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5章　駆動装置

5.1　駆動装置の諸方式 top

　分離駆動方式の研究の動機は電車騒音の軽減を目的として出発し、電車騒音の主たる音源である
　�@　軌道に与えるバネ下重量の衝撃に原因する騒音
　�A　歯車の噛合に原因する騒音
を除去するため
　a　バネ下重量の軽減
　b　無騒音歯車装置
の研究が始められた。
これらの研究の最初の試みは、自動車と同じような駆動方式を電車に導入してベベルギヤーとカルダン軸を使用したものであったが、以来各種の駆動方式が生み出され新製される電車は例外なく、分離駆動方式を採用しバネ吊りされた高速度電動機から車輪への可撓動力伝達の方式についての研究と進歩はここ30年来、まことに多種多彩であることは、3章において概要記述した通りである。
現在、日本における電車の分離駆動方式は台車装荷用の駆動方式で
　�@　直角力ルダン方式
　�A　ＷＮドライブ方式
　�B　中空軸電動機式平行ガルダン方式
が広く採用されている代表的駆動方式であって､いずれも電動機は台車に固定され、電動機軸より可撓継手を経て小歯車軸に動力を伝達する。

5.1.1　直角ガルダン方式 top 　5.1図は直角カルダンドライブの略図を示す。 　推進軸は十字軸自在継手およびスプライン軸部からなり、電動機と車軸間に相対変位があっても円滑にトルクを伝え得るようになっている。 　十字軸は従来自動車の推進軸に用いられている十字形の軸受部と、これに嵌合する2個のフォーク形の自在継手を2組用いたもので、軸バネの伸縮に伴なう上下方向の相対運動を許しつつ動力を伝達する。 　歯車装置は直角方向に動力を伝達する必要があるのでベベルギヤーが使用される。 　特に歯車噛合音の防止の見地からスバイラルベベルギヤーなど特殊な歯車が使用されるが、最近の直角カルダンドライブの大きな特長は、ＰＣＣ電車の如くハイポイドギヤーを採用している点てある。 　ハイポイドギヤーは大歯車比が許し得るし、ピニオンの機械的強度も大きいという特長がある。（5.2図、5.3図、5.4図） 5.3図　直角カルダン駆動装置

5.1図　直角カルダンドライブ 5.2図　ハイポイドギヤー装置

　この歯車にはいろいろな長所があるので次第に多く採用され、それまで自動車の後車軸駆動に用いられていたベベルギヤーは次第にこれに置換えられて最近のアメリカの自動車には殆んど全面的にハイポイドギヤーが採用されており、ヨーロッパの自動車でもかなり多く使用されるようになった。
　日本でもGleason歯切機械がぼつぼつ設備され主として自動車用にこの国産ハイポイドギヤーが採用されているが、電車用としては、未だ需要も少く、アメリカのGleason社からの輸入による歯車を装備している現状である。
　線接触のハイパボロイドギヤーと比較して点接触するハイポイドギヤーは理諭上劣っているように考えられ、完全に正しい歯形のパイパボロイドギヤーが正しい位置で線接触して噛合えば、荷重はその線上に分配されるから理想的の如く考えられる。
　しかし実際には歯切誤差のため線接触する筈の歯車が片当りするおそれがある。
　また、かりに歯形が完全に正しくともギヤーケースへの取付誤差があれば片当りが起る。
　一般に焼入歪は捩れ角が小さくなるような方向へ起り、その量は大小両歯車で異り、ピニオ=ンの方か大きいから、理論的に線接触するように歯切りした歯車を焼入れすれば当然片当りする。
　また、無負荷の大きに線接触していても、負荷すれば値が変る。理論上線接触する歯車は,、理想的であっても、低速でしかも軽荷重でない限り実際にはその効果を期待することはできない。
　Gleason社がハイポイドギヤーの製作に当って苦心したのはこの点であった。
　すなわち荷重による変形と、材料の焼入れ歪に対して歯切の際歯面の適当な箇所に当り位置を選び、荷重が加ったときの歯面の弾性的変形によって適度の当り面積を得るようにした。

　(d) ピニオン、およびギヤーの剛性が大きい。これは軸が喰違っているために、ギヤーおよびピニオン軸のそれぞれの両端に軸受を設けることができるからである。

　（e) ベベルギヤーよりも寿命が長い。例えばトラックでは、普通ピニオンのオフセットをギヤーのピッチ円直径の約1/10に制限するが、寿命が4〜10倍伸びたことから明らかなようにハイボイドギヤーでは大きなオフセットをとるから寿命は著しく長いことがわかる。

　（f) ハイポイドギヤーではオフセット量だけ推進軸が低くなり、台車重心もそれだけ低くできて安定度がよくなる。
普通オフセット量の最大はギヤー径の約30％である。

5.13図　ＷＮギヤー・ピニオン（下）

(2)　中空軸電動機式平行カルダンドライブの優劣

　�@　伝動軸の捩りバネ作用を利用してレール面からの動力伝達系に伝えられる衝撃を緩和している。
　�A　伝動軸が電動機軸を貫通している関係上これを長くすることができ、従って電動機とビニオンの相対変位に応ずる撓み板継手の偏角が少いので強庭上有利である。
　�B　自在継手として薄鋼板製の撓み板継手を使用しているので摩耗部分がなく構造が簡単であるほか、軸方向の寸法が短縮されるので、重量が軽減される。
　�C　歯車は、ヘリカルギヤを使用しているので騒音が少い。
　�D　伝動軸が電動機中空軸内部を貫通しているので、中空軸と伝動軸との間に充分の遊隙を必要とする。
　�E　中空輸の電動機軸のため、電動機の転り軸受の内径は必然的に増大するため前述のdn値が増大し、軸受の限界速度の制限を受ける。

5.2　釣掛式と台車装荷式との電動機の受ける振動衝撃の比較 top

　釣掛式電動機がどの程度の衝撃を受けているかについて住友金属製鋼所が京阪神急行京都線において実測した結果によると、時速120kmの時、整流子点検蓋の上で、26〜27hz 20g、車軸受で 20〜30g、台車中央で 1g程度の振動の加速度である。
　従って、バネ吊りされた電動機の受ける衝撃加速度は1g程度と推測される釣掛式が最大 20〜30gであるのと比較すると非常に小さいので電動機の強度上または閃絡防止上などから見てはなはだ有利である。

5.3　バネ下重量 top

5.3.1　釣掛式電動機のバネ下重量

　釣掛式電動機ではその重量の約1/2がバネ下重量となるといわれているが、これの正確な計算例を示すと次の如くである。
　衝撃に参加する電動機の動的バネ下重量(電動機重量のみに対する)は次の式で表わされる。


　三菱電機製　750Ｖ、150ＨＰ、釣掛式電動機につき動的バネ下重量Ｍ'の計算例は次の通りである。
　電動機総重量　1,880kg
　車軸受箱(メタルを合む)　104 kg
　ギヤーおよびギヤーケース　198 kg
　電動機重量(含ピニオン)　M　1,578kg
　この値に車軸受箱・ギヤー、およびギヤーケースの重量を合めた重量――745＋104＋198＝1,047kg――が電動機の動的有効バネ下重量となる。
　これは電動機本体の67％に相当し電動機総重量の55.7％である。
　もし歯車に可撓性を与え、バネが充分軟くて衝撃が歯を通じて電機子に伝わらないとすれば Ia＝0であるから次の如くなる。
　M"＝1.578×765/(1,780+765)＝475kg

5.3.2　各種駆動方式におけるバネ下重量の比較 top

　各駆動方式の日本における実績についてバネ下重量を比較すると5.4表となる。


5.4歯車の潤滑 top

5.4.1　潤滑の基礎

　いかなる歯車装置においても潤滑は常に必要であるが、スパーギヤーの場合は滑りと転りの組合せの運動からなり、両歯の接触線に向って直角に油をつれ込む作用をなすので、油膜の構成には好ましい状態にある。
　この場合は油は隙間の広い部分から、せまい部分に強制的につれ込まれる結果として油圧を生じ、この油膜圧力が荷重を支えるのである。
　一般にスパーおよびヘリカルギヤーでは、油膜の構成維持が比較的容易なので、特に高荷重とか振動荷重のかかるものでなければ、必ずしも強粘着力または高粘度の油を必要としない。
　ただ歯車の接触の機構から油膜強度の大なる潤滑剤であることが望ましい。
　これに対して、おもに相対滑り運動をしているウォームギヤーやハイポイドギヤーなどは常に境界潤滑すなわち非流体潤滑を行う接触の機構にあるので、粘度とともに、その粘着力に重点を置き、しかも油膜強度の大きい潤滑剤であることが必要である。

一般の潤滑と同様に歯車にも流体潤滑と境界潤滑の2種の潤滑が考えられる。（5.25図、5.26図） 　完全な粘性油膜でへだてられている潤滑状態がいわゆる流体潤滑で油層が相当厚いために、摩擦面上の突起点が油膜中に完全に沈む。 　従って部分的には滑り運動が生じていても、運転状態におこるすべての摩擦は、油層間の油の粘性摩擦で熱を発生するのみである。 　これらの熱の一部は潤滑油に持ち去られ、他は金属表面から逐次機械本体に伝達され大気中に放散される。 　潤滑油の粘度が高いと厚い油膜ができるので、接触面の間から排出または押出すための油の抵抗が大きくなって、それだけ伝達能力は大きくなる。 　しかし粘度が高くなるにつれて、油の摩擦損失を増すのみならず、それは然になって余屈を過熱させて流体潤滑をおびやかし、一方潤滑剤の劣化を促進させるのでやはり適当な粘度のものを選ばなければならない。

　もちろん潤滑油は液体であるから、ある程度の圧力が相当時間作用すると、どんな粘度の油でも境界潤滑すなわぢ非流体潤滑がはじまって、相対する歯面に仰しつけられる。
　このような状態は常に摩耗を伴うため避ける必要がある。
　流体潤滑では如伺なる場合にも摩耗は存在しない。
　接触面の間からの潤滑油の排出を最小にする手段としては、圧力を低くするか、作用する時間を短かくするかの2方法がある。
　従って低圧力、高い滑り速度に対しては粘度の低い油を用い、高荷重・低速度では粘度の高いものを用いることが望ましい。

5.4.2　油の粘度 top

　温度が高くなるにつれて潤滑油の粘度は低下するが、その低下する割合の小さいものを粘度指数が高いといい、大きいものを低い指数という。
　歯車の運転温度がかなりの範囲にわたるときは、粘度指数はＳＡＥ−60以上、普通の状態では20以上とされている。
　ウォームギヤーやハイボイドギヤーのように、滑り運動を多く伴う歯車は永久的な境界潤滑を呈していて、ことに低速では著しいが速度の上昇とともに流体潤滑となるので状態は良くなる。
　このような場合に温度上昇とともに粘度が低下することは有利である。
　粘度の高い油ほど良い境界潤滑油となるので、起動の際、または低速状態ではより好ましく、高速状態に達すると押出しの時間が短かくなるので、高い粘度は必要としない。
　粘度の低い潤滑油が歯に附着していると、早く熱を発散して、粘着力が小さくなるので歯車効率が上昇する。
　すなわち温度上昇とともに歯車効率は上昇する。

5.4.3　極圧添加剤（ＥＰ添加剤） top

　一般に仕上面が滑らかであればあるほど、歯の突起部の接触し合うことがほとんどあり得ないので、摩耗は減少し、たとえ油膜が薄くとも流体潤滑を脱することがなくなる。
　従って馴染んでいる機械装置が実用的であるという根本的な理由がここから考えられる。
　実際問題としては、理想的な滑らかな面を仕上げることは不可能であるし、たとえ理想的に滑らかな面が得られたとしても、種々の理由によって、ほとんど滑らかな面のままの状態に留まることがない。
　そこで止むを得ずして生ずる境界潤滑を、できるだけ害のないようにする別の方法として、極圧潤滑油あるいは極圧添加剤の如きものに頼らねばならない。
　これは高荷重のもとに滑り運動が働いているハイポイドギヤーに対して特にあてはまる。
　極圧添加剤（Extreme Pressure Lubricant）の研究は1925年、アメリカの Gleason社がはじめてハイポイドギヤーの歯切に成功し、翌年パッカード自動車に採用したのがはじまりであって、ハイポイドギヤーは特殊な設計であるために、きわめて高荷重で、しかも摩擦速度が早いことから、普通の潤滑油ではその用をなさなくなってきた。

このような苛酷な摩擦面の潤滑に、なおよく潤滑作用をいとなむ潤滑油の必要に迫られ、その対策として極圧添加剤の研究を始めた。 　極圧添加剤の作用は、金属の表面に圧力にも、熱にも強籾な薄膜をつくり、これが高圧・高温下において有効に働き、摩擦面金属の直接の接触を防止して溶着や摩耗を防ぐものである。 　この種の添加剤としては、脂肪酸の鉛石鹸・硫黄・燐または塩素化合物などがよく用いられている。 　5.27図は極圧添加剤の作用を示す。 　図において黒色部は、面の突起部における局部高温によって作られた添加剤と、金属面との開の化学化合物を示すが、この化合物は滑らかな面を形成させるために、次第にすりへってゆく。 　すなわち極圧添加剤は、極圧にともなう摩擦面の極めて高い温度が、その効果をもたらす主因となるのであって、油膜が薄くなって、そのために摩擦が急激に増大して、局部的に一種の焼付きがはじまるようになると、はじめてその箇所の高圧と高温のために添加剤の分解と、新しい反応とが起り、そこに特殊な金属皮膜が生じて、金側相互の摩擦より少い摩擦を生じ、また極度な局部圧力を軽減し、温度を低下させる作用をする。

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