電車はどうして曲がれるのだろうか？ 地動説的解説

How do trains turn in curves smoothly?　Why did GE (Steerable Trucks), EMD (HTCR) and GATX (Barber-Scheffel Trucks) adopt the steering trucks? Conical tread is not useful on sharp curves. Works on sections that probably run at speeds above 50 mph, gentle curves which radii above 2000 feet and straight lines. That is, in models it only looks good. Is there anyone here who can understand what I mean?

　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「ステアリング台車」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

【追記3】MRフォーラムにも発言したのだけれど、理解できる者は現れなかった。天動説に立ち向かうガリレオの心境もかくや！！　2021-01-20