대차(臺車 또는 台車, bogie or truck)는 바퀴가 달린 받침대를 의미하며, 특히 철도 차량에서 차륜 및 윤축과 차체 사이에 설치되는 기구 일체를 의미한다.
개요
대차는 본래 바퀴가 달린 받침대로, 물체를 운반하기 위해 만들어진 운반구를 의미한다. 지금도 운반대차 등으로 불리는 형태의 사람이 밀고 당길 수 있는 구조의 간단한 기구의 이름으로 널리 쓰인다. 보통 철판이나 나무판에 자재로 조향이 되는 바퀴(캐스터)를 붙인 간단한 물건이 개별적으로 만들어 쓰였고, 지금도 철제 구조물 등을 위해서 이런 물건들이 제작 사용된다. 한편으로 근래에는 플라스틱 사출물로 만들어진 바닥판을 기초로 손잡이가 달리거나, 2~3단의 다층 구조로 만들어지는 등 용도에 맞게 다양한 형태와 크기의 기성품들이 널리 쓰이고 있으며, 일상적으로 보이는 것들은 이런 물건들이다.
한편으로, 대차는 철도에서도 널리 쓰이고 있으며 이런 일반 운반구의 대차와는 그야말로 천양지차에 가까운 복잡한 구조로 발달해 있어 그야말로 별개의 장치로 발달해 왔다.
철도차량의 대차
철도차량의 대차는 철 등으로 만들어진 구조물로, 차륜 및 윤축과 차체 사이에 설치되는 구조물 일체를 의미한다. 이에 따라 차체의 자중과 거기에 적재되는 여객, 화물의 하중을 받아내어 각 차축에 전가하는 것은 기본이고, 동시에 주행중에 발생하는 선로의 각종 변위를 받아내어 차체의 부담을 경감함과 동시에, 차체의 각종 흔들림, 진동을 받아내어야 하며, 차종에 따라서는 전동기 등의 구동장치를 지탱하고 그로부터 발생하는 소음, 진동을 받아내는 기능을 하게 된다. 그렇기에 대차는 차량의 주행성능을 좌우하는 핵심 기구라고 할 수 있다.
역사
본래 철도 차량은 마차 등으로부터 발전해 온 차량을 전용하여 쓰면서 기본적으로 대차가 따로 없이 차체에 판스프링과 같은 단순한 현가장치를 게재하여 차축이 붙은 형태, 이른바 2축차 또는 단대차라 불리는 구조를 취하였다. 따라서 선로의 곡선이나 고저차, 또는 자잘한 변위는 전적으로 차체와 현가장치에 의해서 커버되어야 하는 구조가 되었으며, 따라서 차량의 길이나 크기를 크게 할 수 없고, 선로 또한 가급적 큰 변위가 발생하지 않도록 비교적 곧바르게 건설되어야 했었다. 만일 그렇지 않다면 차륜이 제대로 선로를 추종하지 못하게 되어 탈선하게 될 위험이 발생하게 된다.
그러나 철도가 국지적 수송에서 본격적인 간선 수송을 하게되고, 중후장대함이 요구되면서 점차 큰 차량, 다양한 선로조건에서 고속의 주행성능이 요구되면서 대차가 없는 구조의 단순 차량으로는 대응할 수 없게 되었다. 차체를 키우게 되면 축거가 길어지게 되는데, 차체에 걸리는 스트레스도 커지지만 동시에 차륜의 횡압이 커지게 되면서 주행중 작은 변위에도 탈선이 일어나게 되는 문제가 생겼기 때문이다. 이는 특히 철도 건설 초창기에 열악한 선로조건을 가진 미국에서 문제가 되었다. 따라서, 이런 문제를 해결하기 위해서 고정 축거가 짧은 대차 2대 위에 차체를 올리는 구조를 고안하게 되었으며, 이것이 널리 보급되어 지금에 이르고 있다.
구조
대차는 다음과 같은 세부구성을 가진다.
- 프레임 : 대차 자체를 구성하는 구체 자체로 철제로 만들어지는게 보통이나, 주조나 용접 등 다양한 가공방법으로 제작이 되며 이에 따른 특성이 달라지기도 한다. 최근에는 합금류나 폴리머류로 제조가 시도되고 있다.
- 현가장치 : 차축과 대차(1차 현가), 또는 대차와 차체 사이(2차 현가)의 각종 변위를 감당하는 기구장치이다. 판형 또는 코일제 스프링이나 토션 암이나 토션 빔과 같은 금속물, 또는 공유압에 의한 완충구조가 들어간다.
- 볼스터 : 차체와 대차, 정확히는 대차의 2차 현가장치와 차체 사이에 개입하여 대차와 차체 간의 변위, 특히 좌우방향으로의 회전을 감당하면서 차체를 대차와 체결시키는 구조물이다. 최근에는 볼스터를 생략하고 2차 현가장치가 모든 변위를 감당하고, 볼스터의 차체 체결기능은 견인장치라는 별개의 구조물이 감당하는 구조로 만들어지기도 한다.
- 축받이 : 축수(軸受)라고도 불리는 장치로, 차축과 대차 사이, 즉 1차 현가장치와 차축 사이에 설치된다. 차축의 회전으로 발생하는 마찰을 받아냄과 동시에, 하중을 차축에 전달하는 기능을 한다. 이 부분의 윤활관리가 제대로 되지 않으면 차축발열이 발생하여 탈선 및 차량 파손이 발생하게 된다.
- 제동장치 : 말 그대로 브레이크 장치이다. 축 또는 바퀴에 마찰부가 설치되고, 대차측에는 브레이크 패드와 이를 구동하는 유공압장치들이 설치된다. 극히 초보적인 대차에는 이런 장치가 없는 경우도 있기는 하다.
분류
위의 각 요소에 따라서 다양한 분류가 존재할 수 있으며, 특히 제조사나 구조적 특징, 현업에서의 편의상으로도 다양하게 분류되기 때문에 여기에 적는 분류는 일종의 예시이다.
- 볼스터의 유무에 따라
- 볼스터 대차: "볼스터 앵커"가 있는 대차.
- 볼스터리스 대차: "볼스터 앵커"가 없는 대차.
- 축의 갯수에 따라
- 1축 대차 : 2축차 또는 단대차와 달리, 차체와 차륜 사이에 대차구조물이 있고, 여기에 1개 축만 설치되어 있는 경우이다. 탈고의 객차 등에 이런 구조가 존재한다.
- 2축 대차 : 가장 흔한 대차 구조로 거의 모든 차종에 쓰인다.
- 3축 대차 : 기관차 및 중량물 운송용 특수 화차에 쓰인다. 과거엔 대형 객차 중 중량이 무거운 경우에 쓰이기도 하였다.
- 4축 대차 : 극히 일부 기관차(유니언 퍼시픽 철도의 DD40X같은), 또는 특대화물용 특수 화차에 쓰인다. 통상 이 정도까지 오면 복식대차를 쓰는게 보통이다.
- 기능에 따라
- 부수대차: 견인전동기가 없는 대차
- 동력대차: 견인전동기가 있는 대차
- 구조적 특성에 따라
- 연접대차 또는 관절대차 : 문서 참조.
- 복식 대차 : 2축 내지 3축 대차 위에 다시 이 차륜이 없는 대차가 들어있는 구조. 한 대차에 4축이나 그 이상의 차축이 필요한 경우에 쓰인다. 특대화물용 화차나 열차포 같이 극히 무거운 차량에 한해 쓰인다.
- 조타 대차 또는 조향 대차 : 대차 일부 또는 차축이 링크와 같은 기계구조에 의해서 선로 변위에 따라 변형(조향)되는 구조의 대차를 말한다. 기관차나 동차같은 동력차에 주로 쓰이며, 선로 상태가 열악한 곳에서의 주행성능 및 소음, 진동을 저감하는 효과가 있다.
- 편심 대차 : 통상 대차는 앞뒤로 대칭 구조에 가깝게 만들어지는게 보통이지만, 대차의 한쪽 축에만 구동기능이 들어가야 하거나, 한 축에 점착력을 몰아준다거나, 차체 구조 상의 필요 등에 의해서 방향성을 가지도록, 즉 비대칭 구조로 만들어진 경우가 존재하는데 이를 편심대차라고 한다. 주로 노면전차에 쓰인다.
- 설치 위치에 따라
- 선대차 : 증기 기관차 등에서 차량의 전면 쪽에 설치되는 대차.
- 종대차 : 증기 기관차 등에서 차량의 후부에 설치되는 대차. 선대차와 종대차는 하중분담이나 중량 배분의 조정을 담당하고, 동시에 기관차의 선로 추종성을 확보하는데 쓰인다.
- 중간대차 : 기관차가 3개 이상의 대차를 가지는 경우 차체 중간에 설치되는 대차. 보통 이 대차는 회전부를 가지지 않거나 제한적으로 가지는 대신, 차체와 선로간의 변위차에 따라 진행방향 좌우방향으로 슬라이딩 할 수 있도록 구조가 되어 있다. 8000호대 전기 기관차 등에 이런 대차가 존재한다.