볼스터 앵커
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1. 개요
볼스터 앵커는 철도 차량의 볼스터 대차에서 견인력 및 제동력을 차체에 전달하는 장치이다. 일반적으로 막대 모양으로, 볼스터 스프링 상하단을 전후 방향으로 구속하여 힘을 전달한다. 다이렉트 마운트 방식에서는 차체와 볼스터를 연결하며, 스윙행거 방식에서는 스윙 볼스터와 대차 프레임 사이에 설치되어 사행동 억제에 기여한다. 볼스터 앵커는 볼스터 대차의 종류에 따라 설치 위치와 역할이 다르며, 요댐퍼와 함께 사행동을 억제하는 데 사용되기도 한다.
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| 볼스터 앵커 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 철도 차량의 대차와 차체 사이에 설치되는 완충 장치 |
| 역할 | 차체에 전달되는 충격을 완화 승차감 향상 |
| 위치 | 대차와 차체 사이 |
| 구성 요소 | 스프링 댐퍼 기타 부품 |
| 상세 설명 | |
| 기능 | 차륜에서 발생한 진동과 충격 흡수 차체의 안정적인 지지 소음 감소 |
| 종류 | 코일 스프링 볼스터 에어 스프링 볼스터 고무 볼스터 |
| 적용 | 객차 화차 기관차 전동차 |
| 추가 설명 | 볼스터 앵커는 볼스터와 대차 프레임을 연결하는 부품 |
2. 기본적인 구성
2. 1. 대차에 요구되는 성능
철도 차량의 대차는 윤축을 유지하고 차체의 무게를 지지하며, 주행 시 발생하는 진동・충격을 흡수・완화하는 역할을 한다。 또한 철도 차량이 선로의 곡선부에 접어들었을 경우, 대차 자체가 회전하여 원활하게 주행할 수 있어야 한다。
이러한 기능을 수행하기 위해 대차에는 윤축을 지지하는 '''축 스프링''', 차체를 지지하는 '''베개 스프링'''의 두 종류의 스프링이 설치되어 있다。 축 스프링을 포함하는 대차・윤축의 상대 움직임을 허용하는 기구・장치를 '''1차 스프링 계통''' 또는 '''축상 지지 장치''' 등으로 부르며, 베개 스프링을 포함하는 차체・대차의 상대 움직임을 허용하는 기구・장치를 '''2차 스프링 계통''' 또는 '''차체 지지 장치''' 등으로 부른다. 큰 상대 움직임을 고려하면 축 스프링은 윤축의 상하 운동만을 흡수하지만, 베개 스프링은 상하 운동의 흡수와 함께 대차의 회전을 허용할 필요가 있다.
차체의 무게를 지지하면서 회전시키는 요구 성능에 대해, 몇 가지 기구가 존재한다. 20세기 후기에 개발된 볼스터리스 대차에서는 베개 스프링 자체를 가로 방향으로 변형시키는 것으로 대차의 회전에 대응하고 있지만, 그 이전에는 '''침목 빔'''(볼스터)이라고 불리는 부재를 통해 회전을 허용하는 기구가 주류였다。
2. 2. 볼스터의 구조
볼스터는 볼스터 스프링의 상단이나 하단, 또는 양쪽에 설치되어 사이드 베어링과 접촉하며, 대차의 회전을 허용하는 기능을 가진다. 볼스터 대차는 상하동 흡수(볼스터 스프링)와 대차 회전(볼스터, 센터 피봇, 사이드 베어링) 기능을 분리한 구조이다.다이렉트 마운트 방식은 차체에 설치된 볼스터 스프링이 볼스터 위에 있어 회전하지 않고, 볼스터는 대차 프레임의 크로스 빔과 센터 피봇, 센터 플레이트, 사이드 베어링으로 연결되어 회전한다. 사이드 베어링과 센터 플레이트는 볼스터를 통해 전달된 상하 방향의 힘을 받지만, 평면적으로는 미끄러지는 구조여서 볼스터와 대차 프레임은 센터 피봇을 중심으로 회전한다.
볼스터 대차는 볼스터 스프링을 상하동 흡수에만 이용하고 대차 회전은 볼스터를 이용하는 구조이다. 이 방식 외에도 볼스터 대차에는 볼스터를 볼스터 스프링 위에 설치하여 회전을 허용하는 인다이렉트 마운트 방식, 사이드 프레임에 스윙암으로 하향 스윙 볼스터를 매달고 그 위에 볼스터 스프링을 둔 뒤 센터 플레이트와 사이드 베어링을 지지하는 상향 스윙 볼스터를 설치하는 스윙행거 방식 등이 있다. 이들은 모두 센터 플레이트·사이드 베어링과 볼스터 사이에서 대차가 회전하며, 볼스터 스프링 자체는 회전하지 않는 구조이며 기존의 비공기 스프링의 흔들 枕식 대차와 교환이 가능하며 JR에서 많이 사용되었다.
2. 3. 견인력을 전달하는 볼스터 앵커
볼스터 앵커는 볼스터 스프링의 상단과 하단을 전후 방향으로 구속하여 견인력이나 제동력을 전달하는 장치이다. 일반적으로 막대 모양이며, 대차의 양 측면에 수평 방향으로 배치된다. 볼스터 스프링의 양단을 핀 결합 또는 고무를 개입시킨 결합 방식으로 연결하여 상하 방향의 변형을 허용하면서 전후 방향의 힘을 전달한다.[2]다이렉트 마운트 방식에서는 볼스터 앵커가 차체와 볼스터를 연결하며, 힘은 센터 피봇(중심 핀)을 통해 대차로 전달된다.[3] 게이큐 2100형 전동차의 다이렉트 마운트 대차에서 볼스터 앵커는 A(볼스터), B(침대 스프링)를 거쳐 C(볼스터 앵커)로 연결된다.
힘의 전달 경로는 다음과 같다.
 | ||
| 전달개소 | 차량중량(상하방향) | 견인력(전후방향) |
|---|---|---|
| 차체 - 볼스터(3) | 볼스터 스프링(1) | 볼스터 앵커(2) |
| 볼스터 - 대차 프레임 | 사이드 베어링(4)・센터 플레이트 | 센터 피봇(5) |
| 대차 프레임 - 차륜 | 축 스프링 | 저널박스 지지 장치 |
볼스터 앵커는 볼스터 대차에서 견인력을 전달하는 역할을 하지만, 필수적인 것은 아니다. 스윙행거 방식은 상향 스윙 볼스터와 하향 스윙 볼스터 사이에 볼스터 스프링이 설치되고, 하향 스윙 볼스터는 대차 프레임에 매달려 좌우 흔들림을 완화하는 구조를 가진다.[4]
일반적으로 모터에 의한 가속력이나 브레이크에 의한 감속력과 같은 전후 방향의 힘은 대차 → 중심 핀 → 볼스터 → 볼스터 앵커 → 차체 순서로 전달된다. 볼스터 앵커는 가능한 한 낮게, 차축 중심에 가까운 위치에 설치하여 대차 전후축의 하중 변동을 줄일 수 있다.
3. 볼스터 앵커의 특징
초기 스윙행거 방식은 센터 피봇만으로 차량 중량을 지지하는 1점 지지 방식이었으며, 사이드 베어링은 전도 방지 장치 역할만 했다. 견인력 전달은 '스윙 볼스터 가이드' 방식을 따랐는데, 상부 스윙 볼스터와 대차 프레임 사이에 '스윙 볼스터 슈'를 설치하여 접촉을 통해 견인력을 전달했다.
스윙 볼스터 가이드는 구조가 간단하고 저렴하지만, 마모로 인해 대차 프레임과 상부 스윙 볼스터 사이에 틈이 생겨 진동을 일으키는 결점이 있다. 스윙행거 방식 대차는 부품 수가 많고 자유도가 높아 복잡한 흔들림이 발생하기 쉽다(그림2-2). 이로 인해 스윙 볼스터 가이드가 심하게 마모되어 전후방향으로 덜컹거림이 발생하고, 흔들림이 더욱 커지는 악순환이 발생하기 쉽다.
스윙 볼스터 가이드에 의한 전후방향의 덜컹거림은 상부 스윙 볼스터에 전후방향의 자유도를 주어 사행동의 원인이 된다. 사행동은 열차가 직선을 고속으로 주행하는 경우에 발생하는 현상으로, 윤축이나 대차·차체가 연직축 방향의 자려(自勵)진동을 일으켜 대차나 차체를 좌우로 격렬하게 진동시킨다. 이는 승차감을 해칠 뿐만 아니라 탈선 등의 중대사고의 원인이 되며, 고속화에 걸림돌이 되는 현상이다.
사행동의 원인은 주행 속도, 차륜의 형상, 윤축의 지지 방법, 축거, 또 차량의 강성·감쇠 성능·질량등이 관계된 복합 문제다. 이 중에서도 대차의 구조는 사행동에 주는 영향이 크며, 다양한 대책이 고안되어 왔다. 사행동에 대한 대책 중 하나는 적절한 강성의 확보다. 1점 지지에 의한 차체 지지 기구와 스윙 볼스터 가이드에 의한 견인력 전달 방식은 스윙 볼스터의 중앙 부분만이 구속되어 있으므로 필요이상으로 수평면에서의 회전을 일으키기 쉽고, 사행동에 대해 필요한 강성이 부족한 구조였다.
센터 플레이트·센터 피봇이라는 스윙 볼스터의 중앙부만의 고정이 아니라, 스윙 볼스터 양단을 전후방향으로 지지하는 것이 필요하게 되어 사이드 베어링을 통한 하중 지지와 볼스터 앵커가 사용되게 되었다. 사이드 베어링에 의해 적극적으로 상하 방향 하중의 일부를 볼스터의 양단으로 받아 그 마찰력으로 전후방향을 지지하고, 볼스터 앵커는 견인력의 전달을 볼스터의 양단으로 하는 것을 통해 전후방향을 구속하는 것이다. 모두 주된 목적은 하중의 전달이지만, 부차적으로 사행동을 억제하는 효과가 있다.
3. 1. 스윙 볼스터 방식과 그 결점
볼스터 앵커는 볼스터 대차에서 견인력을 전달하는 역할을 하지만, 반드시 필수적인 것은 아니다. 스윙행거 방식은 상향 스윙 볼스터와 하향 스윙 볼스터 사이에 볼스터 스프링이 설치되고, 하향 스윙 볼스터는 대차 프레임에 매달려 좌우 흔들림을 완화하는 구조를 가진다.[4]
초기 스윙행거 방식은 센터 피봇만으로 차량 중량을 지지하는 1점 지지 방식이었으며, 사이드 베어링은 전도 방지 장치 역할만 했다. 견인력 전달은 '스윙 볼스터 가이드' 방식을 따랐는데, 상부 스윙 볼스터와 대차 프레임 사이에 '스윙 볼스터 슈'를 설치하여 접촉을 통해 견인력을 전달했다.
스윙 볼스터 가이드는 구조가 간단하고 저렴하지만, 마모로 인해 대차 프레임과 상부 스윙 볼스터 사이에 틈이 생겨 진동을 일으키는 결점이 있다. 스윙행거 방식 대차는 부품 수가 많고 자유도가 높아 복잡한 흔들림이 발생하기 쉽다(그림2-2). 이로 인해 스윙 볼스터 가이드가 심하게 마모되어 전후방향으로 덜컹거림이 발생하고, 흔들림이 더욱 커지는 악순환이 발생하기 쉽다.
3. 2. 개선할 수 있는 효과
스윙 볼스터 가이드에 의한 전후방향의 덜컹거림은 상부 스윙 볼스터에 전후방향의 자유도를 주어 사행동의 원인이 된다. 사행동은 열차가 직선을 고속으로 주행하는 경우에 발생하는 현상으로, 윤축이나 대차·차체가 연직축 방향의 자려(自勵)진동을 일으켜 대차나 차체를 좌우로 격렬하게 진동시킨다. 이는 승차감을 해칠 뿐만 아니라 탈선 등의 중대사고의 원인이 되며, 고속화에 걸림돌이 되는 현상이다.
사행동의 원인은 주행 속도, 차륜의 형상, 윤축의 지지 방법, 축거, 또 차량의 강성·감쇠 성능·질량등이 관계된 복합 문제다. 이 중에서도 대차의 구조는 사행동에 주는 영향이 크며, 다양한 대책이 고안되어 왔다. 사행동에 대한 대책 중 하나는 적절한 강성의 확보다. 1점 지지에 의한 차체 지지 기구와 스윙 볼스터 가이드에 의한 견인력 전달 방식은 스윙 볼스터의 중앙 부분만이 구속되어 있으므로 필요이상으로 수평면에서의 회전을 일으키기 쉽고, 사행동에 대해 필요한 강성이 부족한 구조였다.
센터 플레이트·센터 피봇이라는 스윙 볼스터의 중앙부만의 고정이 아니라, 스윙 볼스터 양단을 전후방향으로 지지하는 것이 필요하게 되어 사이드 베어링을 통한 하중 지지와 볼스터 앵커가 사용되게 되었다. 사이드 베어링에 의해 적극적으로 상하 방향 하중의 일부를 볼스터의 양단으로 받아 그 마찰력으로 전후방향을 지지하고, 볼스터 앵커는 견인력의 전달을 볼스터의 양단으로 하는 것을 통해 전후방향을 구속하는 것이다. 모두 주된 목적은 하중의 전달이지만, 부차적으로 사행동을 억제하는 효과가 있다.
4. 볼스터 앵커의 종류
4. 1. 볼스터 대차와 볼스터 앵커
볼스터 앵커는 볼스터 스프링의 상하단을 전후방향으로 구속하는 구조로, 볼스터 대차에 설치되지만, 모든 볼스터 대차에 필수적인 것은 아니다. 볼스터를 이용한 대차는 다이렉트 마운트 방식 외에도 다양한 형식이 존재하며, 형식에 따라 볼스터 앵커의 설치 위치에 차이가 있다.견인력 전달은 스윙 볼스터 가이드에 의해서도 이루어질 수 있기 때문에, 스윙행거 방식 중에는 볼스터 앵커가 없는 경우가 많다. 인다이렉트 마운트 방식 중에서도 스윙 볼스터 가이드로 견인력을 전달하는 형식이 드물게 존재한다.
4. 2. 스윙행거 방식
스윙행거 방식은 두 개의 볼스터(스윙 볼스터)를 가지고 있지만, 볼스터 앵커는 상부 스윙 볼스터와 대차 프레임 사이에만 장착된다. 볼스터 앵커 스윙행거 방식 대차에서 하중은 다음과 같이 전달된다.- 차체 중량(상하방향 하중): 차체 - 센터 플레이트·센터 피봇 - 상부 스윙 볼스터 - 볼스터 스프링 - 하부 스윙 볼스터 - 행거 링크 - 대차 프레임 - 축스프링
- 견인력(전후방향 하중): 차체 - 센터 피봇 - 상부 스윙 볼스터 - 볼스터 앵커 - 대차 프레임 - 저널박스 지지 장치
4. 3. 인다이렉트 마운트 방식
인다이렉트 마운트 방식은 차체와 볼스터 스프링 사이에 볼스터를 설치하고, 볼스터와 대차 프레임 사이에 볼스터 앵커를 설치하는 방식이다. 이 방식에서 차체에서 발생한 힘은 다음과 같이 전달된다.- 차체 중량(상하방향 하중): 차체 - 사이드 베어링·센터 플레이트 - 볼스터 - 볼스터 스프링 - 대차 프레임 - 축스프링
- 견인력(전후방향 하중): 차체 - 센터 피봇 - 볼스터 - 볼스터 앵커 - 대차 프레임 - 저널박스 지지 장치
인다이렉트 마운트 방식 대차의 볼스터 앵커는 일반적으로 공기 용수철이 사용되지만, 도큐 차량 TS-301처럼 코일 스프링의 횡강성을 이용한 코일 스프링식도 있다. 일반적으로 볼스터 앵커 받이가 설치되지만, TR223G형과 같이 대차 프레임의 형상을 이용하여 볼스터 앵커를 직결한 대차도 있다.
4. 4. 가상 센터피봇 방식
볼스터 대차에서는 센터 피봇과 센터 플레이트의 작용에 의해 대차를 회전시킨다. 그러나 대차 좌우에 배치되는 볼스터 앵커를 직각 크랭크 핀으로 연결하면, 회전 중심이 되는 곳에 센터 플레이트나 센터 피봇을 설치하지 않고도 대차를 회전시킬 수 있다. 이러한 센터 플레이트를 이용하지 않는 대차 구조를 가상 센터피봇 방식이라고 부른다.
볼스터 앵커(견인력 전달 봉)의 한쪽 끝은 차체에 고정되고, 다른 한 쪽은 대차 프레임에 설치된 크랭크 핀과 결합되어 있다. 좌우 크랭크핀은 로드에 의해 연결되어 있어, 상호 크랭크핀의 작용에 의해 대차는 센터 플레이트를 중심으로 회전하는 듯이 움직일 수 있다.
이 형식의 대차에서는 볼스터 스프링의 배치는 다이렉트 마운트 방식에 가까운 구조가 되지만, 실제로는 회전을 허용하는 볼스터가 없는 일종의 볼스터리스 구조이므로, 볼스터 스프링은 대차의 선회에 의한 변형에 견딜 수 있는 구조로 되어 있다. 또, 볼스터가 존재하지 않기 때문에, 견인력 전달 봉을 볼스터 앵커라고 부르지 않고, 단순히 인장봉(引張棒) 또는 압봉(押棒)이라고 부르는 경우가 있다.
이 형식의 힘 전달은 다음과 같다. 볼스터나 센터 플레이트가 없기 때문에, 전달 구조는 비교적 단순하다.
- 차체중량 (상하방향 하중): 차체 - 볼스터 스프링 - 대차 프레임 - 축 스프링
- 견인력 (전후방향 하중): 차체 - 볼스터 앵커(견인 장치) - 대차 프레임 - 저널박스 지지장치
일반적으로 가상 센터피봇 방식이 이용되는 케이스로서 이하의 두 경우를 들 수 있다.
- 구동 기구의 위치적인 간섭에 의해 볼스터의 배치에 제한을 받는 대차
- 축중 보상을 필요로 하는 대차
전자는 주로 내연기관 동차에서 1대차 2축 구동을 실시하는 경우에 채용된다. 엔진이나 토크 컨버터를 차체에 장비하고, 대차에는 추진축으로 구동력을 전달한다. 1축만을 구동하는 경우는 문제가 되지 않지만, 1대차 2축 구동 방식의 경우, 윤축간에도 추진축 혹은 평 기어에 의한 동력전달장치가 필요해지며, 그것들이 볼스터와 간섭하여 대차의 부재 배치가 곤란해지는 경우가 있다. 이러한 경우 센터 플레이트나 볼스터가 없는 가상 센터피봇 방식이 유리하다.
또 하나는, 특히 열차 견인시 등에 축중 보상을 필요로 하는 차량용의 대차다. 윤축에 작용하는 축중은 차량의 점착력에 영향을 주므로, 적절한 축중은 공전을 방지하기 위해 필요하다. 그러나 축중은 주행 노선의 구배나 차량의 인장력의 영향에 의해, 다른 윤축으로 이동하는 성질이 있다. 특히 급구배에서 큰 인장력을 필요로 하는 기관차에서는, 축중의 이동에 의한 영향이 크다. 이 경우, 가상 센터피봇 방식을 채용하여 볼스터 앵커나 인장봉을 낮은 위치에 배치하는 것을 통해 축중의 이동을 방지할 수 있다.
가상 심접시 방식에 의한 기관차의 대차 사례는 잭맨 방식이라고 불리는 것으로, 볼스터 앵커에 상당하는 인장봉이, 차체 하부의 대차 프레임과 침 스프링 바로 아래 사이를 차축함의 아래를 지나 낮은 위치에서 연결하고 있다. 침 스프링 바로 아래에는 크랭크 핀이 설치되어 대차를 회전시키는 기구를 가지고 있음과 동시에, 대차에서의 견인력의 전달점을 낮춤으로써, 대차의 회전 모멘트와 축중의 이동을 억제하고 있다.
4. 5. 트러니언
트러니언은 미국의 J.G.브릴 사가 1900년대 초 개발한 볼스터 앵커의 시조이다. 대차 프레임과 트랜섬(가로 지지대)을 연결하는 가젯 스테이와 가로 지지대 사이를 트러니언 지지봉(링크)으로 연결한다. 링크 관절부의 가동 핀 마찰력으로 가로 지지대의 과잉 요동을 억제하는 방식이다.이 장치는 단순하면서도 승차감 개선에 큰 효과를 발휘했지만, J.G.브릴사가 특허를 신청하여 널리 보급되지는 못했다. 일본제강소는 J.G.브릴사와 제휴 관계에 있어, 라이센스 생산품인 브릴 대차(신케이한 철도 P-6형 전동차용 Brill 27 MCB-4 X등)에는 이 트러니언이 장착되어 있었다.
5. 요댐퍼와 볼스터 앵커
볼스터리스 대차에는 요댐퍼가 설치되는 경우가 많다. 요댐퍼는 댐퍼를 통해 차량과 대차를 연결하는 것으로, 사행동을 억제하는 것이 주 목적이다. 볼스터 앵커는 견인력이나 제동력 전달이 주 목적이며, 사행동 억제 기능은 부차적이다.
곡선 통과 시 볼스터 앵커는 신축 없이 볼스터를 구속하지만, 요댐퍼는 신축하여 대차 회전을 허용한다. 요댐퍼는 곡선 통과와 같은 완만한 회전에는 저항하지 않지만, 사행동과 같은 빠른 회전 진동에 대해서는 감쇠 작용을 한다. 신칸센 100계 전동차 등에서는 볼스터 앵커 지지부의 강성을 높게 조정하여 사행동 억제 기능을 강화하기도 한다.
참조
[1]
웹사이트
東京モノレール、複数車両で部品に亀裂 平日朝は当面減便
https://www.sankei.c[...]
産経ニュース
2022-06-01
[2]
웹사이트
ボルスタアンカ【車両の】 ぼるすたあんか
http://yougo.rtri.or[...]
2015-02-14
[3]
웹사이트
ボルスタアンカ受け ぼるすたあんかうけ
http://yougo.rtri.or[...]
2015-02-14
[4]
웹사이트
揺れリンク【台車の】 ゆれりんく
http://yougo.rtri.or[...]
2015-02-14
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