低抵抗車輪

2009年04月09日

Stainless Steel

 被牽引車の車輪にはステンレスが適する。なぜかというとそれは摩擦が少ないからである。すなわち動力車には本当は適さない。普通の鋼材に比べると摩擦が70%位である。

 しかし本物の車輪には使えない。それは塑性変形しやすいからである。この種のステンレスはオーステナイト系といって、簡単に変形する。すなわち本物の車輪のように大荷重が掛かるものには使えない。建築物の構造材にも使えない。クリープが起きて伸びてしまう。たとえば庇の鉄骨に使えば、いずれ垂れ下がってくるだろう。また、実用機器にステンレスのボルトを使う場合もあるが、強く締めると伸びるので、本当は使うべきではない

 ピヴォットの先端が曲がりやすいのも、オーステナイト系だからだ。何か硬いものに当たるとつぶれやすい。工場からトレイに入れて納品された時は全く問題なかった。
 箱に入れ替えて運ぶと100軸に一つくらい、このような事故が起こるようだ。また、人に見せると、見たあと無造作に放り込む人がいて、先端が潰れるようだ。ここまで精密に作られた部品に接したことは、ほとんどの人にはないだろうから、ついやってしまうのだろう。

 しかし、他の利点がこの欠点を補って余りある。また、模型程度の荷重ならクリープは起きない。

 ジャーナル部を円筒型に研削し、マイナス17μにした。ボールベアリングの滑り嵌めを実現するためである。工場では全数検査をしてくれたので、間違いなく嵌まる。さらに、面取りを大きく施したので、多少の打痕が生じても問題なくはまるはずである。このあたりのノウハウは、経験上確立されている。


2009年04月07日

続々 Low-D Wheel Sets

 昨日、川島氏のお宅で会合があったので出席した。その席上、Low-D車輪をお頒けした。発表の機会を与えられ、レイアウトの高架線上で手を離すと、斜面を滑り降りて滑走した。その一瞬、観客がどよめいた。

 ほとんどの人はボールベアリングの効果だと思われたようだが、ピヴォット軸受けの効果である。機関車のように軸重が大きいと、ボールベアリングの効果は絶大である。しかし貨車のように軸重が100g程度なら、ピヴォットの勝ちである。相手はデルリン(ポリアセタール樹脂)だから多少凹み、自己潤滑性があるのでよく回る。

 ボールベアリングには油が入っているので、その撹拌抵抗が無視できない。うんと重くなればそれが無視できるようになるというわけだ。

pivot failure たまに振れが出ているように感じる時がある。それは、他の部品と衝突して曲がってしまったからだ。ステンレス・ピヴォットは先端が曲がりやすい。焼きが入るとよいのだが、SUS303では無理だ。外して、もし曲がっているようなら、砥石で先端部を少し修正すると治る。箱にそっと入れてあるのだが、無造作に扱うとそういうことが起こりうる。

 実演を見て、初めて例の動画が本当だと実感したというコメントを戴いた。実はあの動画をご覧になった方からいろいろな質問が届いている。一番多いのは、「貨車の中に動力車が紛れこませてあるに違いない。」というものだ。次に多いのは、「ゴムタイヤを履かせてあるのだろう。」である。また、「CG(コンピュータで処理して多く見せている作り物の動画)だろう。」というものもあった。

 種も仕掛けもなく、ブラス製貨車が80%以上含まれた総重量約35kgの列車である。動力車は先頭の4-12-2蒸気機関車のみで、走行時の電流は0.37Aである。機関車は約3.5kgである。
 このような運転ができるのはこの車輪のお陰以外の何物でもない。

2009年04月05日

続 Low-D Wheel Sets

 今回は車輪の裏側を削った。これは、前回の製品との区別をするためでもある。また、明らかに軽量化にも貢献している。

 裏を削るというのは、実は大変手間がかかり、なおかつ難しい。CNC旋盤では刃物は片方からしか動かないので、出来上がってきた車輪を別の機械にくわえ直して、裏を削る。
 裏は精度が要らないので、総型バイトで削ればよいと言ったのだが、機械と職人が遊んでいたので、贅沢にもCNCで図面通りに作ってくれた。この仕事をするのに1個当たり30秒ほどもかかる。

 踏面は図面通りにできていないと意味がない。この工場には20倍の投影機があり、図面と実物を重ねて見ることができる。結果は完全に図面通りで感動した。
 このような検査機能をもつ工場は少ない。今回、こちらの要望が100%通り、思った通りのものがとても安くできた。

 仲間内で融通する分以外にもかなりの余分を作ったので、ご希望の方には原価でお渡しする。いつものことなのだが、事前に注文数を聞いて作ると、後で現物を見て欲しがる人が多い。今回も注文数の2倍を作ったので、ちょうどよいくらいだろうと思っている。コメント欄を通じて、価格等お問い合わせ願いたい。市価と比べると非常に安い。

・17.5φのピヴォット軸、及び19φのピヴォット軸 これらは圧入してあり分解できない。
・19φの5mmストレート軸、ジャーナルは2mmボール・ベアリングを嵌めることができるようにマイナス17μ、軸は片方のみネジ込み。
・21φの5mmストレート軸、仕様は上と同様。

 5mm軸もボール・ベアリングを嵌めることができるようにしてあり動力台車を作ることができる。

 17.5φは高性能のプラスティック台車(TR41似)にはまった状態でも出荷できる。この台車の転がりの良さには、だれしも驚く。工場で現物が転がるところを見せたら、「信じられない」と言った。

2009年04月03日

Low-D Wheel Sets

Low-D Wheel sets on Weaver Trucks Low-D 車輪が納品された。前回から13年、製造所が夜逃げしたため、ノウハウごと消滅してしまった。その後、手を尽くして新しい製造所を探していたが、好景気で誰も見向きもしなかった。

 今回のトヨタ・ショックで、近在の工場はすべて閑古鳥が鳴いている状態になった。いくつか当たってみると、ぜひやらせてくれという工場があった。工作機械は新品で、5000万円もする物に入れ替えた途端、仕事がなくなってしまったのだ。

 話を聞いて、最近の製品サンプルを見せてもらうと、素晴らしい精度であることがわかった。ネジも「ISO 4mm細目でガタの無いようにできるか」と問うと、「自信がある」とのことで図面を渡し、見積もりと試作を頼んだ。

 出来てきた試作品を見て驚いた。こんなネジは見たことがない。ガタが全く感じられない。「工作精度の限界です。世界最高レベルのネジです。」という。

 温度管理が大事で、昼間は人間が付き添っていて、あまり精度の要らないものを作る。夕方になって油の温度が上がって一定になったところで、多量の材料をセットし、朝まで自動で作ると、同じものができるという。

 圧入も寸法誤差範囲を小さくしなければならないのでこの方法で作る。前回は絶縁材を介して圧入してあるところが、場合によっては弛みやすかったが、今回はロレットを軽く切ったので、回らなくすることができた。

 圧入の方法も全く新しいジグを作って、精度高く組み上げてある。長年、この工場ではカメラ部品を作ってきたらしく、細かいネジは任せてくださいということであった。

2007年05月18日

続 Kemtronの客車キット

Postal Storage Car 荷物車は80Ftのを作ったが73Ftのを2両製作中である。これは完全なスクラッチ・ビルトである。80ftの方には三軸台車が付いている。これは2軸台車を切り刻んで継ぎ足したものである。インチキ台車ではあるが、ちゃんとイコライズする。この車両のドアは、アメリカから帰ってくるときに、引越し荷物の中に紛れ込んで行方不明になった。そのうち再製作する。

Kemtron Trucks w/Ball beraing 筆者はボディーキットを長年に亘って蒐集したものの、台車が無く困っていた。5年ほど前、友人がKemtronの台車を手放しても良いと言うので全部買ってしまった。車輪は捨てて、自分の低抵抗車輪に嵌め替えた。同時にボール・ベアリングを仕込んだ。

 これで準備完了で一気に完成まで持ち込みたい。牽引機はPA-PB-PAE8のABB編成である。後者は現在スクラッチビルド中である。2年位のうちには完成させるつもりだ。

Kemtron Passenger Car Parts キットの構成は、側板、屋根、妻とドームの部品というところである。どれも厚い材料で作られている。治具を作ってはめ込み、大きなコテで一気に付けた。今なら炭素棒ハンダ付けでやるだろう。

2006年10月31日

急カーブを曲がるには

15' gauge truck w/swing bolster どんなに工夫をしても、軌間の10倍程度の半径では、内外のレイルの円周差が10%にも達し、フィレットではまかないきれない。

 軸重が小さい時はさほど大きな問題にはならない。摩擦力は軸重に正比例するからである。しかし重い車両のときはカーブでの抵抗は無視しえない。市電が交差点を曲がるとき、キュンキュンという音を立てている。あれはこの車輪のスリップ音である。標準軌の半径250Mでさえも、スリップ音が聞こえる。この音をフランジがすれる音だと勘違いする人は多い。超望遠レンズで前方から覗いてみても、フランジ側面が当たってはいない。

 しばらく前、近所のボランティア団体で15インチ軌道の豆列車を作ろうということになった。半径4Mを廻る必要がある。いきさつ上、筆者がその走り装置を作る羽目になった。計算してみると、人間が5人も乗っているとその摩擦力はかなり大きく、連結器端での出力500ワット程度の動力車でも、秒速0.5Mくらいが限度であった。要するに摩擦力はすこぶる大きい。並みの動力車では牽けないことが判明したのである。しかも、2台の客車を牽きたいという。

 こうなれば、左右の車輪を別回転にする以外ない。近くのNTNの技術者の長と知り合いになれたので、思い切ってお願いしてみた。ボランティア団体ですのでお金がありませんと。

 するとその方のお計らいで「研究用」としてサンプル供与をして戴いた。自動車の前輪用複列ボールベアリングその他一切を戴いた。簡単な作図の後、旋盤作業に取り掛かった。熔接機も出力7KWのを別の方から戴いた。

 鋼材屋からアングル、チャンネルを買い、チップソウ(鋼材を切る円鋸)で切断、ボール盤で穴を開け、組み立てた。近所の人は鉄工所を開業したと思ったらしい。1ヶ月ほどで2両分が完成した。

 内側揺れ枕付きで、この台車1つが39kgある。早速車体を取り付け試運転した。半径4Mでも走行抵抗は直線とほとんど変わらなかった。

2006年10月29日

NC旋盤屋

improved frog 当初、RP25でどの程度の走行抵抗があるのか調べたくなった。材質を、摩擦の少ないステンレスにするとどうなるのかも、興味があるところであった。

 材料の自動供給装置付きNC旋盤をもつ旋盤屋を「量産屋」という。量産屋を訪ね歩いて、見積もりを取り、とりあえず発注した。こういうときは「現金、領収書なし」というのは大変効果がある。かなり安い値段で引き受けてくれた。もちろん1000軸単位でしか引き受けてくれない。友人と連絡をとってかなりの数を注文した。
 
 受け取った友人はみな大喜びであった。SUS303ステンレス製のRP25など、どこにも売っていないのだから。しかも原価で頒けたので、価格は信じられないほど安かった。

 しかし、筆者は走行テストを繰り返した結果、まだまだ性能アップの可能性はあると踏んでいた。そういうときに、吉岡精一氏からの助言により、大いに力づけられたのだ。

 フランジ形状のみならず、「ユルミ」まで踏み込んだ検討は、当初の予定を超えていた。「ユルミ」を減らすと、踏面の幅を減らすことができる。RP25の踏面はどう考えても分厚すぎるから、これはありがたかった。これで前面から見た車輪の形状は、かなり改善された。

 吉岡氏との連絡を密にして検討を繰り返した結果、決定版というべきものが生まれた。これを1万軸作ることにした。再度友人からの注文を取り、余ったら海外にも紹介するという予定であったが、殆ど国内で捌けてしまった。しかもあっという間に。

 3年後に「再度作ってくれ」と云う人が多かったので、その量産屋に行ってみたら、更地になっていた。倒産して夜逃げした、と近所の人が教えてくれた。残念至極である。

 同じ質量の車両に同じ台車を付け、筆者のレイアウトのエンドレス上で、突放して停止するまでの走行距離を測定するテストを、繰り返し行った。やはり、RP25の2/3の抵抗しか無いことが判明した。同じ列車でもカーブ上で五割増しの牽引輌数ということになる。

 曲線上でもLow-D車輪では100両以上の牽引が可能であることが証明されたのである。
 Low-Dとは"Low Drag"すなわち低摩擦のことである。

 写真はフランジウェイが狭いフログ。車輪が落ち込まない。しかし、ガードレイル側は少し広くせねばならない。

2006年10月28日

点接触の必要性

SUS303 RP25 RP25の車輪を実際にいろいろな曲線上で走らせてみて、どこが接触しているのかを望遠レンズで覗いてみた。明らかに、踏面とフランジの変曲点との二箇所で接触していることが分かった。

 上の写真は、使用済みRP25の拡大写真である。筆者のレイアウトで12年間殆ど毎日走らせたもので、硬いステンレスと云えども踏面が多少磨耗している。フランジにご注目あれ。

 明らかに、フィレットよりも先の部分が当たっている。すなわち2点接触である。2点での回転半径は異なるので、速度差が生じる。それは摩擦力として牽引力を減殺する。


SUS303 Low-D 下の写真は筆者の低抵抗(Low-D)車輪である。10年間の走行でも、フランジに全く磨耗の痕が見られない。フィレット部はかなりよく当たっているらしく、光っている。踏面の磨耗は同様である。この写真は車輪の接触が1点であることを裏付けている。これを見れば、フランジの高さはもう少し低くても良いことが分かる。

 一昨日の写真でもお判りのように、Low-D車輪のホイールゲージは、RP25よりわずかに広い。すなわち「ユルミ」を少なくしている。これでもS-4規格のフログを何の問題もなく通過する。

 フランジの厚みもわずかに少ないので、やる気になればフログのフランジウェイを狭くすることもできる。そのとき、ガードレイルのほうのフランジウェイを広くする必要が生じる。

 NMRAのフログの規格はあまりにも古い。古い車両を通す必要から古い規格を温存している。筆者の場合、すべての車輌の車輪を取り替えたので、より狭いフランジウェイのフログを採用できた。持込み者にはあらかじめお断りして、所定の車検を行ってからの入線をお願いしている。もっとも、筆者の友人は、殆どが新開発のLow-D車輪を採用しているので、問題が起こることは無い。
 車検をすると言ったら、「失礼だ」と怒った方が過去に一人いらした。その方は博物館ができるほどの日米欧の雑多なコレクションをお持ちの方だ。過去にご自慢の車輛を持って来たが、車輪が油でべとべとであった。また、ギヤボックスがないものも多かった。油を撒き散らす車輌は入線をお断りしている。牽引力を大きく損ない、レイルも車輌も汚れるからである。
 どちらが失礼なのだろうか。これはマナーの問題である。

2006年10月27日

低抵抗(Low-D)車輪の開発

RP25 目的ははっきりしている。
「実物よりも急な曲線を、摩擦を少なくして通過させる。」
 これを実現したい。




 曲線の抵抗の原因は大きく分けて2つある。
 .侫薀鵐犬外側レイルに接触する。
 内外レイルの半径差に基づく道のりの差のスリップ。

 いずれも、摩擦の少ない硬い車輪を使えば、摩擦というファクタは同じなのでいずれにも効果はある。プラスティックの車輪は安価なので多用されているが決してよい結果はもたらさない。金属車輪までがプラスティック車輪の影響を受けて汚れるという観察も報告されている。
 材質はともかく、軟らかい車輪は転がり抵抗が大きいのは自明である。

ゝ浙弊ではフランジが外側レイルに接触する。RP25ではフランジ角がないので接触しやすい。どうしてこのような形が良いことになったのか、首を傾げざるを得ない。フランジ側面が接触しても抵抗が大きく、牽引力を減殺する。フランジ角を設け、フランジ側面が接触することをなるべく排除するだけで、曲線での抵抗は大いに減少する。
 
 レイルヘッドがフランジに接触する直前には何が起こるだろうか。フィレットへの乗り上げにより、見かけ上の車輪半径の増大が起こり、フランジはレイルから遠ざかる。この半径をどのくらいにするかの見積もりは、かなり手間取った。種々の作図により、レイルヘッドの半径の2倍強が良いことが判明した。

△猟餽海亡悗靴討魯好薀奪で解決すると考えてしまう人は多い。スラックの効果は実物のような半径、運転速度のときその効果を発揮するわけで、実物換算半径数十メートルでは、路面電車のようなものであり、両輪の半径差で解決できない。最大限広げて、車輪が落ち込むまで広げても、要求される道のりの差を満たすことは出来ない。すなわちスリップせざるを得ない。そのスリップを少なくするのがフィレットである。

 フィレットに乗り上げれば、車輪半径は十分増大するからである。
 
 RP25ではもうすでに、スラックを輪軸に内包していると考えられる。というのは軌間に対しての輪軸のガタ(日本の鉄道業界ではユルミと言うらしい)がかなり大きいからである。



       写真右はRP25、左は筆者の低抵抗(Low-D)車輪

2006年10月26日

RPとは

 NMRA Standard いろいろな場面で聞かれることがある。
「この機関車は何台くらい牽けますか?」……何と答えたらよいだろう。

 正直に、「私のところの標準的な40ftの貨車なら、平坦な直線では150台以上引き出せます。」などと答えたら、かなりの顰蹙(ひんしゅく)をかうだろう。全て、牽かれる物の責任であるのだが…。

 私の保有する貨車は全て摩擦の少ないステンレスのピボット車輪に換装してある。フランジはRP25ではない。直線なら問題ないが、急曲線がある模型のレイアウト上では、RP25では抵抗が大きくたくさん牽けない。

 先日の関西合運で、「そのフランジについて書け」とリクエストを戴いた。しばらくこの話題で続けたい。

 私はレイアウトを建設するに当たり、80輌以上の貨車、14両編成の旅客列車を牽かせることを目標とした。この話をするとアメリカ人にさえも、"Crazy","Ridiculous"(狂ってる、ばかばかしい)と言われた。

 「牽ける訳ない」と言われて、「実物が牽けるのだから可能さ」と答えると、ますます「あいつはおかしい」ということになる。
 
 しかし被牽引車の摩擦を減らせばいくらでも牽けるはずである。そんな時、吉岡精一氏から貴重な助言を戴いた。「RPは推奨項目(recommended practice)であって、それに従えとは書いてない。」 
 線路規格は、ある程度尊重せざるをえないが、その線路を間違いなく走れば自分の好きな形でできるわけである。

 RP25のフランジは曲線のみで構成されている。脱線抗力となるフランジ角を構成する直線部がない。フランジと踏面との境の丸み(Fillet)の大きさも十分とは言えない。軌間と車輪の遊びが大きく、その分タイヤが厚く、見かけもよくない。

 フィレット(その昔、TMSには「フィリット」と発音が示してあった)はレイルヘッドの角の半径によって、その効果が変化する。

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