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鉄道車両のブレーキの歩み
（技術随筆　汽車　朝倉希一著 p190-199）

1 手ブレーキと真空ブレーキ top

　列車はブレーキが良くなければ、危なくて走れない。
　それゆえ列車を高速度化するにも、列車回数を増すにも、列車の連結両数を増加するにも、列車運行の改良には、ブレーキの改良が伴なわなければならない。
　列車の運転を円滑に、かつ安全にするには、連結してある各車のブレーキを機関士が任意に制御することが必要であり、このように全車両のプレーキを一箇所から制御し得るブレーキを貫通ブレーキと称する。
　わが国の客車には明治の20年代に貫通ブレーキが設備され、各車にブレーキをかける原動力としては、イギリスの鉄道と同様に、大気の圧力を利用したものであった。
　各車両に列車管を設け、これを車両の間でゴムホースで連結し、各車両に設けてあるブレーキシリンダが、この列車管に結合されている。 
　機関車でこの列車管内の空気を排出すると、シリンダの中はピストンの上下とも真空となり、ピストンは自重で下っているが、機関士が列車管の中へ大気中から空気を入れると、これが列車管からシリンダのピストンの下部へ入りピストンを押し上げて、ブレーキがかかるのである。
　それゆえこの種のブレーキを真空ブレーキと称するが、圧力が低いから、相当の大きさのブレーキカを出すためにはシリンダが大形となる。
　またホースの継手から少しばかり空気が漏れても､その発見が困難であるのみならず､ブレーキの力が相当減ずるのである。
　連結両数が多いほどこの困難が増大するので、客車のように連結両数があまり多くないものでも､圧力保持に相当の困難があった。
　鉄道が国有になった当時、貨車にもこの真空ブレーキを取付ける計画があり、列車管だけを取り付けた貨車が相当多数あった。
　タイ国鉄道では、相当長大な貨物列車にも真空ブレーキを使用しているとのことであるから、保守に注意すれば真空ブレーキを貨車に使用することも不可能ではなかったのであろうが、当時の経験からは保守が相当困難と考えられ、貨車に真空プレーキを取り付けることを止めたのであった。
　当時は貨車にプレーキシリンダを取り付けたものは極めて少数であったから、一般には貨物列車には貫通プレ−キがなくて、列車の中間に緩急車すなわち手ブレーキを設備した貨車を適当両数連結し、車掌がこれに乗り込んで、手ブレーキをかけたのであるから、運転の円滑は望みがたく、車掌の労苦は大なるものがあった。
　ことに雨や雪の日に屋根のない無蓋緩急車に乗務することなどは、非常に困難な仕事であった。
　また非常ブレーキをかけた場合などは、制動車掌は激動のために危険を感じたのであった。

2 空気ブレーキ top

　ヨーロッパ大陸やアメリカでは、貫通プレーキの動力源として圧縮空気圧力を使用したブレーキ、すなわち空気プレーキを使用していた。
　その構造は真空ブレーキより複雑であるがそれだけ作用もよく、鉄道列車のブレーキとしては最良のものと考えられた。
　実際に貨物列車にも使用され、また旅客列車用としても優秀なものであるのでわが国でもこれを採用することになり、大正10年より漸次設備して、機関車および客車の真空プレーキを空気プレ−キに取り替え、貨車には新たにこれを設備することになった。
　この工事が落成してから、貨物列車の連転がいちじるしく円滑、安全になった。
　連結器の改良と空気ブレーキの採用により貨物列車の単位が画期的に大となり、輸送力の増大に大いに貢献したのである。
　空気プレーキは電車には早くから使用されていた。
　初めはアノリカ製のものを使用し後にはこれを模造したが、単車または付随車付運転用のもので構造は比較的簡単であったにもかかわらず、当時その製作には大きな苦心があった。
　客車や貨車に一般に採用することになると特殊の技術を必要とするので、空気ブレーキの世界的会社であるアメリカのウエスティングハウス会社の技術を採り入れることとなり、三菱電機会社（実際の製作は元三菱造船所）と日本エヤーブレーキ会社が、その製造を始めることとなった。
　機関車にはＥＴ６形、貨車にはＫ形が採用された。
　これらは共に当時アメリカにおける標準形であったのである。
　客車に対しては初めウエスティングハウス会社から推薦されたものはＰ形であった。
　Ｐ形はアメリカでは古くから用いられたが、新形のものはＵ形であった。
　しかしＵ形は大形で複雑であり、従って高価であるので、わが国の客車には不適当と認められたのである。
　Ｐ形またはこれと同等のものはヨーロッパ鉄道においても用いられたが、ブレーキを少しずつ緩めることができないことやその他の欠点があるので、ドイツにおいてはクンツエ・クノル式が発達した。
　構造はやや複雑で大形となるが作用は良くて、Ｐ形の欠点は除去されている。
　ドイツからはこの式の採用を申し出たので実際の列車で試験が行われ、成績は予期のとおりであった。
　それでウエスティングハウス会社からは、更に別の形式を案出して推薦して来た。
　すでにわが国の客車には一部Ｐ形を取り付けていたので、Ｐ形の性能に満足できないことが明らかになったし、Ｕ形では複雑に過ぎるので、それらの中間の性能を有するものであった。
　実際試験の結果は予期に反して悪かった。
　しかしすでにウエスティングハウス会社の技術を導入することになっていたから、クンツエ・クノル式を採用するには困難があるし、かつ同式はシリンダが大形となる等の不便があるので、わが国において適当のものを設計することになった。
　日本エヤーブレーキ会社の設計にかかるものが優秀で、実際に試験の結果も良好であったので、これが一般に採用されることになった。
　これがＡ動作弁である。
　電車にもこれが使用されたが、電車に対してはその後、電磁空気弁を取り付けることによってその性能が一層改良された。
　ウエスティングハウス会社の推薦したものの成績が良くなかったため、その原因を探求して、ブレーキ装置に対するわが技術者の知識が急に向上して、この結果を見るに至ったのであり、ウエスティングハウス会社においても、この弁を大いに賞賛していた。
　イギリスから購入した電気機関車の成績が悪かったので、わが国の電気機関車製造技術が急に進んだのと好一対である。
　アメリカにおいては貨物列車がますます長大となるにつれて、Ｋ形の改良が計画された。
　わが国においても、Ａ弁の経験を基として、Ｋ形に代る貨車用としてＢ弁を設計し試験室における実験研究中に戦争が起きて、その後その研究が中絶したが、Ｂ弁のようなものが要望される時期は来るものと思われる。

3 制輪子 top

　以上のようにわが国の列車のブレーキは相当進歩したものであるが、なお改良を計画しなければならないものとして、次の重要問題がある。
　すなわちその一は制綸子の問題であり、他の一は高速度列車用のブレーキである。
　従来一般に使用されているプレーキは摩擦ブレーキであり、車輪の周へ制輪子を押え付けて、摩擦によって運動のエネルギーを熱に化して吸収するものである。
　制輪子は一般に鋳鉄で作られるから、鋳鉄が粉として飛散することが多い。
　東京付近の国鉄電車は毎日約２トンの鉄を粉として飛散させているのである。
　制綸子の摩耗が多いと、取替や調整に手間を要することが多く、制綸子の代価も大きいので、その消費を節約するために、材質の研究が行われた。
　大体リン含有量の多いものが良い成績を表わすが、この種のものは原料および鋳造にに多少問題がある。この材質の研究によって消費量は多少改良されたのであるが、鋳鉄以外のものを使用することも研究されたら鉄鉱などを溶解したときに出るスラグをかためて試験的に使用して、一見良い成績を示したものもあるが、この種の材質では熱の伝導が悪いために、車輪周が過熱して、ワレなどの起る原因となるので、広く用いられるに至らなかった。
　自動車ではブレーキライニングをブレーキディスクに押し付けている。
　自動車は軽いから、吸収すべきエネルギーも小であるが、列車の場合にはエネルギーが大きなため、この種のものを使用するには特別の装置を必要とするのであり、今日においては一般には鋳鉄製制輪子が使用されているので、炭素を鋳込んだもの、　その他種々の材質のものが国鉄で研究されている。

4 電気ブレーキ top

　制輪子の攻良はなかなか困難なものであるが、電車の発達に伴なって、電車では電気ブレーキを常用する傾向に進んで来た。
　従来は電気ブレーキは非常の場合にのみ使用されたに過ぎないのであった。
　ただ特殊の急勾配線においては電気ブレーキを常用するものがあり、またこの場合ブレーキとして発生した電力を他に利用する回生ブレーキも現にわが国においても使用されつつあるが、都市近郊電車の場合に電気ブレーキを常用することは近年の急速な発達によるものである｡
　電気絶縁物が発達改良されたため､電動機に許される温度が高くなったことは、電気ブレーキの採用を促進したのである。　電気ブレーキは操縦が容易であり作用もよいが、これを常用するためには電動機の設計をこれに適合したものとしなければならないから、従来の電動機で直ちに電気ブレーキを使用することはできない。
　しかしわが国においても地下鉄道等においてすでに常用電気ブレーキが採用されており、今後ますます広く採用される傾向にある。
　制輪子によって吸収されたエネルギーも結局は空気中に放散されるのであるが、電気ブレーキにおいては電動機を熱した熱が空気中に放散されるのであり、電気ブレーキを採用すれば制綸子は緩速度から停止までに、また場合によっては高速度において補助的に使用されるに過ぎないから、その消費量を大いに節約できる。
　摩擦ブレーキにおいては、ブレーキをかけてから制綸子が車輪を押し付けるまでに多少の時間を要するものであり、この時間中に列車が走る距離は列車速度が速ければ速いほど大である。
　それゆえ列車速度が大となるにつれて、この時間を短縮しなければならない。
　電気ブレーキでは、この時間が極端に短縮される特徴がある。
　高速列車用では空気ブレーキでも作用時のこの時間を短縮する必要がある。
　そこで自動式でかつ直通式である構造が発達した。そしてこの種のものは繰縦も容易である。
　わが国でも高速電車を運転している会社ではすでに採用している。
　国鉄でも高速度運転が計画されるときはブレーキの改良が問題となるべきである。

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電車のブレーキ top
（鉄道車両メカニズム図鑑　伊原一夫著 p198-204）

　走行している電車を停止させるためのブレーキ方式としては、空気ブレーキと電気ブレーキの２つの方式がある。
　空気ブレーキは圧縮空気によって空気シリンダを作動させ、車輪を押さえつけて車両を止めようとする試みで、1869年、ジョージ･ウエスチングハウスによって実用化の道が開かれた。
　その後、車両の高速化や長大編成化の要請から改良されて今日に到っている。
　電気ブレーキはその後の電気システムの進歩により考案されたもので、数々のメリットをもっており、最近ではこれらを併用したシステムが一般的に採用されている。その代表的なものを紹介しよう。

�A　自動空気ブレーキ top

　直通空気ブレーキはシステムとしては簡単であるが、空気管系統のどこかに空気漏れがあるとブレーキ作用が不能になってしまうという致命的な欠点がある。
　今日のように長大編成のブレーキ装置としては応答性などの点で不向きであり、これらの欠点を補ったシステムとして自動ブレーキが考案され、長い間、車両のブレーキ装置の主流として使われていた。
　最近の電車ではさらに新しいシステムにその座を譲っているが、客車や貨車では現在でも活躍している。
　ブレーキ管と呼ぶ空気管を、連結部ではゴムホースや密着連結器などで接続して、各車に引通し、これに各車両ごとに三道弁と呼ぶ制御弁を経由して、補助タンクとブレーキシリンダに接続しておく。
　補助タンクにはブレーキ管を通じてあらかじめ一定の圧力空気(通常5kg/c�u)を込めておいて、作動時にはブフレーキ管の空気をブレーキ弁などで大気に放出して減圧すると、それに即応して三道弁の働ききによって、補助タンクの圧力空気がプレレーキシリンダに送られる仕組みとなっている。

　ブレーキ管を減圧することによって、ブレーキ作用を行なわせるので、たとえば列車分離などで連結ホースが切断されると、ブレーキ管の空気は大気に放出され、編成全体にブレーキが作用する。
　ブレーキ管の減圧操作は、圧力計でブレーキ管圧力を監視しながらブレーキ弁により行なうのが正常な扱いであるが、非常吐出弁(車掌弁)を設けておけば、運転台以外でも、非常の際にブレーキを作用させることかできる。
　こうしたフェイルセイフのシステムは非常時のバックアップとして、新しいブレーキ装置にもこの思想に基づいたシステムが付加されている例が多くみられる。
　しかし、長大編成になると、運転台での減圧が最後尾車両まで伝達するのに若干時間を要し、先頭と後尾ではブレーキ作用に遅れが生じる欠点がある。
　また最近の電車では、電気ブレーキを併用するのが常識的な考え方なので、同時に作動する電気ブレーキとの協調がうまくとれない。
　そのため電車のブレーキ装置としては主役ではなくなってきている。

�B　電磁直通空気ブレーキ top

　比較的新しいシステムで、昭和20年代後半から実用化され、最近でも現役で活躍している。
　システム的には、さきに紹介した直通ブレーキの思想を採り入れ、編成の各車両に直通ブレーキ装置を設けて、運転台のブレーキ弁から空気圧指令と同時に、電気的な指令を出す。
　各車両に設けられた”込め電磁弁”と”ゆるめ電磁弁”と呼ばれる二つの電磁弁を調節して、直通管を所定の圧力に調節する。”込め電磁弁”を作動させると直通管に圧力空気を込め、”ゆるめ電磁弁”を作動させると圧力を下げる役割をしており、直通管の圧力を自由に調節することができる。
　また直通管は編成全休に引通されており、仮にいずれかの車両の電磁弁が故障していても、他車両から”込め・ゆるめ”が行なえる。
　実際の車両では、直通管の圧力空気を直接ブレーキシリンダに送るのではなく、直通管圧力に比例した圧力空気を各車両が持っている供給空気タンクから、中継弁と呼ばれる制御弁を通じてブレーキシリンダに送られる仕組みになっている。
　直通管の空気をそのままブレーキシリンダに送ると、直通管内の圧力変動により、安定したブレーキカが得られないことから、このように指令としてのみの役割にとどめている。

　電気的に指令を出していることから、長大編成になっても、各車両間のブレーキの応答性がほとんど変わらないため、良好なブレーキ性能を得ることができ、前にも述べたように600mの停止距離の制限を考えた場合にも、運転速度をさらに高く設定することができる。
　電気ブレーキとの併用の場合も、直通管圧力を監視して、これに見合う電気ブレーキを作動させることができ（この場合空気ブレーキは電磁弁でカットしておく）、空気ブレーキと電気ブレーキとの連携動作を容易に行なえる。
　以上のように優れたシステムであるが、直通ブレーキと同様に、空気漏れや列車分離の際にブレーキが作動しない欠点があるので、バックアップ機能として、ブレーキ管を引通しておき、自動ブレーキの仕組みで、非常ブレーキを設けるのが一般的である。

�C　電気指令式空気ブレーキ top

　電磁直通空気ブレーキでは、直通管圧力を介して、ブレーキカを設定していたが、この指令系の空気関係をすべて排除して、電気的に直接各車両のブレーキを作動させる方式として誕生したのが、電気指令式空気ブレーキである。
　最新のもので、運転台からのブレーキ弁（電気信号の処理のみなのでブレーキ制御器と呼ぶ）の指令は、電圧または電流によるものと、3本または4本の指令線のON・OFFの組合わせによるものとある。
　前者をアナログ方式、後者をデジタル方式と呼んでいる。

　いずれもフェイルセーフの考え方から、無信号となったときに非常ブレーキが作動するようになっており、電気的な故障や列車分離などに備えている。
　ブレーキ制御器には空気弁が無く、すべて電気的な装置なので、マスコンと一体にして、ひとつのハンドルで力行からブレーキまでの制御を行なうことも可能である。
　ワンハンドル方式と呼び、運転操作の容易化から国内でもいくつかの車両に採用された例がみられる。

2 電気ブレーキ方式 top

�@　発電ブレーキ

　電車の駆動モーターに電力を供給しないで回転している状態のとき、これに負荷抵抗を接続すると、モーターは発電機となり、負荷に電流を流す。
　フレミングの右手の法則で、磁界中のコイルに外部から力を加えると、コイルに起電力が発生することは前に述べた。
　給電してない状態では、界磁電流がゼロであるから磁界は発生してないが、回転機にはわずかに残留磁気がある。
　負荷を接続して回転させるとこのわずかな磁束との間で、起電力が発生し、これによる電流で、白身で界磁電流を増やして、発電機として機能する。電車走行中の運動エネルギーを､駆動モーターを発電機として電気エネルギーに変換し、抵抗器でジュール熱として消費させ、ブレーキカを得る方法を、発電ブレーキまたはダイナミックブレーキと呼んでいる。
　動力源をブレーキ機能に利用している点では、自動車のエンジンブレーキに似ている。
　抵抗制御の電車では、抵抗値を自由に選べる抵抗器を持っており、発電ブレーキのときもこれを利用して、モータの発電電圧に応じて抵抗値を変化させ、安定したブレーキ力が得られるように制御している。
　発電ブレーキは高速域ではもちろん有効であるが、かなり低速域まで活用でき、5〜10km/hの例もある。
　交流電車の場合、力行はタップ制御方式やサイリスタ位相制御方式としているが、電気ブレーキには発電ブレーキを採用しているのが一般的である。発電ブレーキ専用の抵抗器や主制御器を設けている例が多く見られ、新幹線の電気ブレーキもこの方式である。
　発電ブレーキの広範囲の速度域での安定したブレーキ性能や、空気ブレーキと違って、ブレーキシューの摩耗が無いなど優れた特徴をもっている。

�A　電力回生ブレーキ top

　発電ブレーキは性能的には優れた特注を持っているが、発電した電気エネルギーを熱にして捨てている。
　この無駄にしているエネルギーを何とか活用できないかとの発想で考案されたのが電力回生ブレーキ方式である。
　発電した電力を架線に戻して、同じ路線を走行中の他の車両への電力としたり、場合によっては変電所に戻してやろうとする試みである。
　直流複巻のモータを発電機とした場合、高速域では高電圧を発生し、低速域では電圧が下がってくる。
　発電ブレーキでは抵抗を接続することで、オームの法則に基づいてほどよい電流に制御し、適性なブレーキカを得るが、電力を回生する場合には発電電圧を架線電圧より、やや高めにして電圧を保持していなければならない。
　発電機の発生電圧は、回転する力と磁界の強さに比例していることに着目して、界磁コイルの電流を調節し、磁界の強さを変化させ、モータの回転数が変化しても、発生電圧が一定となるよう界磁を制御する方式が考案され、これが界磁制御方式と呼ばれている。
　界磁制御のやり方には、いろいろあるが、その代表的なものとして、界磁コイルを2組持った(複巻電動機と呼ぶ)モータの片側の界磁の電流を独立に調節して界磁の強さを制御するものがある。電流の制御には、前に述べたチョッパ装置を応用したものなどがあり、”界磁チョッパ制御方式”と呼んでいる。
　このほかに直流腹巻の界磁コイルヘ外部から、電圧を添加して界磁の強さを調節する”界磁添加励磁方式”と呼ばれるものなどがある。
山手線の新型電車はこの方式を採用した回生ブレーキ付きのもので、省エネに一役かっている。
　前に述べたチョッパ制御やVVVFインバータ制御方式でも、回生方式のからくりは異なるけれど、電力回生ブレーキが可能なシステムである。
　交流電車でも、理論的には回生ブレーキ方式が可能であるが、制御が複雑になり、その例は少ない。
　今後研究が進み、近い将来には交流電車や交直流電車の回生ブレーキ付き電車の普及をみることができると考えられる。

　安全弁は何かの異常で圧力が設定値以上となり、危険な状態となったとき、元空気タンクの空気を大気へ放出し、規定の圧力に下げる役目をしている。
　最近ではこのほかにロータリ式のものも一部で見られるようになってきている。
　レシプロ式と比較して、振動が少ないとされており、今後どのように普及するか、興味のあるところである。

�A　ブレーキ制御装置 top

　最近の電車のブレーキ装置は、電磁直通空気ブレーキや電気指令空気ブレーキが主流で、機器の構成が非常に複雑になってきている。
　各システムで必要な制御弁や電磁弁などの空気部品をひとつのユニットにまとめ、管座と呼ばれる枠組（管座の内部に空気通路を用意しておき、部品を取付けるだけで空気回路が構成されるように設計してある）にまとめてあるのが一般的になっている。
　このユニットはブレーキ制御装置と呼ばれ、電車の床下に搭載されている。
　電磁直通空気ブレーキでは、込め電磁弁、ゆるめ電磁弁、中継弁、バックアップ用の三道弁などで、電気指令式では電気信号を空気圧に変換する電空変換弁などである。
　また通勤形車両では乗客荷重により、満車時と空車時の重量差が大きいため、荷重による台車の撓み量や、空気ばねの内圧を検知してブレーキカを調節している。
　これは応荷重装置と呼ばれ、ユニット内に組込まれている。電車のブレーキのコントロールセンターともいえる装置である。

�B　空気ブレーキ装置のその他の部品

　空気ブレーキ装置にはこのほか、運転台にはブレーキ弁(またはブレーキ制御器)、圧力計などがあり、床下には各空気部品に異物が入らないよう保護するちりこしや、保守用に必要な各種コックなどが設置されている。
　それらについては電磁直通空気ブレーキ方式のモデル図を挙げたので参照してほしい。