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캔트 (노선)

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목차

1. 개요

캔트는 철도, 도로, 롤러코스터, 자전거 경기장 등에서 사용되는 기술로, 곡선 구간을 안전하고 효율적으로 통과하도록 돕는 역할을 한다. 철도에서는 바깥쪽 레일을 높여 원심력을 상쇄하여 열차의 안정성을 높이고, 마찰과 마모를 줄인다. 캔트량은 열차 속도와 곡률 반경에 따라 결정되며, 설정 캔트량과 캔트 부족량이 존재한다. 도로에서는 빗물 배수를 위해 횡단 물매를 의미하며, 롤러코스터는 고속 주행을 위해 캔트를 크게 설정한다. 자전거 경기장에서는 선수들의 안전을 위해 캔트가 적용된 트랙을 사용한다.

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캔트 (노선)
개요
정의철도나 도로에서 차량이 원활하게 회전할 수 있도록 궤도 또는 노면의 양쪽 가장자리에 높이 차이를 두는 것
다른 이름기울기, 횡단 기울기
철도
목적열차가 곡선 구간을 안전하고 편안하게 주행하도록 함
캔트 부족실제 캔트와 균형 캔트의 차이
캔트 초과캔트 부족의 반대 개념
최대 캔트노선 및 차량에 따라 결정되는 캔트의 최대 허용치
캔트 변화율캔트가 점진적으로 변화하는 비율
적용 방법곡선 구간의 바깥쪽 궤도를 높임
차량의 무게 중심이 곡선 안쪽으로 이동하여 원심력을 상쇄
도로
목적차량이 곡선 구간에서 미끄러지는 것을 방지
배수를 원활하게 함
적용 방법곡선 구간의 바깥쪽 차선을 높임
노면의 기울기를 조정하여 차량의 안정성을 확보하고 빗물을 배수
안전캔트가 너무 크면 차량이 전복될 위험이 있으므로 적절한 값을 유지하는 것이 중요
기타
관련 용어선로
도로
곡선
원심력

2. 철도

철도에서 캔트는 열차가 곡선 구간을 안전하고 빠르게 통과할 수 있도록 돕는 핵심 기술이다. 캔트는 바깥쪽 레일을 높게 설치하여 열차가 받는 원심력의 영향을 줄여준다.

캔트의 주된 목적은 다음과 같다.


  • 양쪽 레일에 걸리는 하중을 고르게 분산시킨다.
  • 레일과 바퀴의 마모를 줄인다.
  • 원심력에 의한 횡력을 상쇄한다.
  • 승객의 승차감을 좋게 한다.


곡선 구간에서는 바깥쪽 바퀴에 원심력이 작용하는데, 곡률 반경이 작을수록 이 힘은 더 커진다. 캔트는 바깥쪽 레일을 높여 원심력과 반대 방향으로 작용하는 중력의 힘을 만들어낸다. 이를 통해 열차는 안정적으로 곡선을 통과할 수 있으며, 승객들은 더 편안하게 이동할 수 있다.

바퀴 플랜지가 레일에 닿는 것을 막아 마찰, 마모, 레일 울림을 최소화하는 것도 캔트의 중요한 역할이다.

곡선에서 필요한 캔트의 양은 열차의 예상 속도와 곡률 반경에 따라 달라진다. 속도가 빠를수록 더 큰 캔트가 필요하다. 하지만, 저속 열차가 고속철도 선로를 이용하는 경우처럼, 실제로는 여러 요소를 고려하여 적절한 값을 사용한다.

일반적으로 캔트는 열차가 바퀴의 타이어 프로파일에 따라 플랜지 접촉 없이 운행하는 것을 목표로 한다. 그러나 열차 속도에 따라 저속 열차는 안쪽 레일, 고속 열차는 바깥쪽 레일에 플랜지 접촉이 발생할 수 있으며, 이는 마모 및 탈선의 원인이 될 수 있다. 따라서 플랜지 윤활 등의 추가적인 조치가 필요할 수 있다.

곡선 구간에서는 궤도에 가해지는 힘이 커지기 때문에, 이상적으로는 침목(철도 침목) 간격을 좁히고 도상 자갈을 더 깊게 설치해야 한다.

직선에서 곡선으로 바뀌는 지점에서는 캔트의 양을 바로 바꿀 수 없다. 따라서 궤도 전이 곡선을 통해 캔트를 점진적으로 변경(경사로)해야 하며, 이 전이 곡선의 길이는 허용 최고 속도에 따라 결정된다.

2. 1. 철도 캔트의 중요성

캔트는 열차가 커브를 안전하게 주행하고 마찰과 마모를 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 곡선 철도 궤도에서 바깥쪽 레일을 높게 설치하여 뱅크된 회전을 제공함으로써, 열차는 더 빠른 속도로 곡선을 주행할 수 있다. 이는 바퀴 플랜지가 레일에 가하는 압력을 줄여 마찰과 마모를 최소화한다.[1] 캔트의 주요 기능은 다음과 같다:

  • 양쪽 레일에 걸리는 하중 분산 개선
  • 레일과 바퀴의 마모 감소
  • 횡력 효과 중화
  • 승객의 편안함 향상


수평 곡선에서 곡률은 바깥쪽 바퀴에 작용하는 원심력을 발생시키는데, 곡률 반경이 작을수록 원심력은 커진다. 캔트는 궤도의 바깥쪽 가장자리가 안쪽 가장자리보다 높게 설치됨을 의미하며, 이로 인해 원심력과 반대 방향으로 작용하는 중력의 힘이 발생한다. 이는 양쪽 레일에 걸리는 하중의 분산을 개선하여 곡선을 주행하는 열차의 안정성과 안전성을 확보하고 승객의 편안함을 향상시킨다.[1]

2018년 6월 S자 곡선에서 철도 캔트의 효과를 보여주는 257계 열차


이러한 안정성은 바퀴 플랜지가 레일에 닿는 것을 방지하여 마찰, 마모 및 레일 울림을 최소화한다. 곡선에서 필요한 캔트는 열차의 예상 속도와 곡률 반경에 따라 다르다. 속도가 높을수록 원심력은 커지기 때문에 더 많은 캔트가 필요하다.[1]

이상적으로 궤도는 곡선에서 가해지는 증가된 힘을 수용하기 위해 더 좁은 간격과 더 깊은 도상 자갈이 있는 침목을 가져야 한다. 또한, 곡선의 끝 부분에서 레일이 곧게 펴지는 곳에서는 캔트의 양이 궤도 전이 곡선에서 점진적으로 변경되어야 한다. 전이의 길이는 허용 가능한 최대 속도에 따라 다르며, 속도가 높을수록 더 긴 길이가 필요하다.[1]

긴테쓰 나라선 마이오카역을 통과하는 쾌속 급행. 정차하는 열차가 있는 경우에는 기울어져 정차하므로 승하차가 어려워진다


캔트에는 설정 캔트량과 캔트 부족량이 있다. 설정 캔트량은 곡선을 통과하는 열차의 평균 속도로 설정된 캔트량이다. 최대 캔트량은 차량이 곡선을 저속으로 통과할 때 강한 바람에 의한 전복 방지, 차체 기울기로 인한 승객의 불쾌감 및 불안감을 고려하여 결정된다. JR의 경우, 신칸센(표준궤) 도카이도 신칸센은 200mm[22], 그 외에는 180mm(실제로는 이보다 적은 경우가 많음), 재래선(협궤)에서는 105mm, 표준궤 사철에서는 150mm로 설정되어 있다. 서유럽의 표준궤의 경우는 150mm에서 160mm 사이이다.[22] 캔트 부족량은 곡선에서의 최고 속도에 대응하는 캔트량과 설정 캔트량의 차이를 의미한다.

2. 2. 철도 캔트의 작동 방식

캔트는 곡선 철도 궤도에서 바깥쪽 레일을 안쪽 레일보다 높게 설치하여 열차가 곡선 구간을 안전하고 부드럽게 통과하도록 돕는 기술이다. 캔트의 주요 기능은 다음과 같다.[1]

  • 양쪽 레일에 걸리는 하중 분산 개선
  • 레일과 바퀴의 마모 감소
  • 횡력 효과 중화
  • 승객의 편안함 향상


수평 곡선에서 열차는 바깥쪽으로 작용하는 원심력을 받는다. 곡률 반경이 작을수록 원심력은 커진다. 캔트는 이 원심력을 중력의 일부로 상쇄시켜 열차의 안정성과 안전성을 확보하고, 승객의 편안함을 향상시킨다.[1]

이러한 캔트의 효과로 바퀴 플랜지가 레일에 닿는 것을 방지하여 마찰, 마모 및 레일 울림을 최소화한다.[1]

필요한 캔트의 양은 열차의 예상 속도와 곡률 반경에 따라 결정된다. 속도가 높을수록, 곡률 반경이 작을수록 더 큰 캔트가 필요하다. 다만, 저속 열차가 고속철도 궤도를 사용하는 경우 등에는 타협 값을 사용할 수 있다.[1]

일반적으로 캔트는 열차가 플랜지 접촉 없이 운행하는 것을 목표로 한다. 하지만 열차의 속도에 따라 저속 열차는 안쪽 레일에, 고속 열차는 바깥쪽 레일에 플랜지 접촉이 발생할 수 있다. 이러한 접촉은 마모를 유발하고 탈선으로 이어질 수 있으므로, 윤활 등의 추가적인 조치가 필요할 수 있다.[1]

이상적으로는 곡선 구간에서 증가하는 힘을 견디기 위해 더 좁은 간격과 더 깊은 도상 자갈을 가진 침목(철도 침목)을 설치해야 한다.[1]

직선 구간과 곡선 구간이 만나는 지점에서는 캔트의 양을 즉시 변경할 수 없다. 궤도 전이 곡선을 통해 캔트를 점진적으로 변경(경사로)해야 하며, 전이 곡선의 길이는 허용 최고 속도에 따라 결정된다.[1]

열차 속도(v), 곡률 반경(r), 궤간(w)이 주어졌을 때, 이상적인 캔트(E_a)는 다음 관계식을 만족해야 한다.[1]

:v^2 = \frac{E_a rg}{\sqrt{w^2 - E_a^2}} \approx \frac{E_a rg}{w}

여기서 g는 중력 가속도이다. 위 식은 무게, 원심력, 수직력(기울어진 중력의 수평 성분) 사이의 균형에서 유도된다. 근사식은 캔트가 궤간에 비해 작다고 가정한다.

최대 허용 속도(v_{max})를 설정하여 "불균형 캔트"(E_u)를 정의할 수 있다. 불균형 캔트는 설계된 캔트보다 빠른 속도로 움직이는 열차에 필요한 추가적인 캔트 양을 의미한다. 수식은 다음과 같다.[1]

:v_{max}\approx\sqrt{\frac{(E_a + E_u)rg}{w}}=\sqrt{\frac{(E_a + E_u)g}{dw}}

여기서 d=1/r는 궤도의 곡률(단위 길이당 라디안 단위의 회전 각도)이다.[1]

2. 3. 캔트 부족량

캔트 부족량은 곡선에서 최고 속도에 필요한 캔트량과 실제 설정된 캔트량의 차이를 말한다. 캔트 부족량이 클수록 원심력의 영향이 커져 안전성과 승차감에 영향을 줄 수 있다.[2]

캔트 부족량의 상한은 안전성과 승차감을 고려하여 정해진다. 한국철도(JR)의 경우, 재래선(협궤)에서는 100mm, 표준궤에서는 150mm, 신칸센에서는 90mm로 규정하고 있다.[22]

구분캔트 부족량 상한 (mm)
협궤 재래선100
표준궤 재래선150
신칸센 (표준궤)90



승차감에 따른 좌우 가속도 한계는 0.08G(2.8km/h/sec)가 기준이다. 이를 바탕으로 캔트 부족량을 계산할 때는 차량의 베개 스프링 등의 처짐을 고려해야 한다.[23] 따라서 한국철도의 현행 규정에서는 협궤 재래선의 일반 차량은 60mm, 일반 특급형 차량은 70mm, 펜듈럼식 특급형 차량은 110mm, 신칸센은 90mm로, 안전성 제약에 따라 낮은 수치로 정해져 있다.

캔트가 있는 곡선에서는 차량이 기울어져 바람에 의한 전복 위험이 커진다. 캔트 부족의 경우에는 안쪽 바람, 캔트 초과의 경우에는 바깥쪽 바람에 의해 안전율이 낮아지는데, 특히 캔트 초과 시 바깥쪽 바람이 더 위험하다.

2. 4. 완화 곡선과 캔트의 관계

철도에서 직선 구간에서 곡선 구간으로 진입할 때, 캔트는 즉시 변경될 수 없고 점진적으로 변화해야 한다. 이를 위해 완화 곡선이 사용된다.[24] 완화 곡선은 곡선 반경과 캔트가 서서히 변하는 구간으로, 열차가 곡선에 진입할 때 원심력의 급격한 변화를 막아준다.

한국 철도에서는 선로 등급에 따라 캔트량의 400~1000배에 해당하는 완화 곡선 길이를 설정한다.[24] 이는 차축의 축간 거리가 긴 2축 화차를 기준으로 한 것이며, 보기 대차를 사용하는 전철에서는 이 배율이 더 낮게 설정될 수 있다. 이러한 완화 곡선 설계를 통해 열차의 안전성과 승차감을 확보하고 있다.

3. 도로

토목공학에서 캔트는 횡단 물매나 캠버(camber)를 의미하는 경우가 많다. 캔트는 빗물이 도로 표면에서 빠져나가도록 돕는다.

4. 롤러코스터

롤러코스터는 주로 중력으로 움직이기 때문에 (권상식이나 가속식에 의한 에너지로 주행), 그 차체는 동력이 필요 없고 가벼우며 레일을 차륜이 끼우는 구조가 가능하다. 따라서 철도에 비해 탈선 · 전복이 발생하기 어려운 롤러코스터는 캔트를 늘려 곡선을 고속 주행할 수 있다.[25]

매드 마우스 등, 일부 소형 단일 차량 롤러코스터에서는 캔트가 없어서 커브 시 원심력을 느낄 수 있다. 최근에는 커브 안쪽에 캔트가 설치된, 이른바 "역 캔트"를 도입한 것도 등장하고 있는데,[26] 이는 충분한 속도 제어를 통해 실현 가능하게 되었다.

5. 자전거 경기장

자전거 경기장에서는 롤링축의 도약도를 최소화하기 위해 횡단 경사 규정을 포함하는 매코넬 곡선[27] 등 완화 곡선이 사용된다.

참조

[1] 간행물 Commission Decision of May 30, 2002 concerning the Technical Specification for Interoperability 2002/732/EC
[2] 웹사이트 Comparison of upgrades needs to recognize the difference in curve speeds http://Zierke.com/sh[...] 2008-04-10
[3] 논문 North South – strategy for growth Craven AU$421.6 million Investment for Sydney Brisbane Corridor https://www.artc.com[...] 2012-11-22
[4] 뉴스 "KNOCK-KNEED" RAILS. http://nla.gov.au/nl[...] 2011-11-20
[5] 서적 Top motorcycling roads: the Deep South http://www.gunsmoke.[...] Gunsmoke Engineering
[6] 서적 The World's Best Motorcycle Routes http://www.mceinsura[...] MCE Insurance
[7] 서적 Motorcyclopedia https://books.google[...] Bowmar
[8] 서적 Speed Secrets https://books.google[...] Motorbooks
[9] 서적 The fastest corners at Mosport are off-camber, downhill and blind http://drive.jalopni[...] 2013-07-26
[10] 서적 State Route 112 – Washington http://www.motorcycl[...] Screaming Eagle Web Solutions
[11] 서적 A Rational Approach To Racing Game Track Design http://www.gamasutra[...] 2011-09-06
[12] 서적 Kenton Koch on Driving Technical Corners http://mazdamotorspo[...] Mazda North American Operations 2014-11-27
[13] 서적 Deals Gap Revealed—Tail of the Dragon http://www.superstre[...] 2014-11-26
[14] 서적 The 10 Best Fourth of July Road Trips: Great Places and the Great Roads To Get You There http://www.edmunds.c[...] 2013-06-28
[15] 서적 Riding Roller-Coaster Roads on History's Trail https://books.google[...] 2001-07
[16] 서적 Motorcycle Road Trips (Vol. 14) Roads & Road Houses – Tour de Gastronomy https://books.google[...]
[17] 서적 The Ultimate Guide to Mountain Biking https://books.google[...] Globe Pequot
[18] 서적 Riding skills series: Camber and Elevation—Using Both to Your Advantage http://www.sportride[...] 2011-10-03
[19] 서적 Advanced Off Camber http://www.mtbtechni[...] MTB Techniques
[20] 서적 Riding Off-Camber Corners Over A Rise With Andrew Short – Pro Secrets – Dirt Rider Magazine http://www.dirtrider[...] 2009-07-21
[21] 서적 What's It Really Like Out There? https://books.google[...] 1983-10
[22] 논문 新しい時代に入る東海道新幹線（上） https://doi.org/10.1[...] 電気学会 2022-07-31
[23] 문서 カントを0とした場合での、曲線の外側に働く遠心力と重力との合力が、線路中心から離れる度合いであり、線路中心から離れる度合いをDとし、レールの軌間をGとし、安全比率をαとすると、α=G/2Dで算定される。安全比率の値が小さいと曲線での遠心加速度による車両転覆の可能性が高まり、安全比率1の場合では、遠心力と重力との合力の作用点が曲線軌道の外側のレール上に働くこと意味しており、その場合でのカント不足は、在来線の狭軌の重心高さ1､300 mmの特急形車両で350 mm、重心高さ1､650 mmの特急形車両で275 mmとなる。
[24] 문서 カントが大きくなると、緩和曲線が長くなる。
[25] 웹사이트 RRR 2008.7 安全で快適に曲がるための曲線線形 https://bunken.rtri.[...] 鉄道総合技術研究所 2008-07
[26] 뉴스 よみうりランドに新コースター「ツイスターコースター ロビン」誕生! https://news.mynavi.[...] 毎ナビ 2014-03-19
[27] 웹사이트 Highway Curves and Test Track Design http://onlinepubs.tr[...] 米国科学アカデミー


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