정보/ 일본게시글에서 가져왔습니다. [디젤동차가 달리기 위해서]

[DL-7234]

내용이 엄청나게 깁니다. ㅋ

이거 어투 고치느라 이틀걸렸다는...

CDC에 대한 내용도 추가했습니다.

일본게시글 번역 (새창 나옵니다.)
http://www10.ocn.ne.jp/~mc3499/PSTM/DCStudy/index.html

디젤동차가 움직이기 위해서

이것은 「디젤동차는 뭐지?」라고 생각하는 분은 물론, 자칭" 디젤동차 매니아" 의 분들에게도 한층 더 흥미롭도록, 필자의 기계 설계의 경험을 기본으로, 차량을 제작하는 측의 입장에서 쓰여져 있습니다.

나는 「디젤동차는 엔진만으로 주행 성능이 결정된다」라는 생각을 고쳐 주시길 바란다고 하는 생각을 언제나 가지고 있습니다. 거기서 다양한 분들에게 들은 이야기나 실물의 관찰을 이용해서, 여러분이 디젤동차를 체험했던 것이 디젤동차의 어떤 것이든지 가능한 한 쉽게 표현하였습니다.

디젤동차가 빠르고 기분 좋고 쾌적하게 달리기 위해서는?」라고 물었을 때,
무엇보다 「엔진의 출력이 높으면 좋다」라고 생각하는 분들에게는 부디 끝까지 읽어 주셨으면 합니다.

다음과 같이 설명이 진행됩니다. 본문중에 엔진의”마력”을”출력”이라고 표현하고 있는 부분이 있습니다만 같은 의미입니다.

1. 디젤동차의 밑을 관찰해 봅시다
  1) 기기의 역할
  2) 주행용 엔진
  3) 트랜스미션
  4) 유체 변속기
  5) 역전기
  6) 냉각기
  7) 압축기
  8) 발전기
  9) 연료 탱크
 10) 프로펠러 샤프트
 11) 종감속기
 12) 차체를 지탱하는 부분
2. 디젤동차가 움직이려면
  1) 엔진의 힘은 어떠한 경로를 거치는가?
  2) 효율적으로 가속하기 위한 구조
  3) 유체 변속기의 종류
  4) 발진시의 대토크 (유체 변속기의 성질)
  5) 그렇지만 무엇인가 이상한??? (유체 변속기의 차이)
  6) 종감속비와 엔진의 관계
3. 차량에 요구되는 것
  1) 필요 불가결한 것이란
  2) 특별한 사양
4. 드디어 엔진과 트랜스미션의 선정입니다
  1) 탑재되는 차량의 목적
  2) 연선의 선형
  3) 엔진 마력의 결정
  4) 트랜스미션의 선정
  5) 점검
  6) 연비는 중요합니다
5. 보다 쾌적한 주행을…CCS 의 역할
  1) 처음에
  2) 수동 변속
  3) 반자동 변속
  4) 자동 변속
  5) CCS 부착 자동 변속
  6) CCS 부착반자동 변속
  7) 새로운 스피드업
6. 마지막에

그러면 이제 설명합니다. 이해하기 어려운 표현이 있을까 생각합니다만, 가능한 한 끝까지 읽어 주세요.

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1. 디젤동차의 밑을 관찰해 봅시다          <Index 에 돌아온다>

1-1) 기기의 역할을 이해해 둡시다
기본적으로는 우리가 평소 보는 트럭이나 버스와 같다고 생각하는 것이 좋다고 생각합니다. 자동차에는 공기 압축기는 없어도, 배터리 는 가지고 있고, 시동모터도 반드시 설치되어 있으며, 엔진과 동반되는 부속 기기는 대부분 변하지 않을 것입니다.
여기에서는 하나 하나 비교하지 않습니다만, 자동차를 가지고고 있는 분이라면”내 차와 같다”라고 항상 비교해 보는 것이 디젤동차를 이해하는 지름길이라고 생각합니다.

우선 키하110계의 하부 기기를 봅시다. 엔진, 트랜스미션, 난방기, 압축기, 발전기, 연료 탱크, 프로펠러 샤프트, 종감속기, 차체를 지탱하는 부분 등 아직도 많이 붙어 있습니다. 이 중 1개라도 빠진다면 디젤동차는 달릴 수 없습니다. 그림에는 키하110계를 뒤집은 것을 그려 보았습니다.
각 기기의 위치가 어디있는지 알겠습니까? 엔진은 다양한 부속 기기와 일체 라는 것 깨닫겠지요.
당신의 자동차에도 반드시 있을 것입니다.

키하110계 의 하부 기기

1-2) 주행용 엔진
이것이 없으면 디젤동차라고 말할 수 없지요. 그렇지만 엔진은 주행만을 위해서가 아닙니다. 브레이크를 걸거나 에어컨을 동작시키거나 전력 공급등 엔진은 주행용 이외에 다양한 힘을 주지 않으면 안되어, 실제 주행용으로서 분담되는 엔진의 출력은, 여러분이 생각하는 것보다 의외로 적습니다.
국철때의 키하28계나 키하65계등, CDC는 발전용 엔진을 별도로 탑재하고 있습니다.
현재의 디젤동차는 윗 그림과 같이 모든 동력원을 1 개의 엔진으로부터 전달하게 되어 있습니다.우선 엔진의 축이 차량의 전후 양쪽 모두에 나와 있는 것 자체가 의외라고 생각하는 것은 아닐까요.

경량 차체에 고출력 엔진은 현재의 디젤동차의 기본 스타일
사진은 커민스 디젤 NTA855 (CDC와 동일엔진) 형태

1-3) 트랜스미션
엔진을 심장에 비유한다면, 트랜스미션은 내장일까요? 엔진의 힘을 낭비 없게 주행하는 힘으로 변환하는 장치. 트랜스미션을 대충 결정하면 고출력 엔진도 소용 없게 됩니다. 여기에는 많은 톱니바퀴와 클러치가 들어 있고, 주행 상황에 따라 톱니바퀴의 맞물림을 바꾸어서 감속비를 바꾸어 엔진의 회전력을 바퀴에 전달하고 있습니다. DF115 ,DB115 ,TC2 계열은 1 대 1 의 직결 운전 밖에 실시하지 않고 역전 기구도 없기 때문에 주행용의 감속 기어는 들어 있지 않습니다.

1-4) 유체 변속기
트랜스미션의 내부에 있는 것으로 구조를 간단하게 말하면, 세면기의 그릇을 정면으로 맞대는 모양에, 내부에는 기름이 차 있고, 한편의 날개는 엔진과 함께 돌고 다른 한편은 프로펠러 샤프트에 연결되고 있습니다. 이 유체 변속기의 덕분에 디젤동차는 매끄러운 출발과 급구배의 기동을 가능하게 하고 있습니다.

1-5) 역전기
역전기란 무엇을 하는가 하면, 차량의 진행 방향을 바꾸기 위한 기계입니다. 엔진은 역회전 할 수 없기 때문에, 기어를 하나 추가해서 축의 회전을 반대로 하고 있습니다. DF115 계나TC2 계에서는 종감속기에 역전 기구가 붙어 있었습니다만 DW 계에서는 역전 기구를 트랜스미션 안에 내장해, 종감속기를 간소화하고 있습니다.
　

우측의 삼각형의 형태를 한 것이 엔진, 그 좌측에 있는 것이 트랜스미션
(키하110 의 트랜스미션은, 구 니이가타 컨버터제 DW14A-B 형태)
(CDC의 트랜스미션은 T211rz형)

1-6) 냉각기
엔진이나 트랜스미션을 움직이면, 인간도 그렇듯이 열이 생깁니다.
적당히 차갑게 해 주면 건강을 되찾는 것은 당연하지요.
그렇지만 이 난방기를 구동하는 것도 엔진의 부담이 됩니다.
냉각기는 엔진으로부터 직결로 구동하거나, 유압으로 구동하거나 차종에 의해서 여러가지입니다.

내연기관에 빠뜨릴 수 없는 냉각기 팬을 돌리는 것도 엔진

1-7) 압축기
브레이크를 걸거나 경적을 울리거나 출입문 개폐를 하거나 하는 동력은 압축 공기에 의지입니다.
키하110계의 경우 냉방용 압축기도 엔진에 직결되고 있기 때문에, 냉방도 엔진의 부담이 되어 버립니다.

1-8) 발전기
자동차와 같이 자신이 사용하는 전력을 스스로 조달하지 않으면 안됩니다. 이것도 엔진의 부담입니다.

공기 압축기, 발전기, 냉방용 압축기는 엔진으로부터 직결

1-9) 연료 탱크
그 이름과 같이, 디젤 엔진을 작동시키기 위한 경유가 들어가 있습니다. 가솔린이 들어가 있는 것은 아닙니다.

1-10) 프로펠러 샤프트
트랜스미션과 종감속기를 연결하려면 이것이 필요합니다. 트럭에 설치되어 있는 것과 목적은 같습니다.
트럭 보다는 조금 굵을지도 모릅니다. 엔진 출력이 대폭 올라가면, 프로펠러 샤프트도 강화하지 않으면 안되는 일도 있습니다.

1-11) 종감속기
구동 차체를 지탱하는 부분의 차축에 연결되어 있습니다. 엔진의 힘은 유체 변속기나 감속 기어로 토크(회전하는 힘)를 증대시켜 종감속기에 전달됩니다.이 장치는 높은토크와 레일로 오는 충격 하중이 더해지기 때문에, 특히 강한 재료로 만들어져 있습니다. 최고속도는 대개 이 감속비로 조절하고 있습니다.
특급차량과 같이  최고속도가 높은 것은 이 감속비를 낮게 하고 있기 때문에,
그 만큼 가속력은 떨어집니다.
전철의 기어비와 같을 것 입니다.( 제2 장 에서 설명합니다)

차바퀴의 안쪽에 약간 보이는 것이 종감속기, 키하110계의 2축과도 종감속기가 붙어 있습니다

1-12) 차체를 지탱하는 부분
차체를 지탱하는 부분은 승차감이나 고속 운전을 위해만이 아닙니다. 구동 차체를 지탱하는 부분에는 종감속기가 있고, 동력을 전달하는 일부분으로도 되어 있기 때문에 엔진의 출력을 올렸다면, 당연히 강도 검토의 대상이 됩니다. 키하58계의 경우는 역전 기구가 여기에 있었습니다만, 현재는 그것이 없고, 역전 기구는 트랜스미션에 내장되고 있습니다.

CDC보다도 좋은 에어 서스펜션 대차를 쓰는군요.

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2. 디젤동차가 움직이려면   

2-1) 엔진의 힘은 어떠한 경로를 거치는가요?
차량을 움직이기 위한 기기는 어떤 것이 있는지, 어떻게 동작하는지 간단한 일러스트를 섞어 해설합니다.
그림은 키하110 계를 모델로 한 하부 배치도입니다. 엔진의 힘은 그림의 경로로 전달되어 달리는 힘으로 변환됩니다.

주행을 위한 기기
(설명을 위해서 간략화했습니다)

여기서, 트랜스미션 안에는, 유체 변속기로 불리는 기름을 모아놓은 공간이 있고 그 안에는 날개차가 들어가 있습니다. 엔진과 함께 도는 날개차와 프로펠러 샤프트와 함께 도는 날개차가 있다고 생각해 주세요. 엔진의 회전이 올라가면 그 기름이 돌아가고 동력이 전달되는 구조가 되어 있습니다.
그 때문에, 차량을 발진시킬 때 엔진의 가장 좋은 회전력을 사용할 수 있다는 것이 특징입니다." 토크" 란 축을 돌리려고 하는 회전력 으로, 걸레를 짤 때와 같은" 힘" 을 말합니다." 컨버터" 란" 변환한다" 이렇게 말하는 의미로, 디젤동차에서는" 작은 토크를 큰 토크로 변환한다" 와 같이 기억하면 좋을 것입니다.

디젤동차를 발진하기 위해서는 마스콘의 넛치를 올리고, 엔진측의 날개차를 힘차게 돌립니다.그렇다면 기름이 같이 돌아가고, 프로펠러 샤프트 측의 날개차도 돌기 시작합니다. 일반적으로 말하는" 변속 운전" 이나" 변환 장치 운전" 으로 불려 운전대의 계기판에는" 변" 이나" 변속" 이 켜지고 있을 것입니다.
여러분이 디젤동차의 발진시에 「쿠우우웅~」(즉 출발하지 않고 엔진만 돌아가는 듯한 소리)과 같은 박력 있는 소리를 들었을 것이다고 생각합니다만
그것이 확실히 유체 변속기내의 기름이  돌아가고 있는 순간입니다.

DW 이나TACN 등으로 불리는 트랜스미션에는, 이 유체 변속기 외에  역전 톱니바퀴 , 감속 톱니바퀴 , 습식 다판 클러치 이 있는 것을 기억해 주세요.
키하110계의 DW14A-B 는 당연히 그것들이 들어 있습니다. (당연히 CDC에도 완전내장입니다.)

2-2) 효율적으로 가속하기 위한 구조
유체 변속기의 기름을 계속해서 돌리면 기름의 온도가 자꾸자꾸 올라갑니다. 그 말은 기름을 차갑게 하지 않으면 안됩니다. 그 때문에 오일쿨러라는 것이 차체에 탑재되고 있고, 열에너지를 대기중에 방출해 트랜스미션의 온도 상승을 억제합니다. 즉 엔진의 동력이 여기에서도 빼앗겨 버려, 언제까지나 변속 운전을 계속 하는 것이 비효율적이 상황이 오게 됩니다.

거기서 차량이 어느 정도 가속해 오면 엔진측과 프로펠러 샤프트측의 날개차를 " 클러치" 라는 것으로 고정시키고, 엔진의 회전을 직접 프로펠러 샤프트에게 전달하도록 합니다. 이것이" 직결 운전"입니다. 운전대의 계기판에는 " 직" 이나 " 직결" 이 점등합니다. 현재는 직결에서도 감속 기어의 변환을 통해서, 직결1 단 2 단 3 단…과 같이 감속비를 바꾸어서, 가속성의 향상이나 연비 저감을 실현하고 있습니다.


(일본에 한함)
여기서 잡담. 디젤동차의 가속력을 측정하고 싶은 일 없습니까? 녹음 기재와 당신의" 운"이 있으면, 대개의 가속력을 측정할 수 있습니다.
그 전에 디젤동차의 발진시에 단번에 풀 넛치를 투입하는 운전기사를 찾아냅시다.그렇게 하지 않으면 전속력으로 가속해 주지 않기 때문이지요.
속도계가 보이는 곳에서 녹음의 준비를 합니다. 드디어 발차입니다. 최고넛치 투입과 동시에 마이크를 두드립니다, 그리고 속도계를 집중시키면서5,10,15,20,25km/h …를 지나는 순간에 마이크를 두드립니다. 목표의 속도에 도달하면 녹음 종료입니다.
집에 돌아가 PC에wav 파일로서 녹음합니다. 그 파형을 관찰하면 마이크로 두드린 곳 (점)이 잘 보일 것입니다. 그 때의 시간도 압니다.
MicrosoftExcel 과 같은 것으로 그래프를 쓰는 것도 좋을 것입니다. 덧붙여서 키하110계는 조건이 좋다면 0 ~50km/h까지 약 23 초에 도달한다고 합니다.그렇게 되면 단순한 평균 가속 은 50 /23=2.17km/h/s 이군요. 3 단형 유체 변속기의 특성은 발진시의 토크가 강하고, 속도가 오르면 점차 약해지므로 발진시의 가속력은 이 숫자 보다 더 높다고 추측됩니다. 그러나 차종에 따라서는 공전을 피하기 위해서 CCS (후술 하였습니다)등에 의해 가속력을 억제하는 등의 이유로 최신의 차량이 제일 강한 가속력을 가지고 있다고는 말할 수 없습니다. 이상 잡담이었습니다.

저의 경우 CDC운전실에 들어갈 기회가 있어서 측정해보았는데. CDC의 경우 86km/h에 변속 → 직결로 바뀝니다.
실제로 10km/h까지 가속을 1차 측정해보았는데 약 3초가 걸렸습니다. 즉 가속도가 약 3.3km/h/s라는 고가속이 나왔던 것이지요.
그러나 후반부에 둔화되는 것을 측정해보면 평균적으로 2.7km/h/s정도로 추정합니다. 분명히 CDC는 고성능 차량임에는 분명합니다.
(단 교외선용 3량이었고 그때의 차량이 거의 공차였다는 점을 기억해 둡시다.)

2-3) 유체 변속기의 종류
유체 변속기의 형상이나 날개차의 구성은 여러가지 것이 있습니다. 크게 분류하면"3 단형" 과"1 단형" 으로 분류할 수 있습니다.그리고 각각은 엔진의 출력에 따라 세세하게 분류되어 날개의 크기나 숫자가 다릅니다. 예를 들면 DB115 ,DW14A-B ,N-DW15 ,DW21B 등 모두 다른 형식의 유체 변속기가 탑재되고 있습니다. 각각 엔진의 출력에 알맞은 것이 선정되고 있는 것입니다. 필자도 어디가 어떻게 다를까는 현재 잘 설명할 수 없습니다. 국철형 디젤동차에 많이 탑재되고 있었다는 TC2 나 DF115 의 3 단형 유체 변속기는 작은 엔진에서도 큰 기동 토크를 얻을 수 있습니다만 구조가 복잡하게 되어 있습니다. 자료관이나 박물관에 잘라놓은 모델이 놓여져 있는 것이 많기 때문에 이것을 생각해 내면서 보시는 것도 좋을 것입니다.

2-4) 발진시의 대토크~유체 변속기의 성질
「디젤동차는 전철에 비해 가속이 나쁘기 때문에, 급구배의 기동은 불가능하다.」라고 생각하시는 분들이 많습니다.
유체 변속기는 기동시에는 엔진정격 출력의 3 ~5 배 정도의 토크를 만들 수 있으므로, 공전하지 않으면 발진은 대부분 문제 없습니다.
이 때의 토크를" 스톨 토크" 이렇게 말합니다.

「부릉부릉…」의 소리가 좋은 국철 타입의 엔진을 예로 간단한 계산을 해 봅시다.
최대 출력으로200PS×1800rpm 정도 연속정격 출력은180PS×1500rpm 이군요. 발진시는 유체 변속기의 성질상, 최고 회전은 얻을 수 없기 때문에, 만일130PS×1300rpm 의 출력을 얻을 수 있다고 하여, 스톨 토크 비를 5 배로 하면 트랜스미션 출구에서는,

130×716.2 /1300 ×5=358.1 kgf-m

됩니다.이 시점에서 여러분의 소유하고 있는 자동차의 최대 토크와 비교해 보세요.「나의 차는280PS (이)다」(이)라고 해도 디젤동차의 최대 토크에는 도저히 미치지 않아요.이것은 열차를 기동할 경우에 발생하는 토크이기 때문에, 승용차와는 비교가 되지 않는 막대한 힘인 것이 압니다.이것에 종감속비3 (을)를 걸어 차바퀴 반경430 그리고 나누면, 개산으로 차바퀴의 주 힘이 나 옵니다.

358.1 ×3 ×1000 /430= 2498.4 kgf

이 숫자가 주행 저항을 무시한, 차량의 끌어당기기력입니다.여러분이 어떠한 수단으로 입수한 끌어당기기력 곡선과 비교해 보세요.대개 맞고 있을까요? 이 힘은1 개의 엔진으로 발생하는 것이기 때문에,2 엔진에서는2 배가 되어, 매우 큰 힘인 것이 압니다.디젤동차는 공전의 문제가 없으면 급구배에 있어서의 디젤동차의 발진은 의외로 편합니다.오히려 축중이나 동축수가 적은 것에 밤공전이 문제로 시행 착오가 가다듬어지고 있어 조사하면 재미있을지도 모릅니다.

CDC로 말해봅시다. (350마력은 354PS입니다.)
정격출력 354PS×2100rpm 역시 안전하게 300PS로 가봅시다

300×716.2 /2100 ×5=511.57 kgf-m

종감속비 2.929에 차바퀴 반경 430으로 나누면 차바퀴의 힘이 나옵니다.
그리고 CDC는 엔진이 2개이므로 이걸 계산해봅시다.

511.57 ×2.929 ×1000 /430= 3484.62 kgf (Mc)
511.57 ×2.929 ×1000 /430*2= 6969.59 kgf (M)

무서운 힘이군요.

 

힘이 약한 엔진이라도 급구배에서의 기동은 숙달된 일

2-5) 그렇지만 무엇인가 이상한... 유체 변속기의 차이
키하65계와 키하58계의 골든 콤비. 현존 하고 있는 것입니까? 키하65는 공칭 500PS이고 키하58은 360PS
그런데 다음과 같은 이상한 체험을 하셨다고 하는 분이 반드시 있을 것입니다.

1. 연결기를 보면 발진시에는 키하58 에 밀리고 있다.
2. 키하40계나 키하65계는 엔진이 시끄럽기만 하고 발진하지 않는다.
3. 의외로 힘이 약한 키하28계 그렇지만 매끄러운 발진

그런 체험을 한 기억은 없을까요? 이것들이 3단형 유체 변속기와 1단형 유체 변속기 차이의 현상이었습니다.
키하28계와 ,58계 등에 탑재되고 있는 DF115A 이나 DB115 의3 단형 유체 변속기, 키하65계 , 키하40계 등에 탑재되고 있는 DW9 ,DW10 등은 1단형 유체 변속기가 탑재되고 있습니다.
각각의 특징을 아래의 표에 소개합니다. 차량 마다 변속 운전에서 직결 운전으로 전환하는 속도 (시프트 업 기준 속도)에 주목합시다.
유체 변속기의 성격이 다르기 위해서 변속 타이밍이 다릅니다.
특급용차량 등, 종감속비가 낮게 설정되어 있는 차량을 단순하게는 비교할 수 없습니다.


<< 착안 포인트 >>

1.	1 단형 유체 변속기는 스톨시의 회전수가 높고, 발진시에 엔진의 최고 회전력의 토크를 끌어 낼 수 있는 성질을 가지고 있습니다. 활기차게 발진할 때는 엔진의 회전이 높아집니다. 스톨 토크비는 3 ~4 배입니다.
2.	3 단형 유체 변속기는 스톨시의 회전수가 낮지만, 발진시에 엔진의 중고속 회전력의 토크를 끌어 낼 수 있는 성질을 가지고 있습니다. 활기 차게 발진할 때에도, 1단형 정도만큼 회전수는 오르지 않습니다. 스톨 토크비는 약 5 배입니다.

편성	트랜스미션 형식	유체 변속기	스톨 토크	발진시 회전수	변속 사용역	시프트 업 기준
키하40 계	DW10	1 단형	작다	높다	넓다	60km/h
키하65 계	DW9	1 단형	작다	높다	넓다	60km/h
키하58 계	DF115A, TC2A or DB115	3 단형	크다	낮다	좁다	50km/h
키하40 계 키하58 계  병결	혼합	혼합	혼합	혼합	좁은 쪽에 맞춘다	50km/h
CDC	T211rz	1단형	작다	높다	넓다	86km/h

차이를 알겠지요. 이것은DW9 이나 DW10 의 유체 변속기는 고회전형으로, 스톨 토크 는 작지만 고속까지 이끌 수 있는 성격을 가지고 있는것,
DF115A, TC2A, DB115 는 저속 토크는 크지만 한계점 도달이 빠른 것있입니다. 병결에서는 어느쪽이나 무리가 없게 안전한 쪽에서 운전하는 것이 관례가 되고 있습니다. 그러나, 양쪽형식에서도 종감속비를 바꿀 수 있었던 차량은 예외이기 때문에 주의가 필요합니다.
”쾌속 미에”용의 키하58 이나 키하65계의 5000 접수대가 좋은 예로, 종감속기를 변경해 최고속도을 올렸기 때문에, 변속 속도도 높아졌다고 기억하고 있습니다.

그렇게 되면 디젤동차의 등판성능 특성으로 만일 「20퍼밀 5 넛치 균형 속도65km/h 」라고 했을 경우, 그것이 변속 운전이면 유체 변속기의 상용력으로서는 속도가 너무 높기 때문에, 종감속비가 낮은 것이 아닌가? 와 같은 추측을 세울 수도 있군요.

또, DW14 계를 탑재한 키하85계와 TACN22-1600 계를 탑재한 2000계 중 어느 쪽의 발진 가속이 좋은가? 그렇게들 물어보면 우선 엔진의 마력을 비교하는 것으로 지레짐작합니다. 그러나 3단형 유체 변속기의 키하85계와 1단형의 유체 변속기의2000계로 비교해야 합니다.
처음에 출발할때는 스톨 토크비가 큰 키하85계가 단연 우위입니다. 현재는 여러가지 고출력 차량이 등장하고 있습니다만, 필자의 소견으로는 DW14를 2개 탑재한 차량이 제일 기동 가속력이 뛰어나다고 생각합니다. 다만 3 단형 유체 변속기는 부품 수가가 워낙 많기기 때문에 근래에는 대체운용등의 특별한 목적 이외는 사용되지 않게 되었습니다.

그에 대해 1단형 유체 변속기는 부품수가 적고 염가여서, 스톨 토크가 3단형보다 뒤떨어지고 있지만, 현재의 주류가 되고 있습니다.
직결 다단화로 큰 감속비를 만들어 내서, 낮은 속도로 직결에 변속하면서, 1단형의 결점을 보충하게 되었기 때문입니다.


알기 어려운 문장을 이해해 달라고 주장하면 당연히 불쾌해지기 때문에, 디젤동차의 견인력 곡선을 보면서 이야기해 나갑시다.
철도, 도로를 달리는 탈 것은 모두 주행 성능을 그림으로 하겠습니다. 가로축을 차량속도, 세로축을 견인력으로 한다고 한다면, 그림과 같이 오른쪽 밑의 그림이 완성도입니다. 전철의 가속력곡선과 비교해 보세요. 전철은 중단되어가 없는 매끄러운 커브지만, 디젤동차의 커브는 끊어져 있군요. 실상 엔진은 약700rpm (1분간에 700번 회전)으로부터 약 2000rpm정도 밖에 사용할 수 없으므로, 속도에 대응하는 기어비에 새로 바꿀 필요가 있습니다.
국철형 전철은0rpm 으로부터 약3500rpm 까지 힘을 발휘해 주므로, 기어는 일단 밖에 필요 없습니다. 그림의 견인력 커브는 1단형 유체 변속기를 장착한  변속 1단, 직결 2 단의 속도단을 가지는 차량이라고 생각해 주세요. 변속단은 유체 변속기가 유체를 돌려 얻을 수 있는 매끄러운 곡선, 직결단은 엔진의 성능 곡선과 같은 사다리꼴의 곡선으로 나타납니다.

견인력 곡선

스톨 토크는 변속 운전의 제일 왼쪽, 즉 견인력이 최대인 곳에 해당됩니다. 이것이 3단형 유체 변속기의 경우는 더 높은 위치에 있습니다만
속도가 오르면 토크의 감소도 빠르기 때문에, 커브는 이것보다 급하게 됩니다. 그런데 변속운전은 속도가 올라가는 것에 따라 직결 1단의 곡선에 가까워져 옵니다. 가까워지면 가까워질수록 기어의 연결이 좋고 변속 쇼크도 적게 됩니다.
다만, 변속운전은 효율이 나쁘고 연료 소비가 많기 때문에, 가능한 한 빨리 직결 1단에 변속하는 것이 효율적입니다.

주목할 것은 직결 1단과 직결 2단의 견인력의 차이입니다. 이 차이가 크다는 것은 기어비의 차이가 크다고 하는 것을 의미하고 있습니다.
그림은 최고속도을 늘리기 위해서는 감속비를 가능한 한 낮추는 것이 포인트로 그 한계는 엔진의 토크(회전력)로 거의 정해집니다.
이상을 종합해서 판단하면, 이 차량은 직결 1단으로 구배구간을 강하게 달리고, 평탄선로에서 잘 달리고 싶다고 하는 제작측의 의도가 보이는군요.
그 폐해로 직결1 단으로부터 직결2 단에의 시프트 체인지는 신중하게 실시하지 않으면 변속쇼크가 나오기 쉬워진다고도 말할 수 있습니다.

2-6) 종감속비와 엔진의 관계
종감속비에 대해 좀 더 이야기합시다. 많은 분들이 이렇게 생각할 것입니다.
「120km/h 차량을 130km/h 으로 하고 싶을 때는 엔진의 출력을 올리면 된다」
그 생각은 나름대로 일리 있는 것이기 때문에 명백하게 부정하지 않습니다.
그러나 거기서 끝나서는 안 된다는 것을 이해해 주셨으면 한다고 생각합니다. 주목해야 할 점은 5개가 있습니다.

1. 엔진의 최고 출력
2. 엔진의 최고 회전수
3. 사용구간
4. 잉여 구동력
5. 감속비

덧붙여서 최고 시속95km/h 의 국철형 디젤동차의 종감속비는 약 3(3:1)정도 그 이상의 최고속도를 가지고 있는 차량은 한층 더 감속비를 내리고 있기 때문입니다. 엔진의 출력의 차이만으로 최고속이 정해진다고 하는 생각은 큰 실수이므로 고칠 필요가 있습니다.
유감스럽지만, 많은 철도잡지에는 우선 이 생각이 없습니다.
그점에서 CDC를 본다면 종감속비는 3:1과 차이가 거의 없는 2.9:1이므로
결국 엔진을 많이 설치해 출력을 높혀서 최고속도를 올리려는 의도가 보이는군요.

우선 예비 지식으로 엔진의 최고 출력이 어떻게 올라가고 있는지를 생각해 보겠습니다. 같은 엔진 메이커, 같은 배기량, 같은 기통수로 350PSx2000rpm 이라는 엔진과 420PSx2000rpm 이라는 엔진이 있습니다. 현재는 배기 터빈으로 압축기를 돌려 흡기 압력을 높이는 과급기(터보차저)가 필수고, 엔진의 출력을 올리려고 하는 경우 과급압력을 높여 산소량을 늘려서 연료 분사량을 최대한으로 올리면 엔진의 출력을 향상할 수 있습니다.
그러나, 그렇게 되면 저회전력에서는 배기 터빈을 힘차게 돌릴 수 없게 되어서, 연료를 많이 분사해도 배기가스는 검게만 되고, 결국은 제일 소중한 상용 회전역(저중속역)의 출력 저하에 이르러 버립니다. 배기구에서 검은 연기가 나오는 것은 연료가 불완전 연소되어 나오고 있는 것으로 황산등의 유해한 화학물질이 발생하며, 엔진의 소모를 앞당기는 폐해가 나오는 것이 보통입니다.
최고 회전수로 고출력을 내려고 하면 할수록, 쓰기에는 더 나빠집니다.

그리고, 엔진의 최대 회전수를 보면 알겠지만 2000rpm, 그리고 최고속도을 얻고 있던 것에 약간의 고출력의 엔진을 가져와도 같은 2000rpm이므로 엔진을 돌리면 같은 속도이기 때문에 최고속도가 향상하는 일은 없겠네요. 따라서, 어디에선가 감속비를 바꾸어 줄 필요가 있습니다.
다만 지금까지 만일 구배로 인해 노력해도 1900rpm 밖에 회전하지 못했던 것이라면 엔진의 출력 향상에 의해서 잉여 구동력이 늘어나고 엔진이 2000rpm 까지 돌아갈 수 있으므로 최고속도 향상으로 연결되겠지요.
그러나 설계자는 엔진의 최고 회전수까지 돌지 못하는 설계는 하지 않을 것입니다.

잉여 구동력이라는 것은 말 그대로 엔진이 가지고 있는 여유이며, 이것이 있기 때문에 열차는 가속합니다.
잉여 구동력이 크면 큰 만큼 강력한 가속을 얻을 수 있습니다만 연료의 효율이 떨어지게 되거나 엔진가격이 비싸짐, 또는 내구성이 희생이 되기도 하기 때문에 그 차량에는 가장 최적인 엔진이 선택되게 됩니다.

특급 차량의 최고속은 매우 매력적이군요. (특히 영국의 Class 158의 경우 CDC와 같은 엔진을 써도 최고속도는 160km/h)
그러나 디젤동차에 한정하지 않고 그 최고속을 실현하기 때문에 가속력등과 같은 것을 희생하고 있지는 않을까?
키하65 (와)과 키하181 계를 예에 뽑아 비교해 봅시다.

95 ×1000 /60 /(0.86 ×3.1415) ×3=1758.2 rpm

이것이 키하65계의 95km/h로 달리고 있을 때의 엔진 회전수입니다. 차바퀴 직경 860mm 감속비 3을 넣으면 다음과 같은 결과가 됩니다.
엔진의 연속정격 회전수는1600rpm, 그러니까 95km/h 그럼110% 의 회전수, 즉 한계의 가까운 상태로 엔진이 돌고 있게 됩니다. 이것을 키하181계의120km/h 까지 최고속도를 올리려면, 종감속비를 바꾸어 줄 필요가 있습니다.
그럼 엔진 회전수1758.2rpm 을 유지하고, 120km/h 를 내기 위해서 얼마의 종감속비를 필요로 하는지 계산해 보겠습니다.

1758,2 ×(0.86 ×3.1415) /1000 ×60 /120=2.375

의 계산이 됩니다. 키하65계의 종감속기의 치수비를 2.375 처럼 낮추게 되면 120km/h 의 최고속도을 내는 것이 가능해집니다.
만약 키하 181계의 감속비에 관한 자료를 가지고 있다면 비교해 보세요. 대부분 다르지 않을 것입니다.

이해가 되셨는지요? 엔진의 최고 회전수를 같게 하고, 종감속비를 조작한 것에 의해서 120km/h 에 도달할 수 있었습니다만, 여기서 주의해 주셨으면 한 것은 잉여 구동력을 무시한 엔진의 회전수에 주목한 계산방법이기 때문에 실제로는 종감속비의 변경으로는 얼마나 성능이 저하할까?를 생각하지 않으면 안됩니다. 2-4) 발진시의 대토크에서  사용한 공식을 생각해 내 주세요. 키하65계, 키하181계의 엔진은 500PS×1600rpm 그리고 만일 발진시에 이 출력을 얻을 수 있다고 해서(실제는 다릅니다),DW9  및 DW4의 스톨 토크비를3 배로 하고 유체 변속기를 개입시킨 토크는,

500 ×716.2 /1600 ×3=671.4 kgf-m

입니다. 키하65계도 키하181계도 여기까지는 같네요. 그러면 각각의 종감속기를 포함한 차바퀴의 구동력을 비교하면
키하181계는 발진시에 힘이 뒤떨어지게 됩니다.

키하65  : 671.4 ×3×?1000 /430=4684 kgf
키하181: 671.4 ×2.375×1000 /430=3709 kgf

어떻습니까.최고속도를 추구하면 가속력의 희생이 되어 버리는 것을 아셨는지요?
이것을 해소하기 위해서는 어떻게 하면 좋은가. DW14계에 양산된, 직결 다단식에 도착하게 됩니다.
이제 뇌가 무리할 무렵이라고 생각하기 때문에, 조금 화제를 바꿉시다.

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3. 차량에 요구되는 것       

3-1) 필요 불가결한 것이란
최초로 말한 하부기기는 어떤 것은 반드시 필요한 것이지만. 어떤것은 필요 없어도 되는 것인가?
차량을 설계할 때, 다루기기 어려우면 아무것도 안되므로 우선 다양한 사람의 입장이 되어 어떤 차량으로 할까 검토됩니다.
그리고 불필요한 장비은 제외합니다. 한가롭게 달리는데 가속이 뛰어난 차량을 만들 필요는 없습니다. 그런 일보다 안전하게 이동할 수 있어서
누구나 쉽게타고 편리하고 즐거움에 노력이 별로 들지않는 차량을 목표로 하는것. 아마 이것이 차량개발의 원점이라고 말할 수 있겠지요.
모든 것이 가능한  차량이 바람직합니다만 디젤동차는 사정이 좋지 않은 회사가 소유하는 일이 많아
각각의 회사가 요구하는 일도 다르다고 생각합니다.

반대로 CDC의 경우 지나치게 표준화를 추구한 결과. 정작 이용객이 적은 산악지역에는 투입하지 못하는 문제가 생겼지요.
물론 어디까지나 도시통근형을 목적으로 하였지만...


1. 가속력
2. 등판성능
3. 연비
4. 점검의 편리성
5. 내구성
6. 저공해차량
7. 사용 목적
8. 차량 가격

모든 항목을 만족시키는 것은 몹시 어려운 일이지요.특히 차량가격은 가장 중시되는 곳으로, 「싼게 비지떡」이 되는 일이 없게 차량의 표준화에 힘을 쓰고 있는 것은 철도차량 뿐만이 아니라 버스, 트럭, 자동차에도 말할 수 있는 것입니다.
니이가타철공이나 후지중공업의 경량 디젤동차(현재는 이러한 디젤동차를 생산하지 않습니다)를 전국 각지에서 볼 수 있었던 것은 그런 이유의 하나라고 생각합니다.

그리고,차량을 오래도록 유지하기 위해서는, 연료나 마모되는 부품의 보충이나 교환에도 관심을 가지지 않으면 안됩니다.
이것은 피할 수 없는 일이기에 얼마나 그 주기를 연장시킬지를 검토하거나 부품을 간단하게 교환 할 수 있도록 하려면, 엔지니어와 차량회사와 사용자가 의견을 추렴해 서로 이해할 수 있을때 서로 이야기합니다. 덧붙여 부품의 교환에는 아무래도 사람의 노룍이 걸립니다.

점검이라고 말해도,
1. 부품 검사
2. 진단
3. 점검계획
4. 점검실시


의 4가지 모두 사람의 노력이 필요한 것이기 때문에, 전부의 부품을 한 번에 교환할 계획을 세우면 열차를 운행하는 날짜가 사라져 버립니다. 옛날은 전체 검사라고 하는 장기 수리를 가지고 있었습니다만, 많은 양의 수리원과 차량의 수리 날짜가 발생해 버리므로, 근래에는 각 기기의 교환 주기를 늦추는 궁리를 하고있고, 가능한 한 검사는 짧고, 차량이 노는 날짜를 줄이려는 생각으로 바뀌어 가고 있습니다.

그 밖에도 이벤트 목적이나 관광객을 불러 들이려고 했을 경우에 손잡이, 롱시트차량은 악평을 높게 할 뿐입니다. 그것을 막기 위해서는 넓은 리클라이닝 좌석 배치, 창의 크기를 크게 하거나, 독자성을 갖게해야 합니다. 그러나 어디까지나 베이스는 차량메이커의 표준적인 경량 디젤동차로서 최소한의 개조계획을 세우고 있는 것이 현재는 없을까요. 만화의 캐릭터를 차량에 그리거나 차량전면에 동물을 연상시키는 얼굴로 바꾸어서, 조금이라도 타 보고 싶은 기분을 만들어내는 노력을 볼 수 있습니다. 단적으로 말하면”장점”이 존재하지 않으면 승객은 자꾸사라져 버리는 것입니다. 그렇지 않아도 승객이없는 로컬선을 달리는 차가 많기 때문에, 차량의 가격만을 중시한 ”싸구려 열차” 라는 감정을 이용객에게 줘 버리면, 언제까지나 적자는 계속 되겠지요.

3-2) 특별한 사양

1. 진자
2. 이중 엔진
3. 엔진 브레이크
4. 원맨 기기
5. 플랜지 급유기
6. 모래 뿌려 그릇
7. 내한내설구조

엔진 브레이크는 주로 「장착되었다.」라는 말로 표현하고 있습니다. 실은 그렇게 표현하는 것은 타당하지 않고, 「마스콘을 넣지 않아도 직결 상태를 유지하는 회로를 추가했다」라는 것이 정답입니다. 내리막 구배를 고속으로 내려갈 때, 마스콘을 " N"  위치에 두어도 직결 상태를 유지해 엔진이 공기를 압축하는 행정이 부하가 되어 브레이크의 기능을 해 줍니다. 키하110계의 운전대의 " 억속1" 버튼이 엔진 브레이크 그리고" 억속2" 버튼이 엔진 브레이크＋컨버터 브레이크 입니다. 양쪽모두 직결 2단의 감속비로 동작하고 엔진고장방지를 위해서 45km/h이상에서는 자동적으로 중단 됩니다. 이 장비는 평탄 노선을 주행하는 열차에는 대부분 불필요합니다. 그러나 차량의 표준화라는 의미로 현재는 전차량에 설치되고 있습니다. 국철형 디젤동차는 특히 선구에 따라 각지에서 개조되고있고 "변" 또는 "중립" 위치로 해도 엔진 브레이크가 작동하는 차량도 있습니다. 엔진 브레이크의 해제를 잊었을 때의 엔진고장방지 기능도 여기저기에서 확인 할 수 있습니다.

(CDC가 엔진브레이크가 있는지는 모르겠지만. 억속2의 경우 초저상버스에서 사용하고 있는 "리타터 브레이크"라고 생각하시면 이해가 더 빠릅니다. 이름이 다를뿐 여기도 마찬가지로 변속기의 오일압력을 이용해 제동을 도와줍니다.)

이야기가 빗나갔습니다. 냉방이나 난방도 지금 당연한 장비입니다만 지역에 따라서는 내한 설비가 강화되어 있거나, 용량을 크게 하거나 차체의 보온 구조도 고려하고 있습니다. 화장실, 원맨 기기, 살사기구등도 선구에 따라선 필요합니다. 진자차량은 급곡선을 승차감이 좋으면서도 빨리 달리기 위한 특별 사양이군요. 이것들은 최종 사용자와 차량회사가 몇번이나 협의를 하고 그 선구에 필요한 사양을 결정하거나, 실제로 납입된 다음에 필요 할 때마다 개조하는 것입니다. 사람에게 있어서도 차량에 있어서도 편리하고 즐겁게 탈 수 있어야 합니다.

차량특성이 지역에 밀착하면 스스로 이용자가 증가할 것

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4. 드디어 엔진과 트랜스미션의 선정입니다        

4-1) 탑재되는 차량의 목적
개발 컨셉입니다. 차량을 어떤 목적으로 완성하는지, 동력 성능, 외관, 내장 등 일반 철도잡지에 쓰여져 있는 것은 여러분 아시는 그대로입니다. 그러나 여기서 전하고 싶은 것은 다양한 장치를 움직이는 것으로 생기는 " 문제점" 을 발생하지 않기 위해 생각하고 있는 것의 사례를 들어 보겠습니다.
" 코스트" 와" 점검" 이라는 말은 들었던 적이 있지요. 직역하면 " 가격"과 " 유지"입니다. 점검의 자세한 것은 다음에 말하는 것으로 하고 가격에 대해 조금 생각해 봅시다. 대부분의 자동차는 엔진의 출력이 오르면 오를수록 가격도 따라 올라갑니다. 디젤동차도 같아서 출력을 올리려면 기통수를 늘리거나 과급기의 압력을 올려 연료 분사량등의 노력이 필요 합니다. 만일 디젤동차의 엔진의 출력을 올렸다고 합시다. 의외로 간단하게 할 수 있을지도 모릅니다만 2-6) 종감속비와 엔진의 관계 에서 말한 대로 출력을 올린 것에 의한 폐해가 나옵니다. 또 유체 변속기는 용량을 올리지 않으면 안되기 때문에 또 비용이 듭니다. 트랜스미션, 프로펠러 샤프트, 종감속기는 당연히 내구성이 떨어집니다. 내구성이 떨어진다는 것은 부품을 빈번히 교환해야 한다는 뜻으로 주행비용이 더 들어갑니다. 이렇게 생각해보면 필요 이상의 성능을 요구하는 것은 그 부작용도 있기 때문에 각 기기는 목적에 있던 크기, 성능인 것이 제일이라고 말할 수 있습니다.

4-2) 연선의 선형
이것에 차량의 특성에 맞지 않으면 운전기사는 상당히 운전하면서 신경써서 사용해야 됩니다. 예를 들면25 ‰의 상구배가 연속하고 있고, 속도 제한이65km/h인 선구에 아무리 고성능의 디젤동차에서도 70km/h 직결단에 들어가는 디젤동차는 쓸모가 없습니다. 예를 들면 아이츠철도의 키하8500계(메이테츠에서 넘어간 차량)이 거기에 해당합니다. 종감속비가 너무 낮아서 직결 1단은 거의 투입되지 않는 현상이 일어나고 있습니다. 이것은 연선의 선형과 차량의 성격이 맞지 않은 결과입니다. 운전기사는 몇번이나 넛치를 넣거나 빼는것으로 바쁜 것 같았습니다. " 변속" 운전이 많아서 연비도 좋지 않는 것이지요. 그럴 때에는 가끔 차량에 맞추어 선로를 고치는 예가 있습니다. 다카야마본선과 같이 키하85계를 고속으로 달리게 하기 위해서 선로를 대개조한 것이지요.

(CDC의 경우 직결은 86km/h이나 지금은 속도를 요하는 선로에선 몽땅 퇴출되었기에 이와 같은 사례와 유사합니다. 엔진수로 밀어붙힌 결과 무식하게 힘이 쎄서 주행시 큰 문제가 되지 않습니다만. 경의선과 같이 선로가 나름대로 괜찮아서 직결 전환속도와 비슷한 85~90km/h로 달리는 구간에서는 극히 비효율적입니다. 오히려 엔진을 몇 개 없애고 직결 전환속도를 앞당겼으면... 합니다.)

아이츠철도 키하8500계 "보물의 썩어감"을 체감 할 수 있습니다.

4-3) 엔진 마력의 결정
「파워가 주됩니다」라는 것은  대체로 " 빠르게 달리고 싶다"라는 것이 이유에서는「아직은...」의 입장이였습니다 . 그러면 완전히 새로운 차량을 투입하려고 했을 때에는 어떻게 해야 하냐면 엔진의 마력을 결정하기위해서는 얼마나 구동력(견인력)이 필요한지 얼마나 기타장치에 의한 손실 마력이 있는지를 예상합니다. 기타장치란1-1) 기기의 역할을 이해해 둡시다에서 예를 든 장치 즉 엔진의 부담이 되는 기기입니다. 주행 저항도 포함합니다.

꽤 애매합니다만 일반적으로 기타장치의 야간손실 마력은 에어콘용의 압축기의 손실을 제외하면 30PS정도라고 말해집니다. 에어콘용의 압축기만으로도 30PS정도는 엔진으로부터 빼앗깁니다. 그렇게 되면 여름 철의 경우는 60PS 정도의 손실이 되어 그 만큼 가속이 무디어지게 됩니다.

필자가 체험한 것입니다만, 여름의 코우미선을 키하110계로 이동했던 적이 있었습니다. 그 때,33 ‰오르막, 급곡선, 만석, 냉방 투입의 악조건 (요컨데 주행 저항과 기타장치의 손실 마력이 겹친 상태입니다)으로 50km/h의 속도를 넘지 못하였고, 당연히 직결단에 바뀌지 않았습니다. 거기서 운전기사는 어떤 행동을 취했는가 하면 " 에어컨을 끈다" 라는 방법을 동원했습니다. 그랬더니 열차는 가속하기 시작해 보기 좋게 직결에 바뀌었습니다.

(CDC의 경우 APU라는 보조장치에 전원을 공급하는 엔진이 있기 때문에 주행용 엔진에는 주행에만 신경쓰므로 이와같은 현상은 일어나지 않습니다.)

이런 일도 있기 때문에, 엔진마력을 결정하는 것은 감각과 운으로 결정하지 않습니다. 가능한 한 엔진은 소형, 경량, 염가, 경제성, 내구성이 우수한 것을골라서 면밀한 계산아래에 선정하고 있습니다. (그렇다고 코우미선이 안이한 선정을 했다는 것은 아닙니다.)

4-4) 트랜스미션(변속기)의 선정
트랜스미션은transmit(전달한다)로부터 오고 있습니다. 효율적으로 전달하면 엔진 마력은 작아도 됩니다. 차바퀴지름, 종감속비, 등판성능이나 최고속도을 목표로 해서 유체 변속기의 크기나, 단수의 편성(예를 들면 "변1 →변2→직" " 변→직1→곧2" " 변→곧1→곧2→곧3" 등) 그리고 최적인 감속비가 선정됩니다. 엔진과 트랜스미션이 잘 맞지 않으면 모처럼의 대마력도 소용 없어집니다. 키하65계와 키하110계를 비교하면, 엔진 마력의 크기는 키하65계가 우위입니다만, 주행실력은 반대입니다. 농담으로 키하65계에 꼭 맞는 최근의 직결 다단 트랜스미션을 개발하면 반드시 주행 성능은 향상되겠지요.그러나 12 기통 엔진 자체가 시대에 맞지 않게 되는군요.

4-5) 점검
이것이 의외로 알려지지 않은 것이라고 생각합니다. 국철이 분할해 JR이후로는 각사에서 독자적으로 신형 차량이나 리뉴얼차량을 생각해서 실천하였기  때문에 디젤동차의 비약적인 진보가 실현되었습니다. 그 반면, 여러가지 형식이 등장하고 단순하게는 종래차와의 병결을 할 수 없게되었니다.(병결을 목적으로 한 것은 제외). 또 차량의 사용법(여기에서는 검사 주기)도 장소에 따라서 다르기도 합니다.
점검은 유지하는 것이기 때문에 그 주기가 늘어나면 늘어날수록 차량을 소유하는 측에서는 고마운 일이군요. 그러나 트럭이나 버스도 포함해 대형의 차량은 모두 " 정비를 확실히 해서 사용하는 것" 이 상식이 되고 있습니다. 부품의 조정, 세정, 교환을 하는 것입니다. 그 정확한 주기는 모릅니다만 항상 고온에 노출되거나 고압으로 제어하는 기기는 문제에 노출될 가능성이 많으므로, 정기적으로 분해해 검사하지 않으면 안됩니다. 트랜스미션이나 종감속기도 엔진도, 몇 년이나 신차 상태를 유지할 수 있는 것은 아닙니다. 예를 들면 축을 지지하는 축받이의 일종(베어링이라고도 말합니다)은 일정한 수명을 가지고 있고, 마력 상승에 따라서 그것은 짧아지는 것입니다.
그러면 만일 디젤동차의 엔진마력을330PS 으로부터420PS으로  올렸다고 합시다. 420 /330=1.27 배의 마력을 얻은 것에 의해서 베어링 수명은 다음의 계산과 같이 적게 됩니다.(실제는 더 복잡한 계산이므로 간략화 합니다.)

(1 /1.27)^3.333=0.45 배의 수명

그러니까 만일10000 시간의 수명인 베어링이 있었다고 하면, 4500 시간의 수명이 되어 버리게 됩니다.따 라서 검사 주기는 짧아집니다. 이 부담을 짊어도 상관없다고 한다면 마력을 올릴 수 있습니다.
키하40계가 엔진을 개조해서 나오는 것은 이미 아시는 바일껍니다. 철도잡지에도" 엔진 출력을 낮춰 사용"이라고 쓰여져 있습니다. 이 이유는 위에 말한 점검 주기와도 크게 관련이 있습니다. JR 서일본과 JR 동일본에서 탑재 기기가 같고 엔진 마력(제작 메이커는 묻지 않습니다)만이 다른 것은 이러한 사정이 있는 것은 아닐까라고 생각합니다.

" 저비용" 현재의 차량의 키워드(701계, 키하110계)

4-6) 연비는 중요합니다
" 변속 운전" 을 하면 동력의 전달 효율이 나쁘다는 것은 2-2) 효율적으로 가속하기 위한 구조 에서 설명했습니다. DW14 계와 같은 직결 다단형을 등장시킨 것은 가속력 향상과 최고속도 상승을 잡는 목적으로, 변속 운전의 전달 효율의 떨어짐을 해소해 엔진의 부담을 덜게하는 일도 이유의 하나로 들 수 있습니다. 모리오카구의 키하110계는 독일제의 트랜스미션으로 시험을 하고 있었어요. 이 트랜스미션은 DW14보다 더 높은 속도에서 변속 운전을 하는 관계로 연비가 떨어졌다고 생각됩니다. 현재는 DW14로 교체 되었습니다. 그 만큼 유지하기 위해서 연비가 차지하는 비율은 중요시 되는 군요.

(같은 엔진을 쓰는 CDC나 영국의 Class158도 비슷하다고 봅니다. 그런데 낮은 최고속도를 가지는 CDC가 변속운전을 오래하니.... Class 158은 65km/h에서 직결운전합니다)

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5. 보다 쾌적한 주행을…CCS 의 역할     

5-1) 처음에
1945년에 액체식 디젤동차가 등장하고 나서 디젤동차를 부드럽게 달리게 하는 것은, 엔지니어나 철도 회사의 목표이며 현재에도 그 목표는 거의 바뀌지 않았습니다. 또 운전기사에 있어서는 "덜컹"거리는 변속 쇼크는 운전 기량의 기준이며, 조작의 실패가 승객에게 자신의 운전기량의 미숙이 보여지는 부끄러운 순간이기도 합니다. 원래 변속 쇼크는 왜 일어날까를 생각할 때 「엔진과 프로펠러 샤프트의 회전차이」를 떠올릴 필요가 있습니다. 이 회전차이가 큰 상태로 직결하는 순간에 "덜컹"거리는 쇼크를 느끼게 됩니다. 예를 들면 계주달리기는 바톤을 받을 때, 뒷사람이 어느정도 같이 달립니다. 이게 잘 맞지 않으면 배턴을 잘 받을 수 없겠지요. 전달이 잘 되면 부드럽게 배턴을 건네줄 수 있습니다. 그러면 변속 쇼크를 어떻게 하면 없앨 수 있는가 하면, 엔진과 프로펠러 샤프트의 회전차이를 최대한 0에 접근하면 좋을 것입니다.

(CDC의 경우 직결로 전환하는 속도도 높은데다가 어지간하면 변속으로 90km/h까지 달리는 상황이라 이런걸 느낄 순 없습니다. 오히려 7100호대 이후의 디젤기관차에서 얼마나 50~60km/h대에 전환충격을 없애고 가속하느냐... 정도로 이해하면 조금 더 이해가 쉽게 될 것입니다.)

해를 거듭 할 수록 「변속 쇼크의 줄이고 싶다」에서 「변속을 자동화하고 싶다」, 「 더 부드럽게 변속하고  싶다」, 「변속 쇼크를 전혀 없애고 싶다」, 「빨리 변속을 하고 싶다」, 「공전하기 어렵게 하고 싶다」, 「운전대에서 엔진이나 트랜스미션의 상황을 파악하고 싶다」 등, 디젤동차에 대한 요구는 나날이 증가되어 왔습니다.

거기에 응하는 것이 'Converter Control System' 줄여서 CCS 라는 것입니다.

디젤동차의 지금의 작동 상황을 이 CCS 에 집중시켜, 운전기사의 의식의 미치지 않은 부분도 CCS가 제어합니다. 예를 들면 최고단으로 기동해도 넛치를 미묘하게 조절해서 공전을 억제하거나 변속때 잡음없이 클러치를 연결하거나 하는 제어등이 CCS의 가장 큰 장점입니다. 그 덕분에 아마추어라도 베테랑과 같은 수준의 운전을 할 수 있게 되었습니다. 그 결과 운전기사는 안전에 집중할 수 있게 되어, 열차의 스피드업도 실현 할 수 있게 되었습니다. 반면, 핸들 기술은 그 다음인가? 라는 생각이 있습니다만… 여기에서는 관계없는 것이군요.

그럼 디젤동차의 변속 방법에 대해 알아봅시다.

5-2) 수동 변속
이 종류에 속하는 형식을 간단하게 말하면,DF115(A) ,TC2(A) ,DB115 등의 톱니바퀴를 서로 맞물리지 않는 변속기 (역전기를 가지고 있지 않은 변속기)를 탑재하고 있는 차량입니다. 키하17계 , 키하26계 , 키하35계 , 키하58계 등, 많은 국철형차량이 이것에 해당합니다. 사진과 같이 각각의 레버류는 독립으로, 단독으로 조작이 가능합니다. 마스콘은 엔진의 조속기 (연료의 양을 결정하는 기기)에 지령을 보내는 역할을 합니다. 그리고, 직결,변속 전환 레버는 변속기의 「중립」 「변속」 「직결」을 지령하는 역할을 합니다. 운전기사가 마스콘과 직결,변석 전환 레버의 조작 타이밍이 맞지 않으면, 불쾌한 충격을 일으키거나 엔진이 무부하 회전 해 버립니다. 즉 수동 변속차는 운전기사의 기량이 그대로 열차의 움직임에 나와 버리는 방식입니다.

운전의 방법을 간단하게 설명하면 발진은 직결,변속 전환 레버를 " 변" 위치에 두고 마스콘을 올려 열차를 가속시킵니다. 열차의 속도가 약 50km/h 에 도달하면 직결에 넣기 위해 일단 마스콘을 내립니다. 그리고 타이밍을 봐서 직결,변속 전환 레버를 " 직" 위치에 둡니다. 직결이 완료하면 다시 마스콘을 올려 가속해 갈 것입니다. " 변" 으로부터" 직" 으로 바꿀 때 마스콘과 직결,변속 전환 레버의 작동시키는 방법은 운전기사 마다 제각각이고 얼마 안되는 조작의 차이가 불쾌한 거동을 낳아 버립니다. (버스의 가속방법을 생각합시다.)

그림을 봐 주세요.운전기사의 조작 신호는 계전기 를 경유해 그대로 하부기기에 전해집니다.  "변" "중"  "직"  표시는 실제로는 계전기를 경유할 것입니다만, 그림에서는 간략 하겠습니다.

수동 변속차의 운전대
(사진은 키하52계)
　

DF115,TC2 계열의 제어
(이미지화 하였음)
　

5-3) 반자동 변속
나는 굳이 이것을 수동 변속과 구별해 보았습니다. 왜냐하면 운전기사의 조작 신호는 계전기로 "전환 쇼크를 줄이면서 잘 제어하고 있다"로 부터입니다.그 기원은 DW 계의 변속기를 탑재하게 되는 키하65계 , 키하40계 등에 탑재되는 변속기 (역전 톱니바퀴를 내장하는 변속기)가 이것에 해당합니다. 운전대는 수동 변속차와 같은 레버류를 배치하고 있습니다. 당연한 일이면서 직결,변속 전환 레버의 조작은 운전기사의 의지로 행해집니다만 수동 변속차와는 신호의 처리 방법이 다릅니다. 그림과 같이, 계전기의 입력 신호는 마스콘이나 레버를 작동시키는 전기신호에 또 하나의 신호가 입력되고 있습니다.그것은 트랜스미션에 엔진과 프로펠러 샤프트의 회전비를 검출하는 기구로, 계전기가 그것을 검출하는 것이 추가되고 있습니다. 엔진과 프로펠러 샤프트의 회전비가 규정치보다 클 때, 계전기는 엔진의 조속기에 가속 지령을 주고(두 차이를 낮추기 위해서 → 차가 움직이는 지령이 아니라) 규정치보다 작을 때는 엔진의 가속 없음으로 클러치를 투입하도록 했습니다.

그 덕분으로, 완벽하다고는 말할 수 없습니다만 승객은 큰 변속 쇼크를 느끼는 것은 없어졌습니다. 그러나 먼저 설명한 대로 수동 변속차와 병결 하고 있을 때 운전기사는 핸들 조작에 민감한 수동 변속차를 생각하면서 운전 할 필요가 있습니다. 그것을 놓지면 수동 변속차의 승객에게 불쾌감을 줘버립니다.

수동 변속차와 반자동 변속차의 병결

그림에서는 계전기는 입력 신호를 잘 제어하고 나서 하부기기에 출력 신호를 보내므로, 선색(입력：청색 , 출력 : 녹색 )으로 나누고 있습니다. "변" "중"  "직" 표시는 실제로는 계전기를 경유할 것입니다만 그림에서는 간략 하겠습니다.

반자동 변속차의 운전대
(사진은 키하40계)
　

DW 계열의 제어
(이미지도)
　

5-4) 자동 변속
반자동 변속차의 제어에다가 속도에 응한 변속,직결 전환 지령을 추가하면 자동 변속이 가능하게 됩니다. 그림에서도 보시면 알듯이 운전대에는 변속,직렬을 전환하는 변속기가 사라진 것 이외에는 반자동 변속차와 같습니다. 다만 계전기는 복잡한 릴레이 순서로 짜여지고 있어 이미 계전기라고 하는 것보다 콘트롤러라고 부르는 것이 좋을지도 모릅니다.

트랜스미션이 직결 다단화(직결이 2단이상 있는 차량) 되게 되면 그 제어를 추가하기 위해 릴레이 회로가 몹시 복잡이 되어, 배선도 매우 복잡해 버립니다. 그 때문에 입출력 신호를 PC(programmable controller)에 연산시키게 되었습니다. PC는 CPU에 있는 메모리 프로그램으로 릴레이를 제어하므로 배선을 줄일 수 있게 되었습니다.. 제어의 변경도 프로그램의 변경으로 끝나게 되었습니다.
현재 직결 다단 제어는 PC 없이는 생각할 수 없게 되었습니다.

변→직, 타행→직결의 클러치로 인한 충격 대책으로서는, 반자동 변속차와 같이 회전비를 검출해 엔진의 가속지령을 행합니다.
혹은, 주행 속도로에서 프로펠러 샤프트의 회전수를 산출하고 엔진의 가속 시간을 정하고 있을지도 모릅니다.

그림에서는 변속,직결 레버의 지령 신호가 불필요해지는 이외는 반자동 변속차와 대부분 같습니다.
"변" "중"  "직" 표시는 실제로는 계전기(또는PC)를 경유할 것입니다만, 여기에서는 간략화 하겠습니다.

자동 변속차의 운전대
(사진은 키하110 )
　

DW 계열 자동 변속차의 제어
(이미지화)
　

5-5) CCS 부착 자동 변속
CCS는 PC의 연장선상에 위치해 차량을 제어하도록 설계되고 있습니다. 차량제작사에 있어서는 운전대와 주행 기기의 접속이 아주 편해집니다.
계전기나 PC 대신에 운전기사와 기기의 사이는 CCS 의 제어가 들어가, 발진시의 공전방지나 변속시의 클러치 넣고 빼는 타이밍, 엔진의 출력 지령(넛치단수)도 여기에서 나옵니다. 이미 운전기사와 기기는 기계적으로 분리되어 있기에, 운전기사가 아무리 거칠게 마스콘을 취급해도 부드럽게 열차는 진행합니다. 여기서 주목해야 할 곳은, 엔진과 프로펠러 샤프트의 회전수를 감시하고 있는 곳 입니다. 이것은 변속시 충격 저감에 절대인 효과를 발휘합니다.

변→직, 타행→직결 등, 엔진과 프로펠러 샤프트에 회전차이가 있을 때, 그대로 클러치를 투입해 버리면 승객은 클러치 투입 전후에 크게 흔들리게 됩니다. 그것을 방지하기 위해서 프로펠러 샤프트의 회전수를 순간적으로 검지하고, CCS가 엔진이 변속하기에 가장 좋은 회전수가 되도록 지령을 보냅니다. 회전차이가 적게 된 타이밍에 이번은 트랜스미션에 변속(클러치를 넣고 빼는) 지령을 보내, 부드럽게 직결로 변속 완료가 됩니다. 이것을 동기 제어 라고 하는데, CCS 의 최대의 특징이라고 말할 수 있습니다.

그림이 모든 신호가 아니고, 그 밖에도 다양한 정보를 입출력하고 있습니다. 고장 진단이나 기기의 동작 상황을 운전대에 모니터 하는 것도 가능하고, 차량에 탑재하기 전에 어떤 정보를 입출력시킬지 제작사와 사용자가 서로 이야기하게 됩니다. 이러한 자유도 전자 제어만이 가능한 위력이군요.

자동 변속+CCS 차의 제어
(이미지화)
　

5-6) CCS 부착 반자동 변속
국철 시대의DW 계 트랜스미션차로 CCS로 개조 된 차량이 있습니다. 여기에서는 운전대와 이미지도는 생략 하겠습니다.
요점은 반자동 변속차 에 동기 제어 를 집어 넣은 것 같은 것입니다. JR 동일본의 차량에서는 "CCS 탑재차"라는 스티커가 부착되어 있는 차량도 있는 것 같습니다. 계전기 제어와 비교하면 엔진의 낭비인 변속시의 공회전이 없지만, 귀를 기울이고 있으면 엔진의 동작차이는 체감 할 수 있습니다.

저자로서는 호쾌하게 공회전하는 비 CCS 차가 두근두근합니다만….

CCS 화가 진행되는 구국철차
(사진의 차량은CCS 차가 아닙니다)

5-7) 새로운 스피드업에
여기서 이야기하는 것은 최고속도나 가속력이 아니라 자동 변속차의 변속속도입니다. 이전에는 변속 할 때는 엔진으로부터의 동력을 일단 끊어서 동기 제어를 실시하고 있었습니다. 즉 power-off Shift였습니다. 이러한 가속 이미지는 트럭이나 버스의 수동변속차량을 생각하면 좋을 것 같습니다.
사람에 따라 가속의 리듬이 있어 기분이 좋다고 느끼는 것은 아닐까요. 저자도 수동변속차의 가속 리듬은 인간의 본능에 잘 맞다고 생각합니다.

그것과 비교해 자동변속차의 가속감을 생각해 보세요. 수동차와 같은 가속의 단속(리듬)을 느낄 일은 없겠네요.
이것을 power-on Shift로 불리고 있습니다. 자동변속차는 계속 가속하는 것이기 때문에, 당연히 목표 속도에 도달하는 시간이 적게 걸리는 것 입니다.

power-on Shift를 열차에 채용하면 변속시의 손실시간이 적게 되기 때문에 빨리 목표 속도에 도달할 수 있습니다.
급구배가 많은 일본은 얼마나 열차를 목표 속도에 운송시키는 것이 관건이 되어, 틸팅차체와 조합하면 열차의 평균 속도도 향상시키는 것이 가능해집니다. 디젤동차 특급의 상당수는 엔진출력 뿐만이 아니라, power-on Shift + 틸팅의 기능을 가지고 있는 이유는 여기에 있습니다.

그러나, power-on Shift에는 약점이 있습니다.그것은 변속시의 쇼크를 억제하는 것, 즉 엔진과 트랜스미션의 회전수의 차를 줄이는 것이 큰 일입니다.예를 들면, 직결 1단으로 가속중에 갑자기 직결 2단에 변속하면 어떻게 되겠나요. 엔진의 회전수는 순간적으로 직결 2단의 클러치에 억제되게 됩니다.
그 결과는 변속 쇼크가 되어 승객은 불쾌한 생각을 하게 됩니다. 그 때문에, power-on Shift는 세세하게 전환 타이밍을 조정할 필요가 있습니다.
기어비의 차이가 크면 제어가 어려워지기 때문에, 직결 다단에서도 각각의 단의 기어비의 차이를 줄이도록 3단이나 4단의 속도단을 가지는 트랜스미션에 한정되어 있습니다.

power-on Shift도 CCS가 있기 때문에 실현 할 수 있었을 것입니다.
지금부터 어떤 방향으로 발전하는지, 어떤방향으로 바뀔지는, 엔지니어들에게 기대하겠습니다.

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6. 마지막에       

아직도 설명할 것은 많지만 좀 더 공부하고 나서 설명 하고 싶습니다. 이번에는 디젤동차가 달리는에 필요한 기기나, 어떠한 곳에 주목하면 디젤동차를 이해할 수 있을지를 저자 나름대로 착상하고 설명해 보았습니다. 엔진만 생각하고 있으면 디젤동차의 지식은 조금도 전진하지 않습니다. 많은 철도잡지가 엔진의 마력이나 트랜스미션의 형식명 밖에 주목하고 있지 않는 것이 이 현상입니다. 거기서 저자는 좀 더 돌진해 보았습니다. 엔진과 함께 되어 움직이는 여러가지 기기 (압축기, 난방기등)나, 차량을 효율적으로 가속시키기 위해서 생각되고 있는 것(트랜스미션의 감속비 등), 차량을 유지하는 측의 배려(최대 마력의 규제 등), 보다 좋은 승차감을 목표로 해서 장착되고 있는 기기(CCS 등)등이 있는 것이 좋을 것이라고 생각합니다. 그러나 이 지식은 이미 낡은 것일지도 모릅니다. 최신의 디젤동차는 압축기를 돌리는 벨트가 없기도 합니다. 이미 썼습니다만 여러분들이 직접 디젤동차를 타고 관찰하는 것이 제일 좋을 것입니다. 비전철화선로의 믿음직한 동료로서 자꾸자꾸 디젤동차가 진화하는 것을 바랍니다.
어쩌면 너무 진화해서 디젤동차가 없어져 버릴지도 모르지만….

이 페이지는 M.Iwamoto 씨의 후의에 의해 실현되었습니다.
고마워요, 감사합니다.
그리고 저자에게 지식을 주신 분들이나, 함께 취재를 해 주신 분들에게도 이 장소를 빌려 답례 말씀드립니다.

Honey Watanabe

초판    2002 년11 월
제2판 2003 년12 월
제3판 2005 년7 월

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덧붙여 전철이 달리는 구조에 관해서는
高橋うさお씨의“BVE 공학 연구실 ~통과 신호기의 연회~ ” 안의“역행 특성 연구실”에서 알기 쉽게 해설되고 있습니다.부디 봐 주세요.

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이 기사는,Honey Watanabe 씨에게 집필을 의뢰해, 원고를 받았습니다.
의견, 감상, 질문 등, 문의에 대해서는Honey Watanabe 의 홈 페이지 보다 확인해 주세요.

Copyright (C) Honey Watanabe 2003~

번역 : Naver Enjoy-japan, Park Min-Seok

[래시~]

오우 고생하셨네요..

[-철도박사-]

위의 키하31처럼 수동변속기(?)차량처럼 cdc 의 주간제어기 오른쪽에 있는것은 생긴것은 똑같지만 변속하는 변속레버가 아닙니다. D 와 N 이 있는 자동차 오토기어의 그것과 비슷하다고나 할까요

[DL-7234]

아 그렇군요. 알겠습니다.

[영동선 511호]

강력추천합니다.

[９４０１™]

스크롤의 압박. 하지만 정말 좋은 정보 감사합니다.

[운전사령]

좋은 자료 감사합니다. 그러나 승무원들에게는 디젤동차는 유사시 승무원들의 생존성이 떨어지기 때문에 비선호 하는것 같습니다.