小田急2400形電車

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2400形電車（2400がたでんしゃ）は、小田急電鉄が1959年から製造した通勤形電車である。製造・保守コストの抑制を念頭に置いて開発され、"High economy car"を略した「HE車」の異名で呼ばれた。

加速力確保のため、大出力モーターやバーニヤ制御器（超多段制御装置）などの新技術を駆使し、また電動車の駆動力を稼ぐため、敢えて編成内各車両の長さを不均一にするというユニークな工夫が凝らされている。

1950年代後半、日本の大手私鉄で流行していた高性能な新型電車は、複雑かつ高コストで大量増備に適さないという欠点があり、2400形はこれを打開する新しいコンセプトを提示した。一定水準の高性能を確保しながら、製造・保守費用の抑制を図ったこの電車の手法は、その後の大手私鉄通勤電車の範となった。"High economical car"と呼ばれる由縁である。

小田急電鉄2400形電車

1984年頃　新松田駅にて
起動加速度	3.0km/h/s
営業最高速度	110km/h
設計最高速度	110km/h
編成定員	544(200)人
全長	69900mm
全幅	2775mm
全高	4150mm
編成重量	109.11t
軌間	1067mm
電気方式	直流1500V
編成出力	MB-3039-A 120kW×8＝960kW（2M2T）
駆動装置	WN形平行軸歯形継手駆動(歯数比:92:15=1:6.13)
制御装置	応荷重超多段自動制御方式、指令装置付（ABFM-168-15MDH）
ブレーキ方式	電空併用HSC-D形　応荷重機構付
保安装置	OM-ATS

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[編集] 開発の経緯

小田急電鉄小田原線の沿線では、1950年代の経済成長と軌を一にして郊外居住者が増加する一方、教育機関等の郊外移転も進行した。その結果、混雑は上下双方向において慢性化し、小田急は対処に追われることになった。

[編集] 高性能通勤電車

当初小田急では、高加速性能を誇る全電動車方式の2200形電車を開発し、1954年から通勤輸送に投入した。

これは18m級車体の3扉車で、出力75kWのモーターによる全軸駆動方式であり、高加速・高速運転に適した「カルダン駆動方式」、電磁遠隔制御で反応が速く、発電ブレーキを併用した「電空併用電磁直通ブレーキ」（HSC-Dブレーキ）、2両分8個のモーターを制御器1台で集中制御する「MM'ユニット制御方式」等を採用、当時の日本において最先端を行く優れた高性能電車であった。このタイプは以後派生形も含めて1958年まで増備されている。

このような高加速車を投入し、ダイヤの密度を高めることは、短期的には輸送改善に役立った。複々線化や待避線の建設など大がかりな地上設備の改善を図るよりは、まだ安上がりな輸送改善策でもあった。

[編集] 全電動車式高性能車の問題

だが小田急には1950年代後半においても、「HB車」と呼ばれる戦前製の手動加速制御車、1940年代から1950年代前半に製造された「ABF車」と呼ばれる自動加速制御車のグループが、多数在籍していた。何れも吊り掛け駆動方式の自動空気ブレーキもしくは電磁自動空気ブレーキ車であり、加速性能は、2200形等の高加速車に比して劣ったため、同じ線路上に混在させると全体の足並みが揃わず、どうしても旧型車がダイヤ組成上の足かせとなってしまっていたほか、車体も内張りが木製の「半鋼製車体」で、接客設備の陳腐化は否めなかった。

しかし旧型車を新車に置き換えるにも、全電動車方式の高加速車は高度な設計の機器類を多数搭載するため、製造・保守のコストが高く、大量増備には向かないという泣き所があったため、高加減速車を限定量投入するのではなく、限られたコストの枠内において、保有車の性能レベルを全体的に高めていく工夫が求められるようになった。これは小田急に限らず、一旦は全電動車方式の高性能通勤電車を開発した大手私鉄各社が、後から直面した共通の課題であった。

[編集] MT比1:1

電車の電動車(モーター付車＝M車）と付随車（モーター無し車、トレーラー＝T車）の比率を「MT比」と呼ぶ。全電動車の場合は「オールM」と表現され、高加減速性能が得られるが高コストとなる。

一方、大多数の一般的な電車では、MT比は2:1から1:1程度とされることが多い。こちらはコストは過大とならずに済むが、その代わり高速域での加速余力をあまり高くできない場合がある。

MT比1:1編成の場合、発進・低速時から大出力を出せば駆動輪は空転しかねず、加速力を高く取れない（2400形からは空転をモーター間の電圧の差としてブリッジ回路で早期検知して即座に再粘着させる（再粘着装置）が開発・装備^[1]され、低M比編成でも加速は相当改善されたが、主電動機出力によっては絶対的な加速力はオールM有利である）。

高度な電子制御以前の時代、乗客を満載した状態のMT比1:1の通勤電車を、空転させずに高加速度で発進させるのは、かなりの難題であった。小田急は前項のような実情から、MT比1:1でなおかつ高い加速性能を持つ経済形高性能車を模索するに至ったが、実現は容易でなかった。

また1950年代後半当時、経済形高性能車の開発は、カルダン方式のモーターに大出力のものがないという事実に阻まれてもいた。これはスペース面で制約の多い狭軌路線において特に顕著で、1958年時点でも狭軌用カルダンモーターの最大出力は110kW級に留まっていた。ちなみに小田急電鉄は所有する全鉄道路線が狭軌である。

[編集] 2400形電車

小田急電鉄は、1959年に上記の困難な課題を克服した2400形を開発、通勤輸送に投入した。

（←新宿）クハ2450（奇数）－デハ2400（奇数）－デハ2400（偶数）－クハ2450（偶数）（小田原→）の4両ユニットで、1963年までに29編成116両が製造された。

29編成落成したので、クハ2450のナンバーリングは2451から2499まで達した後、一度2450に戻ってその次は2551以降という、複雑な付番を行っている。

[編集] 車体

[編集] スタイル

片側3ドアで2段窓を並べた車体デザインそのものは機能優先で平凡である。

2200形同様、裾絞りがなくシンプルな軽量車体で正面貫通式、尾灯を窓上に上げた大人しいスタイルも小田急の伝統的なものである。ただし、客扱い迅速化のために小田急通勤電車初の両開き扉を採用した（小田急の両開き扉車は正確には2320形が最初だが登場時は特急形であった）。

正面の種別表示器は登場時は装備されておらず、種別板を使用していた（のち改造装備）。製造時から前照灯が2灯化されたが、以後2200形など既存形式も同様の改造を施され、小田急の標準的なスタイルとなった。

[編集] 不等長車体

最大の特徴は、デハ（電動車）は19.3m、クハ（制御車）は15.97mと、電動車と制御車（付随車）で3m以上も車体長を違えた変則的な構成になっていることである。これは17m級の4両編成と編成長や編成重量を揃え、なおかつ全車電動車の2200形に近い加速性能を得るため、電動車の粘着性能を高めるため重量稼ぎに車体を長くし、相対的に制御車を短くしたものである^[2]。また、当時の小田急電車標準の全長17570mm^[3]の在来車とホームでのドア位置を合わせるため、クハの連結面側車端ぎりぎりにドアを設置し、乗降時・ラッシュ時の乗客流動に問題がないようにしていた。^[4]

[編集] 設備

制御車の乗務員扉次位の戸袋は、当初、夏期には換気の為、窓ガラスの代わりに通風グリルを填めていた。のちグリルは通年装備となり、逆に冬期は冷気侵入防止用の板を戸袋内側に取付ける方法に変更している。以後小田急の非冷房車は登場時からグリルを採用している。なお、冷房改造されたクハ2478号車のみは通年ガラス窓であった。

座席は本形式までは長距離客の居住性にも配慮し、ある程度の奥行き（座面450mm、背摺150mm）を備えて乗り心地を考慮していた。しかしその後はラッシュ激化とのバランスから、次いで1964年に登場した2600形では床面積確保を優先して座席の奥行きを削っている。

また、混雑緩和のため、運転室の車掌台側2/3は仕切りを折りたたんで客室スペースとすることができた。

[編集] 走行機器

[編集] モーター

三菱電機製のWN平行カルダン駆動方式式のモーター、MB-3039-A型^[5]を搭載する。

WNカルダン駆動方式は、アメリカのウエスティングハウス社が開発したシステムで、「WN継手」と呼ばれるジョイントを介してモーターの駆動力を車軸に伝達する方式であった。しかしWNカルダンは、その起源が1435mmの標準軌間であることからか継手の横幅が広く、スペースに制約のある狭軌鉄道には馴染まないところがあった。このため1954年頃時点では、スペース面での制約が少ない直角カルダンや中空軸平行カルダンが狭軌路線用として先行していた。

このため日本でライセンシーであった三菱電機はその小型化に努め、まず比較的低出力の55kW級モーターを、1956年に製造された富士山麓電気鉄道（現・富士急行）3100系電車に搭載、初の狭軌仕様WNカルダンとした。続いて競合他社並みの狭軌75kW級WNを、1957年開発の長野電鉄 2000系電車で実現した。これらは嵩張るWN継手の搭載スペース稼ぎのため、モーター軸の出力側端部から冷却ファン部をWN継手を避けるように張り出して配置する苦心を重ねている。

そして三菱系の電装部品を戦前から多用していた小田急ではモーター本体、WN継手、駆動ギアのコンパクト化に努め、更に車輪径を大径の910mmとしてモーター大径化のスペースを稼いだ結果、当時の狭軌用カルダンモーターとしては日本最強の120kW級を実現した。^[6]

[編集] 制御装置

2200形同様の1C8M方式（1基の制御装置で2両分8個の主電動機を制御する）で、制御装置は偶数電動車に搭載されている（奇数電動車にはコンプレッサー、電動発電機を搭載）。

外観上は車体長の変則性が目立つ2400形であるが、機能的には、当時の電車用としては最も進んだもののひとつである、力行応荷重および発電制動付バーニヤ制御器を採用し、プログラム・コントロールの採用、制御回路の無接点化、バーニヤスイッチによる超多段制御、戻しステップ併用、その他新機構の採用の5点を特徴としていた。

2200形では定員乗車時の起動加速度を3.0km/h/sと設定していたが、2400形では空車から満車まで一定の3.0km/h/sに制御されるよう応荷重機構が付加されたことによる低荷重時の粘着性能の向上が、MT比1：1化のための大きな要素となったほか、高荷重時の性能向上も図ることができた。

制御段数が多ければ、ピーク電流を抑えることができるため、カム進段時のトルク変動が小さく、粘着限界一杯まで適切なモーター出力を保ちながらスムーズな加速が実現でき、結果として加速力が向上する。ただし、雨天時などでは微少の空転でもカムが進段してしまうため、直流電動機の特性に依る空転の抑制が効かず、大空転が頻発し、それに伴う過電流故障も多くなる傾向にもあり、2400形では空転検知回路が追加され、空転・滑走時にはノッチ戻しをするようにされている。

また、電車の制御装置の制御段数は、既に大正時代から自動加速方式が実用化されていたものの、加速時のショックは大きく、高い加速力も得にくかった。しかし、1950年代まで欧米に比べて遅れていた日本の電車技術であったが、その中で制御器の高性能化はかなり早い時期から取り組みが行われおり、太平洋戦争直前より、日立製作所のMMC制御器（1939年）等を嚆矢として、20段以上程度の多段制御器が出現している。

1950年代に入ると、第二次世界大戦前後にアメリカで開発された電車用の新しい制御装置が続々と日本に移入され、日本の大手重電メーカーはそのライセンス生産や改良に取り組んだ。その結果、1954年以降は30段以上の多段制御が可能となり、日本の電車の加速はスムーズになったが、こういった機械的な制御装置の最終進化形が、通常の制御器に、制御を細分化する回路を加えて超多段化したバーニヤ制御器で、1950年代後半に出現した。これらは電動カム軸や電磁作動スイッチなどの機械的な制御に当時出始めたプログラムコントロールなどを組み合わせた方式である。

しかし、発電制動付のバーニヤ制御器は高性能だが複雑で、価格、メンテナンスとも高コストである。在来のMT比1:1な旧型車や、オールM高性能車では、制御器が2両に1個必要だったところを、2400形では4両に1個とした「節約設計」とすることでこの問題を解決した^[7]。

2400形のバーニヤ制御器は、力行（加速）81段（直列33段、並列41段、弱界磁7段）、制動（発電ブレーキ）73段という、機械的制御上これ以上段数を増やしてもあまり差が出ないスペックで、実用上は無段階に近い。2400形は力行応荷重制御とこの超多段制御と電動車の重量稼ぎによって、2200形にさして遜色のない加速性能（3km/h/s）を得ることに成功した。

このほか制御装置の特徴としては主抵抗器が電動車2両および制御車2/3両分の制動力を負担するため、大きな発熱量に対応した大型のものとなり、偶数電動車の海側の床下台車間をほぼ埋めるサイズとなり、なおかつ送風機を4台備えた半強制通風式だったこと、カム軸制御の無接点化が進められ、調整などのメンテナンスを簡略化したこと、発電ブレーキに他励回路を設けて確実にブレーキが立ち上がるようにしていることなどが挙げられる。

[編集] その他

ブレーキは「HSC-D形」電空併用電磁直通ブレーキ、台車は住友金属製のアルストーム台車で、いずれも2200形で採用されて実績のある方式である。

ブレーキには応荷重機構が付いたこと、電制時には制御車の制動力の1/3を電動車が負担する制御をすること、低速になったときに鋳鉄制輪子の制御車と電制の電動車の制動力のバランスをとるために制御車のブレーキ力を減じる制御（B-55装置）をするなどいくつかの新機軸が採用されている。

台車は開業以来2200形までの伝統であった一体鋳鋼製台車から鋼板組み立て式に変更となり、軽量化を図ったものとなっているが、軸箱支持は2200形と同じアルストーム式である。電動車と制御車では寸法が全く異なり、電動車には車輪径910mm・軸距2200mmのFS-330、制御車には車輪径762mm・軸距2000mmで中空軸使用^[8]のFS-30が採用され、重量も電動車が5150kg、制御車が3890kgと大きく異なっていた。電動車と付随車での車輪径を変える手法は、その後20mの2600形・5000形、さらには特急車の3100形NSE車にも引き継がれている。^[9]

[編集] その後の推移

本形式は増加する通勤輸送需要に時宜を得て投入され、所期の成功を収めたが、その後も小田急線の輸送量は増加し続けて慢性的飽和状態となり、1964年の2600形以降の増備車は全車が大型の20m車体を標準とするに至った。

2400形の以後の推移を記述する。

1961年、クハ2474に3000形SE車で採用されたKD17形台車を転用し、走行試験が行われた。
1968年にクハ2478のみ試験的に冷房化され（分散冷房装置5台）、小田急の通勤電車としては初の冷房車となる。他の2400形は最後まで非冷房であった。
1970年代後半、2551Fにスカートが取付けられた。試験という位置付けだったので数年で撤去された。
2400形は小田原線の長距離運用である箱根登山鉄道直通の急行（通称：箱根急行・湯本急行）に長らく充当された。箱根登山線には2600形以降の20m級大型車の入線が出来なかったためである。しかし1982年7月、箱根登山線の規格改良で大型車乗り入れが可能となると、2400形は小田原線の区間運用や多摩線運用などに転用された。
ABFM車の廃車が進むと、ABFM車6両編成の運用に、2400形+ABFM車2両という編成が出現した。特に小田原方が2400形の編成は、色は違うが往年の急行を彷彿とさせるものであった。なお、試作冷房車のクハ2478が含まれた編成もこの運用に入ったことがあり、小田原方に連結されていた。
1983年に8000形が登場し、ABFM車の置き換えが終わると、今度は2400形の廃車が始まる。中間電動車方式の4両固定編成で、地方私鉄には輸送単位過大であったゆえか他社譲渡は生じなかった。1989年2月までに全車廃車となった。
搭載されていた120kWモーターのみ、当時吊り掛け駆動車だった4000形のカルダン駆動化改造にあたって流用された。
一部の台車(FS-30)が三岐鉄道に譲渡されていたが、現在は使用されていない。

[編集] 評価

本形式の車体不等長化による駆動力確保法は一般化しなかったものの、高出力（ないし高トルク）モーターと超多段制御装置の組み合わせで加速性能を確保し、MT比1:1程度、1C8M制御で編成を組んで経済性をも満たす手法は、当時相前後して登場した大手私鉄の通勤形電車（東武鉄道 8000系電車など多数）や、日本国有鉄道 103系電車等と共通のものであった。1960年代の高度成長を背景にした通勤輸送需要の増加に先立ち、日本の通勤電車の発達過程における一つの方向性を示した^[10]。また、すでに20m級の1800形が使用されていた小田急で（限界拡大などの困難な工事をすることなく）ホーム延伸だけで20m4両編成を導入することができた中で大量に2400形を増備してしまったことは、その後の輸送量の推移を見れば結果的には疑問が残る点でもある。

[編集] 脚注

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^ 小田急電鉄発行の2400形パンフレットの2ページに空転再粘着機構の概要が、17ページの主回路図に空転検知用のブリッジ回路が掲載されている。また、表紙は主制御器の無接点制御装置をデザイン化したもので、その中に空転検知回路も掲載されている。
^ このような手法は、西日本鉄道の300形電車（1939年）などの先例はあり、また客室部分の定員を合わせるために1m前後の不等長にした例もあるが、戦後の大手私鉄にはあまり例のない奇策である
^ 例外は20m車の1800形
^ その後の小田急では輸送量増加によって車両大型化の要求が強まり、モーター出力の向上などもあって、通勤車は20m車体を標準とすることになった。このため通勤電車の変則車体長は2400形1系列のみに終わっている。
^ 直流直巻補極付半密閉自己通風式　端子電圧340V、75％界磁での定格出力120kW　392A　1600rpm　最高許容回転数4500rpm　最弱界磁率35%
^ 1959年時点では、競合する直角式や中空軸式の狭軌用モーターは最大110kW、標準軌用カルダンでも三菱の125kW級WNが最大級であった。なお、1950年代のカルダンモーター出力向上は、機械的なスペース効率の追求に終始した傾向があった。その後1960年代に入ってからカルダンモーターの出力は飛躍的に向上し、標準軌のWNでは新幹線や近畿日本鉄道の180kW級、狭軌のWNや中空軸式で150kW級も出現したが、これは継手の小形化と許容変位角の増大による電動機の大形化、8角形枠や遠心力に対する構造の強化やベアリングの改良などの構造面での進化、冷却効率の向上と絶縁縁技術の向上により負荷余裕のある大出力モーターを作れるようになったためであり、2400形自身のモーターも後年の絶縁更新によって5000形と同じ135kWとなっている
^ この後もバーニヤ制御器は、一部の大手私鉄や帝都高速度交通営団で1960年代に使用されたが、1970年代以降は半導体技術利用の次世代制御器であるチョッパ制御器に主流の地位を譲った
^ 後に中実軸に変更
^ なお、最新の50000形VSE車でも、展望室の低床化に対応するために採用している。
^ 1958年の国鉄151系・153系の場合は、MT比1:1、1C8M制御ではあるがごく低出力の長距離用であって、上記のカテゴリーには含まれないと見るのが妥当である