-本稿はあくまで機械工学に関する私見にもとづいて書きます。浅薄な知識ながら専門書やインターネットからの受け売りではありませんので間違っているかもしれません。お気付きの点がありましたら、右側のお問い合わせフォームまたはコメントでご指摘ください。-
昔の電車が加速する時、「グウォーングウォーン」という音(カタカナで表現するのは不可能です)が少しづつ高くなって行き、ノッチがオフになると「カランカラン」(同上)と音質が変わります。いわゆる吊りかけ音で、高齢鉄っちゃんの郷愁をかきたて、懐かしさを呼び覚ます響きであります。私が小学生の頃に出始めたカルダン式駆動の電車は、「ウィーン」という高周波音が連続的にしかも無限に高くなっていくかのように加速します。これはこれで新型車の近代的な音響として憧れたものです。一体この違いはどこから来るのでしょう。書籍、雑誌、ネットで解説してありますが、解り難かったり的外れな説明がしてあったりで、結局何がどう違うのか的確な答えは示されていないように思われます。
構造的な違い
「吊りかけ式」とはモーターの両脇をそれぞれ台車横梁(枠)と車軸で支えて(吊って)ある構造のことです。これに対してモーターを台車に取り付けて、揺れた時に生じる車軸とモーター軸間の偏位(ずれ)を可撓継手で吸収するようにしてあるのがカルダン方式です。この構造の根本的な違いによって派生する各種部品の構成が形状や速度(回転数)、振動の伝わり方やそれを減衰させる構造にまで影響を及ぼします。最初に記した吊りかけ式に特有な、比較的低音の響きは歯車の歯同志が噛み合う(ぶつかる)音が支配的で、負荷が抜けると隙間ができるので音質が変わります。カルダン式ではモーターを高速小型化すると同時に、歯車を捩ったような形状(はす歯またはヘリカルギア)にして噛み合った時に衝撃(音)が発生しにくくなる構造にしてあります。そのため全般的に高音成分が主になってお腹に響くような音ではなくなります。
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| 吊りかけ式とカルダン式のモーター懸架の違い 自身作画 |
上記は一般的な説明で、実際には多くの変種があるのですべての構造に当てはまらないケースがあることはご理解ください。
メリットとデメリット
吊りかけ式では車軸の通る穴がモーターの外枠を貫いているのでモーター軸と車軸は常に一定の間隔が保たれます。これはモーターの小歯車と車軸の大歯車の噛み合わせ条件を保つうえで非常に好都合であり、駆動部のメンテナンス(調整)上も大きなメリットになります。ただしモーターの重量の半分が、バネやゴムといった緩衝部材を介さずに車軸に直接かかるのでレールに対する衝撃負荷が大きくなります。レールの継目を通過する時の音や車体へ伝わるショックが大きくなるだけでなく、線路の保守間隔や寿命が短くなってしまうという不都合を招きかねません。路面電車や小型軽量の電車だけが運用されている場合は車両構造がシンプルであることが有利となって問題になりませんが、大型車が高速で運転される場合は重軌条化や路盤強化で対処することが必要になってきます。
吊りかけ音の発生源は歯車
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| はすば歯車 小原歯車工業H.P.より |
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| 地図の工場を表す記号は 歯車の図案化だそうです |
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| 噛み合う歯車の動き Wikipediaより |
この動画(図)は歯車の側面(断面)を示しているのですが、はすば歯車では軸に対して一定の角度でねじれて歯が加工されているため、歯車が回転した時にこの図の紙面に垂直な方向で少しづつずれて歯がぶつかることになります。歯幅全体で一斉にぶつかるわけではないので結果的に衝撃的な大きな音は発生せず、静かな回転が実現できることになります。歯が斜めに噛み合うので歯面に発生する応力が小さくなって丈夫になる、つまり歯車を小型高速化して大きな動力を伝達することができることになります。
一方で斜めに歯を加工する機械は複雑な機構になり、加工時間と費用も大きくなります。また歯車には回転力だけではなく軸方向の分力(スラスト)が発生するのでモーターやギアボックスの軸受けは軸力に対応した構造にしなければなりません。しかしそれだけのデメリットを上回る小型軽量化や静音化が可能になると同時に線路のメンテナンス費用が軽減されるので急速にカルダン方式が普及したと言えます。
ノスタルジー
吊りかけ電車はどんどん少なくなっていき、カルダン電車を凌駕したVVVF車が幅を利かせています。もちろんVVVFになってもカルダン式の駆動機構は生きているのですが、音の世界では吊りかけ→カルダン→VVVFの流れになっています。マニュアルトランスミッションの自動車やバイクは加速中ギアチェンジする度にエンジンの回転数が下がり、再び加速するというパターンを繰り返します。VVVFの電車もモーター音がある程度高くなると突然低音になって加速を繰り返します。それに対して吊りかけ電車や(昔の)カルダン車は起動から最高速度まで連続的にモーター音が高くなっていくので音マネしていると息が苦しくなってしまいます。思わず笑ってしまうそんな吊りかけ音を今どきの多くの子供は知らないと思います。旧型の路面電車が走っている街へ行った時や私鉄のイベントで保存車両のデモ運行が行われるときぐらいしかその音に接する機会はなくなってしまいました。そんなチャンスに巡り合ったら記憶に刻んでおくことにしたいですね。





















































