WN 평행카르단 구동방식
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1. 개요
WN 평행카르단 구동방식은 전기 철도의 구동 방식 중 하나로, 차축 무장착 구동 방식의 일종이다. 1925년 미국 웨스팅하우스 일렉트릭(WH)사와 나탈 사의 공동 개발을 통해 시작되었으며, 기존 조괘 구동 방식의 문제점을 해결하고자 개발되었다. 1941년 시카고 노스쇼어 앤드 밀워키 철도의 일렉트로라이너에 처음 장착되었고, 1948년 뉴욕 시 지하철 R12형 전동차에 대량 채용되면서 미국과 아시아 등지에서 널리 사용되었다. WN 커플링은 고출력에 강한 구조적 특징을 가지며, 지하철, 신칸센, 광역철도 등 다양한 철도 차량에 적용되었다. 하지만 타성 주행 시 소음이 발생하는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위한 기술 개발이 진행 중이다.
WN 구동 방식은 전동차의 성능 향상을 위해 개발되었다. 기존 조괘 구동방식의 문제점을 해결하고, 고속 운행에 적합한 구동 시스템을 제공하기 위해 개발되었다.
WN 구동 방식은 미국의 대기업 전기 메이커 웨스팅하우스 일렉트릭(WH)사가 산하의 기계·톱니바퀴 메이커인 나탈사(Natal Co.Ltd)와 1925년 이후 공동 개발하여 실용화한 고속 운전에 적합한 전동차용 구동 시스템이다. 'WN'이란 개발사의 앞 글자(Westinghouse - Natal)를 따서 붙인 이름이지만, 미국에서는 gear coupling라고 불리는 경우가 많다.[15]
2. 역사
과거 전기 철도에서 사용되던 조괘 구동방식은 단순했지만, 전동기 무게의 절반이 차축에 집중되어 궤도 부담이 크고 승차감이 나빴으며, 충격이 전동기에 직접 전달되어 손상을 일으키는 등의 결점이 있었다. 또한, 고속화를 위한 성능 향상에도 한계가 있었다.[1]
이러한 문제를 극복하기 위해 1920년대에 스위스 등에서 부흐리식 구동 방식이, 미국과 유럽에서 퀼식 구동 방식이 실용화되었으나, 모두 대형이라 전기 기관차용으로 사용되었고 전동차용으로는 보급되지 않았다.
이에 따라 전동차의 성능 향상을 위해 미국의 WH사는 1925년부터 산하 나탈 사와 공동으로 소형 차축 무장착 구동 방식과 저전압 고회전 전동기를 개발하였다. WN 평행카르단 구동방식은 10년 이상의 장기 시험을 거쳐 1941년 시카고 노스쇼어 앤드 밀워키 철도(노스쇼어 선)의 일렉트로라이너에 장착되어 성공을 거두었고, 1948년 뉴욕 시 지하철용 R12형 전동차에 대량 채용되어 미국과 아시아 등지로 보급되었다.
2. 1. 개발 배경
조괘 구동방식은 전동기 무게의 절반 가량이 차축에 집중되어 스프링하 질량이 커지는 구조였다. 이 때문에 궤도에 부담이 크고, 궤도와 바퀴의 추종성이 좋지 않아 승차감이 나빴다.[18] 또한 레일 이음매나 분기기에서 발생하는 충격이 전동기에 직접 전달되어 베어링과 모터 케이스에 손상을 입히고, 정류자 전동기의 약점인 플래시 오버를 고려하면 전동기 회전수를 올리기도 어려워 고속화를 위한 성능 향상에 한계가 있었다.[1]
이러한 문제를 해결하기 위해 1920년대에는 스위스 등에서 부흐리식 구동 방식이, 미국과 유럽에서 퀼식 구동 방식이 실용화되었다. 그러나 이들 방식은 모두 대형이어서 전기 기관차에 주로 사용되었고, 전동차에는 널리 보급되지 않았다.
이러한 상황에서 전동차의 성능 향상을 위해 미국의 철도용 전동기 제조사인 WH사는 1925년부터 산하의 나탈 사와 공동으로 소형 차축 무장착 구동 방식과 저전압 고회전 전동기를 개발했다. WN 평행카르단 구동방식은 10년 이상의 장기간에 걸친 시험을 거쳐 신뢰성과 성능이 확인된 후, 1941년 시카고 노스쇼어 앤드 밀워키 철도(노스쇼어 선)의 일렉트로라이너에 장착되어 성공을 거두었다. 이후 1948년 뉴욕 시 지하철용 R12형 전동차에 대량으로 채용되어 미국과 아시아 등지에 보급되었다.
2. 2. 개발 과정
미국의 유수 철도용 전동기 제조사인 웨스팅하우스 일렉트릭(WH)은 1925년부터 산하의 나탈 사와 공동으로 소형 차축 무장가(無裝架) 구동 방식과 저전압 고회전 전동기를 개발했다.[18] 10년 이상의 시험을 거쳐 신뢰성과 성능을 확인한 후, 1941년 시카고 노스쇼어 앤드 밀워키 철도(노스쇼어 선)의 일렉트로라이너에 처음 장착되어 성공을 거두었다. 1948년에는 뉴욕 시 지하철용 R12형 전동차에 대량으로 채용되어 이후 미국과 아시아에서 보급되었다.[1]
3. 구조 및 특징
모터를 차축과 평행하게 대차 프레임에 고정하고, 모터의 출력축과 구동 기어를 WN 커플링을 통해 연결한다. WN 커플링은 큰 편위(偏位)를 허용한다.
WN 커플링은 원래 카르단 조인트와는 다른 기구이므로 엄밀히 따지면 WN 카르단이라는 표현은 오용이다. 'WN구동'이나 'WN 드라이브'라고 부르는 것이 정확하지만, 일본 등지에서는 주전동기의 하중을 모두 용수철상 탄성지지로 한 차축 무장가(無装架) 구동 방식의 일종이라는 의미로 관례적으로 카르단 구동 방식의 일종에 포함시키고 있다.
해외에서는 퀼 식 구동 방식과 함께 가장 일반적으로 사용되는 구동 방식이 되었으며, 아시아와 북미 등에서 주류가 되었다. 스페인을 제외한 유럽에서는 퀼 식 구동 방식이 주류이지만, 최근에는 WN 구동 방식도 늘어나고 있다.
3. 1. WN 커플링
WN 커플링은 모터의 출력축과 구동 기어를 연결하며, 큰 편위(偏位)를 허용하도록 설계되었다. 내부에는 가공한 톱니바퀴와 용수철을 조합하여 편위를 흡수한다.
WN 커플링은 등속 이음매의 일종으로, 회전 각속도 변동이 발생하지 않는다. 두 개의 헐거운 슬라이드 스플라인으로 구성되며, 슬라이드 스플라인은 톱니바퀴와 달리 모든 톱니가 맞물려 있기 때문에 작아도 큰 힘을 전달할 수 있으며, 신뢰성이 높다. 단, 공차를 이용하는 각도 변화의 허용도는 5도 이내이다.
4. 한국에서의 채용 사례
WN 구동 방식은 구조적으로 고출력에 강해, 1953년 게이한 전기 철도 1800형 전차에 처음 사용된 이후 오랫동안 지하철이나 사철에서 널리 사용되었다. 특히 신칸센에서는 개업 초기부터 표준 구동 시스템으로 사용되었으나, 일부 차량(700계, N700계 등)에서는 소음 문제로 TD 이음새를 채택하기도 했다.
경전철 및 도시철도에서는 1953년 게이한 전기 철도 1800형, 도쿄 도덴 5500형, 에이단 마루노우치선 300형 전차 등에 WN 구동 방식이 채용되었다. 이후 표준궤를 사용하는 노선과 1960년대 이후 협궤 노선 (난카이 전기 철도, 오다큐 전철 등)에도 도입되었다.
신칸센 및 광역철도에서는 신칸센 외에 JR 서일본 207계, 223계, 225계 전차와 JR 시코쿠 5000계, JR 규슈 YC1계, 821계, JR 도카이 315계, HC85계, JR 홋카이도 737계, JR 화물 M250계 전차 등에서 WN 구동 방식을 채택했다.
초저상 노면 전차에서는 가고시마시 교통국 7500형 전차에 WN 이음새가 채용된 사례가 있다.
4. 1. 경전철 및 도시철도
1953년 6월 게이한 전기 철도 1800형 1802에 스미토모 금속 공업(현 일본제철)이 독자 개발한 WN 커플링이 최초로 실용화되었다.[2][3][4][5] 같은 시기 도쿄 도덴5500형 5502,[6] 에이단 마루노우치선 개업에 대비하여 제작된 300형 전차[7]에도 WN 구동방식이 채용되었다.마루노우치선을 시작으로 1,435 mm 표준궤를 사용하는 노선(영단 지하철 (현 도쿄 메트로)의 긴자선・마루노우치선, 긴키 일본 철도의 나라선・오사카선 등, 한큐 전철의 신포선[8])에서는 WN 구동 방식이 널리 도입되었다.
궤간 1,067mm 협궤 노선에서는 전동기 소형화 등 기술 개발이 필요했다. 1956년 후지산록 전기 철도(현 후지큐코) 3100형에 최초의 협궤용 WN 커플링이 실용화되었고, 다음 해 나가노 전철 2000계 전차에서 75kW급 전동기에 대응하는 WN 커플링이 실용화되었다.[9]
1960년대에는 협궤용에서도 정격 출력 100kW를 넘는 대출력 전동기 제조가 가능해지면서 난카이 전기 철도(미쓰비시 전기제 주 전동기 장착 차량), 오다큐 전철 등에서도 WN 구동 방식을 채택하였다.
4. 2. 신칸센 및 광역철도
신칸센에서는 개업 이래 오랫동안 WN 평행카르단 구동방식을 표준 구동 시스템으로 사용해 왔지만, 700계나 N700계의 일부 그린샤에서는 TD 이음새를 채택하여 소음을 억제하고 있다.[17]JR 서일본은 207계 이후 재래선 전차에 WN 커플링을 표준으로 채용하고 있으며, 특히 223계, 225계 신쾌속 전차 등에서 고속 운전에 기여하고 있다.
WN 구동 방식을 채택한 다른 사례는 다음과 같다.
4. 3. 기타
가고시마시 교통국 7500형 전차(리틀 댄서 타입 X)에는 도요 전기 제조가 신설계한 WN 이음새가 채용되었다.[13][14] 이는 차체 장착 카르단 구동 방식이 주류인 초저상 노면 전차(100% 초저상)에서는 드문 사례이다.WN 이음새는 기본적으로 등속 이음새이며, 변위가 있는 상태에서 회전해도 회전 각속도 변동은 발생하지 않는다. 그러나 "탄성판식 이음새"나 "TD 이음새"만큼 부드럽지는 않다.
현재 일본 내 생산량은 미쓰비시 전기제 주 전동기와 일본제철(전신의 스미토모 금속 공업 포함)제 이음새의 조합이 절반 이상을 차지한다.[13][14] 이는 웨스팅하우스와의 기술 제휴 경위와 금속 가공 기술의 제약 때문이다.
5. 문제점
WN 커플링은 구조상 문제점과 기술적 한계로 인해 소음 발생 및 억제에 어려움이 있다. 특히 타성 주행 시 발생하는 소음은 회생 제동을 약하게 거는 방식으로 일부 차량에서 억제하고 있지만, 근본적인 해결책은 되지 못하고 있다.[19]
최근에는 제조 기술 발전으로 소음 감소를 위한 노력이 이루어지고 있지만, 경년 열화로 인한 소음 증가 문제는 여전히 남아있다. 외치 기어의 정밀 가공 기술 부족으로 백래시 축소가 어려워 소음 문제를 완전히 해결하기 어렵다. 도카이도·산요 신칸센 일부 차량에서는 TD 커플링을 사용하여 소음 문제를 개선하려는 시도가 있었다.[20]
5. 1. 타성 주행 시 소음
WN 커플링은 구조상 내부 톱니바퀴의 기하공차 때문에 커플링에 힘이 걸리지 않는 타성 주행 시 소음이 발생하는 문제가 있다. 이 때문에 일부 차량은 일정 속도 이상에서 타성 주행 시 회생 제동을 약하게 걸어 커플링에 부하를 줌으로써 소음을 억제하기도 한다.[19]최근에는 기어의 백래시를 줄이고 커플링 제조 시 내부 공차를 최소화하여 소음을 줄이려는 노력이 이루어지고 있다. 그러나 경년 열화로 인해 소음이 점차 커지는 문제는 여전히 남아있다. 다만, 최근에는 커플링 자체의 품질 향상으로 신품 상태에서의 소음은 감소하고 있다.
WN 평행카르단 구동방식에서 내치(internal gear)는 단순한 직선 톱니(직치) 인터널 기어지만, 외치(external gear)는 오프 센터(off center) 변위를 허용하기 위해 매우 큰 크라우닝(crowning)을 주어야 한다. 현재 기술로는 이러한 큰 크라우닝을 가진 외치 기어의 그라인더가 개발되지 않아, 톱니 만들기 → 담금질 → 조합(ground glass joint) 공정에 의존해야 한다. 따라서 톱니바퀴 정밀화를 통한 백래시 축소는 어렵고, 현재는 모듈 축소를 통한 톱니 소형화로 이를 해결하고 있다. 또한, 과도한 백래시 축소는 골링(galling) 가능성을 높여 어려움이 있다.
도카이도·산요 신칸센에서는 700계 JR 도카이 소속 편성(C편성) 중반 이후부터 그린샤(1등석)에 TD 커플링을 사용하여 소음을 억제하고 있다.[20]
참조
[1]
문서
[2]
문서
[3]
서적
京阪車輌竣工図集（戦後編~S40）
레일로드
1990
[4]
간행물
京阪特急物語 -京阪特急を眺め,乗り,50年あれこれ-
電気車研究会
2000
[5]
서적
日本の電車物語 旧性能電車編 創業時から初期高性能電車まで
JTBパブリッシング
2007
[6]
문서
[7]
문서
[8]
문서
[9]
간행물
わが国におけるWN駆動の発達過程
鉄道史学会
1995-12
[10]
문서
[11]
문서
[12]
웹사이트
2021年に登場するJR東海 新型車両 315系、特急形 HC85系のスペックと走り
https://news.biglobe[...]
BIGLOBEニュース（鉄道チャンネル）
2021-01-02
[13]
문서
[14]
간행물
私鉄車両めぐり150 大阪市交通局
電気車研究会
1993
[15]
문서
[16]
문서
[17]
문서
[18]
문서
[19]
문서
[20]
문서
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