철도차량은 다양한 요인에 인해 승차감에 영향을 주고 있지만, 특히 진동은 승객들의 불편을 줄 수 있는 가장 큰 요인으로 작용되고 있다. 더욱 고속화되고 있는 철도차량의 승차감을 개선하고 진동을 줄일 뿐만 아니라 효율적인 차량의 유지보수를 위해 내구성과 진동감쇠성이 우수한 공기스프링이 활용되고 있다.
공기스프링은 공기의 압축성과 유동 저항을 응용한 서스펜션(suspension)으로써 부드러운 감쇠성을 갖는 특성을 가지고 있다. 또한, 공기스프링의 3차원적 스프링 형상으로 고주파 진동을 절연해 진동과 소음감소에 최상의 기능을 발휘하게 된다.
공기스프링의 핵심기술은 고무기술, 안전기술, 승차감기술로 나눠지는데, 고무기술로는 탄성, 유연성을 확보하며, 강성을 유지하고, 극한환경에서 내구성과 내수명을 유지해야 하는 기술이 필요하다고 볼 수 있다. 이는 공기 부피와 내압을 조절해 상하/좌우의 스프링 상수를 용이하게 변화시킬 수 있게 한다.
한편 열차의 흔들림에 대응해 공기스프링은 수직, 횡, 비틀림 강성에서 하중 사용 범위를 크게 취할 수 있어야 하며, 공기스프링의 극서, 극한환경에서 내구성이 보장돼야 한다. 비상상황에서는 파열 등으로부터 승객의 안전을 보호할 수 있는 안전기술도 확보하고 있어야 한다.
특히, 공기스프링의 조립제한 조건과 고속주행, 곡선 주행 동안 승차감 향상을 위해 탄력성을 유지해야 하며, 보조스프링 역시 고유의 하중-변위 곡선을 가고 있어 이러한 특성을 만족해야한다. 즉, 공기스프링은 탄성과 복원을 강하고도 유연하게 대응하는 조립체라 볼 수 있다.
하지만, 고속철도용 공기스프링은 해외 제품을 전량수입하고 있어 이로 인해 유지관리 비용 증가와 부품 수급의 어려움에 따른 교체지연 등의 문제가 발생하고 있다. 이에 따라 공기스프링 기술개발로 국산화를 이뤄야 한다는 목소리가 높아지고 있다.
자생가능한 선순환 철도차량 부품산업 생태계 조성을 위해 추진된 철도차량부품 개발사업의 일환으로 동력분산식 고속차량용 고내구성 공기스프링 기술이 개발됨에 따라 국산화를 앞두고 있다. 공기스프링 국산화에 주관연구기관으로는 산업용 특히 전자, 자동차, 철도용 부품 등 기능성 고무를 자체적으로 개발, 공급하고 있는 ㈜디에이치엠(DHM)이 맡았다.
디에이치엠은 공기스프링 개발 과정에서 모든 기술을 투입해 최고 품질의 재료를 배합·믹싱할 수 있는 고무를 자체적으로 개발했으며, 보유 중인 노화, 인장, 인열 레오메타, 무늬점도 시험기를 통해 신뢰성을 확보했다. 이를 통해 공기스프링의 Air leaking과 표면 벌어짐과 균열의 원인이 되는 결정을 보완했고, 품질을 향상시켰다.
이러한 과정을 거쳐 탄생한 고무를 가지고 일정한 품질을 유지하기 위해 Green Case 전용성형기와 최종 형상을 유지하기 위한 전용가류기를 설계·개발했다. 이와 더불어 공기스프링 EN 13597 규격에 준하는 종합 성능 시험기, 파열/누기 시험기, 수직 내구성 시험기도 자체적으로 설계·개발해 주목할 성과를 보이고 있다.
이 시험기들은 공기스프링의 각종 시험을 통해 데이터를 축적하고 품질의 균일성과 기술력을 확보할 수 있게 하는 결정적인 역할을 하고 있다. 이를 통해 디에이치엠은 향후 다양한 고무의 성질 변화와 응용기술, 각종 시험을 통해 얻은 데이터를 기반으로 고객사에서 요구하는 사양에 맞춰 공기스프링 제품 설계부터 각종 고객의 요구특성과 내구력을 만족시킬 수 있는 기술적 기반을 확보했다.
디에이치엠 조정오 대표이사(사진)은 “동력분산식 고속철도용 공기스프링의 기술 축적과 응용개발을 통해 공기스프링에 대한 원천 기술을 확보하게 됐다”며 “기술개발을 통한 수입대체와 유지보수 시장 진출을 통한 신규매출을 확보할 예정”이라고 말했다.
그는 이어 “이는 공기스프링 산업의 효율화를 추구해 관련 산업 발전에 기여하며, 공기스프링의 기술 전문 인력 양성으로 고용 촉진에 기여할 것으로 기대되는 부분”이라며 “또한, KTX 시리즈, ITX 시리즈 등 타 차종의 확대 적용해 국내 시장을 중심으로 약 680억원 정도의 사업화에 나설 전망”이라고 덧붙였다.
이처럼 공기스프링은 유연성과 강성을 가진 고무와 운행 중 공기가 빠져나가지 않도록 유지해 승객들이 편안함을 유지하게 하는 역할을 가지고 있고, 이 역할을 다하기 위해 공기스프링은 내구성, 내마모성, 진동·충격흡수력을 가진 고무를 개발하는 것이 핵심이다. 특히 국내 KTX, EMU Series(동력분산식), 전동차량 지하철에 적용되고 있는 국내 업체는 전무한 상태로 현재는 독일 유명 타이어, 일본 유명 타이어 등 해외 대기업에서 전량 수입에 의존하고 특히 차량특성에 부합하는 설계변경을 요구해도 비협조적으로 해외전문업체에서 공급하는대로 사용할 수밖에 없는 상황에서 이 분야의 선진기술기업인 디에이치엠은 국내에서 개발하지 못하고 수입에 의존하고 있는 기술의 국산화를 이뤄온 전문성을 활용해 공기스프링 제조에 도전하고 있다.
이에 더해 고하중 공기스프링은 타이어제조기술의 접목이 필요한 바, 대기업 타이어 제조 전문가를 채용해 완성품 개발도 성공했다. 또한 축적된 현장 설비 개발 능력과 금형 개발력을 최대한 활용하여 성형기, 가류기, 각종 금형 및 성능시험기 등을 개발함으로써 제조 경쟁력도 갖추게 되었다.
조 대표는 “끊임없는 변화와 혁신으로 디에이치엠은 소재부터 제조, 시험 성적 신뢰까지 확보하게 돼 명실상부한 국내/외 공기스프링 메이커로 나설 수 있는 리딩기업으로서의 입지를 탄탄히 다지고 있다”며 “공기스프링은 2025년 현차시험 완료 후 국내외 적극적인 홍보와 기술 고도화를 통해 브랜드가치를 만들고 2028년 본격적인 매출로 연계하는 것을 목표로 연구 개발에 더욱 정진하겠다”고 포부를 밝혔다.
