国鉄キハ44500形気動車
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国鉄キハ44500形気動車（こくてつきは44500がたきどうしゃ）は、日本国有鉄道が液体式変速機の実用化を目的として、1953年に試作した気動車である。キハ44500～44503の4両が製作された。
本稿では、44500形の開発経緯と不可分である「日本の気動車用液体式変速機の起源」についても記述する。
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[編集] 流体クラッチ
太平洋戦争以前の日本において、気動車の動力伝達手段は機械式がほとんどを占め、2両以上の車両を先頭車から一括して遠隔制御する「総括制御」は不可能であった。
これを克服する目的で、1930年以降電気式気動車の研究が進められたが、「エンジン→発電機→モーター→車軸」と多段階を踏む方式であるため、一般に重量過大になりがちな問題があった。
流体接手（フルード・カップリング fluid coupling）は、1912年にドイツのフルカン造船所で、蒸気タービン機関の減速用に開発された。
密閉されたケース内で羽根車2組を向き合わせて液体（フルード）を満たす。入力側の羽根車（ポンプインペラー）を回転させると、出力側羽根車（タービンランナー）も液体の流動によって回転する。いったん液体を介して動力を伝えるため、動力源の回転ムラや急激な起動などがあっても、安定した出力が得られる。この場合、トルクは増大しない。流体接手の発展形がトルクコンバーター torque converter である。流体接手の内部に「ステーター」と呼ばれる補助羽根車を加えた構造で、入力によって生ずるフルードの流動がステーターによってより強められ、結果としてトルク増大効果を生じさせる（高速域ではフルード・カップリングと同様の動作となる）。これらを総称して「流体クラッチ」と呼ぶこともある。
流体クラッチは鉄道車両にも使用可能な技術であり、1920年代以降にドイツで研究が始められた。流体クラッチ単体の場合、そのまま変速機の代用とするには出力損失が大きく、かなりの部分がフルードの熱に変換されて損失となる。このため、入力した駆動力全てを出力として取り出せず、トータルの伝達効率は80%台に過ぎない。
1930年代以降、ドイツを初めとするヨーロッパ各国に流体クラッチ使用のディーゼル機関車や気動車が出現するが、それらは大出力エンジンを搭載して出力損失に目をつぶるか、さもなくば直結クラッチの併用や変速機との組み合わせで流体クラッチによる損失を減らす努力をしていた。これらの中には総括制御可能なものも含まれていた。
[編集] リスホルム・スミス式変速機
本稿において取り上げるリスホルム・スミス式液体変速機の特徴は、直結クラッチの併用である。
トルクコンバーターを利用する領域を中速域以下に限定し、高速域ではトルクコンバーターを介さず、併設した通常の摩擦クラッチを介して動力を直結伝達するようにした。この結果、エンジンの高速回転域の性能をストレートに活かすことができた。
もっとも当時はまだ技術が未熟であったため、直結時のギアレシオは1段に限られ、変速段と直結段の切り替えも、運転士の技量によってタイミングを計るものであった。発進は変速段で、45km/h程度到達をめどに直結に切り替える[1]。直結状態のままで速度が落ちるとエンストを起こすので、運転士は状況を見計らって変速段に落とさねばならなかった[2]。
神戸製鋼所は1936年にスウェーデンのユングストローム社からからリスホルム・スミス式液体変速機の技術導入を行った。電磁遠隔操作が可能な変速機であり、機械式、電気式に次ぐ第3の伝達方式として取り上げられることになる。
神戸製鋼所は「神鋼式流体自動変速機DF1型」（DF15とも）と称するリスホルム・スミス式変速機を、合計4台製作した。うち2台は日本陸軍に戦車用として引き渡され、残り2台が鉄道省に提供されることになった。
鉄道省では当時の標準型機械式ガソリンカーであるキハ41000形2両にこの変速機を搭載し、姫路機関区において長期にわたる実用化研究を進めた。故障が続発したものの、改良を重ねた末に一応の信頼性を確保した。
1940年10月には姫新線で試験運転を行い、良好な成績を収めた。
だが日中戦争勃発以降の戦時体制下で燃料事情は逼迫し、気動車に関する技術革新はいったん頓挫する。キハ41000形に積まれていたDF1は取り外され、戦後に至るまでその存在は忘れられていた。
[編集] TC-2形液体変速機
太平洋戦争後の1950年に、神戸製鋼所大垣工場（工場開設は1943年）が分社する形で、機械メーカーの振興造機（現・神鋼造機）が設立された。
同社は国鉄気動車の標準ディーゼル機関であるDMH17の開発・生産にも関わり、また液体変速機の分野でも重要なメーカーになっていく。
1951年、行方不明になっていたDF1が、国鉄高砂工場の一隅から発見された。気動車の総括制御手段を検討していた国鉄は、機械式気動車のキハ42500形にDF1を搭載し、再びテストを行った。また振興造機はこれを元に、改めて液体式変速機の実用化に着手、1953年に至り、「TC-2」液体変速機を完成させた。直結クラッチとして乾式単板クラッチを内蔵したこの液体変速機の完成は、日本の鉄道の近代化における重要なエポックであった。
[編集] キハ44500形
国鉄は1952年に電気式気動車のキハ44000形を試作し、翌年までに合計30両の電気式気動車を就役させたが、それらは出力に比してやや重量過大であり、コストの面でも条件を満足するものではなかった。
本形式は液体式変速機の採用によって、電気式気動車よりも軽量かつ低コストに総括制御を実現しようとしたものである。
[編集] 車体
電気式気動車であるキハ44000形増備グループと同型の、湘南形先頭形状・ステップ付3ドア・バス窓の片運転台である。軽量化最優先で小車体断面の、居住性が悪い客室設備も同様であった。
[編集] 主要機器
[編集] エンジン・変速機
エンジンは在来型を改良したDMH17B[3]である。従来のDMH17Aに比して10ps出力が向上している。これにTC-2液体式変速機を組み合わせている。
[編集] 台車・逆転機
台車は新型のDT19（動力台車）およびTR49（付随台車）である。これらは電気式気動車用のDT18[4]のホイールベースを若干短縮したもので、下天秤ウィングバネ構造の軸箱支持機構など、基本構造は共通しているが、軽量化のために端梁が省略され、側枠とトランサム（横梁）が全溶接の強固な一体構造とされた点で改良が施されていた。いずれも構造の簡素化と軽量化を目的として、DT18と同様に硬い防振ゴムブロックを枕バネに使っていたため、乗り心地は良くなかった。
液体式気動車は、エンジンの動力で直接車軸を駆動する点では機械式気動車と同様である。変速機本体には回転方向の逆転機構が搭載されていないため、DT19の横梁に2本の平行リンクで支持する形で逆転機が装備された。このため2軸駆動のDT18と異なり、1軸駆動となった。
この逆転機自体は、戦前から機械式気動車に用いられていた標準品[5]をベースとしたが、逆転にワイヤとロッドを用いる伝統的な構造ではなく、総括制御に対応し、電磁弁による遠隔操作で編成全車の一斉切り替えを可能としている。
[編集] マスコン・ブレーキ
運転台マスコンは液体式気動車用に新開発されたMC19を搭載し、ブレーキは簡易なSME（非常直通ブレーキ）とした。
もっとも、SMEブレーキは長編成には不適当であったため、のちに気動車用としてDA1自動ブレーキが開発され、こちらが標準となった[6]。
[編集] その後の経過
本系列は川越線で走行試験が行われた[7]。初期トラブルはあったが改良によって克服し、所期の性能を発揮するに至った。
電気式のキハ44000形に比べ、総合的に見て軽量且つ単純に仕上がっており、液体式の優位性が確認されることになった。
44500形の実績により、1953年下期からは量産型の液体式気動車であるキハ45000形ほかの増備が開始された。走行性能が同一である44500形も、それらに与して一般営業に用いられるようになる。
しかし、45000形は貫通型運転台を備えるのに対し、44500形の湘南形運転台は通り抜けできない非貫通型で、分割・併合の際には制約を受ける。わずか4両の少数派ということもあって、運用の不便さが問題となった。
1957年4月の形式称号改正でキハ15形1～4となったが、同年から郵便荷物気動車への改造が始まり、1960年までに全車が改造された。結果、液体式に改造された旧キハ44000形と実質統合の形となり、キハユニ15形16～19となった。
以後各地で普通列車に連結されて使用された。時には急行列車の先頭に立ったこともあるが、老朽化により1980年までに廃車されている。
[編集] DF115形液体変速機
のちに45000系気動車が量産に移った後のことになるが、鉄道車両・エンジンメーカーである新潟鉄工所も液体式変速機の開発を計画、系列会社として新潟コンバータ社が設立された。新潟コンバータはアメリカのツイン・ディスク・クラッチ社から技術導入し、1955年、湿式多板クラッチによる直結段を持つリスホルム・スミス方式の液体式変速機「DF115」が国鉄に制式採用された[8]。
DF115は基本メカニズムが異なっていたが、減速比や取扱方法はTC-2形と同等に揃えられている。従って、TC-2装備車とDF115装備車は相互に連結して運転でき、そのため国鉄は気動車用の変速機として両タイプを併用した。
なお、当初のTC-2とDF115は、共にトルクコンバーター用のフルードに燃料同様の軽油を用いていたが、その後、軽油より粘度の高い「ダフニトルクオイルB」フルードを専用に使うことになり、それぞれTC-2AとDF115Aとなった。
「DMH17系エンジン+TC-2またはDF115系液体式変速機」という組み合わせの液体式気動車は、1953年以降地方私鉄においても導入が進められたが、ブレーキや台車については、古い機械式気動車の水準に留まる例が多かった。すなわち、国鉄のTR29類似の平鋼組立式菱枠形台車に、旧式なGPSブレーキ（直通・自動両用型）を組み合わせる手法である。もっとも、これは必ずしも私鉄各社が保守的であったことを意味しておらず、菱枠台車がシンプルな外観に反してバネ設定さえ適切であれば良好な乗り心地を提供するため、わざわざ欠陥設計のDT19を導入する必要が認められなかったことと、DA1系ブレーキを必要とするほどの長大編成運用が実施されていなかったことに依るところが大きく、私鉄でも1955年に製造された小田急キハ5000形[9]のように国鉄と同等かそれ以上の機器を搭載して気動車を製造した例が少なからず存在した。国鉄向けと同等の鋼板溶接組立台車とDA1系ブレーキが私鉄で一般化するのは、1958年以降のことである。
DF115系は1990年代に至っても私鉄気動車用として新規製作されるほどのロングセラーとなり、現在でも多数の気動車に用いられているが、これに対しTC-2系は現在でも使用している気動車は少なくないものの、湿式多板クラッチのDF115に比して将来的寿命は短いと思われる。
これは、振興造機が変速機製作から撤退して既に部品供給が難しくなっている上、2001年に国土交通省が省令を改正し、乾式クラッチの液体式変速機の重要部検査周期を短く制限してしまったためである。
[編集] 脚注
- ^ 国鉄標準のTC-2およびDF115の場合。
- ^ 現代の新型変速機では直結段が2～4段にも増加した機械式変速機とのハイブリッド構造となり、併せて電子制御を用いて自動的に変速・直結が切り替えられるようになった。このため広い速度域で液体式トルクコンバーターから解放され、効率は高まっている。
- ^ 出力160ps/1,500rpm。
- ^ 直角カルダン駆動のため、ホイルベースを長くする必要があった。
- ^ 開発元である日本車輌製造の原設計に由来し、国鉄ではキハ41000形（キハ36900形）より採用された。
- ^ しかし、SMEもその簡易さを買われて1990年代のレールバスなどに用いられている。
- ^ 当時の同線は適度な閑散線区で、大宮工場に直結していることもあって、戦前から気動車の試験によく用いられた。
- ^ なお、私鉄では1953年に夕張鉄道キハ250がDF115付で製造されている。
- ^ 後の国鉄気動車用標準台車であるDT22に類似した構成の東急車両製造TS104台車と、DA1に中継弁を付加したDA1Rブレーキ（キハ57と同形式）を搭載して製造されている。
