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 しょうなんでんしゃ のブログ
 1/80くらいの鉄道模型の工作
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曲線抵抗の比較(3)
 前回の実験では、同じ台車でも車輪によって明らかに曲線の走行抵抗が異なる結果となった。

 なぜだろう?

 まずは2軸台車が曲線を通過するとき、レールと車輪(台車)がどのような状態になるのかを観察してみた。


 これは2軸台車が左から右に進んでいる状態を表した非常に単純な図である。ここで外側レールと前方(図の右側)の外軌側車輪が接する点に着目する。車輪踏面と接する外側レールの長手方向(緑ライン≒接線ともいえる)と、車輪が直進しようとする方向(灰色ライン)には角度が生じている。これは「アタック角」と呼ばれている。アタック角については実物でも脱線の主たる要因として様々な研究が行われている。模型の世界では脱線もさることながら走行抵抗が生じる要因の一つである。アタック角が大きければレールとフランジが接しやすくなるのは明白だ。
曲線通過1



 さて、2軸台車が曲線を通過する際、果たして上記のように一般的な図のとおりになるのだろうか?
 また、前回の実験における台車および車輪の挙動はどうだったのだろうか?

 下はカツミ(旧車輪)を付けた台車を左から滑走させて、停止した時の状態を真上から撮影した写真である。上記の一般図と比べて何かが違う。
曲線通過3

 前後車輪の車軸や台車枕梁と、プラ道床の枕木との写り具合に注目してほしい。後方(写真左側)の車軸は枕木とほぼ同じ角度で、判りづらいが車輪は左右レールのほぼ中央に位置したまま(*1)だった。真ん中の枕梁は僅かに角度がついていた。そして前方(写真右側)の車軸は明らかに枕木との角度が生じており、車輪の位置も外側レールに偏位した状態(*2)だった。


 図示すると以下のようになる。補助線が多くなり見づらくて申し訳ない。
曲線通過2

 一般的な図(上)では、前後の車軸は均等に曲線上に置かれている。それに対し実験での挙動(下)では、後方の車軸は枕木とほぼ同じ角度(曲線レールの法線ともいえる)に近く、前方の車軸は法線方向からの逸脱が甚だしい。台車全体で見ると台車前方が大きく曲線の外側に向いた状態(*3)になっている(作図上、平行四辺形に見えるが実際はあまり歪んでいない)。前方の車輪が大きく外側に向くとアタック角が増大する。その結果、元々フランジに接しやすい外側レールがさらに当たりやすくなる。

「ホンマかいな?」

“ホンマ”である。

 以下は各社の車輪を使った時の挙動である(これも補助線ばかりで申し訳ない)。
 カツミ(旧車輪)・・・上写真の再掲
11カツミ旧車輪

 エンドウ(現行車輪)
12エンドウ現行

 日光モデル(従来品)
13日光従来品

 カツミ・エンドウ・日光モデル、どの車輪でもほぼ同じような結果となった。

 我々が思う以上に、曲線での2軸台車は走行抵抗を生じる厄介な方向に挙動していることが判った。


 今回は「アタック角」ばかりに焦点を当ててしまった。左右の車輪が独立して回転できるような輪軸を使い内外レールとの行路差を解消しても、フランジが接触する原因であるアタック角は解消されない。もちろんアタック角が解消されればフランジは当たらなくなる。そのためには「操舵台車」に辿り着くのだが・・・これはこれで技術的に難題である。実車でも最先端の分野らしいので、あまり触れないでおこう。ただ、偶然にも面白い実験結果が得られたので、後日“箸休め”程度に紹介したい。

 「そのアタック角とやらが生じるような同じ挙動なら、どこの車輪でも同じ結果になる筈じゃん」との声が聞こえてきそうだが、各社で異なる結果となったのは事実である。

 次回は各社の車輪に差が出た原因を、細かく!見ていきたい。


*1. 後方の車輪が曲線のほぼ中央に位置することはコチラでも述べられている。
*2. 5インチゲージの庭園鉄道の建設風景だが、6枚目の写真には2軸車輌が曲線を通過している状態が写されている。ここでも枕木と車軸の角度を比較すると、上側の車軸は枕木方向の近く、下側の車軸は大きな角度が生じていることが判る。画面上方から下方へ進んできたものと考えられる。ブログ主がアタック角に言及されているところは、実際に人を乗せる鉄道を敷設するだけあって流石だと感心した。
*3. 実際に台車の前方が大きく外側に飛び出した図は描かれている。ここでも後方の車輪が曲線のほぼ中心に位置している。
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コメント
コメント
同じような試験をやってみました。
ゲージが異なるので、条件は違いますが、台車の角度は同じようになりました。
2種類の車輪でやってみたのですが、残念ながら(?)フランジがレールに接触することはありませんでした。
どのような条件でフランジが接触するのか興味があります。
2020/11/22(日) 12:46:18 | URL | 森井義博 #- [ 編集 ]
森井さま
 おそらくは12 mmゲージの輪軸で実験されたのかと拝察します。HOJCの車輪規格(HOJCサイトより)を拝見しますと、フィレット(R1)=0.25、フランジ高(D)=0.55、θ2=7°とありました。
 次回から観察の過程を示しますが、フランジが当たるか否かは「フィレット・フランジ角・フランジ高」と考えております。HOJC規格ではフランジ角(90-θ2)がやや大きい印象ですが、フィレットRもあり、余分なフランジ高も無いので、アタック角が生じてもフランジが当たることはなかったのでは・・・と私は推察します。
 それでも曲線での走行抵抗が目立つのでしたら、軸距のちがい、軸先と軸受けの状態、車輪とレールの素材としての相性、レールの素材や表面と肩Rの状態e.t.c.、様々な要因が考えられますね。
 ちなみに通常のフランジ角(水平面とフランジ円錐面の角度)を使わず、θ2(90度-フランジ角)で表記したのは何か理由があるのでしょうか?
2020/11/22(日) 14:30:58 | URL | むすこたかなし #- [ 編集 ]
お察しの通り、12mmゲージです。
θ2で表記してあるのは、乗工社(IMON)、珊瑚、クマタの図面にそのように書かれていたからというのが実情です。
フランジ角が大きい理由は不明です。
今回使用した輪軸は、どちらも私が図面を書いて製作を依頼したもので、一つはフランジ角を70°フィレット0.3にしてあります。
もう一つは、フランジ角83°ですが、フランジの途中に曲線を入れて各メーカよりもフランジ先端が輪軸の内側になるように図面には書いてあります。
いずれもNMRA RP25 #79よりもフランジ先端がレールから遠くなるようにしています。
曲線での走行抵抗が問題になっているのではありませんが、曲線通過時の負荷は直線よりも大きいので、改善できる手段があればと思っています。
2020/11/22(日) 17:39:23 | URL | 森井義博 #- [ 編集 ]
森井さま
 なるほど、θ2の由来はそうだったんですね。珊瑚も乗工社(現IMON)も過去のメーカーですが、今もIMONのサイトのHO1067車輪規格はθ2(90度-フランジ角)で描かれています。
https://www.imon.co.jp/webshop/index.php?main_page=addon&module=mt_pages&page=wheel
 私も参考品として1/87のプラ貨車キット(旧PEMP製)を持っています。アダチ同様にプレーン軸を薄板で受けるのは好ましくないと思いました。十分な厚み(=奥行き)のプレーン軸受けが必要なのでは・・・などと余計なことを考えました。
 輪軸を設計・特注されるとは流石です。フランジ角=70度、フィレットR=0.3は(材料は不明ですが)かなり好い結果だったのではないでしょうか。そのコンタが12mmのスタンダードにならなかったのが不思議に思えます。
2020/11/22(日) 22:31:32 | URL | むすこたかなし #- [ 編集 ]
なぜか、1/87 12mmの初期のものはプレーン軸が多く、某社のは、ピボット軸でもまともに回らなかったりして困ったものです。
フランジ角70°フィレット0.3のはステンレス製で、黒染してあります。
踏面は直線ではなく、フィレットに向けてなだらかにカーブさせています。
http://blog.morii.jp/article/175021753.html
もう一方のは洋白の黒めっきタイヤなのですが、台車単体では走りは大差が無いというのが実情です。
ピボットは設計図面上は、どちらも45°ですが、実際のものは、後者の方が角度が少し鋭角にできていて、これが効いている可能性があります。
まだ、列車編成にできるほど作っていないので、それで比較してみないと正確には判断できないとも思っています。
2020/11/22(日) 23:37:50 | URL | 森井義博 #- [ 編集 ]
森井さま

踏面にも曲線を入れるのは面白いですね。実写の踏面も複数の曲線で構成されているようですが、
https://www.nipponsteel.com/tech/report/nssmc/pdf/395-04.pdf
走らせた結果はいかがだったのでしょうか?

ピボット先端角は一般的に45度ですが、日光モデル製車輪の実績から私も鋭角な方が良いと考えています。
2020/11/24(火) 17:51:30 | URL | むすこたかなし #- [ 編集 ]
まだ1輛しかこの輪軸を付けていないのですが、明確な差は今のところ見当たりません。
踏面を曲線にしてみたのは二つの理由があります。
一つは、1/87のような極小の模型では、実物のように3°程度の踏面角では輪軸を線路中央に寄せるような力は働きません。
もっと踏面角を急にしなければなりませんが、踏面全体を直線で急角度にすると見た目が悪くなるので、曲線で徐々に大きくするようにしたのです。
もう一つは、牽引力の試験で、踏面角を0°にすると牽引力が下がる実験データが得られました。
10年程の間を開けて全く別に加工した輪軸でも同様の結果が出ました。
ならば、踏面角をきつくすれば牽引力に何らかの効果があるのではないかということからです。
なお、後で実物も踏面を曲線にしているものがある事を知りました。
2020/11/25(水) 00:40:30 | URL | 森井義博 #- [ 編集 ]
Re: タイトルなし
森井さま
いろいろ実験されてますね。貴殿のC53が完成した暁には、戦前の特急列車に装備して比較実験をされることを期待します。

さて話は変わりますが、C53-45の流線形ケーシングにおける安全弁部分の穴についてです。
天賞堂などの製品は安全弁の直上部分のみ小穴が二つです。森井さまは「直径が安全弁2つ分の大きな穴があけられている」と西尾写真から推察されていましたね。私も気になって戦前の映像を探していたところ、「映像タイムトラベルセレクション 戦前の古都京都 ~昭和初期~」に、大穴のような影が映っていました。
https://twitter.com/keyboar/status/853603322246209536
私も、やはり大穴一つだったのではないかと考えています。
2020/11/25(水) 16:26:49 | URL | むすこたかなし #- [ 編集 ]
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