2차 서스펜션

2. 2차 서스펜션의 역할 및 요구 성능

대차에 자주 이용되는 보기 대차에는 윤축(차륜과 차축)을 지지하는 1차 서스펜션(축 스프링)과 차체를 지지하는 2차 서스펜션(볼스터 스프링)이 설치된다. 2차 서스펜션은 주행 중 발생하는 진동과 충격을 흡수하여 승차감을 향상시키는 역할을 한다.

2. 1. 2차 서스펜션에 요구되는 성능

• '''차량 중량 지지:''' 차량 자체의 무게는 물론, 화물과 승객의 무게, 주행 중 발생하는 관성력 등 모든 하중을 2차 서스펜션을 통해 대차로 전달한다. 따라서 이러한 모든 하중을 견딜 수 있는 용량의 서스펜션이 필요하다. 만약 작용하는 무게가 너무 커서 하나의 서스펜션으로 지지하기 어려울 때는 서스펜션을 병렬로 배치하거나 이중으로 설치하여 2차 서스펜션 전체의 지지 능력을 확보한다.

• '''상하동 완화:''' 주행 중에 발생하는 차량의 상하 방향 움직임을 완화하는 기능이다. 서스펜션은 큰 힘이 가해지면 변형되면서 그 힘을 에너지 형태로 내부에 저장했다가, 작은 힘으로 나누어 천천히 방출하는 기능을 한다. 차량에 적절한 용수철 상수를 설정하는 것이 중요하다.

• '''진동 감쇠:''' 서스펜션은 변형된 후 일정한 파장으로 진동하는 특성이 있다. 따라서 진동을 줄여 흔들림을 멈추게 하는 장치가 필요하다. 힘과 변형의 관계가 히스테리시스 루프를 그리는 비선형 서스펜션은 자체적으로 감쇠 기능을 갖는다. 반면, 힘과 변형의 관계가 일정한 선형 서스펜션(예: 코일 스프링)은 일반적으로 감쇠 성능이 없으므로, 오일 댐퍼 등을 함께 사용하여 별도의 감쇠 장치를 추가해야 한다.

• '''전후동, 좌우동, 회전에 대한 변형 성능:''' 대차에는 상하 방향의 움직임뿐만 아니라 여러 방향의 진동, 충동, 관성이 작용한다. 대차는 2차 서스펜션 외의 다른 장치를 통해 이러한 힘들을 완화하지만, 이를 위해 어느 정도의 변형을 허용한다. 또한, 차량이 곡선 구간을 통과할 때 대차는 곡선에 따라 회전해야 한다. 따라서 2차 서스펜션은 상하 방향 외의 변위에도 기능을 유지하면서 변형될 수 있어야 한다. 2차 서스펜션만으로 이 기능을 수행하기 어려울 때는 볼스터라는 부품을 설치하여 회전과 좌우 움직임을 흡수하는 별도의 장치를 갖추어야 한다(볼스터 앵커 참조).

3. 2차 서스펜션의 종류

철도 차량의 2차 서스펜션으로는 과거에는 겹판 스프링, 코일 스프링, 방진 고무 블럭, 토션 바 등 다양한 종류가 사용되었으나, 현재는 공기 스프링이 가장 널리 사용된다.

3. 1. 겹판 스프링 (Leaf Spring)

얇은 강판의 휨 특성을 이용한 용수철로, 주체인 판 스프링에 여러 장의 자(子) 스프링을 겹친 다음 볼트로 고정시킨 것이다. 리프 스프링이라고도 불리며, 자동차 등에서도 사용된다. 2차 서스펜션으로 사용될 경우 용량을 확보하기 위해 여러 장의 판 스프링을 병렬로 배치하거나, 변형량을 확보하기 위해 위아래로 겹치기도 한다.

겹판 스프링은 각각의 판 스프링의 접촉면에 마찰이 있어 비선형 특성을 가지고 있으며, 진동에 대한 감쇠 성능을 얻을 수 있다. 또 자 스프링의 매수 변경이나 판 두께 변경을 통해 필요에 따라 하중 상한을 설정할 수 있다는 장점이 있다. 반면 마찰력의 조정이 어렵고 소정의 용수철 상수로 조정하기가 어려우며, 감쇠 성능은 고체 마찰에 의한 것이어서 진동수가 높은 "비비리 진동"(びびり振動|비비리 진동^일본어, frequency of chattering|채터링 진동^영어)을 흡수하지 못하는 것이 흠으로 꼽힌다. 스프링용 강재의 품질이 높은 유럽, 그 중에서도 특히 독일에서 많이 사용되었으며, 2차 서스펜션으로서 스팬이 2m 안팎으로 두꺼운 판 스프링을 사용함으로써 적절한 휨량을 확보하면서 비비리 진동의 발생을 억제한 겔리츠식 대차 등 이 스프링의 특성을 최대한 활용한 기구도 개발됐다.

3. 2. 코일 스프링 (Coil Spring)

코일 스프링은 스프링용 강철을 코일 모양으로 만든 것이다. 겹판 스프링에 비해 고체 마찰이 없어 스프링을 부드럽게 설계할 수 있다는 장점이 있다. 또한 흡수하는 에너지양에 비해 스프링의 무게를 가볍게 할 수 있다는 점에서도 우수하다. 하지만 고체 마찰이 없어 떨림 진동이 발생하지 않는 대신, 단독으로는 적절한 감쇠를 얻을 수 없으므로, 2차 서스펜션으로 사용할 경우에는 점성 감쇠 특성이 높은 오일 댐퍼를 함께 사용해야 한다. 차체의 큰 하중을 지탱해야 하므로 보통 압축 코일 스프링으로 사용한다.

3. 3. 방진 고무 블럭

방진 고무를 성형하여 만든 2차 서스펜션이다. 금속제 용수철과 달리 형상 변경이 자유롭고 각 방향의 용수철 상수를 임의의 값으로 설정할 수 있으며 자기(自己) 감쇠 작용이 높고 가볍다는 장점이 있다. 압축되면 용수철 상수가 올라가는 비선형 특성을 가지기 때문에, 공차(空車)와 적차(積車)에 따른 특성 차이가 큰 2차 서스펜션에는 적합하지 않다. 과거 일본국유철도 DT18형 대차 등에서 공간의 제약으로 인해 2차 서스펜션에 통상의 스프링을 사용할 수 없었던 때에 사용되었다.

3. 4. 토션 바 (Torsion Bar)

토션 바는 스프링용 강재를 사용한 강봉(鋼棒)의 휨으로부터의 복원력을 이용한 것이다. 코일 스프링보다 흡수 에너지 양 대 스프링 중량 비에서 우수하다. 따라서 경량화를 중시하는 스위스 국철용 경량 객차에서 SIG사에 의해 2차 서스펜션에 사용되었으며, 일본 등에서도 라이선스를 획득하여 이를 이용한 대차가 제조되었다. 하지만 이 역시 압축되면 용수철 상수가 오르는 비선형 특성을 가지므로, 이후 철도 차량의 2차 서스펜션에 이 스프링을 사용하는 예는 거의 없다.

3. 5. 공기 스프링 (Air Spring)

공기의 압축성을 이용한 스프링 기구로, 용적을 키우면 코일 스프링보다 부드러운 특성을 쉽게 설계할 수 있다. 자동 높이 조정 밸브(레벨링 밸브)를 사용하면 공차 중량, 적차 중량에 관계없이 바닥면 높이를 일정하게 유지한다. 용적 확대를 위한 보조 공기실(보통은 대차 프레임을 사용)과 스프링 본체 사이에 조절 밸브를 넣어 점성 감쇠 특성을 얻을 수 있으며, 오일 댐퍼가 필요하지 않다. 반면 편성 중에 원공기류관(元空氣溜管)을 설치하여 대용량 공기 압축기를 탑재해야 한다.

• 벨로즈 형 - 세로로 풀무 모양으로 된 것으로, 수직하중을 받지만 횡변형에는 약하다.
• 다이아프램 형 - 밥그릇을 엎어놓은 듯한 형태로, 수직하중과 함께 횡변형에도 복원력이 발생하지만 용도에 따라 그 특성은 다르다.
• 저 횡강성 에어스프링 - 완충 고무를 겹친 원통 위에 아랫면이 파인 밥그릇 모양의 에어 스프링을 조합한 것. 주로 볼스터리스 대차에 사용되며 그 이름대로 횡강성을 낮추고 상하 방향의 완충 작용을 확보한다.

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