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INDEX    1    2    3    4    5    6    7    8    9

7章　欧米における電車電動機の変遷と高速度化の推移

7.1　一般 top

　ここ30年来、電動機設計の傾向は、その回転数をますます高くとって、小型軽量化の方向に進んでいる。
　電動機の高速度化は必然的に大歯車比の許容を不可避とするため、駆動方式、歯車装置の設計、材料、および熱処理法に研究が向けられ、これらの研究の成果として、大歯車比の採用が可能となり、またこれと平行して電動機の高速度に耐える整流子などの機械的設計、良好な整流を保証する電気的設計、および材料特に電気絶縁物の進歩と相まって軽量小型化されてきた。
　この30年の進歩はまことに目ざましいものがある。
　一般に駆動装置・歯車装置とは、電動機の軸端に生ずるトルクと回転を歯車によって車軸に伝達して車両を駆動する一連の機構をいい、車両は、電動機軸端のピニオンと車軸に固定されたギヤーとの歯車比だけ減速されて走行する。
　この場合、歯車による減速には二つの目的がっあて、一つは車両の速度を減速することであり、他はトルク、すなわち車両の引張力を増すことである。
　車輪踏面における引張力は、2章の2.6式に示す通り、電動機の回転数と車輪径に逆比例し、歯車比に正比例する。
　従って高くなった電動機回転数に比例して、大きい歯車比が許し得れば、所要の引張力は確保できる理屈である。
　一方レール面からの衝撃に耐えて電動機のトルク伝達のための歯車強度を保ちながら、大歯車比を得るには、いきおいギヤーの直径の増大をきたし、ギヤー直径の増大は車輪径の増大となって矛盾してくる。
　従って小さな車輪径分大きな歯車比を得るには、歯車装置の設計、材質の研究、熱処理法の進歩に待たねばならない。
　歯車装置の設計の変遷は1段減速から2段減速に進展し、ついにウォームギヤーを経て現在のようなハイポイドギヤーを使用する直角カルダンドライブ、あるいはヘリカルギヤーを使用するＷＮドライブ、ディスクドライブなどの特殊な動力伝連装置の進歩となった。
　換言すれば電動機の高速・軽量・小型化は、まさに電動機に高速を許し得る歯車装置如何にかかっている。
　一般に釣掛式電動機による直接駆動方式においては歯車比の最大が 5：1 程度を超えることができないが、この理由の主たるものは
�@　車軸と電動機との中心間距離
�A　歯車の強度
�B　ギヤーケースとレール面間の最小限の遊隙の保持
という制約を受けるからである。
　これに反してバネ吊り式電動機による分離駆動方式においては歯車比は電動機の経済的最高速度を許すことができて、電気車の形式によっては、22：1の歯車比すら許し得ることとなった。
　このように高速度電動機の進歩の歴史は大歯車比を許し得る歯車装置と特殊な動力伝達装置の進歩の歴史であるということができる。

7.2　釣掛式電動機（直接駆動方式） top

　1894年ＷＨ社も改良形12-A形電動機（7.7図）を製作し、両社の新設計が当時の代表的電動機であり、運転性能もよいので以後この2形式が長い間標準電動機となった。この2形式の特長は次の通りである。
　�@　直巻電動機で起動トルクが大きく、速度の上昇が早い。
　�A　従来のような開放形でなく鋳鋼製の磁気枠で取巻いた密閉形となって電動機内部の保護が完全である。
　�B　電機子鉄心はスロットを打抜いた鉄板の積層であって、巻線はスロット挿入前に充分絶縁処理されている。
　�C　4極、波巻形で1対のブラシを有している。
　�D　炭素プラシが界磁の中間の中性点位置におかれ、逆回転の場合でもブラシ位置を変える必要がない。
　�E　1段減速、スパーギヤーが使用され、電動機の回転数は500〜1,000rpm、歯車比は5：1ないし2：1である。
　�F　ギヤーケースは可鍛鋳鉄製であって、歯車の潤滑剤の補給箱の役目も兼ねている。
　その後、電動機の信頼度が増すにつれて点検の必要もなくなったので、分割形の磁気枠は一体箱形に変り、界磁も積層鉄板が使用され、また電機子巻線の絶縁も進歩すると共に、従来の丸線にかわって、占積率のよい半角線が使用されるようになって電動機出力は飛躍的に増大するに至った。
　またニス漬乾燥による含浸絶縁の進歩は電動機の寿命を格段にのばすこととなった。
　アメリカにおける他の数社におよぶ電機メーカーも、それぞれ電動機の試作をしたが逐次、改良を加えては性能の改善に努めていくＷＨ社とＧＥ社には対抗することもできず、以後、ＷＨ社とＧＥ社がアメリカを代表する2大メーカーとなったのである。
　この時代における500Ｖ、40〜50ＨＰ電動機の代表的な例について、説明すると次の通りである。
　例えば、ギヤーとピニオンの歯車中心距離が14インチでダイアメトラルピッチが3とすると、ギヤーおよびピニオンの歯数の総計は2.11式より
　3×14インチ×2＝84インチ
　この当時はピニオン歯数の最小は15枚でダイアメトラルピッチは3とするのが一般の常識であった。
　この当時における最良の材質のものでも、キー溝位置における歯底とボアーとの間の強度でおさえられて、これ以上の小さなピニオンは使用出来なかった。

　1912年 Pittsburgh鉄道会社は24インチの車輪を使用するいわゆる低床式電車を試作して注目をあびた。
　電車の自重は僅かに15.3tとなったので、電動機出力は600Ｖ、35ＨＰの電動機4台で充分となった。
　この電動機はＷＨ社で開発された328形であって、電機子軸にファンを取付けた自己通風式である。
　この当時までの長い間電動機は水の浸入を防ぐ目的で全閉形であったが電機子にファンを収付けて通風すると容量が増大することが判明し、この時以後全閉形もすたれていった。
　ギヤーはダイアメトラルピッチ3.5で歯末の而も従来の127mmが100mmとなった。
　この低床式電車はギヤーケースとレール面との遊隙が75mmであったが、これは後に100mmの遊隙とするため26インチの車輪径に変更された。
　歯車中心距離は10.43インチで全歯数は73枚、ピニオン歯数は15枚、歯車比は 58：15＝3.78：1 となった。
　これは33インチの車輪径の場合の歯車比 5.32：1 の減速比に相当したから、この当時としては一大進歩であった。
　この328形電動機は
　　電動機の最大安全速度……………2,600rpm
　　電機子最大周速……………………34m/s
　　整流子最大周速……………………29m/s
であって、回転数は37％高くなったにもかかわらず電機子直径が小さくなったために電機子周速はほば同じで整流子周速が14％高くなっている。
　ピニオンおよびギヤーケースを含めた電動機重量は760kgで、500Ｖ、50ＨＰの初期の電動機に比較すると40％軽量化となった。
　4台の電動機の重量節減が2,050kg、さらに33インチの車輪径を24インチの車輪径に換えたために生ずる重量組成と台車構造の軽量化による重量の節減は1,800kgとなった。
以後、15年間は電車の電動機の設計はこの低床式電車用の試作電動機に準じて進められ、26インチの車輪径に対し25ＨＰ、40ＨＰおよび50ＨＰなどが設計されて標準となった。
　25ＨＰの場合には歯車比は5.7：1が使用されダイアメトラルピッチも4.25が採用された。
　この時代は26インチ低床釣掛式電動機の開花期ともいうべきで、1時間定格50ＨＰの電動機は定格回転数1,000rpm、ギヤーおよびギヤーケースを除く電動機重量は880kg、ギヤーおよびギヤーケースを含めると990kgであった。
　歯車比は、53：14＝3.78：1となりダイアメトラルピッチは3で14枚の歯数のピニオンが使用されるに至った。
　この電動機は
　　最大安全速度…･････…………………3,000rpm
　　電機子最大周速……………………43 m/s
　　整流子最大周速……………………35 m/s
という数字にまで飛躍するに至った。

7.2.2歯車の騒音 top

（1）騒音の原因

　釣掛式電動機の進歩と共に歯車騒音の除去という問題が研究され、防音装置も考案された。
　一般に歯車が互に噛合って回転する総合、騒音の発生する原因として考えられるものは
　�@　刻み円周速度
　�A　負荷状態
　�B　工作誤作
　�C　歯車材料
　�D　歯車形状
などである。
　歯車の騒音は種々な原因により起る伝動誤差のため運転中に角加速度を生じ、運転部分の慣性により歯の接触が不確実となり、その際、生ずる歯と歯の衝撃および撓みによって超される歯車自体の弾性自由振動を誘起して騒音を発生する。
　電車の歯車の弾性振動によっておこる騒音について、1929年 Detroit市電の H.S.Williamsの研究の結果はその原因を次の如く結論づけている。
　�@　個々の歯にかかる負荷が均等でない場合、すなわち負荷を分担する歯の枚数がある瞬間と、つぎの瞬間で異なる場合、圧縮歪が増大して振動を誘起する。

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　�A　隣りの歯が負荷を分担する前にすでに無負荷となることによって生ずるハンマ作用が原因となる場合であって、とくに無負荷状態では歯の接触が不確実となりハンマ作用をおこし易い。
　�B　歯切誤差および、熱処理による歪偏心の生じた場合
　�C　据付位置の不正のための歯の片当り
　�D　歯相互の干渉
　�E　歯の欠損
　�A項の原因に対しては、ダイアメトラルピッチを大きくして、同時に負荷を分担する歯数を増す必要がある。

(2)歯車の防音装置

　1926年のアメリカの Tool Stea1 ＆ Pinion社の E.S. Sawtelle による研究発表によれば、電車の歯車音として2種の異なる形の騒音が発生し一つは低周波のガラガラという音であり、他の一つは鐘の音のような高周波音で耳障りとなるのはこの高周波音である。
　低周波音は摩耗した歯の噛合いか、または摩耗あるいは保守の悪い軸受のためにギヤーとピニオンの中心距離が狂っているため発生するもので、従って低周波音を除去するには、軸受を良くすることと、ギヤーとピニオンの中心距離を正確に保持すればよい。
　歯の噛合いが過度に摩耗している場合には歯車を取替える必要がある。
　ヘリカルギヤーの採用は主として騒音除去が目的であった。
　しかしながらこのヘリカルギヤーといえども普通のスパーギヤーと同様に、軸受が摩耗するか、またはギヤー・ピニオンが摩耗しているか、あるいは据付の悪い場合にはそれほど効果の期待できないことはもちろんである。
　鐘の音のような高周波音は鐘のような形状をした鍛造ギヤーから出る場合が多い。
　時としては鋳鋼製のスポーク形のギヤーからもこの音が出ることがあるが、この形のギヤーは現在すたれている。
　Sawtelleはこの金切声の高周波音を除去すべく数多の試験の結論として、木材かまたはこれと近似の材料をボルトで取付けるか、コルクとか鋸くずのようなものを取付けると良いということを発見した。

　(b)は鍛造歯車でリムの内側に溝を設け、これに板金の輪を入れ、その先端を溶接しその開に前同様、硬質鉛またはバビットメタルを鋳入したものである。
　（c)は(b)と同様にリムの内側に溝を設け、それに6〜8mmの丸鋼で造った環形のバネをはめ、その一部がリムに溶接されたもので、この環の外径は溝の内径より大きく、常にある圧力でリムに押付けられている。
　いずれにしても歯車のリムにこれと固有振動数の異なる物体を接触させてリムとその物体との間に僅かな相対運動を起させ、その振動エネルギを吸収して、リムの固有振動数を変化させるようにしたものである。
　ギヤーとピニオンの中心距離を正確に保って歯の強度を増すと共に防音効果をあげているものに7.13図のようにアクスルと電機子軸にコロ軸受を採用したドイツの釣掛式電動機がある。
　これは1924年 Hagen（ドイツ）で成功して、次いで Bremenその他、ドイツ各地で広く採用されている。

7.3バネ吊り式電動機(分離駆動方式） top

7.3.1 釣掛式からバネ吊り式電動機への転換

　電車騒音の主たる音源は、
　�@　軌道に与えるバネ下重量の衝撃に原因する騒音
　�A　�@に比べると程度は僅少であるが歯車の噛合に原因する騒音である。
　また、バネ下重量の衝撃はバネ下質量の速度変化によって発生するものであり、速度変化とはレールのポイント・ジョイント・波状摩耗をしたレールおよび交叉点などの軌道の不正に原因する。
　そこで、1920年頃よりヨーロッパにおいて
　�@　バネ下重量、すなわち、デッドウェィトの軽減
　�A　無騒音歯車装置
の研究が始められた。
　歯車の形式については一般に、スパーギヤー・ベベルギヤーおよびウォームギヤーがあるが、スパーギヤ−が製作面でも保守派でも最も安価である。
　ウォームギヤーは最も高価であるが噛合は最も静粛である。
　ベベルギヤーは製作費はスパーギヤーより高価でウォームギヤーよりは安価であるが保守が容易でなく調整がむずかしい。
　すなわち唯一つの歯車中心距離の値いにおいてのみ歯形が正しく、従って正しい噛合をするような歯形であるので調整が狂うと却って激しい騒音を発生する。
　ベベルギヤーをスパーギヤーと比較して唯一の利点は直角駆動が得られることであって、その他の点ではスパーギヤーが有利である。
　スパーギヤーは簡単で捨て去ることの出来ない長所を持っているので、噛合音の軽減については歯形・歯車設計・熱処理による歪の減少、熱処理後の研磨、および歯車自身に弾性構造を採用するなど種々の研究が行なわれてきた。
　しかしながら在来の釣掛式電動機による直接駆動方式には根本的に次のような大きな欠点が2つある。
　�@　電動機が釣掛式であるため電動機の約1/2に相当する重量がバネ下重量と見なされる。
　　　そして車軸の跳躍などによる角変位に対して、電動機の慣性は車軸の角変位を加速する方向に働く。
　�A　電動機の重量とサィズは電動機速度の上昇とともに低下するにもかかわらず、釣掛式方式の許し得る最大歯車比という絶対的な制限を受ける。
　この故にピニオンや軸の材質にニッケルなどを含む特殊鋼の研究が行われ、その結果は歯車の強度が増してかなりの歯車比の増大となり、また経験を積むうちにピニオンも小さく出来ることとなったので、これらの点て電動機速度の上昇を許し得ることとなったが、これは釣掛式方式の欠点の根本的解決とはならなかった。
　根本的解決策の最初の試みは自動車と同じような駆動方式を当事に導入したことであった。
　電動機をバネ吊りすることの研究がベベルギヤーとカルダン軸の使用を可能とし、電動機を車軸から分離することとなってバネ下重量も小さくなり、大歯車比が許し得ることとなったのである。ウォームドライブではさらに一層大きい歯車比が得られる。
これを要するに1920年以降の改良・進歩の最大の目標は次の3点に集中された。
�@　電動機の速度の上昇を図って重量、サイズを軽減する。
�A　電動機の慣性を車軸から分離する。すなわち、バネ吊りとして、バネ下重量を軽減する。
�B　歯車騒音の減少
従って欧米各国の電鉄関係の技術者は上記の目標に真剣に取組み、各種各様の新駆動方式を試作研究し、現在もなお研究が続けられている。これらの新駆動方式について、以下にその年度順に簡単に記述して進歩の経緯を紹介することとする。

7.3.2　ドルトムント・カルダンドライブ(Dortmund Cardan Drive)　(注1) top

　動力は、このヘカルギヤーから両側のカルダン軸に伝達され、さらにカルダン軸から車軸に支持されたベベルギヤーを経て動輪に伝達される。減速は第1段のヘリカルギヤーと第2段のベベルギヤーとの2段減速である。
Albrechtの考案になるアルプレヒト・ルジアル型のアクスルを装備したこの台車の固定軸距は4mであったが、Dortmundにおける試験の結果は21mの曲線路を35km/hの速度で通過して衝撃も騒音も感ぜられなかったほど、この台車は優秀な設計であった。
この方式の利点としては当時次の点が列挙されている。
　�@　電動機は対地に対し完全に絶縁されていること
　�A　バネ下重量を完全にバネ上に転移出来たこと
　�B　軸受故障の皆無であること
　�C　大歯車比が許し得ることとなって、電動機の高速度化が可能となり、電動機重量が軽減されたこと
　�D　電動機に対する振動衝撃がなくなったこと
　�E　潤滑油槽であるギヤーケースの中で歯車が回転するので、歯車寿命がのびたこと
　�F　タイヤの摩耗が減少したこと
　�G　バネ下重量の減少による台車寿命が増加したこと
　�H　ラジアルアクスルを採り入れたので、走行中の騒音がなく、また小さな曲線路も通過できること
　この試作車で50,000km走行した後の試験データを取まとめて、1924年の春、Miller博士が Elberfeld で開かれた学会で発表したのであるがその成績が優禿であったので、数社におよぶ電鉄会社が、今後の試験データを相互に交換し合うという条件で Albrecht の考案による Albrecht-Kruppカルダンドライブ電車を25両購入することとなり、これらの最初の電車は1926年の1月に運転に入った。
　この当時の価格で新式の Alblecht-Kruppカルダンドライプの電車は同容量の釣掛式標準車より10％の割り高であった。
　しかしながらこの新車購入費の割り高は納入後の保守費の低減と、この駆動方式による前記利点で充分償えるものと信じられた。

7.3.3　ベルリン・カルダンドライブ（Berlin Cardan Drive）　（注2）Electric Railway Bus and Tram Journal 1929年7月 top

1924年の9月にベルリン市電はNeuen AutomobileＧeselschaftの製作にかかる自動車と同じ駆動方式を採用した試作車を製作した。これはＡＥＧ製の滑り軸受付の45ＨＰ820rpmの電動機を車体に取付け、歯車装置はスパーギヤーとベベルギヤーとを1箱の中に収めたものである。 　 スパーギヤー歯車比　40：16 　 ベベルギヤー歯車比　34：14 　 総合歯車比　　　　 6.1：1 　 7.16図、7.17図はこの試作車の駆動装置を示す略図である。 　この試作車が成功したのでBerlin市はさらに10両を追加製作した。こ 　のBerlin市電のカルダンドライブ方式はカルダン駆動にかかわらず台車の固定軸距が短かくできているが、カルダン軸の寿命という観点からはこの軸は長い方が良い。 　 7.18図はその後のBerlin市電カルダンの改良型1段減速方式を示す。Berlin市電のカルダンドライブの歯車比が小さいので、電動機は低速度の重い高価なものとならざるを得なかったが、Albrecht Kruppドライブはスパーギヤーの歯車効率96〜97％、ベベルギヤーの歯車効率95〜96％の高効率であったため、高速軽量の1,300rpmの経済的電動機が採用できることに特長があった。 　1924年秋におけるドイツの電車用電動機の定格回転数・重量・価格の関係を7.1表にベルリンカルダンドライブ方式は結論的には良い成績を収めることが出l来ずして廃棄され、再びもとの釣掛方式で最大歯車比を増大する研究に力を注がれることとなった。 　Berlinの失敗の原因は、カルダン軸が短かすぎたため、ゴム製リンクが摩耗して遂にカルダン軸が偏心するに至り、その結果は振動が増加して乗心地を悪くしたことにある。

7.16図（上）と7.17図(下） ベルリン市電のカルダンドライブ 7.18図　ベルリン市電のカルダンドライブ （改良形）

7.3.4　パリ・カルダンドライブ(Paris Cardan Drive)　（注2）Electric Railway Bus and Tram Journal 1929年7月 top

　Paris市電のカルダンドライブ電車は1921年の10月に初めて運転された。
　このパリ・カルダンドライブ方式で注目すべきことは、この時以来1926年までに約500両のカルダンドライブ電車がそれぞれ、7.19図、7.20図、7.21図の設計によって製作され好成績に運転されたことである。
　これらの新形式電車は同じサイズで同じ馬力の電動機を採用したベベルギヤーによる1段減速で歯車比は8：1である。カルダン軸の長さは760mmで軸の両端には自在継手があり、1組は電動機に接続され、他の1組は車軸側の歯車装置に接続される。
　この自在継手は7個のリングで構成され1つのリングはニッケルクローム鋼製の3,2mm厚の3枚の板からなり、各リング間には3.2mm厚の間隔片が180度の間隔に、さらに隣接のリング相互間は90度の角度をずらせてはさまれている。（7.22図)
　最高速度はParisの法規で規定されている25km/hで歯車比は8：1、1時間定格55ＨＰ、800rpmの電動機が2台、車体台枠に直接ボルトで固定され、カルダン軸を通じて2台の動軸を駆動する。
　在来の釣掛式電動機の定格回転数が500rpmであるのに比較すると電動機は高速軽量化されている。
　このカルダンドライブ電車は同容量の従来の標準車に比べると自重は14tから11.5tに軽減されて、17.8％に相当する2.5tが電動機をバネ吊り方式にしたことと、これと関連する駆動装置などの機械的設計変更により軽減されたこととなった。
　従来の釣掛式における､バネ下重量は2,800kgであつたが、カルダンドライプのこの新車のバネ下重量は1j00kgである。
　すなわちバネ下重量は900kgが軽減されたこととなり、これは32.1％に相当する。
　さらに角度を変えてバネ下重量をみると、旧来の車のバネ下重量は自重の20％であったが、このカルダンドライプ車は16.5％にすぎない。

7.3.5 その他のヨーロッパの各種ドライブ方式 top (注2)Eelctric Railway Bus and Tram Journal 1929年7月 　 その他のヨーロッパの各種のドライブ方式を表示して7.2表に示す。

7.24図 7.25図 7.25図（上）と7.26図(下）

7.3.6アメリカにおける研究のはじまり top

　アメリカにおける無騒音電車の研究はヨーロッパにおくれてはじめられた。
　すなわち1925年頃、市街電車の動力伝達にウォームギヤーが試用されるという大きな変化がおこった。
　この時まで、アメリカにおいて愛用されていた釣掛式電動機も滑り軸受、グリース潤滑のスパーギヤーと割型のギヤーケースという構造では自動車に比較すると騒音の発生に好都合な粗雑きわまる構造であったので、自動車で使用しているような頑丈な全密閉形のギヤーケースの中で、ウォームギヤーによる減速方式を電車に採り入れて騒音を除去しようという試験が試みられたのである。
　そこでバスやトラックに使用されて進歩してきた推進軸で動力を伝達しディファレンシャルギヤー（Differential Ｇear）とウォームギヤーで駆動する電車が2両試作されるに至った。
　この電車は塵埃の入らない全密閉構造のギヤ一ケースの中で油潤滑する、歯車比10：1のウォームギヤーが使われたが、歯車騒音は大いに軽減され、無音減速の効果は顕著であった。
　それにも増して大きな収穫は電動機と歯車装置との完全なる分離のために、釣掛式の場合のような、歯車中心距離が歯車比を決定づけるという致命的な制約が取除かれて、電動機の回転は最も経済的な回転数を自由に選択出来るようになったことであった。
　この試作車の電動機は取りあえず、当時のガス電気バスのものを流用したものであったが、この方式が実用されるに至り、この方式に最も適した電動機が新しく設計され開発されたことはもちろんであった。
　この電動機は定格馬力35ＨＰで最大安全回転数は5,000rpm、電機子の最大周速は55m/s、整流子の最大到達は47.5m/s、電動機重量は260kgという小型軽量高速度電動機の新記録となった。
　この時以来、電車電動機は完全にバネ吊り式となって、従来の釣掛式に代って軽量小型、高速度となった。
　このウォームドライプ（Worm drive）の研究はさらにまた、他の駆動方式の研究を促進することとなり、1921年から1929年にかけてヨーロッパおよびアメリ力において、28両ないし30両におよぶ1段減速あるいは2段減速の新駆動方式が試作研究されたのである。
　この当時は、アメリカにおける研究は次のようなものであった。
　�@　ＷＨ社のＷＮ2段減速ドライブ（WN double reduction drive）
　�A　ＧＥ社の2段減速ドライブ（ＧＥ double reduction drive）
　�B　Too1Steel社の1段減速ドライブ｀（Tool Steel single reduction drive）
　�C　Timken社のウォームドライブ（Timken worm drive）
　�D　Cincinnati社ウォームドライブ（Cincinnati worm drive）
　�E　Fageol 社のウォームドライブ（Fageol worm drive）
　�F　Brill社の2段減速スパーおよびベベルドライブ（Brill double reduction spur and bevel drive）
　　これらの新駆動式と共に次の通り新しい台車もそれぞれ設計され試験されたのである。
　�G　ＷＮドライブ台車
　�H　Fageol 社ウォームドライブ台車
　�I　Timken 22インチ 車輪台車
　�J　Brillウォ−ムドライプ台車
　�K　Twin coachウォ−ムドライブ台車
　�@�A�Bのドライブ方式は平行駆動方式（Parallel drives）であり、�C�D�E�Fのドライブ方式は直角駆動方式（Right Angle driveである。
　ベベルギヤーを使用する直角駆動方式のカルダンドライブはParisでこの当時試作されて成功し、∃ーロッパ各都市に普及したが、アメリカではカルダンドライブはこの当時全然顧えり見られなかった。

7.3.7　ＷＮ2段減速ドライブ top

（2）電動機 top

　割型磁気枠の旧式の電動機のギヤーおよびギヤーケースを合む重量は馬力当り30kg/ＨＰであるが、最新の箱型磁気枠の電動機では19.3kg/ＨＰ、ＷＮ形は12.8kg/ＨＰである。
　この当時ヨーロッパで使用されていた電動機は電動機本体のみで14.2kg/ＨＰであるがＷＮドライブでは、7kg/ＨＰであったから、これらのＷＨ社の開発した高速度電動機は、相当な軽量型であったことがうかがい得る。
　下の7.37図は35ＨＰ電動機の電機子を示し、7.38図は35ＨＰ電動機の全形を示す。

(3) 可撓継手 top 　 ＷＮドライブは1組の可撓継手を通じて、電動機と結ぱれている。 　電動機は台車にリンクによってバネ吊りされ、これらのリンクによって電動機はピニオン軸の動きに追随できる構造である。 　ギヤーケースは車軸と反対側のピニオン軸に近接した点で台車に支持されているので、車軸の跳りからくる上下方向の変位は小さいが車軸方向の変位はそのまま伝達され、しかもこの変位量は大きい。 　可榛継手はこの上下方向および軸方向の変位を受けとめて、変位を最小にして直接電動機に衝撃の伝達するのを防止する。 　従って可撓継手の成否の如何はＷＮドライブの成否を左右したのである。ＷＨ社はこの可撓継手についてはかなりの苦労と失敗の経験をなめて研究し、サーモイド継手（Thermoid Coupling）を試作して、ついに実用化に成功した。 　サーモイド継手の最初の試作品は7.39図に示す如く、最も単純な設計で電動機とピニオン軸をサーモイド、ゴム円板によって接ぐというものであったが、種々の経験を積んで7.40図のものを試作し、満足すべき成果を得たので、この7.40図のものを実用するに至った。 7.3.8 ＧＥ 2段減速ドライブ top ＧＥ 2段減速ドライブはＷＮドライブとやや異なり、2組の可撓継手が使用された。

7.3.13　ウォームドライブ (直角駆動)とＷＮドライブ (平行駆動)の比較 top 　�@　ウォームドダライブとＷＮドライプの実績(1927〜1930)を7.3表に示す。 　�A　ウォームドライブとＷＮドライブの性能比較 　右下の7.4表にCincinnati台車のＷＮと、これと類似のウォームドライブとの比較を示す。 　直角駆動と平行駆動との根本的な相違は後者が前者に較べ固定軸距が短いことと効率が高いということである。 　すなわちウォームドライブ方式は接触歯面間の摩擦損失が大きくて歯車効率が悪いことが欠点であって、このためにまもなくすたれてしまったけれども、このウォームドライブは電動機の軽量高速化の促進とこれに代る平行駆動方式の実用化を促進するという効果を残したのである。 　それは2段あるいは1段歯車減速方式のものにウォームドライブの最大の長所である歯車をギヤーケースに内蔵する内蔵形ギヤヤケースの設計のアイディアを電車に採り入れたことであった。

すなわち歯車は歯面が平滑に仕上げられていると噛合いが正確となり、歯面全体に一様に荷重が分担されて歯の強度を増すこと、またころがり軸受の採用によって歯車中心距離を正確に一定に保つことができるようになって、中心距離の不正による噛合いの衝撃がなくなって、歯の強度上の荷重負担が軽くなったにどなどによる進歩の結果に歯車の騒音が大幅に減少し、ダイアメトラルピッチの大きい歯車が使用できることとなった。 　高速度電動機の2段減速にはダイアタトラルピッチ4.5を、また、低速度用にはダイアメトラルピッチ4が採用されたが、却って歯車も軸受も寿命が延びて大成功であった。 　上述の通り、ウォームギヤーは歯車効率が低い故に、ヘリカルギヤーによる平行駆動方式に移り加わり、これ以後数年間はこの平行駆動について数多の設計・研究と使用経験が積み重ねられて逐次進歩の過程を歩んだのである。

7.3.16　アメリカとヨーロッパとの分離駆動方式の進歩の比較（1920−1930） top

　1920年より1930年にわたる欧米各国の分離駆動方式の研究は前述の通りであるが、一般にアメリカのバネ吊り電動機の開発ならびに発展はヨーロッパのこれらの経験、先例に負うところが頗る多い。
　アメリカにおける開発に先んじて、ヨーロッバはすでにバネ吊り電動機の経験を6〜7年積んできている。
　従ってバネ吊り電動機の開柘者はヨーロッパであるという事実は大いに注目に値することである。
　しかしながらヨーロッパにおけるこれらの諸種の運転形式に用いられてきた電動機の重量、効率についてはアメリカでこの当時用いられた標準形釣掛式電動機と実質上変りがなかった。
　この時代における代表的電動機の平均重量はギヤーおよびギヤーケニスを含まない重量で比較して
　アメリカ製鋳鋼角形電動機　17.3kg/ＨＰ
　ヨーロッパ製カルダンドライブ電動機　14.2 kg/ＨＰ
　ＷＮドライブ電動機　　7kg/ＨＰ
　電動機重量におけるこのような大きな懸隔の理由はいろいろあるが、主なる理由はヨーロッパにおいてはほとんど全般にわたって2個電動機装備の電車が使用されたためである。
　このことは600Ｖ電動機の使用を余儀なくせられ、またこの当時の標準車と同じ程度の運転状態の性能を得るためには電動機の回転数および大きさを制限された。
　すなわち新式の運転方法によって大きな歯車比を充分に利用することは600Ｖという端子電圧の電動機における諸種の制限のためにまだ不可能であったのである。
　このことは必要上、電動機の大きさ、および回転数に制約をきなしたのである。
　電動機のこのような制約があるのにもかかわらず、新しい駆動方式による電車運転はヨーロッパにおいて大きな発展をとげ普及して前述の通り500両近い電車がカルダンドライプとなった。このカルダンドライブも歯車装置はスパーギヤーおよびベベルギヤーの組合せによる2段減速、あるいはスパーギヤーのみによる2段減速および小数のウォームギヤーによって運転された。
　ヨーロッパにおいては4輪式単車にまで、カルダン軸を使用する新駆動方式が採用せられ、電動機は車軸に直角におかれて動力を伝達する。
　ヨーロッパの如き低速度の電動機においては、ＷＮ駆動のように車軸に平行に装架することは全く困難であったので設計者は直角駆動方式の採用によって電動機を充分、余裕あるスペースに取付けることができたのである。
　ヨーロッパにおけるこれらの新駆動方式の採用は保守費の低減となり、油槽中の歯車装置とじん埃の入らないギヤーケースの構造のために、従来車に比較すると歯車は一層長い寿命を保ち得るという利点があった。

7.3.17 ＰＣＣ電車の直角カルダンドライブ top

(1)　ＰＣＣ電車の生い立ち

　アメリカにおいて2段減速ＷＮドライブ方式などの平行駆動がその真価を認めら､れ、分服駆動方式に一般の関心が寄せられている時、The Electric Railway President's Comittie が新しい構造の電車の設計を始めた。
　この新構想の電車はアメリカの年々増加する自動車に対抗する性能と標準化による多量生産方式により価格の低減を目標としたもので、5ヵ年にわたるたゆまざる努力と750,000ドルの研究費を費して大規模な研究が進められた。
　この研究委員会は、アメリカおよびカナダの主要な電鉄会社、メーカーや大学教授をもって構成され委員会の指導はC.F.Hirshfeld教授が研究主任として采配を揮った。
　委員会の研究目標として取上げられたのは次の事項であった。
　�@　従来車の欠点の探究
　�A　これらの欠点を改善する方法
　�B　以上の欠点を改善した性能を具備し、しかも従来車より安価であること
　�C　設計の標準化を行う
　ついに1936年に満足すべき成果を得て最初の約200両が St. Louis Car社で製作され、Brooklin,Chicagoおよび Baltimoreに配された。
　電動機、制御装置、プレーキ装置などはＷＨ社とＧＥ社、車体は St. Louis Car社、台車と駆動装置は Clark Equipment社で製作されたが、これらのメーカーはＰＣＣ委員会において使用者側との密接な協力のもとに製作に当ったのである。
　このＰＣＣ電車は円滑な運転性能・高加速度・高減速度・快適な乗心地・暖冷房・照明など、あらゆる新設計をとり入れた電車であって、極度に軽量化した車体、弾性ゴムを最大限に使用した台車ならびに車輪構造など無振動・無騒音のまさに画期的な新設計である。
　電動機軸は車軸と直角方向に交叉する直角カルダンドライブ方式が採用された。
　歯車比7.17：1のこの駆動方式は当時高級自動車に採用されはじめたばかりのスパイラルベベルギヤーの特殊な形に属する。
　ハイポイドギヤー(Hypoid Gear)にゴムブッシュを有する自在継手を通じで動力を伝達する方式であって、歯車装置にはころがり軸受と油潤滑方式が使用された。
　このＰＣＣ電車の標準性能としては、600Ｖ線電圧に対し300Ｖ端子電圧の1時間定格55ＨＰの電動機が2台ずつ永久直列に接続された電動機群2組が、永久並列に接続される方式で合計4台の電動機の各動軸駆動によって力行および発電ブレーキを行うものである。
　ブレーキ方式は発電ブレーキを主体とし蓄電池を電源としてレール面に吸着するトラックプレ−キと電機子軸に作用するドラムブレーキおよび車輪に作用する空気プレーキを補助ブレーキとする方式である。(この補助の空気ブレーキは後に全電気式ブレーキに設計が変更されて間もなく廃止されてしまった)
　加速およびブレーキ中に主抵抗器に発生する熱エネルギは冬期には車の暖房に利用されるほか、電動発電機の軸端に取付けられたファンによって絶えず新鮮な空気が車体内を循環する方式である。(7.52図、7.53図、7.54図)
　ＰＣＣ電車の主要寸法と性能を7.5表に示す。

（2）　ＰＣＣ電車の性能　top 　　（注7）ＡＩＥＥ Transactions 1944年2月　63巻　65頁 　ＰＣＣ電車の電動機とこれより過去50年間にさかのぼってその間の市街電車の代表的電動機とを比較したものが、7.7表である。 　この表での大切なことは歯車比が逐次増加していることと電動機回転数と整流子周速の増大である。 　これらの進歩の最大の原因は歯車装置・動力伝達装置の漸進的進歩改良の成果にある。 　歯車の材質も初期時代の鋳鉄および可鍛鋳鉄から鋳鋼・鍛鋼および特殊鋼に変ったし歯形にも圧力角も14.5度のインポリュート歯形から20度のインポリュート歯形に変ったために歯車の強度は増大した。 　ロングアンドショート歯形（Longand Short Adendum）のビニオンおよびギヤーが採用されたのでピニオンの歯の根元が太くなってさらに強度は増し、歯の根元とピニオンボアとの間の肉が多くとり得るため、より小さなピニオンで強度は十分となった。 　熱処理も水焼入れ（Water Quenching）油焼入れ（Oil Quenching）浸炭焼入れ（Case Hardelning）および火焔焼入れ（Frame Hardening）が採り入れられるようになった。 　7.7表はこれらの進歩の推移を物語っている。 　7.59図はＰＣＣ電車Ａ、Ｂと旧式の電車Ｃとの速度上昇の比較を示す。 　7.59図によると、40km/hの速度に達する時間はＡ…48秒、Ｂ…16秒、Ｃ…10秒である。 　7･60図は距離−時間曲線による比較である。300mの距離に達する時間は、Ａ…39秒、Ｂ…31秒、Ｃ…27.5秒 　7.61図は表定速度と電力消費量との関係を示す。 　7.8表は、5停車/キロの表定速度と電力消費量との関係を示す。

（3）ＰＣＣ形電車の普及 top

1936年、BrooklynにおいてＰＣＣの最初のモデル電車が試運転されて以来、アメリカ、カナダはもちろんヨーロッパの一部、ベルギーなどにおいてはほとんど全都市の路面電車は、ＰＣＣにおき替えられ、1950年には5,000両を越えるに至った。 （7.62図） 　また一万では、安価で軽量高性能を誇るＰＣＣ形電車の設計が、アメリカの郊外電車にも採り入れられ1940年、Pacific Electrlc Railway社によって、世界最初のＰＣＣの総括式制御による連結運転が行われた。 　同じ頃 Brooklyn Manhattan Transit社――現在はニューヨーク地下鉄に統合されている――で3両のＰＣＣ連節車が6編成運転に入った。 　1950年には、Chicagoの地下鉄に200両、1951年には、Bostonの地下鉄に40両、1953年にはClevelandの高速度鉄道に70両が運転されている。（7.63図） 　これらはいずれも最大8〜10両の総括式制御の連結運転である。 　アメリカにおける自動車の発達は、ついに大都市の都心は自動車の混雑で身動きができない状態となり、都民の交通の緩和のためになんらかの対策の必要に迫られるまでに至りつつあり、この救済策の最大の希望は高速度鉄道の利用による個人の通行権の主張である。都内交通機関として自動車よりも早い表定速度の高速度鉄道が高架鉄道か地下鉄あるいは専用軌道かのいずれかの形で出現することが必要となってきた。 　Chicagoにおける市街高速鉄道会議(Congress Street Express Way in Chicago)(注8)においてこの問題が検討せられ、都心は高速度鉄道で郊外から都心までは各自の自動車を利用することが所要時間の短縮であり、経済的であり都心の混雑の緩和となって最も有利であるとの結論に達した。

7.3.18　ＢＢＣドライブ (Brown Boveri Drive)  top （注9）Brown Boveri Review 1939年4〜5月 （1）　ＢＢＣスプリング・ドライブ 　1937年、スイスの有名な電機会社ブラウン・ボベリー社はＢＢＣスプリング・ドライプなる新しい駆動方式を開発した。 　この方式では電動機は台車枠に固定され電動機軸端のピニオンと噛合うギヤーは同じく電動機枠で支持されているので、ピニオンとギヤーとの中心距離は常に正確に保たれ不変である。 　なおこのギヤーは車軸に対しては、クイルの状態にあり、中空軸に保たれているので、車軸の振動と電動機とは無関係である。 　従って電動機は高速軽量になし得ることは他のバネ吊り式と同様である。 　ギヤーの内側に数個のバネを内蔵し、バネの両端のバネ受は車軸に取付けられているスパイダーによっで圧縮されながら、電動機から動輪に動力を伝達する。 （7.70図、7.71図）

7.70図　ＢＢＣスプリングドライブ（左） 7.71図　ＢＢＣスプリングドライブ（短中空軸）（右）

7.3.19　1段減速ＷＮドライブ（ＷＮ Dive Single Reduction） top

（1）ニューヨーク地下鉄、ＢＭＴ線の新造車 　1936年、New York地下鉄のＢＭＴ線に5両編成の連節車が25編成新造された。 　これはＷＨ社で10編成、ＧＥ車で15編成製作され、1段減速のＷＮドライブが登場した最初の電車である。（7.81図） 　連節車は全長54m、全重量83t、車輪径30インチ、釣合速度93km/h、1編成にＷＨ社の75ＨＰまたはＧＥの60ＨＰの電動機が12台ずつ取付けられている。 　電動機は300Ｖのものを2台、永久直列に接続する方式である。 　この電動機の定格を7.11表に示す。 　7.82図、7.83図はこの電動機の外形と歯車装置である。 7.83図　ＧＥ製ＧＡ−10Ａ形ギヤーユニット ギヤーケースと吊りボルト

7.81図　ＢＭＴ線の連節車 7.82図　ＷＨ−1433形電動機

（2）シカゴ・ノースショア・ミルウォーキー鉄道（Chicago North shore And Milwaukee） top

　1941年に、Chicago North shore And Milwaukee鉄道はElectro-liner号と称する3Ｍ＋1Ｔの列車編成の新造連節車を2編成製作した。
　これはChicagoとMilwaukee間の急行列車で全長46m、全重量95t、表定速度94.5km/h、 平坦線釣合速度136km/h、 加速度2km/h/s、減速度2.4km/h/s に対し、300Ｖ、125ＨＰの電動機を8台使用している。
　電動機の1時間定格は125ＨＰ、300Ｖ、350Ａ、1,500rpmで駆動装置は1段減速ＷＮ43形、歯車比は72：27、車輪径は31・1/4インチである。

（3）ニューヨーク地下鉄、ＩＲＴ線の新造車（注10）ＡＩＥＥ Transaction 1947年 top

1948年から50年にかけてNew York地下鉄はＷＮドライブ、1段減速300Ｖ、100ＨＰの電動機4台を装備する高性能車750両を新造した。（7.12表） 　この電車に使用された電動機はＷＨ社1447−Ａ形、300Ｖ、直流直巻自己通風界磁制御方式で650Ｖ線電圧に対し、2台永久喜列に接続する。 　電動機は台車トランサムに取付けられ、ギヤーカップリングによって歯車装置に動力を伝達する。 　ギヤーケースの一端は車軸に圧入されたギヤーのコロ軸受を通じて車軸上に支持され、他軸は吊りポルトによって、ピニオン側を台車トランサムに吊っている。 　7.13表に電動機の仕様を示している。 　7.84図はＷＨ−1447−Ａ形、電動機の特性曲線である。 　7.85図はギヤーカップリングの外観を示す。 　このニューヨーク地下鉄の新装電車と全く同一の仕様の電車が350両Stockholm（スエーデン）の地下鉄にも採用され、1953年、運転を開始している。

7.85図　ＷＮギヤーカップリング

7.3.20　トロント地下鉄の直角カルダンドライブ（Toronto Underground）（注11）Railway Gezette 1954年1月 top

　鉄板溶接製のギヤーケースはギヤー・ビニオンの潤滑油の油槽を兼ねているか、潤滑油は Parco オイルでギヤーは全面的に、またピニオンは歯面だけが潤滑される構造である。
　Toronto 地下鉄電車の興味ある点は、高速度電動機と駆動装置の実績を本国において持ち合わせてない保守的な英国のメーカーの手で電動機品も機械品も製作されている点である。

7.3.21　デュッセルドルフ・ﾄﾞライブ(Dusseldorfer Wagon Drive) top

　ドイツにおける高速度電動機と新駆動方式はフランス・スイスより速かに開発がおくれているが下記のものは1953年から54年にかけて開発され試験の結果は好成績で今後の普及発進が期待されるものである。
　Dusseldorfer Wagon Drive は Dusseldorfer Wagon社（Dusseldorf）で研究され試作された駆動方式であって、台車の強度メンバーに電動機枠を使用するという構想である。
　車輪に直角に電動機が取付けられ、電機子軸の両端は歯車装置に接続され、1台の電動機で台車の両車軸を駆動する。
　歯車装置はスパイラルベベルギヤーであってギヤーは車軸に対し中空軸をなす中空フランジに取付けられる。車軸に固定された固定フランジと中空に浮いている中空フランジは弾性円板ゴムを介して結合され、可撓継手となる。
　電動機は 75〜100kＷのもので丸型自己通風方式、歯車比は 6：1 程度のものである。
　固定軸距は 1,800mm、車輪径は660mmである。（7.88図、7.89図）

7.3.22　ＡＥＧドライブ top

　ＢＢＣのディスクドライブと類似の構想のもので、可撓継手は2枚の鉄板の間に弾性ゴムをはさんだ簡単な継手である。（7.90図）
　電動機はＡＥＧ製1時間定格 300Ｖ 58kＷ 1,400rpmで車輪径は 600mm、 固定軸距 1,750mmである。
　7.91図はＡＥＧドライブを取付けたドイツのStuttgart市電の新造電車である。

7.3.23　ガルベ・ラーメヤー・ドライブ(Garbe-Lahmeyer Drive) top

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