電車はどうして曲がれるのだろうか？

How do trains turn in curves smoothly?　

　ちゃんと説明せよ！
　ということで、取り急ぎ
　万人向きでない点は乞う御容赦

　とりあえずアップして、少しずつ手直しするつもり。難しい理論なんてものは無くて、あるのは、誰にでも理解できる簡単な道理だけ。ただ、一般的な認識からは少し外れるので、信じてもらえるか否かが大問題。【図はクリックで拡大】電車はどうやって曲がるのか　電車が曲がる原理は　電車はカーブでなぜ脱線しないのか

[1] 車輪にはテーパーがある

　そう、踏面は円錐形になっていて、カーブの外側に輪軸が寄れば、内外輪差が生じて勝手に曲がれるはず。（円錐形＝コニカルという）

　しかし、疑い深い人間は考える。

「車軸がカーブの中心に向けば、その通り。
　しかし、電車の台車は2軸。
　1軸は向けられるが、もう1軸はどうするんだ？」

【岸和田のダンジリや祇園の山車は4輪で、街角を滑らかに曲がれなくて、苦労して車輪を横滑りさせる。左右が独立回転なんだけれどダメ。それに対して日本古来の牛車や大八車は2輪で、自由に曲がれて実用的。西洋の4輪馬車は前輪に「第五輪fifth wheel」と呼ばれる操舵機構を備えていた】

[2] フランジがあるさ

　これは、「ゲージ・スラックの鉄道工学」に書いた。
　フランジが擦れて、曲がっていく。先頭軸は外軌側へ寄るが、後軸は内軌側。
　ここで、テーパーは無力。意味をなさない。先頭軸だってカーブ中心には向かない。

　すなわち、無理して曲がる。

　これが結論。いくら説明しても理解してもらえない。

【コメントいただいたように、ミッキ～さんがこのあたりを如実に理解できる実験を考案されました。ぜひ同氏のブログ記事をご覧ください】

　自動車の様な、ゴムタイヤと道路面とは異なり、金属同士というか、スチール同士の接触、摩擦現象が、ソコソコの範囲に収まるので成り立っている。

【車両には遠心力が働くから、車輪は外軌側へ寄るはずだ、という意見があります。カントが無くて、超高速なら、そうなる。じゃあ、ユックリ走ったらいかがでしょうか？　路面電車はどうする？　カーブでは停車が御法度？】

　戦前の鉄道人でも一般常識だったのに、戦後の専門家が知らないで本まで書く。まったくの恥さらし。というか、この問題は、車両屋より、保線屋の方が詳しい。切実だから‥‥。

[3] 2軸を共にカーブ中心に向けたら

　そう、それが操舵台車。舵取りできる台車ということ。これが究極。図は、南アフリカのシェッフェル台車。
　この操舵台車を知っているのだから、そうじゃない電車がどうやって曲がるのか、とか、どうして操舵台車が必要なんだろう、と、なんで考えないのだろうか。

　そう、ほとんどの電車は操舵台車ではない。

　「操舵台車の妄想が拡がって」という記事を書いたことがあった。

[4] 昔の電車は曲がれた

　戦前の台車はペデスタル式だった。軸箱の前後方向にガタ、遊びがあった。
　これが適当に大きければ、2本の車軸は共にカーブ中心を向くことができる。（まあ、ちょいと強引だけれど）
　必要な寸法は計算できる。ほんのわずか。誰かやってみて。

【国鉄2軸貨車のリンク式軸受もワザとガタを設けていたという話を、アメリカ型鉄道模型大辞典の「ラジアル台車」の項に書いた2013-09-04】

　ところが、これでは直線の高速走行で、蛇行動（惰行動）を起こす。
　ガタガタでいいのは、70km/h以下。

　でも新京阪は100km/hで走っていた。阪和電車もそうだ。

[5] イコライザーの威力

　幸か不幸か、アメリカ系の台車は弓形イコライザーが付いていた。
　バネ下重量となるから高速電車には不利、と思いきや、
　これが蛇行動防止には抜群の効果があった。
　軸箱に乗っているところの摩擦で1軸惰行動を抑え込むわけ。アムトラックが1980年代まで手放せなかった理由がこれ。

[6] 高速化には2軸平行が不可欠

　初期の高速台車では、軸箱の前後動をリジットに固定する。その例が標準ミンデンやSミンデン。ペデスタル式でも隙間を詰めた。
　その結果、カーブで曲がり難くなった。

　中には、そんなことを気にしない会社もあった。“カーブ式”会社の異名をとりながら、なにせ車輪にテーパーが無かったのだから。

　すなわち、フランジだけで十分に曲がれる。

[7] 高速性と曲線通過性の両立

　次に考え出されたのは、軸箱の前後方向を弾性支持すること。
　住友台車でいったら、SUミンデン。
　弾性支持ったって、その硬さ柔らかさが難しい。それこそが技術。
　この方式が現在の主流派。

　でもこれ、パッシブ。すなわち、受け身、中途半端ということ。
　車軸をカーブ中心へ正確に、適度に向けるには、アクティブな操舵しかない。

[8] 中途半端な結果がキシリ音

　フランジの案内で曲がるのだから、それが擦れて音がしている、と普通は考える。

　これが違う、と言っても誰も信じない。
　説明が面倒。「電車も水浴びしたい」という記事を読んでほしい。キシリ音防止のために、外軌側のみならず、内軌側にも水を撒く。すなわち、内軌側は、フランジとは無関係。
　全部の車輪が、枕木方向に擦られて、摩擦振動を起こしている。円板の刃を立てて、ものの表面を引っ掻くとビビる。そんな感じ。
　要は、横滑り。

　タイヤを焼嵌めした車輪が鳴かないのは、そこで減衰するため。そう、昔は鳴かなかった。一体車輪になって鳴くようになった。近年の防音車輪は、焼嵌め車輪を真似ている。

　この鉄道路線には、水色と緑色の2種類の電車が走っていて、水を撒くのは前者の線区だけ。その意味は、車輪径が異なり、固有振動数が違うから。繰り返すが、キシリ音はフランジの擦れる音ではない。

【防音車輪の構造は、メーカーである新日鉄住金のページにあります。弾性車輪でないところに注目してください。当然、水色や緑色の電車にも採用されているものの、水色はそれだけでは防ぎきれないのです。ちなみに車輪径は、水色660mm、緑色760mm、本線は860mmです】

[9] 走行抵抗はどうか

　フランジで曲がるんだから、フィレット（ノドR）を弄ったって一緒。それでいいなら、操舵台車は不要。実物は、コンタを削り出す超硬チップの径を基準に14mmRと決めた、っていったらオーバーか。
　擦れるフランジは1枚、横滑りする車輪は4枚（または3枚）。横滑りの抵抗の方が遥かに大きい。計算式があるのだが‥‥。

【フランジと踏面の2点で接触すると、前者が擦れて抵抗が発生する、という意見があります。確かに、最も顕著だと考えられるライオネルの3線式チューブラーレールでは、写真のようになります。
　ということなら、ソリッドレールは肩が尖っているから絶対に有利。競合メーカーのMTHリアルトラックスは冒頭の通りの接触ですから、走行抵抗が少ないはずです。ところが、同社はそんな謳い文句を掲げていません。また差異が存在するならば、3線式ファンが必ず気が付くはずなのに、指摘する声は聞こえてきません。
　本記事の主張は、両点は共に滑る、です。すなわち、これが転がりに影響を与えたとしても極僅かです】

　左右の車輪を自由に回転させるというアイデアも、それで解決するのなら、とっくに実用化されている。

【「森林鉄道貨車の走行抵抗ならびに制動についてpdfファイル3.8MB」のp105-106あたりに、その効果の無いことを示す実験の結論があります。森林総合研究所研究報告第122号（1960年／昭和35年）】。どっかのカーブ式電鉄がKS68をテストしたけれど、それは高速走行時の蛇行動対策です。メーカーと電鉄自身（の技術屋）は、曲線通過の切り札などと微塵も考えていませんでした。

　それと近年は、フランジ塗油の装置が大幅に進歩してきた。これは蛇足。

[10] 車輪テーパーの本当の意味

　仮に、踏面に勾配が無いとしてみよう。

　ここで重要な点は、実物の車輪が摩耗するということ。
　左右の車輪が同じように減ることは無くて、直径に差が出来る。
　と、直径の小さな方に偏り、レールに触れて走行することとなる。

　問題は直線区間。
　レールの通り狂いをそのまま拾ってしまう。
　高速で走ったら、左右に激しく揺れる。下手をすれば、脱線する。

　新幹線の1/40は、そのギリギリの数字。と、汽車会社の高田隆雄氏が書いていた。

　そう、車輪のテーパー、円錐形は、直線と見紛う大きなカーブなら十分に機能をする。
　普通の台車でも効果がある。2本の車軸が両方共、カーブの中心に向いていると見做せるわけだ。平行する2軸は無限遠点で交わる？
　イギリスの鉄道発祥期には既にテーパーがあったと読んだ記憶がある。速度は低かったけれど、当時のカーブは大きかったはずだ。

　直線に近い大曲線と、急曲線とでは、分けて考える必要がある。その境界は曖昧なのだけれど、目安は、スラックの必要性の有無だろう。国鉄の基準でいったら600m。
　モデルに換算すると、1/45で13m、1/80で7.5m、1/150で4mほど。その半分としても如何にも大きい。

　ところで、英語版のYahoo Answersにもこれと同じ質問があって、月並みな回答が並んでいる。ことによると、解ってくれ、と、求めるほうが無理なのかもしれない。

　挿絵がもう少し必要だろうか。疑問を持たれたら、どうかコメントを。

【フランジのほうは、前回の記事「13mmゲージJMを始める前に（4）」と、「車輪フランジ角度の決まり方」をご覧ください。前者はちょっと理屈っぽいのですけれど、後者に根本原理を書いています】

【追記1】いただいたコメントから思い付いて、ネット上での理解度というか、認識度合を調べてみた。勝手に評価していて、信憑性は皆無。失礼の段は平にお許し願いたい。

ネット上のおける認識度の調査

HP名	年	専門	ボギ	踏面	フラ	２軸	操舵	遠心	カン	特記
Yahoo知恵袋：回答7件	2012	○		○	○			×		力作
Yahoo知恵袋：回答7件	2012			○	×					迷答集
Yahoo知恵袋：回答4件	2008			○	○		○	△	○	力作
Yahoo知恵袋：回答5件	2007		○	○	○					波状摩耗
Yahoo知恵袋：回答6件	2004			○				×	×
OKWave：回答2件	2002			○	○			×		フランジ発明
教えてgoo：回答3件	2012			○				×	○
Nifty素朴な疑問集：回答8件	2010		△	○	○					高速で輪重増
YouTube：模型実験	2008			○
テレビ朝日：奇跡の地球物語	2010			○
愛知県の一ファンpdfファイル	2005		○	○		◎	○	○		超力作
千葉都市モノレール社長ブログ	2011	×		○
大阪市交地下鉄教室の体験	2006	△		○

　驚くのは踏面勾配の人気で、いずれでも必ず言及されている。大事なフランジは一部。ボギー台車の存在は、鉄道ファンなら"言わずもがな"なんだろう。
　パッと見て、判った気になり、連想が膨らむという図式かな。むろん、他人のことは言えない。2013-05-09

【追記2】さいたま市の鉄道博物館に次の展示があるという（exciteニュース）。

　次はYouTube動画。

　これでペテン師がさらに増殖。2017-05-10