TD 평행카르단 구동방식
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1. 개요
TD 평행카르단 구동방식은 일본의 토요 전기제조가 실용화한 구동 방식으로, 모터를 차축과 평행하게 배치하고 TD 커플링을 사용하여 동력을 전달한다. 이 방식은 중공축 평행카르단 구동방식보다 보수성이 향상되었으며, WN 평행카르단 구동방식에 비해 구조가 단순하다는 장점이 있다. 일본의 JR 각사와 사철, 공영 철도에서 널리 사용되며, 신칸센의 경우 굴곡판 내구성이 향상되면서 일부 차량에 채용되었다. 일본 외에서는 대만, 중국, 인도네시아 등에서 채용 사례가 있다.
중공축 평행카르단 구동방식을 대신하는 구동방식으로 일본의 토요 전기제조가 실용화했다. 'TD'는, 2장의 디스크를 사용하는 구조(Twin Disc)에서 나온 이름이지만, 개발사인 토요 전기제조의 앞글자(Toyo Denki)에서 따온 것이라고도 한다.
2. 구조 및 원리
모터를 차축과 평행으로 대차 프레임에 고정하여, 모터의 출력축과 구동 기어를, 큰 편위를 허용하는 'TD 커플링'을 통해 연결한다. TD 커플링의 내부에는, 2장의 디스크에 끼워진, 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 완성된 굴곡판(たわみ板, flexural plate)을 조합하여 편위를 흡수하고 있다. 굴곡판을 통해 동력을 전달하고 편위를 흡수하는 것으로, 중공축 평행카르단의 발전형으로 볼 수도 있다.
중공축 평행카르단 구동방식과 비교하면, 모터의 회전축으로 중실축(中實軸)을 활용할 수 있어 보수성이 현격히 향상되었다. 때문에 서일본 여객철도를 제외한 JR 각사 등, 일찍이 중공축 평행카르단을 사용하고 있던 철도 사업자를 중심으로 채용사례가 늘고 있다.
또, 인터널 기어를 이용하는 WN 평행카르단 구동방식에 비해 구조가 단순하고 조립이나 조정이 용이하고 타행시의 소음도 적으며, 급유도 필요없기 때문에 보수도 간소화할 수 있다. 고속운전시의 내구성이 WN 커플링보다 뒤떨어지는 것으로 여겨져 신칸센에서는 사용되지 않았지만, 최근 굴곡판의 내구성이 향상되어 JR 도카이 소속 700계 C19 편성 이후의 그린차(1등차)에서 채용되었으며, N700계 Z·N편성에서 전차량에 본격적으로 채용되었다.
2. 1. TD 커플링
TD 평행카르단 구동방식은 중공축 평행카르단 구동방식을 대체하는 방식으로, 일본의 토요 전기제조가 실용화했다. 'TD'는 두 장의 디스크를 사용하는 구조(Twin Disc)를 의미하지만, 개발사인 토요 전기제조(Toyo Denki)의 약자이기도 하다.
모터를 차축과 평행하게 대차 프레임에 고정하고, 모터 출력축과 구동 기어를 큰 편위를 허용하는 'TD 커플링'으로 연결한다. TD 커플링 내부에는 두 장의 디스크에 끼워진 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 만들어진 굴곡판(flexural plate)을 조합하여 편위를 흡수한다. 굴곡판을 통해 동력을 전달하고 편위를 흡수하는 점에서 중공축 평행카르단 방식의 발전형으로 볼 수 있다.
중공축 평행카르단 방식과 비교하면, 모터 회전축으로 중실축(中實軸)을 사용할 수 있어 보수성이 크게 향상되었다. 이 때문에 서일본 여객철도를 제외한 JR 각사 등, 기존에 중공축 평행카르단 방식을 사용하던 철도 사업자들이 주로 채택하고 있다.
WN 평행카르단 구동방식에 비해 구조가 단순하고 조립 및 조정이 쉬우며, 타행 시 소음이 적고 급유가 필요 없어 보수가 간편하다. 고속 운전 시 내구성이 WN 커플링보다 떨어진다고 여겨져 신칸센에서는 사용되지 않았지만, 최근 굴곡판의 내구성이 향상되어 JR 도카이 소속 700계 C19 편성 이후의 그린차(1등차)에서 채용되었고, N700계 Z·N편성에서는 모든 차량에 본격적으로 채용되었다.
2. 2. 장점
중공축 평행카르단 구동방식을 대신하는 구동방식으로 일본의 토요 전기제조가 실용화했다. 'TD'는 2장의 디스크를 사용하는 구조(Twin Disc)에서 나온 이름이지만, 개발사인 토요 전기제조의 앞글자(Toyo Denki)에서 따온 것이라고도 한다.
모터를 차축과 평행으로 대차 프레임에 고정하고, 모터의 출력축과 구동 기어를, 큰 편위를 허용하는 'TD 커플링'을 통해 연결한다. TD 커플링 내부에는 2장의 디스크에 끼워진 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 만들어진 굴곡판(たわみ板, flexural plate)을 조합하여 편위를 흡수한다. 굴곡판을 통해 동력을 전달하고 편위를 흡수하는 구조는 중공축 평행카르단 방식의 발전형으로 볼 수 있다.
중공축 평행카르단 구동방식과 비교하면, 모터의 회전축으로 중실축(中實軸)을 활용할 수 있어 보수성이 크게 향상되었다. 이러한 장점 덕분에 서일본 여객철도를 제외한 JR 각사 등, 기존에 중공축 평행카르단 방식을 사용하던 철도 사업자들이 TD 평행카르단 구동방식을 채택하는 사례가 늘고 있다.
또한, 인터널 기어를 이용하는 WN 평행카르단 구동방식에 비해 구조가 단순하고 조립 및 조정이 용이하며, 타행시의 소음도 적고, 급유도 필요없어 보수가 간소화된다는 장점이 있다. 신칸센에서는 고속 운전 시 내구성이 WN 커플링보다 떨어진다는 이유로 채택되지 않았으나, 최근 굴곡판의 내구성이 향상되면서 JR 도카이 소속 700계 C19 편성 이후의 그린차(1등차)에서 채용되었고, N700계 Z·N편성에서는 모든 차량에 본격적으로 채택되었다.
2. 3. 단점
TD 평행카르단 구동방식은 WN 평행카르단 구동방식에 비해 구조가 단순하고 조립 및 조정이 용이하며, 타행시 소음이 적고 급유가 필요 없어 보수가 간소하다는 장점이 있다. 그러나 고속 운전 시 내구성이 WN 커플링보다 떨어지는 것으로 알려져 신칸센에서는 사용되지 않았다. 그러나 최근 굴곡판의 내구성이 향상되어 JR 도카이 소속 700계 C19 편성 이후의 그린차(1등차)에서 채용되었으며, N700계 Z·N편성에서 전 차량에 본격적으로 채용되었다.
3. 대한민국에서의 채용 사례
3. 1. 현황
4. 일본에서의 채용 사례
일본국유철도(국철) 시대에 207계 900번대가 유일하게 TD 평행카르단 구동방식을 채택했으며, 이는 동일본여객철도(JR 동일본)에 계승되었다.
홋카이도 여객철도(JR 홋카이도)는 733계, 735계, 789계에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
동일본여객철도(JR 동일본)는 205계 모하 205형 5000번대·모하 204형 5000번대(VVVF 인버터 개조차, 도요 전기 제조제), 209계, E217계, E231계, E233계, E235계, E257계, E259계, E351계(폐계열), E353계, E501계, E531계, E653계, E721계, E751계, E954형 FASTECH 360 S(신칸센용 고속 시험 전동차·폐형식), E955형 FASTECH 360 Z(신칸센 직행 특급용 고속 시험 전동차·폐형식) 등 다양한 차종에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
도카이 여객철도(JR 도카이)는 700계 0번대(폐구분 번대, 신칸센 최초의 TD 평행 카르단 구동차·C19 편성 이후의 그린차만, JR 서일본에 양도된 차량은 제외), N700계(그린차에만 채용), 313계, 373계, 383계에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
서일본여객철도(JR 서일본)는 N700계 3000/4000/5000번대 중 도카이도 신칸센에 운행하는 N 편성 3000번대(폐구분)·F 편성 4000번대·K 편성 5000번대는 JR 도카이와 동일 사양으로 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다. (규슈 신칸센에 운행하는 S 편성 7000번대는 전차량 WN 구동 방식)
시코쿠 여객철도(JR 시코쿠)는 6000계, 7000계, 7200계(121계의 VVVF 인버터 개조차, 도요 전기 제조제), 8000계, 8600계에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
규슈 여객철도(JR 큐슈)는 303계, 811계 1500번대, 813계, 815계, 817계, BEC819계, 883계, 885계에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
철도종합기술연구소(철도총연·JR 총연)는 LH02형(시험 LRV)에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
삿포로시 교통국 1100형(노면 전차), 도부 철도 100·200·250·500·9050·10080·20050·20070·50000·60000계, 게이세이 전철 적전의 약 절반의 차량, AE100형(폐차 계열, WN 구동 방식과 혼재), 3700형, 2대째 3000형, 2대째 AE형(도요 전기 제조제 주 전동기 장비 차량) 등이 TD 평행카르단 구동방식을 채택했다.
호쿠소 철도의 자사 소유차인 7300형, 7500형(두 차량 모두 WN 구동 방식과 혼재)과 지바 뉴타운 철도 소유차 9100형(1차차의 2개 편성), 게이오 전철 6000계(폐차 계열), 5000계 (2대째), 도큐 전철 300·2000·3000(2대)·5000(2대)·6000(2대)·7000(2대)·7500계 TOQ i(사업용 차량), 요코하마 고속 철도 Y000·Y500계, 게이힌 급행 전철 600형(3대), 800형(2대), 1000형(2대), 1500형, 2000형, 2100형, 데토 17·18형(사업용 차량, 개조)도 이 방식을 사용한다.
오다큐 전철 7000형, 10000형(폐차 계열, 일부 차량은 나가노 전철에 양도), 20000형(폐차 계열, 일부 차량은 후지 급행에 양도), 30000형, 사가미 철도 10000·11000·20000계(종래형 카르단 구동차에는 직각 카르단 구동 방식 사용), 도쿄 도 교통국 10-300형, 다마 도시 모노레일 1000계(TD 연결기를 거친 직각 카르단 구동 방식), 수도권 신도시 철도 TX-1000·TX-2000계, 조신 전철 7000형, 이즈하코네 철도 7000계, 시즈오카 철도 A3000형도 TD 평행카르단 구동방식을 채택했다.
나고야 철도 1600계(폐차 계열, 쿠1600 제외 전 차량 1700계로 개조), 1700계(폐차 계열, 1600계 개조차), 3100·3500(2대)·3700계, 모780형(노면 전차, 폐계식, 전 차량 도요하시 철도에 양도), 도야마 지방 철도 8000형(노면 전차), 이가 철도 200계(개조, 전 도큐 1000계, 도큐 시대에는 중공축 평행 카르단 구동 방식 사용), 게이한 전기 철도 게이한선 VVVF 인버터 제어차(7000·7200·9000·10000·3000계(2대) 등), 500형(2대) 이후의 오쓰선 차량(600형(3대), 700형(3대), 800계(2대) 등), 에이잔 전철 900계도 이 방식을 사용한다.
한큐 전철에서는 도요 전기제작소 기기를 사용하는 교토선 차량(5300·6300·7300·8300·9300·9000계)에 한때 채용되었으며, 일부는 WN 구동 방식으로 갱신되거나 혼재되어 있다. 한신 전기 철도 5500계 이후의 VVVF 인버터 제어차(1000·5550·5700·9000·9300계 등), 난카이 전기 철도 2000·2300·8300·50000계(6200계 갱신차(50번대 포함)를 제외한 도요 전기 제조제 주 전동기 장비 차량), 센보쿠 고속 철도 9300계(난카이 8300계와 동일 사양), 이요 철도 모하5000형(노면 전차), 니시테쓰 9000형, 오키나와 도시 모노레일 1000형(TD 연결기를 거친 직각 카르단 구동 방식)도 TD 평행카르단 구동방식을 채택했다.
4. 1. JR 그룹
일본국유철도(국철) 시대에 207계 900번대가 유일하게 TD 평행카르단 구동방식을 채택했으며, 이는 동일본여객철도(JR 동일본)에 계승되었다.홋카이도 여객철도(JR 홋카이도)는 733계, 735계, 789계에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
동일본여객철도(JR 동일본)는 205계 모하 205형 5000번대·모하 204형 5000번대(VVVF 인버터 개조차, 도요 전기 제조제), 209계, E217계, E231계, E233계, E235계, E257계, E259계, E351계(폐계열), E353계, E501계, E531계, E653계, E721계, E751계, E954형 FASTECH 360 S(신칸센용 고속 시험 전동차·폐형식), E955형 FASTECH 360 Z(신칸센 직행 특급용 고속 시험 전동차·폐형식) 등 다양한 차종에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
도카이 여객철도(JR 도카이)는 700계 0번대(폐구분 번대, 신칸센 최초의 TD 평행 카르단 구동차·C19 편성 이후의 그린차만, JR 서일본에 양도된 차량은 제외), N700계(그린차에만 채용), 313계, 373계, 383계에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
서일본여객철도(JR 서일본)는 N700계 3000/4000/5000번대 중 도카이도 신칸센에 운행하는 N 편성 3000번대(폐구분)·F 편성 4000번대·K 편성 5000번대는 JR 도카이와 동일 사양으로 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다. (규슈 신칸센에 운행하는 S 편성 7000번대는 전차량 WN 구동 방식)
시코쿠 여객철도(JR 시코쿠)는 6000계, 7000계, 7200계(121계의 VVVF 인버터 개조차, 도요 전기 제조제), 8000계, 8600계에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
규슈 여객철도(JR 큐슈)는 303계, 811계 1500번대, 813계, 815계, 817계, BEC819계, 883계, 885계에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
철도종합기술연구소(철도총연·JR 총연)는 LH02형(시험 LRV)에 TD 평행카르단 구동방식을 채택하였다.
4. 2. 사철 및 공영 철도
삿포로시 교통국 1100형(노면 전차), 도부 철도 100·200·250·500·9050·10080·20050·20070·50000·60000계, 게이세이 전철 적전의 약 절반의 차량, AE100형(폐차 계열, WN 구동 방식과 혼재), 3700형, 2대째 3000형, 2대째 AE형(도요 전기 제조제 주 전동기 장비 차량) 등이 TD 평행카르단 구동방식을 채택했다.호쿠소 철도의 자사 소유차인 7300형, 7500형(두 차량 모두 WN 구동 방식과 혼재)과 지바 뉴타운 철도 소유차 9100형(1차차의 2개 편성), 게이오 전철 6000계(폐차 계열), 5000계 (2대째), 도큐 전철 300·2000·3000(2대)·5000(2대)·6000(2대)·7000(2대)·7500계 TOQ i(사업용 차량), 요코하마 고속 철도 Y000·Y500계, 게이힌 급행 전철 600형(3대), 800형(2대), 1000형(2대), 1500형, 2000형, 2100형, 데토 17·18형(사업용 차량, 개조)도 이 방식을 사용한다.
오다큐 전철 7000형, 10000형(폐차 계열, 일부 차량은 나가노 전철에 양도), 20000형(폐차 계열, 일부 차량은 후지 급행에 양도), 30000형, 사가미 철도 10000·11000·20000계(종래형 카르단 구동차에는 직각 카르단 구동 방식 사용), 도쿄 도 교통국 10-300형, 다마 도시 모노레일 1000계(TD 연결기를 거친 직각 카르단 구동 방식), 수도권 신도시 철도 TX-1000·TX-2000계, 조신 전철 7000형, 이즈하코네 철도 7000계, 시즈오카 철도 A3000형도 TD 평행카르단 구동방식을 채택했다.
나고야 철도 1600계(폐차 계열, 쿠1600 제외 전 차량 1700계로 개조), 1700계(폐차 계열, 1600계 개조차), 3100·3500(2대)·3700계, 모780형(노면 전차, 폐계식, 전 차량 도요하시 철도에 양도), 도야마 지방 철도 8000형(노면 전차), 이가 철도 200계(개조, 전 도큐 1000계, 도큐 시대에는 중공축 평행 카르단 구동 방식 사용), 게이한 전기 철도 게이한선 VVVF 인버터 제어차(7000·7200·9000·10000·3000계(2대) 등), 500형(2대) 이후의 오쓰선 차량(600형(3대), 700형(3대), 800계(2대) 등), 에이잔 전철 900계도 이 방식을 사용한다.
한큐 전철에서는 도요 전기제작소 기기를 사용하는 교토선 차량(5300·6300·7300·8300·9300·9000계)에 한때 채용되었으며, 일부는 WN 구동 방식으로 갱신되거나 혼재되어 있다. 한신 전기 철도 5500계 이후의 VVVF 인버터 제어차(1000·5550·5700·9000·9300계 등), 난카이 전기 철도 2000·2300·8300·50000계(6200계 갱신차(50번대 포함)를 제외한 도요 전기 제조제 주 전동기 장비 차량), 센보쿠 고속 철도 9300계(난카이 8300계와 동일 사양), 이요 철도 모하5000형(노면 전차), 니시테쓰 9000형, 오키나와 도시 모노레일 1000형(TD 연결기를 거친 직각 카르단 구동 방식)도 TD 평행카르단 구동방식을 채택했다.
5. 기타 국가에서의 채용 사례
일본 외에서의 채용 사례는 적다.
참조
[1]
간행물
東洋電機技報 第109号
2003-11
[2]
간행물
東洋電機技報 前述号同頁
[3]
문서
[4]
문서
[5]
웹사이트
通史
https://www.toyodenk[...]
東洋電機製造
2023-08-09
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