볼스터 앵커

볼스터 앵커(bolster anchor)는 철도차량의 대차를 구성하는 부재 중 하나다. 볼스터 대차에 쓰이고 있는 것으로, 상하동(上下動)을 흡수하는 볼스터 스프링에 설치되어 대차의 견인력 및 제동력을 전달하며, 차체에 선회 강성을 부여하는 기능을 한다.

대차에 요구되는 성능

철도차량의 대차는 윤축을 지탱하여 차량의 중량을 지지하는 것과 동시에, 주행시에 생기는 진동과 충격을 흡수·완화하는 기능을 한다. 또한 철도차량이 곡선선로에 진입할 경우, 대차 자체가 회전하여 원활한 주행을 할 수 있도록 해야 한다.
이러한 기능을 수행하기 위해, 대차에는 윤축을 지지하는 축스프링과 차체를 지지하는 볼스터 스프링이 설치되어 있다. 이 중 축스프링은 윤축의 상하동을 흡수할 뿐이지만, 볼스터 스프링은 상하동의 흡수와 함께 대차의 회전을 허용할 필요가 있다(그림 1-1 참조).
볼스터 스프링의 '중량을 지지하면서 회전시킨다'라는 요구성능을 만족시키기 위한 몇 개의 기구가 존재한다. 20세기 후반에 개발된 볼스터리스 대차는 볼스터 스프링 자체를 횡방향으로 변형시켜 대차의 회전에 대응하고 있지만, 그 이전에는 볼스터로 불리는 부재를 개입시키는 타입이 주류였다.

스윙 볼스터 방식과 그 결점

앞에서는 볼스터 앵커의 기본적인 역할을 '볼스터 대차에서 견인력(전후방향의 힘)을 전달하는 것'이라 설명했다. 그렇지만 볼스터 대차에서의 견인력 전달이 반드시 볼스터 앵커에 의해 이루어질 필요는 없으며, 보다 간편한 방법을 통해서도 가능하다. 여기에서는, 볼스터 대차에서의 견인력 전달 방식의 변천과 동시에 볼스터 앵커의 특징에 대해 설명한다.
그림2-1은 스윙행거 방식으로 불리는 대차 형식이며, 볼스터 대차에서는 예부터 널리 이용되어 온 방식이다. 상향 스윙 볼스터와 하향 스윙 볼스터라 불리는 2개의 볼스터를 가지며, 볼스터 스프링은 이 2개의 볼스터 사이에 설치된다. 또, 하향 스윙 볼스터는 대차 프레임에 매달려 좌우로 흔들리는 구조로 되어 있다. 이 구조는 대차에 작용하는 좌우 방향의 힘을 완화하는 기능을 가진다.
그런데 그림2-1의 대차는 스윙행거 방식 중에서도 더 역사가 오래된 방식이며, 센터 피봇만으로 차량의 중량을 지지하는 1점 지지 방식이다. 사이드 베어링은 원칙으로서 하중을 받지 않고, 차체가 기울었을 때에만에만 중량을 부담하는 전도 방지 장치였다. 또, 견인력의 전달에 대해서도 ‘스윙 볼스터 가이드’라는 방법에 따른다. 스윙 행거 방식에서는 상부 스윙 볼스터와 대차 프레임 사이에 견인력의 전달이 필요하지만, 구식 대차의 경우 상부 스윙 볼스터와 대차 프레임 사이에 '스윙 볼스터 슈'를 설치하여 서로 진동하는 부재(상부 스윙 볼스터와 대차 프레임)를 접촉시켜 견인력을 전달하는 이 방식이 주류였다.
스윙 볼스터 가이드는 스윙 볼스터 슈 1매로 견인력을 전달하므로 구조가 간단하고 비용이 저렴하다. 다만 대차의 흔들림에 의해 끊임없이 접동을 일으키고 있으므로 마모가 발생, 주행에 따라 대차 프레임과 상부 스윙 볼스터 사이에 틈이 생겨 견인력 전달시 진동을 일으키는 것이 결점이다. 스윙행거 방식 대차는 부품 수가 많고 각각의 부품에 대한 구속이 적어 자유도가 높기 때문에 복잡한 흔들림이 나타난다(그림2-2). 이 흔들림에 의해 스윙 볼스터 가이드가 심한 마모를 일으켜 전후방향으로 덜컹거리는 현상을 발생시키고, 이로 인해 흔들림이 더 늘어나는 악순환이 일어나기 쉽다.

개선할 수 있는 효과

이러한 문제는 열차의 고속화에 따라 보다 현저해진다. 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. 이것은 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 커, 여러가지 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.
거기서, 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.

볼스터 대차와 볼스터 앵커

여기까지 설명으로 소개한 볼스터 대차는 ‘다이렉트 마운트 방식’이라 불리는 것으로, 볼스터 스프링을 차체 바로 아래에 배치하여, 대차의 회전을 볼스터 스프링과 대차 프레임 사이에서 행하는 방식이다. 이 방식은 역사적으로 비교적 새로운 것이며, 볼스터를 이용한 대차는 이 밖에도 다수의 형식이 있다. 어떤 경우에도 볼스터 앵커는 볼스터 스프링의 상하단을 전후방향으로 구속하는 구조로 되어 있지만, 그 설치 위치에는 형식에 따라 차이가 있다.
또, 앞서 말했던 대로 견인력의 전달은 스윙 볼스터 가이드에 의한 경우도 있으므로, 볼스터 앵커는 볼스터 대차에 반드시 설치되는 것은 아니다. 스윙행거 방식 중에는 볼스터 앵커가 없는 것도 비교적 많이 볼 수 있으며, 인다이렉트 마운트 방식 중에서도 스윙 볼스터 가이드로 견인력을 전달하는 형식도 드물지만 존재한다.

트러니언

트러니언은 미국의 J.G.브릴 사가 1900년대 초 개발하여 Brill 27 MCB·76 E·77 E 등 동시기에 개발된 동사제 보기 대차에 장착된, 볼스터의 요동을 억제하기 위해 만들어진 볼스터 앵커의 시조다.
이것은 대차 프레임과 트랜섬(가로 지지대)를 결합하기 위한 가젯 스테이와 가로 지지대 사이를 트러니언 지지봉으로 불리는 링크로 연결하여, 링크의 각 관절부에 짜넣어진 가동 핀의 마찰력으로 가로 지지대의 과잉 요동을 억제하는 방식이다.
이 장치는 단순하면서도 승차감 개선에 큰 효과를 발휘했다. 그러나 개발원인 J.G.브릴사가 이 장치를 포함한 대차 설계에 관한 각종 독자 개발 장치를 모두 특허 신청했기 때문에 세계 각국에서 제조된 동사제 대차의 모방품에서는 이 기술은 채용되지 못하였고, 따라서 널리 보급되지는 못했다.
일본에서는 일본 제강소가 J.G.브릴사와 제휴 관계에 있었기 때문에, 동사에서 제조된 라이센스 생산품인 브릴 대차(신 게이한 철도 P-6형용 Brill 27 MCB-4 X등)에는 이 트러니언이 장착되어 있었다.

요댐퍼와 볼스터 앵커

볼스터가 없는 볼스터리스 대차에는, 요댐퍼라 불리는 장치가 설치되는 경우가 있다. 요댐퍼는 댐퍼를 개입시켜 차량과 대차를 연결하는 것으로, 볼스터 앵커와 닮은 형태로 되어 있다. 그러나 그 역할은 사행동이라 불리는 대차의 이상(異常) 진동을 억제하는 것으로, 견인력의 전달이 목적인 볼스터 앵커와는 기능이나 구조가 모두 다른 것이다.
볼스터 앵커에도 사행동을 억제하는 기능이 부차적으로 있긴 하지만, 견인력이나 제동력의 전달이 주 목적이므로, 볼스터리스 대차에서 비슷한 부분을 찾으면 오히려 견인 장치에 가깝다고 할 수 있다.
오른쪽의 그림은 곡선 통과시 볼스터 앵커와 요댐퍼의 움직임을 비교한 것이다. 볼스터 앵커는 견인력을 대차로부터 차체에 전하기 때문에 곡선 통과시에도 앵커 자체는 늘어나거나 줄어들지 않고, 볼스터의 전후방향을 묶어주고 있다. 대차의 회전은 볼스터와 베어링의 움직임을 통해 허용하지만, 볼스터 등 대차에는 중심 핀에 의해 견인력이 전해지는 구조다.
이에 비해 요댐퍼는 대차의 회전에 따라 댐퍼 부분이 신축하여 회전을 방해하지 않는 구조로 되어 있으며 견인력을 전달하지는 않는다. 다만 요댐퍼는 그림에 나온 것과 같은 곡선통과시의 완만한 대차 회전에는 저항하지 않지만, 사행동과 같은 비교적 움직임이 빠른 대차의 회전진동에 대해서는 댐퍼가 감쇠 작용을 발휘하여 사행동을 억제하는 구조로 되어 있다.