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11　台枠（田中隆三の電気機関車読本　�X）

11　台枠

　上には電気機関車の車体をのせ、下には車輪やブレーキ装置を取付け、且つ動輪には主電動機を備えた機関車構造の土台となるものを台枠という。
　台枠には主台車台枠と先台車台枠の区別があり、台枠付属品として主電動機釣装置や、荷重分配装置・軸箱守・排障器・出人台等があり、連結装置・バネ装置などもこのうちにふくまれる。

11.1　主台枠 top

11.1.1　台枠の種類

　動輪を取付けた台枠を主台枠(注1)といい、台枠の骨格をなす。
　主台枠には蒸気機関車と同様仮台枠・棒台枠・鋳鋼台枠の3種類がある。

�@　板台枠
　板台枠は普通厚さ25mm内外の鋼板を鋲締めまたは熔接して組立てたもので、台枠上の重量すなわち、上下方向の力に対しては丈夫であるが、電動機の回転力またはプレーキカの伝達からくる左右の不平均の力に対しては弱いので亀裂を生じやすく且つ広い面積のものを必要とするので点検・保守に不便多く、台枠内に主電動機をもうける釣掛式電気機関車(注2)には不利である。

�A　棒台枠
棒台枠は厚さ90mmぐらいの鋼板からくり抜いた中軟鋼製の棒を、打込ボルトで締め合せて左右の側梁を普通4種の横梁で組立てる。
　棒台枠は頑丈な四角い捧を強固に組立てたものであるから、電動機の回転力やブレーキ装置からくる左右の力に対しては強いが、台枠土からくる上下方向の力に対しては強度がなく、台枠が長くなるに従い段々その傾向が著しくなるから、2軸先台車の端梁との間には特種の設計を必要とし、台枠の亀裂もこの点から発生する。
　ただ広い面積をとらないから日常の保守はらくであって且つ頑丈なために、棒台枠はアプト式機関車を除いては国鉄の標準となっている。

�B　鋳鋼台枠
　鋳鋼台枠は鋳型をもって大量生産するに適し製作費が安価であることと、鋲接部またはポルト締め部分がないので弛緩の心配がないことは保守に非常に有利であるが、鋳型の関係で形状を保守本位に合理化することは困難となり、鋳物であるから亀裂発生に際して手当が難しいばかりでなく、鋳放し部分が多いから寸法の測定に支障があるなどの欠点を有し、期待されたほど発達はしていないが、おいおい理想的のものが作られると思われる。

(注1)　主台枠に車輪・連結装置などを取付けたものを主台車といい、主台枠と主台車とは一般に区別される。
(注2)　釣掛式について.は11.2を参照されたい。

　自動連結器やこれに付属した引張摩擦装置を取付け、機関車の牽引力はこの端梁を通じて牽引車両に伝わるもので、車両を牽引または連結する際の大きい衝撃を受けるものであるから、端梁の反対側は先台車中心ピン受(9)がもうけられ、先台車心向棒(後述)はこのピンを中心として前方に突き出し、先輪の転向を行っている。
　但し2軸先台車を有するものでは、この設けはない。
　台枠鋳物の上にはアングルを取付けて、その上に出入台及び昇降段をもうける。
　また台枠鋳物内には空気ブレーキ配管や電気連結器をも収付けられる。

�A　電動機釣横梁(単に横梁ともいう)
　このものは4軸機関車では1箇、6軸機関車では枕梁(3)を挾んで2箇を有し、側梁を左右締め合せる役目をするとともに、電動機の一端を釣かける役目をもっているので、この名がある。
　普通鋳鋼で作られ、二つの横梁のうち、端梁寄りの(2)は電動磯を内側にだけ1箇釣るが、(4)の方は前後に1箇ずつ釣るようになっているために構造と断面は多少違う。
　電動機釣掛装置についてはくわしいことは後述するが、横梁の中央に見える上下4個の受(8)が突き出ていて、この間にバネ受を挿入するようになっている。

�B　枕梁(主枕梁ともいう)
　枕梁(3)は電気機関車車体重量の大部分がのるところであるから、最も頑丈に作られ且つ設計工作にも台枠中最大の苦心が払われている。
　枕梁は普通横梁と同様鋳鋼製であって、その位置は6軸機関車にあっては第1.2または5.6動軸の間に、また4軸機関車にあっては当然第1.2または3.4動軸の間に設けられる。
　枕梁は左右の側梁を結ぶことは横梁と同様であるが、前述のように車体重量の大部分を支えるところであるから、次のような特種の構造をもっている。
Ａ　心皿装置を有して車体重量を受けていること
Ｂ　車体引受装置を有して車体のローリングを制限すること
Ｃ　電動機釣掛装置を有しないこと
　以上の使命からして、枕梁は特に丈夫にするため、その構造は中空の箱形とし、断面は英字のＨを押しつぶしたような形をして、側梁との取付けも特別に強固にしてある。

　これに対し第2台車の方は左右方向は同様であるが、前後方向は(360−305)55mmの間隙を有するので、台車に伝わる牽引力は車体に衝撃として加わらないように出来ている。
　なお心皿部は主回路の電流が大部分ここを通じて流れるので、電導率の高い材質を使用するほか、車体の約1/2の重量が加わり且つ摺動するので、摩耗防止のため油浴潤滑を施している。

�C　中間連結器横梁
　端梁と殆んど同様の役目をもったものであるが、前後台車の中間連結装置を有することと、台車の左右動を車体の運動に関連して制限する中間復心装置を有することに特徴がある。
　これらについては後述する。

11.2　台枠付属品 top

　電気機関車の台枠付属品というのは、主として台枠に直接付属した部分であって、台枠の機能に関連のある箇所を指すのであるが、ここでは標準分類法による荷重分配装置・主電動機釣装置・軸箱守・排障器・引張箱・出人台そのほか基礎プレ−キ装置の各受部について簡述しよう。

11.2.1　荷重分配装置 top

　電気機関車の車体の長さがだんだん長くなってくると、これを前後2箇所の心皿で支えるためには、車体の強度を増し重量を大きくすることとなるので、これを避けるために、心皿のほかに補助支え装置を設けて車体重量の1部を分担させる。
　この装置を荷重分配装置といい、電気機関車特有のものである。
　荷重分配装置は普通6軸以上の機関車の台枠の前端または後端横梁上に設けられる。
　前後何れに設けるかは台枠の長さに応じ、すなわち、1軸先台車付の場合は中間連結器横梁上に、また2軸先台車付きの場合は電動機釣横梁上にもうけるものが多い。第71図は前者の場合を示す。
　図の場合は、中間復心装置のバネ箱(8)の上にバネ受箱(1)を取付け、その中に下バネ受（3)を入れてこれに蔓巻バネを挿入したもので、車体側の上バネ受(2)が下バネ受(3)の円筒の外側にはまりこむようになっている。
　バネ受箱は惰円形をしたお皿であって、厚さ15mmの滑板(4)1板をおさめてその上に松茸形の下バネ受を入れ、車体梁に取付けた上バネ受(2)とが蔓巻バネを介して相対してはまりこむようになっている。
　蔓巻バネは単式であって、素線径34mm、コイルの平均直径185mm、完全巻数5、でもって滑板を入れて、撓み57mmのとき荷重2.8t(注4)となっている。
　車体の重量の大部分は第70図の心皿部で、また死荷重の一部分と、動揺などによって車体が傾斜した場合の活荷重の一部分を第71図の補助支えで支えることになる。
　この装置におけるバネ受箱の下端は、図に示すように、中間復心装置を形成している。

(注4)　蔓巻パネの撓みδと荷重Ｗとの間には一定の関係がある。
　すなわちδ＝（8・n・Dの3乗／E・dの4乗）・Ｗ
　ここでδは撓み、nは巻数、Dはコイルの平均直径、Eは縦弾性係数、dは素線の直径とする。
　よって一定の巻数・平均直径・バネ棒の直径の場合にはδはＷに比例となり、撓みはかけた荷重に比例する。

11.2.2　中間連結装置 top

�@　中間復心装置 　台枠の側梁に直角をなして取付けられ、円筒形の復心バネ箱(8)に大小2組の菱巻バネ(11)を挿入し、両端にはバネ頭案内(9)を取付け、これにバネ頭(10)がはめてある。 　�A　中間連結横梁 　上記荷重分配装置と中間複心装置を取付けるほか、次の2つの装置をもっている。 　�@　中間連結装置 　�A　中間緩衝装置 　中間連結横梁の名称は�@の目的から出たものであることは言うまでもない。 　電気機関車の中間連結装置には 　Ａ　連結ピン又は玉接手式 　Ｂ　中間引棒式との2種類がある。 　Ａの方法はＥＥ製やＥＦ56などに用いられ、バネ頭は車体側の側梁にバネ頭受部があってこれと相対する。

第71図荷重分配装置・及び中間連結装置 1 バネ受箱、2 上バネ受、3 下バネ受、4 滑板、5 蔓巻バネ、6 車体梁、7 中間連結横梁、8 復心バネ箱、 9 復心バネ箱案内、10 復心バネ頭、11 復心バネ、12 緩衝器頭、13 中間引棒、14 中間ピン、15 中間ピン受

　直線部では片側に10mmの間隙があるが、曲線部を通過するとき台車の偏倚量が一定量を越すと、バネ頭は車体側の受に抑えられて復心力を与え、台車の蛇行動を制限し曲線通過を容易にするようになっている。
　この復心力は余り弱過ぎると、復心作用を行わないおそれがあるが、また余り強過ぎると、台車の運動を阻害して車輪の通過を不円滑にし、フランジの摩耗を来すので設計上細心の注意が払われている。
　そして、双方の台車から腕が出ていて、その腕の重なり合う部分が球接手を形作り、この球を中心として上下左右に自由に屈曲することが出来るようになっている。
　この方法は一般に広く用いられ、全台車の中央寄横梁すなわち中間連結横梁に垂直方向のピンを備え、この両方のピンを中間引棒によって連結したものである。
　第71図は中間引捧式の連結装置を示すもので、中間引棒（14）の両端は惰円形をなし、横梁へ挿入してピン（5)が下から上に向って挿しこまれ、コックを入れて落ちないようになっている。
　これは横梁の構造上、上から挿しこむことが出来ないからである。惰円形のピン穴は静止の状態で前後に隙間を有し、牽引の際のみ前の台車が隙間だけ無負荷で起動し引き出しやすいように出来ている。
　推進の際にははたらかない。
緩衝装置としては繭（まゆ）形の緩衝器頭(13)が双方の台車の中央部に入れられ、この内側に各々2箇の蕎巻バネが挿入してある。
　機関車を連結する場合に台車の有する運動量を吸収するもので、この接触面の半径は2,000mmの孤形をしていて、曲線通過に支障を生じないようになっている。

11.2.3　主電動機釣装置 top

　電気機関車の主電動機はいろいろの方法で台車に釣かけられる。
　わが国の電気機関車は特種のもの(注5)を除いてほとんど全部は釣掛歯車式を採用している。
(注5)特種のものとはアプト式や可撓式伝達装置の機関車の如きをいう。

　釣掛歯車式とは、電動機の回転数をそのまま動軸に伝えることをしないで、歯車装置を用いて減速し、この減速された歯車軸を車軸と同一として回転を伝える方法で、電動機の端は軸受を通じて動軸にのり、他端は凸起をもってバネ装置を通じて釣かけられる。
　よってこの方式を突起支持(ノーズサスぺンション)式ということもある。
　歯車装置については後で述べる。

　車輪と横梁の位置がきまっている間に電動機を組立てるには、鼻が邪魔になって電動機の位置をきめることが困難なので、この場合は、電動機支軸(第21図参照)受金をはずしでおいて電動機の位置をきめ、あとで支軸受金をはめるようにしている。

11.2.5　排障器 top

　機関車の前後両端のレール面上に最も接近した位置にあって、レール頂上におかれた障碍物を排除して車輪が安全に進むことができる目的でもうけられたものが排障器である。
よって、排障器の条件としては
�@　先軸の前位にあること
�A　レール面上最接近の位置にあること
�B　障碍物を排除するに足る強度を有すること
であるから、先ず先台車の有するものでは先台車台枠の端梁に、有しないものだけ主台枠端梁に強固に取付けられ、レ−ﾉﾚ面上50mmを標準として取付けられる。
　但し、車輪タイヤの磨耗とともに高さが下ってくるので、これを調整するために加減穴を有する2本のボルトを用いるか、特種座金を着脱して加減する。

11.2.6　引張箱 top

　6軸機関車特有のもので、台枠が長くなるに従って自動連結器を納めるために特種の補強が必要となる。
　引張箱はこの目的のために台枠鋳物の一部をして台座の先端にもうけた箱であって、自動連結器はこの中に納められる。
　鋳鋼製であって、連結時の衝撃に耐え、強大な引張力にも常に充分な応力をそなえること言うまでもない。
　但し4軸機関車に対しては主台枠の中央梁に自動連結器受をもうけて引張箱の役目を果している。

11.3　連結装置 top

　電気機関車の連結装置には他の車両との間に一般に用いる自動連結器のほかに、台車と台車との間をつなぐ中間連結装置がある。
　このほか、自動連結器に付帯する引張摩擦装置とか中間連結装置に付属する中間復心装置・中間緩衝器もこのうちにふくまれるが、中間連結装置に関しては前に述べたし、引張摩擬装置は最近の新車には用いてないから、以下新しい自動連結器について簡述しよう。
　由来車両の自動連結器は簡単な蔓巻パネを緩衝装置として発達したものであるが、列車単位又は車両自身の重量の増加に伴って、引き出しや停車の際の衝撃も次第に増大して来て、これに耐えられなくなったので、自動連結器の緩衝装置として考案されたのがすなわち引張摩擦装置である。
　しかるに、引張摩擦装置として最も広く使われたのは輪バネと称する特種構造のバネを用いて、衝撃を輪バネの摩擦によって吸収せしめるものであって、蔓巻バネの反発力は大きくなく、バネ作用が確実で、取付取外しも簡単であるが、故障に対する検査が分解しないとできないことや、それだけ構造が複雑になって価格も高くなる欠点を有する。
　戦争によって、あらゆる部品に対して簡易化をはかった電気機関車においても、連結装置にも思い切った改造を行って、蔓巻バネの欠点を減少し且つ構造簡単で検査・保守も容易にするために設計・製作されたのが第75図の自動連結器である。

　自動連結器は頭・胴及び尻の3部分から成り、連結したり解放したりするために次の3つの重要部分をもっている。
　�@　錠、�A　錠揚げ、�B　肘開け

11.4　バネ装置 top

　電気機関車のバネ装置と称するのは台枠の担バネ装置と釣合装置を総称するもので、いずれも台車の重量を各車輪に出来るだけ平均して分配するとともに、線路上からくる衝撃や動揺を出来るだけ緩和して車体上に伝え、乗務員の乗心地を和らげ車内の各機器を保護する目的のものである。
　担パネの取付方には種々の方法があるが、主台枠については主として軸箱の上部側台枠に平行にもうけられ、先台車には生として釣合梁を介して直角にもうけられる。
　一般に電気機関車は主電動機を車軸に釣かける関係上、軸箱を外側におくのが普通であって、従って担バネは車輪の外側にもうけられる、
　よって、台車の傾きが同じであっても担バネの撓みは大きくすることが必要となるので、蒸気機関車よりも比較的弱いバネを用いる。
　これがために担バネだけでは動揺や乗心地を充分緩和出来きないきらいがあるので、蔓巻バネ（注2）を併用することが多い。
（注2）蕎巻バネは巻数・コイル直径・素線の断面を加減して撓みを増すことができるので、場所の関係にもよるが一般に担バネよりも撓みを大きくとる場合に用いる。

　図において担バネは片側に3組あるが、左方2つは動輪に対するもの、右端の1組は動輪1箇と左右の先輪に対するもので、これらはそれぞれ3群に別れていていわゆる3点支持をなしている（注3）。
　担パネ装置においてはパネ下重量（注4）といって、車輪・車軸・軸箱などのようにバネを介さず直接レ−ルにのっている部分の重量と、バネ上重量といって台枠その他のバネを通してレールにかかる部分の重量とに分けられる。
　バネ下重量は設計上できるだけ小さくすることが必要である。
　一般にバネ上重量はもちろんバネ下重量よりは重くその比率は約2：1である。
　何故なれば、バネ下重量を重くすると重心が低くなり、軌道及び橋梁に与える応力を大としてごれを傷めるからである。
　担バネとして用いられるものは主として重板バネであって、板の厚さは9.5mm或いは13mm、幅は75mm或いは100mmのものを用いるが、電気機関車では13×100のものを多く用いる。
　また板の枚数は先輪用で12、動輪用では11枚（但し鋳鋼台枠の先輪用は7枚）であって、径り（穴から穴までの距離）は1070mmのものが最も多い。
　板材料は焼入しないときに抗張力80kg/平方mm以上、伸びは10％以上である。
　担バネを設計するに当っては応力（注5）と同時に撓みを計算しなければならない。
　撓みは極めて大切であって、出来るだけ大きい方がよいのであるが、実際問題として余り大きくとることは困難である。
　電気機関車では普通38〜50mm位にとる。
　重板バネの特徴は、バネが撓むときは板間相互に滑りが起って摩擦抵抗が発生し、これによってエネルギを吸収して動揺を少くする役目をもっていて、担バネとしては是非必要た性質である。
　蔓巻バネはこの性質をもっていないから、殆んど単独で用いることはなく、一般に重複バネと組合される。
　蔓巻バネの設計にも応力と撓みが重要であるが、撓み（注6）は重板バネよりもはるかに大きく棒の直径の4乗に逆比例するから、この直径を小さくする方が有利であるが、応力が大きくなるので実際には余り小さくはとれない。
　担バネは各車輪に1対ずつ取付ければよいえわけであるが、線路の影響による車両の走行の変化に応じて、座バネに加わる荷重の大きい変化に対して安全であるような設計は非常に困難であるから、これを独立してもうけることは少ない。
　釣合装置は、同じ種類の車軸にかかる重量を均一にするために用いられる装置で、電気機関車のように空転を起しやすい構造の車輪においては、とくに釣合装置の使命は重要である。
　第77図において釣合装置は釣合梁と担バネ･蔓巻バネを組合せた1連の装置を総称するもので、軸箱上にかかる重量の不均一があるとき担バネが傾いた同量の傾きを釣合梁の反対側で生じてこの撓みは相殺され、他の軸箱上にかかる重量との釣合をはかるものである。

（注3）3点支持は物体を安定させるために最も理想的な支持法で、主電動磯釣掛法や1軸先台車ぱこの例である。
（注4）担パネの重量はバネ上重量に入るかバネ下重量に入るかは問題となるが、普通この重量は2分して上下に振分けるのを慣例とする。
（注5）担バネの応力は次の式から計算する。
　 Ｋ（kg/平方cm）＝55P・(l−0.6e)／n・b・tの3乗
　 また撓みは　σ（cm）＝55P・(1-0.6e)の3乗／n・bの3乗・Ｅ　
　 但し2F＝担バネ上最大静止荷重（kg）2l＝担バネの径り（cm)　2e＝担バネ胴締の幅（cm）t＝板の厚さ（cm）
　 n＝板の数　e＝弾性係数＝2,10000,000（kg/平方cm）許容応力（最大）＝40000(kg／平方cm)
（注6）蕎巻バネの応力は次の式から計算する。
　　Ｋ（kg/平方cm）＝(8Ｄ／π・dの3乗)Ｐ　
　　また撓みは∂（cm）＝(8n・Ｄの3乗／Ｅ・dの4乗)・Ｐ
　　但し　d＝棒の直径（cm）、P＝荷重（kg）、Ｄ＝コィルの平均直径（cm) 、n＝コイﾉﾚの完全巻数
　　Ｅ＝横弾性係数＝750,00C〜800,000（kg/平方cm、許容応力（最大）5,000（d>=13mm) 6,000（d<=13mm）

11.5　台車台枠 top

　先台車台枠（注1）と台車復元装置（アブト式ではラック台車台枠をふくむ）を一括して台車台枠とし、主台枠とを区別する。
（注1）一般に電気機関車には先台車はあって従台車はない。これは何れの方向へも等条件で運転出来る特性をもっているからである。

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