待避線(余談雑談) 機械式変速機の話 後編

 　前編ではガソリンカーのエンジンがかかるまでの危うい話を書きました。続いてはそれを加速する時のうんちくです。機械式変速機と聞いてオートマチックトランスミッション(AT)ではなくてマニュアルトランスミッション(MT)のことだと多くの方が考えると思いますが、まんざら間違いではありません。ただ、チャップリン時代のそれを引き継いだ機械式気動車は今日の乗用車のMTとは違って、構造はシンプルですがやはり相応に取り扱いがややこしい代物でありました。

旧型気動車の床下　旧佐久鉄道キホハニ50

　その前にまず変速機の原理から説明します。直流モーターやVVVF制御された交流モーターは低速から高速域まで鉄道車両の走行に適したトルクを発生するので、モーター軸と車軸は常に同じ歯車で噛み合っています。一方ガソリン機関やディーゼル機関は、アイドル回転数以下では出力を取り出せない他、車両が低速時には高トルクが必要でありながら高速域まで加速できるような特性が要求されることから、エンジンと車軸の回転を切り離すクラッチと速度に応じて歯車比を変える変速機が必要になります。通常エンジンとクラッチ、変速機は一体に組み立てられて右の写真のように気動車の床下に吊り下げられています。クラッチと変速機の内部を下の模式解説図に示していますのでこれに従って機能を説明します。実際には各機器は複雑な形状なので詳しくは実体図を参照ください。

機械式変速機模式図(左）自身作図　　　　　　と　　　　　実体図(右)　国鉄工作局

スプライン　Wikipediaより

　模式図の左側にあるのがクラッチで、円盤がバネで押し付けられてエンジンの回転が右側の変速機に伝わるようになっています。実際には複数の円盤が中心側からと外周側から互い違いに重なって取り付けられています。運転席のクラッチペダルを踏むと円盤同志が離れてエンジンの動力が変速機側へ伝わらなくなります(図はこの状態)。つまりクラッチの右側の円盤はペダル操作で左右に動くようになっていてエンジンから独立して回転したり止まったりできます。この部分の軸は長い歯車のような形状で円盤の内面の歯と噛み合って回転力を伝え、また横滑りして位置を変えられるように作ってあります。このような軸をスプラインと言って、実は右側の変速機の軸も同じ構造になっており、クラッチによって動力が切られた状態で変速レバーを切り替えると横滑りして特定の歯車同士が噛み合うようになっています。もう一つ重要な役割を果たすのがカウンターシャフトで、クラッチの右側にある歯車と常に噛み合っています。この軸と軸上の各歯車は固定されていて滑りません。第4速は歯車を介さずにクラッチと変速機の軸端の爪が噛み合うことで直結状態になります。

　続いて加速時の実際の変速操作について説明します。もう一度模式図を見てください。変速レバーが中立(ニュートラル)でクラッチを切った状態、まさに今から気動車が動き出す準備が整った瞬間を表示しています。ここから変速レバーを第1速に入れるのですが、カウンターシャフトも変速機シャフトも停止していると歯車の側面同志がぶつかって横滑りできず噛み合うことができません。そういう場合はクラッチを少しだけ戻してまた踏み込むとカウンターシャフトが軽く回転するので歯先がぶつかるゴンゴンゴンという音がして止まる直前に歯車が嚙み合います。カウンターシャフトの回転数が上がり過ぎると衝撃が大きくなって噛み合わないので、これには勘どころを押さえるテクニックが必要です。模式図第1速にこの状態を示しています。無事に第1速の歯車が噛み合ったらブレーキを緩め、クラッチペダルを徐々に戻してやると動力が変速機を通じて推進軸に伝わります。赤色破線矢印がその経路です。ここで推進軸と動力車軸の間にある逆転機が中立状態にある場合(エンジン起動後最初の走行時などの場合)は前進側の歯車に繋がるよう運転席の前進後進切換えレバーを回します。推進軸がわずかに回転すればレバーの手応えで切替わりが確認出来ます。この後クラッチをもう一度ゆっくり戻して負荷を加えるとエンジンの回転数が下がるのでスロットルを引いて燃料を送り込んでやらないといけません。自動車学校の実技で初心者がかならずエンストの洗礼を受けるいわゆるクラッチ合わせです。ディーゼルエンジンのようにアイドルガバナーが付いている場合は回転数維持機能が働いて自動的に燃料が制御されるのでクラッチペダルの戻し加減に留意するのみでスロットルの操作は不要です。クラッチが完全に繋がってからスロットルレバーを引くと回転数が上昇して車両は加速します。

第1速の歯車噛み合い状態と動力伝達経路　　　　　第４速の直結状態と動力伝達経路

　第1速で十分に加速したらスロットルレバーを戻すと同時にクラッチペダルを踏みこんで変速機に動力が伝わらないようにし、変速レバーを第1速から中立に戻します。そのまま第2速に入れようとしても歯車のぶつかる音がして入りません。なぜかと言うと第1速での加速中にカウンターシャフトが高速回転していた時の慣性で変速機シャフトの第2速の歯車と周速が合わなくなっているためです。そこでクラッチペダルを瞬時戻してカウンターシャフトの回転数をエンジンアイドル回転数に合わせることで歯車同士の周速が近づくようにしてやるのです。これがダブルクラッチと言われるテクニックです。クラッチペダルの戻し具合はやはり勘と熟練が必要です。と言うのは、第1速で車両が動き出したら車輪が静摩擦状態を脱するので必要以上に加速せず、すぐにクラッチを切って第2速に入れる裏技があるからです。この場合カウンターシャフトの回転数があまり上昇していないのでダブルクラッチに頼らずに変速レバーを押し付ければ軽く第2速に入れることができます。第2速ではスロットルレバーを引いて十分に加速し、ダブルクラッチ操作で第3速に繋ぎます。次は模式図第4速をご覧ください。ここではエンジンの動力(回転)はカウンターシャフトを経由せずにストレートに推進軸に伝わっていることがわかると思います。つまり滑らかに第4速の状態に到達するためにはクラッチを切ったらスロットルレバーの操作でエンジンと推進軸の回転数を合わせ、両軸の爪が噛み合う(変速レバーが第4速に入る)タイミングでクラッチを繋ぐという手順になります。さらにもう一つダブルクラッチ特有のテクニックがあります。平地から勾配区間に入ったり勾配が大きくなって均衡速度が低下してくると、第4速から第3速へあるいは第3速から第2速へシフトダウンしなければならなくなります。この時クラッチを切って変速レバーで低速側の歯車を噛み合わせるわけですが、カウンターシャフトの回転数が低下しているのでクラッチを繋ぎスロットルレバーを引いてエンジン回転数を上げてからもう一度クラッチを切って歯車を噛み合わせるというややこしい操作をしなければなりません。さらにエンジン回転を高めに保持した状態でクラッチが繋がるようにしないと駆動系や乗客に前のめりの衝撃を加えてしまうので注意が必要です。

1952年製造の機械式気動車鹿児島交通キハ101　1972年撮影時にはキユニになっていた　自身撮影

　長々と理屈を書いていますが、運転手は速度計や回転計に頼らず音やレバーから伝わる感覚でその時々に変速機の中で何が起こっているかを知り、順序良くこれらのシーケンスを進めていきます。彼らは機械操作のプロであり、原理を知り経験を積むことで運転技術を磨き、乗客が騒音や衝撃をできるだけ感じないように心配りをすることに誇りを感じていたはずです。同じようなテクニックで昭和のバスやトラックを運転していた人がいましたし、現代ではレーシングカーに要求される複雑で俊敏な加減速操作にこれらの高等技術が駆使されていると聞きます。

ドイツ国鉄VT98型レールバスの総括制御運転台
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿Wikipediaより

　今どきのMTの乗用車がこんな面倒なことをしなくてよいのは、変速機の仕組みが改良されているからです。常時噛み合い式とかシンクロメッシュと呼ばれる方式ではカウンターシャフトと変速機シャフトの歯車が最初から全部噛み合っていてスプライン軸の上を空転しており、必要に応じて(変速レバーの操作によって)クラッチスリーブというリングがスプライン軸と歯車に間にスムーズに入り込んで歯車が選択されるようになっています。ただ大型自動車やトラクターなど負荷が大きい場合には適用が困難なため依然として旧来の機構が踏襲されています。その代わり空圧やコンピュータ制御によってフィンガーシフトと言われる遠隔操作が主流になっていることは近年のバスの運転などを見てご存知かと思います。ドイツでは1950年代に類似の方式でレールバスの総括制御をしていたという記述がWikipediaにあります。

　我が国で機械式気動車が走り始めて約100年が経過しましたが、今ではその痕跡をたどることさえ難しくなってきました。前編と後編の2回にわたって旧型気動車の取り扱いに関する涙ぐましいまでの苦労を機械工学の浅見にもとづいて全くの想像で書きました。それは元々無機質の金属の塊でありながら、関わる者にとっては時として気まぐれなじゃじゃ馬であり、あるいは心が通う相棒、また可愛い我が子のような存在でもあったのでしょう。だからこそ機械と言葉を交わしながら乗客に安心して利用してもらう努力と工夫を重ねることができたのだと思います。

待避線(余談雑談) 機械式変速機の話 前編

マツダK360　Wikipediaより

　ここだけの話ですが、中学生の頃親戚の家に軽トラックがあって田舎の広い原っぱで運転の練習をさせてもらっていました。クラッチペダルを緩めて発進させるのがとても難しく、運転の真似ごとができるようになった時は帰ってから友達に自慢したものでした。メカ好き少年はその時クラッチと変速機の仕組みをなんとなく想像していましたが、後に学校の技術家庭科の授業でトランスミッションの教材模型を見て、「なるほど、こういう構造だったのか」と納得しました

乗用車も今ではオートマチックが主流になり、マニュアルミッション車を探すことが難しい世の中になってきました。私が運転免許を取得した頃はオートマチック車の価格は割高でしかもパワーがない、故障したら修理に時間と費用が嵩むなどで人気がありませんでした。鉄道の気動車も同じ経過をたどって機械式から液体式、そしてハイブリッド式へと変遷しました。

チャップリンのひとコマ　出所不明

　機械式気動車とひとことで言っても長い歴史があり、国内でガソリン動車が使われ始めたのは大正末期から昭和の初め、いわゆる単端式の小型車両で自動車のエンジンとクラッチ、変速機をそのまま積み込んだものと思われます。時代考証をするとチャップリンの無声映画全盛の頃ですから、クランク軸を差し込んで人力でエンジン始動していたのでしょう。やがてエンジンも車両も大型化し、各地の私鉄でガソリンカーが導入され、国鉄では1933年(昭和8年)にキハ36900(後のキハ41000、キハ04)が登場しました。さすがに人力に代わって始動にモーターが使用されたり、両運転台型が標準になったりしましたが、基本構造はその後ディーゼル化されるまで変わっていません。実は戦後ディーゼルエンジンに換装された車両でもエンジン以外は製造時のままだったわけで、私が学生で全国の私鉄を撮り歩いていた頃に走っていたディーゼルカーのメカはチャップリン時代の遺物だったということになります。

1933年製造の元中国鉄道買収気動車　島原鉄道キハ253　　　　　1972年自身撮影

　そんな時代のガソリンエンジンは我々がイメージする現代のそれと何が違うのかについて思いつくままに(思い出しながら)説明したいと思います。今どきの乗用車は乗り込んでスタートボタンを押すと(あるいはキーを回してエンジンをかけると)スタンバイ状態になり、ブレーキを踏んでシフトレバーをDモードに入れるとすぐに走り出します。自動車の始業点検は取扱説明書や法令に明記されていますが、実行している人なんかめったに見ませんよね。それに比べると昔のエンジンは動かす前に必ずやらないといけない手順があり、それを省くと始動すらままならないという事情がありました。

　まず運転手は床下周りに油漏れや部品の緩み、脱落などの損傷がないか、燃料や冷却水が適量であるかを点検しなければなりません。まっ、これは現代の鉄道でも同じで、車両基地の検査員とのダブルチェックです。エンジンを始動する前に、キャブレター近くの手動ポンプで燃料管の空気抜きを行います。始動に際してキャブレターに濃い混合気を送って着火しやすくするため、チョーク弁を閉じる操作をします。チョーク弁はキャブレターにあるのですが、運転席近くからワイヤーで操作できるようになっている場合もあります。

運転席の計器、スイッチ、レバー類の配置例
ケーブル類が滅失しているため推測にて記入
＿＿＿＿＿＿＿旧佐久鉄道キホハニ50自身撮影

　始動用モータースイッチを押して(あるいは回して)、エンジンを始動します。停止直後でなければ一回で着火起動することはまずありませんので、この操作は数回繰り返します。少ない回数で起動を成功させるにはスロットルレバーの位置や動かすタイミングなど経験がモノを言います。また気温や前の運転時の余熱などで成功率が変わります。始動回数があまり多くなると蓄電池の電圧が低下してしまうので、起動が困難な場合は点火栓や高圧電気発生系統(ディストリビューター)に汚れや故障、調整不良がないか調べます。今どきの自動車エンジンの起動信頼性はほぼ100％で、エンジンがかからないなどと心配することはありませんが、当時これは一つのヤマ場であり賭けでもありました、仕業前早めに起動したり、停車中もできるかぎりアイドルで待機したりして遅延や運休を招くことがないように腐心していたようです。

　エンジンが無事着火して起動に成功したらチョーク弁を戻し、スロットルレバーのストッパーまたはアイドルガバナーで、アイドル回転数を調整します。無負荷(変速レバー中立)の状態でスロットルレバーを軽く動かしてエンジン回転数の反応を確認します。タコメーター(回転数計)など付いていませんから全て耳や手指の感覚が頼りです。

　ここまでエンジン起動が終わると暖機のためにしばらく無負荷運転をします、元空気圧、潤滑油圧などを確認し、手歯止め、手動制動ハンドルを解除して初めて、運転が開始できるスタンバイ状態になります。車庫を出て客扱い運用に入る場合はこの他に室内灯や前照灯、尾灯、暖房の投入などがあることは言うまでもありません。

　注記　始動モーターによってエンジンが回転させられる状態を「始動」、始動によって燃料が着火して自立運転が始まった状態を「起動」と記述しています。

1956年式トヨペットクラウン　Wikipediaより

　1960年我が家に来たトヨペットクラウンには運転パネルにチョーク弁のツマミがついていました。週末久しぶりにエンジンをかける時はドキドキするもので、結局何回やってもエンジンがかからなくてお出かけをあきらめたことは幾度もあり、日が暮れて出先から帰られなくて情けなくなった思い出があります。今では世界に誇る日本の工業製品の品質がまだ「メイドインジャパン」と揶揄されていた時代のさらにずーうっと前のお話でした。

　

　2023/4/6投稿の「SLの話」で書いたのと同じように、今では当たり前のようにコンピューターが行っているエンジンの複雑な調整やシーケンスの全てを昔は運転手の勘と経験でこなしていたのでした。後編は、現代ではあまり知られていない古典的な機械式変速機の取り扱いについて説明します。

キクハって？

大分交通キハ104は私鉄版キハ40000
窓のサイズと幕板の幅が少し異なる

1972年頃中津にて自身撮影

 　と思われた方いらっしゃるのではないでしょうか。クモハやサハは鉄っちゃんにはポピュラーな形式記号ですが、気動車にもクハやサハに相当する形式が一応あって頭にキが付くと言えばお解りいただけるかと思います。ただし、キクハとキサハにはエンジンが付いていません。

　キクハの本題に入る前にトリヴィアです。モハのハは1、2、3等車をイ、ロ、ハで表していたのが1969年(昭和44年)に等級制廃止となり、グリーン車をロ、普通車をハと標記するようになったことはよく知られているとおりです。モがモーターを表す電動車であることは誰でも頷けます。ではクとサはどんな理由で制御車(運転台付き)と付随車の記号になったか、受け売りで説明します。黎明期の電車は一両で走っていましたが、制御車をクっ付けて2両連結にし、これをクハという形式にしたそうです。3両以上の列車に付随車をサし挟んだのでサハになったということです。諸説あるようでこれが本当かどうかは私にもわかりません。

　さて妄想から作り始めたキハ40000は昨年ほとんど進捗がありませんでした。今年こそはと思いながら動力装置を含めて一気に完成させることは不可能なので、とりあえず見た目だけでも鑑賞に堪える状態まで持ち込みたいと思っています。車体はウィンドウシル・ヘッダーを巻き付け、リベットを植込んで濃紺と薄茶色に塗装します。耐水ベニヤと薄杉板で３次元曲面を形成して昭和初期のキハを印象付ける張下げ屋根を被せます(着脱可)。扉は乗降の容易さを考慮して蝶番で側板ごと外開きとし、ディテールとして手すり、ベンチレーター、ヘッドライト、テールライト、連結器、窓ガラスを取り付けたいですね。　

　妄想トレイン過去記事(2022/１/22)に書いた動力装置は少し大掛かりなのでその先に延ばすとして、上に書いた状態までたどり着くとまさにキクハと呼んで恥ずかしくない仕上がりになるでしょう。キクハとキサハの外観上の違いはヘッドライトの有無になるのでなんとしてもそれを取り付けて今年の〆めにしたいものです。

　庭にキハ40000が走る姿を早く見たくて1/80スケールの水島臨海鉄道キハ310を貼り付けてみました。ステッカーアプリが思い通りに機能しない(iphoneが古いからか)のでペイントでの手修正です、お粗末！

この光景を今年中に見られるようにがんばります

謹賀新年2026

 　2025年は鹿部電鉄としていささか不本意な一年でありました。その前の年にキハ40000の台車や車体の製作がある程度整い、一気にキクハとしての完成を見るかと思いきや体調不良に見舞われて目立った進展は有馬温泉でした。それでも神戸の実家の家財整理に伴い、貴重な写真や書籍、模型が手元に戻ってきたのは不幸中の幸いと思っています。

　本年は早々にロボット支援レーザー手術を受けることにしており、リハビリが順調に進めば車両製作、線路延長、(ストリートビューではない)リアル鉄旅再開、 、 、と捲土重来を目論んでいます。