 널리 사용된 제륜자이다. 이후 등장하는 특수 소재를 사용한 제륜자와 구별하기 위해 '보통 주철 제륜자'라고 부르기도 한다.
속도에 따라 마찰력에 차이가 생겨, 정차 직전에 제동력이 상승하는 특징이 있다. 열차를 정차시킬 때 제동력을 약하게 하는 이유 중 하나가 이 현상 때문이다.
강설 지역에서는 제륜자와 차륜 사이에 눈이 들어가 제동력을 떨어뜨리는 "눈 씹힘" 현상을 방지하기 위해 내설 브레이크가 채용된 차량이 있다. 내설 브레이크는 주행 중에도 제륜자를 항상 가볍게 차륜에 대어 열을 발생시켜 접촉면의 착설을 방지하는 방식인데, 발열하기 쉽고 축열량도 많은 주철 제륜자는 이 용도에 적합하다.
2. 2. 레진 제륜자
주철에 합성 수지 등을 첨가한 제륜자이다.
주철 제륜자에 비해 마찰 계수는 약간 낮지만, 속도에 따른 마찰력은 거의 일정하므로 전기 브레이크와의 연계가 좋고 자동 운전과도 조합하기 쉬울 뿐만 아니라, 제륜자 자체의 질량을 작게 할 수 있다.
한편, 차륜의 답면이 거울면처럼 닦여 끈적임이 부족하여 공전이나 활주가 일어나기 쉬워, 차륜에 플랫이 생기기 쉬운 경향이 있다. 또한, 레일 윗면이 녹슬거나 더러워진 경우 도전성이 나빠져 궤도 회로가 형성되지 않아 신호가 오작동을 일으킬 수 있다. 따라서 2량 편성 이하의 열차에는 굳이 주철 제륜자가 달린 차량을 사용하는 경우가 있다.
이러한 결점을 보완하기 위해 레진 속에 주철 블록을 매립한 제륜자도 제작되었으며, "증점착 제륜자" 등으로 불린다.
2. 3. 특수 주철 제륜자
주철에 인, 망가니즈 및 몰리브덴을 첨가하여 만든 제륜자이다.
일반 주철 제륜자보다 마찰 계수가 크고, 제동 거리를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 이러한 특성 때문에 레진 슈가 적합하지 않은 강설 지역에서 일부 사업자들이 고속 운전을 하는 차량에 사용한다.
3. 제륜자의 구조 및 작동 방식
3. 1. 양압식 답면 브레이크 (클래스프 브레이크)
양압식 답면 브레이크는 제동 시 브레이크 슈를 차륜에 밀착시키는 방식 중 하나로, '''클래스프 브레이크'''라고도 불린다. 이 방식은 하나의 차륜에 대해 두 개의 브레이크 슈를 양쪽에서 동시에 밀어붙여 제동력을 발생시킨다.
과거 전기 브레이크 기술이 보편화되지 않았던 시기에는 오직 브레이크 슈의 마찰력만으로 차량을 멈춰야 했다. 이런 상황에서 양압식은 브레이크 슈가 하나만 사용되는 한쪽 밀어넣기식(싱글 브레이크)보다 슈의 마모 속도가 느리다는 장점이 있었다.
그러나 양압식은 한쪽 밀어넣기식과 비교했을 때 다음과 같은 단점들이 있다.
이러한 이유로 전기 브레이크 기술이 발달하면서, 구조가 더 간단하고 경량화에 유리한 한쪽 밀어넣기식으로 변경하는 경우가 많아졌다.
3. 2. 한쪽 밀어넣기식 답면 브레이크 (싱글 브레이크)
한쪽 밀어넣기식 답면 브레이크는 하나의 차륜에 대해 브레이크 슈를 하나만 사용하는 방식이다.[1]
이 방식은 양압식 답면 브레이크에 비해 구조가 간단하고 대차의 무게를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 전기 브레이크 기술이 발달하면서, 기존의 양압식을 한쪽 밀어넣기식으로 바꾸는 경우도 있었다.[1]
하지만 한쪽 밀어넣기식 브레이크를 사용하기 위해서는 몇 가지 조건이 필요하다. 차축의 베어링은 반드시 롤러 베어링이어야 하며, 브레이크 슈가 옆으로 움직이며 가하는 하중을 고려하지 않은 평면 베어링에서는 사용할 수 없다. 또한, 축 스프링이 있는 대차의 경우, 축상자 안내 장치(차축을 지지하는 부분)의 구조에 따라 문제가 발생할 수 있다. 특히 축상자 안내 장치의 움직임에 유격(틈)이 있거나 마찰이 쉽게 발생하는 구조에서는 문제가 생길 가능성이 높다. 예를 들어, 축상자 보호식 국철 DT18형 대차를 사용했던 키하 44500형 기동차는 원래 양압식 브레이크를 사용했으나, 제동 시 축 스프링이 잠겨 승차감이 크게 나빠지는 문제를 해결하기 위해 한쪽 밀어넣기식으로 개조된 사례가 있다.[1]
한쪽 밀어넣기식 답면 브레이크는 이후 유닛 브레이크라는 형태로 더욱 발전하였다.[1]
4. 유닛 브레이크
'''유닛 브레이크'''는 브레이크 실린더와 제륜자 부착부가 일체화된 편압 답면식 브레이크를 의미한다.
이 방식은 브레이크 실린더, 브레이크 지렛대, 슈 헤드 등의 기구를 하나로 묶어 구조를 단순화하고, 크기와 무게를 줄이며, 정비 시간을 단축하는 장점이 있다[1]。 기능적으로는 편압식 답면 브레이크의 한 종류이지만, 일반적으로 단순히 유닛 브레이크라고 불린다. 또한, 유닛 브레이크를 양압식으로 배치하여 사용하는 차량도 존재한다 (양압식 유닛 브레이크).
기존의 브레이크 실린더와 복잡한 링크 기구를 사용하는 방식(링크식)과 비교했을 때, 유닛 브레이크는 브레이크 실린더와 브레이크 슈가 일체화되어 있어 브레이크 작동 시 응답성이 더 빠르다. 특히 ATO 장치를 사용하는 노선에서는 역 정차 시 브레이크 조작이 빈번하고(수동 7단에서 ATO 사용 시 31단으로 다단화), 기존 링크식보다 반응성이 높은 유닛 브레이크가 더 적합하다[2][3]。
또한, 제륜자가 마모되더라도 자동으로 차륜 답면과 제륜자 사이의 간격을 일정하게 유지하는 '자동 간극 조정 기구'가 탑재되어 있어, 간극 조정이 필요 없어 보수가 용이하다는 장점도 있다.
일본에서의 초기 채용 사례로는 영단 지하철(현 도쿄 지하철)이 1961년에 도입한 히비야선용 3000계와 1964년에 도입한 도자이선용 5000계에 세미 유닛 브레이크 방식이 채용된 것을 들 수 있다[4]。 이는 대차 구조를 간소화하고 보수성을 향상시키기 위한 목적이었다[4]。 영단 지하철은 이후에도 유닛 브레이크 방식 개발을 지속하여, 1988년에 등장한 히비야선용 03계와 도자이선용 05계에서 본격적으로 채용하기 시작했다[4]。
한편, 국철에서는 1980년에 새로 제작한 201계 시제차 일부 차량에 유닛 브레이크를 채용했으나[5], 양산차에는 적용되지 않았고 시제차에서도 양산화 개조 과정에서 철거되었다[5]。
그 외 사철에서는 2000년대 이후에 제조된 통근형 차량에서 이 브레이크 시스템을 채용하는 경우가 많다.
JR에서는 전기 기관차인 EH200형이나 화차인 코키 107형, 코키 200형 등에서 채용하고 있다.
참조
[1]
간행물
東武鉄道30000系
交友社「鉄道ファン」1997年2月号新車ガイド
[2]
간행물
東京メトロにおけるATOの取組み
レールアンドテック出版「鉄道車両と技術」No.177
[3]
문서
東京メトロ丸ノ内線, 東京メトロ有楽町線, 東京メトロ副都心線 ATO 운전 관련 내용
[4]
간행물
60年のあゆみ - 営団地下鉄車両2000両突破記念 -
帝都高速度交通営団
[5]
간행물
205系四半世紀の歩み
交友社「鉄道ファン」2005年2月号特集
[6]
문서
110000호대에 한함
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