趣味の鉄道模型

NMB(ミネベアミツミ)の外径1.5mmのボールベアリングが届きました。

NMBのベアリングは一般に購入できるのは海外製ですが、これは日本製のようです。

写真の左側のベアリングはISC(NSKマイクロプレシジョン)の外径2mmのもの、

右側の車輪は9.8mm径です。

それに挟まれて写っているのが今回の外径1.5mmのボールベアリングです。

ものすごく小さいので、はたして使えるかどうか不明です。

ボールベアリングの振れを確認してみました。

小さなボールベアリングの振れを正確に測定できる測定設備がありませんので、簡易的な確認です。

外径3mm、内径1mmのボールベアリングに直径1mmのドリルロッドを挿し、直径2mmのパイプでボールベアリングの両側から旋盤で押えて内輪を固定しています。

ピックテスタをボールベアリングの外輪に当てて指でボールベアリングの外輪を回してどれ位ピックテスタの指針が振れるかの確認をしました。

日本のNSK製のものは指を振れている時は多少指針が動きますが、離した時にはほぼ1目盛内に収まります。

一方中国製のものは指を振れた時の指針の動きも大きいですし、離した時も数目盛のずれが確認されます。

このピックテスタの1目盛は2μmなので中国製のは10μm近い振れがあるのかもしれません。

所詮、指で外輪を回しているので測定としては疑問がありますが、簡易的な確認ということでお許し願いします。

明らかに日本のNSK製よりも中国製のは振れで劣っていると思いますが、実際のところ、鉄道模型に使用する程度では10μm程度の振れは実用上の問題はないかもしれません。

中国製と日本の会社製のボールベアリングで形状が異なっているので、並べて写真を撮影してみました。

上のが中国製、下のが日本のNSK、NMB製です。

日本のにはボールが等間隔になるように保持器が取り付けられています。

中国製のはボールの数は多いですが、保持器がないのでボールが不均一に動きます。

保持器が無いと何らかの問題が生じそうなのですが、実際のところどうなんでしょうか。

鉄道模型でボールベアリングに中国製を使わないことを推奨しているblogがありますが、本当に中国製ボールベアリングの品質は悪いのでしょうか。

私自身は個人的には日本製の確率が高いと推定されるNSK(もしくはISC:NSKマイクロプレシジョン)製を好んで使用しています。(十数年前に購入したNSKマイクロプレシジョンの箱にはMADE IN JAPANの記載があります)

私の持っている測定器でボールベアリングの評価をできるのは外径測定のみですので、とりあえず測定してみました。

なお、使用したマイクロメータは購入後一度も校正したことがないので、多少測定値がずれている可能性があります。

どれも外径3mm内径1mmのものです。

中国製はある方からいただいたもので、Aとbで別々に入手されたものです。

NSK製のは2019年に入手したもので生産国は不明ですが、NSKもしくはNSKマイクロプレシジョンは国内に生産工場がありますので日本製であることを期待しています。

NMB製のは容器に1992年の記載があり、MADE IN THAILANDと書かれています。

NMB製の方がNSK製よりも玉の数が多いですね。(NSKのは新しいのでコストダウンしたのか?)

中国製のは内外輪が太く、玉があまり見えません。

このサイズのボールベアリングの許容誤差は知らないのですが、中国製よりも日本のメーカ製の方が公称寸法の3mmに近いようです。

中国製のボールベアリングは、すべり軸受を作るよりもコストが安かったりするので、特に精度を要求されないものであれば選択肢としてありかなと思います。

録音はカメラ内蔵のマイクを使用しています。

ギアボックスを持つ指の大きさで分かると思いますが、高効率ギヤの方が大きいため、少し離れて撮影しています。(それに伴いマイクも離れています)
ナイロン製と推定されるギヤボックスに振動が反響しているのでしょうか。

それとも、私の組立方が悪いのでしょうか。

以前にも少し書いていますが、動輪から回転可能(セルフロックが外れた)な1条ウォームを作るため、色々と製作してもらいました。

以下の写真のものを製作してもらいました。

C53(流線)を作るにあたり、2011年に作ってもらったのは1条の進み角10°のウォームです。

3条ウォームを作ってもらった会社に問い合わせたところ、製作可能なウォームの最小歯底径は1.5mmということでした。

モジュール0.4、歯底径1.5mmでウォームを作ると進み角は約10°になります。

セルフロックが外れる限界は10°のようですが、実際には動輪側からは回りません。

2015年に再度挑戦で細いウォームを作れる会社を探し、モジュール0.4、歯底径0.67mm、進み角20°のウォームを作ってもらいました。(�@)

動輪側から回すことは可能でしたが、時々ひっかかりのようなものがあり、満足な出来ではありませんでした。

一旦、1条はあきらめて、2条で22.5°、25°、30°のウォームを作ってもらいました。

進み角が大きいこともあり、特に30°のは動輪側からの回転がスムーズでした。
写真で見ると、進み角の違いによるウォーム径の違いが分かります。

しかし、2条ゆえに減速比が稼げないため、実際に使うことはあきらめました。

2019年に3条ウォームを作ってもらった会社に再度問い合わせたところ、歯底径0.5mmで検討するとのことでしたので、製作を依頼しました。(�A)
ウォームホイール側の形状も変えたこともあってか、動輪側からの回転も割とスムーズになりました。

ただ、ウォームが非常に細く、強度の不安があったので、材質を変更し、焼入を施したものをつくってもらいました。(�B)

さらにもう少し強度を上げたく、歯幅を太くしたもの(�C)を作ってもらいましたが、写真で見ると前のとあまり変らないように見えますね。

ウォームホイールは全てヘリカルギア(はすば歯車)として製作してもらっています。

進み角が大きいので、理屈上はヘリカルよりもスパイラルギア(ねじ歯車)の方が良いのではないかと思いますが、モジュールが小さいですし、スパイラルギアはややこしく高価そうなので、ヘリカルギアにして、できるだけ歯車の厚みを薄く(1.2〜1.4mm)しています。

実用上の差はほとんど無いのではないかと考えています。

高効率ギヤは効率向上のため特別な歯形で作られているそうなので、私の一条ウォームと比較してみました。

私にはどういったところが一般的な歯車と違うのか分かりませんでした。

まず、ウォームの比較です。(上が高効率ギヤ、下が私の一条です)

多分、燐青銅と思われます。

正直なところ、私には通常のインボリュートとの歯形の違いがよく分かりません。

歯の側面は鏡面ではなく、切削痕のようなものが見えます。

私の一条用のは特に指定していないので通常のホブ切りと思われます。

但し、転位していますので、通常のインボリュートと若干形状が異なるかもしれません。

当初から一条ウォームを作りたかったのですが、動輪から回転できる一条ウォームは非常に細く、どこに問い合わせても製作可能というところはありませんでした。

そこで、とりあえず、三条ウォームを作製しました。(2001年)

モジュール0.4、進み角20°、ウォームホイール32枚歯のものです。

動輪から回転できます。

三条なら進み角がある程度大きくても普通のウォームとして作ってもらえます。

2010年頃にスパイクモデルのコースティングギャー(二条、M0.4、進み角21°19')を参考に二条のウォームを作ってもらえないか何社にも問い合わせましたが、作れるところは見つかりませんでした。

2011年に、一条ウォームでできるだけ進み角の大きな(9.2°)ものを作ってもらいましたが、当然のことながら、動輪からの回転はできませんでした。

2015年に一条ウォームの進み角20°のものを作ってもらえましたが、設計通りの歯底径0.2mmではなく0.8mmで妥協しました。

これのウォームホイールは歯底径が大きくなった分、先端を短くしてもらいました。

実際に組んでみると、動輪側から回りはするものの、引っかかりが大きく使えませんでした。
二条なら歯数が多い分歯底径を小さくできると考え、進み角30°、歯底径0.6mmのウォームを作ったもらいました。(2018年)

2019年に一条ウォームで歯底径0.5mmのものを作ってくれるところが見つかりました。

ウォームの歯底径が大きい分、ウォームホイールの歯の径を転位で小さくする方法で作成し、良好な結果を得ることができました。

一条ウォームは本来の設計通りには作れていませんが、実用上問題なしとして使用しています。

ゆうえんこうじ氏のblogで私の二条ウォームを使われていることが書かれ、dda40x氏がそれについて言及されています。

ホイールの歯形に問題があるように書かれていますが、今回の測定での効率を見る限り気にするほどの影響は無さそうです。

私のウォームの測定結果を見ると進み角で効率が決まっているような感じです。

高効率ギヤは、多分、進み角は20°ちょっとと思うのですが(間違っていたら申し訳ありません)、この進み角で考えると、私のウォームよりも効率が良いですね。

効率を上げるために色々と工夫されているようですが、現物を目視しても私にはよく分かりませんでした。

なお、今回の測定においては全ての歯車に二硫化モリブデン入のオイルを塗布してあります。

高効率ギヤの使用例をいくつか見かけるようになりました。

どのようなものか興味を持ち、入手し、特性を測定してみました。

集電や、動輪の回転負荷等を避けて可能な限り減速機そのものの特性を見るために、車輛に組み込まずに、モータからの出力をギヤセットに繋ぎ、その出力軸の出力を測定することにしました。

比較のため、スパイクモデルのコースティングギャー(減速比2:30)とIMONの蒸機機関車用のギアボックス(減速比1:30)、安達の蒸機用ギアボックス(減速比1:30)も同等の条件で測定しました。

条件を揃えるため、どれも同じモータ(maxon RE16S 実測で無負荷回転数:約7400rpm、起動トルク:約5.2mNm)を使用しています。

結果は以下の通りです。

高効率ギヤとモータを接続するジョイントは、推奨(?)の六角ナットを使用したものと、IMONのシリコーンチューブを使用したもので測定しました。

特性にある程度の差が出ることを期待していたのですが、ほとんど変りませんでした。
ただ、負荷トルクが大きくなるとシリコーンチューブの方は回転数の落ち方が大きくなっています。

もっとトルクの大きなモータを使用し、大きな負荷をかければ差が出てくるのではないかと推測します。

効率は、さすがに高効率ギヤを名乗るだけあって約70%の非常に高い値が出ました。

ここでいう効率は、歯車の出力エネルギーをモータの出力エネルギー(すなわち歯車への入力)で割った値です。

最大のトルク(回転数が0になるトルク)は減速比3:23(約1/7.67)にもかかわらず、減速比1:30のIMONの歯車に迫る値が出ています。

高効率であるが故の結果でしょう。

スパイクモデルのコースティングギャーは色々と問題点が指摘されていますが、それでも50%近い効率が出ており、それなりに優秀だと思います。
IMONのギアボックスには従来からの仕様(モジュールは0.3と少し細かい)のウォームギアが入っているので効率は期待していませんでしたが、効率20%以上となかなか優秀と思いました。(C11に組み込んでの機関車の効率は約9%でした)

安達の蒸機用ギアボックスは低トルクでは効率が悪いものの、高トルクではIMONのギアボックスよりも良い結果でした。

モータとの接続は同梱のゴムジョイントを使用しています。

歯車の回転負荷が大きめで、トルクの小さいときにその影響が大きく出ているように思えます。

2024/1/8 安達の歯車を追記

動輪側から回転可能なウォームギアを比較してみました。

Sergentカプラーを組み立てました。

素人で扱えるめっき用品で黒ニッケルめっきを施してみました。
使用したのは、PROMEXのめっき装置とめっき工房の黒ニッケルめっき液です。
めっき工房の黒ニッケルは本来の使い方ではなく、ビーカにめっき液を入れて、PROMEXのめっき装置の電源でめっきしています。
写真の通り、めっき工房の黒ニッケルの方が濃い色にめっきされました。

しょうなんでんしゃのブログにSharon式自動連結器の話が出ていましたが、SergentEngineeringから発売されているSharon式の連結器を取り寄せてみました。

この連結器は、実物の連結器のように動作します。

中に組み込まれた鉄球が重力で降りることで、ナックルが固定され、連結器の上に磁石を置くと、鉄球が上がり、連結を解放できます。

この連結器は、既に特許は切れており、3Dのデータが公開され、自由に複製を作って販売することが許可されています。

しかしながら、新規に作るよりも、既製品を購入した方が楽なので、入手は面倒ですが購入してみました。

真鍮板ですが色が違います。

今回のC53では1.0mmよりも小さいねじを使います。

このねじの十字穴は#00とされているのですが、普通に市販されている#00のドライバでは入りません。

そこで確認してみました。

左上がねじの頭です。

ドライバは左から、

・日発精密工業 #00 十字用ビット DBPH169(メーカ推奨品)

・ベッセル TD-51 +0000

・エンジニア DM-21 ＋0000

・アネックス精密ドライバー ＋000 No.65

・ジャパンホビーツール プラス#00 外径1.5ミリ

・PBスイスツールズ PH00(Phillips#00)

です。

日発精密工業(NHK)のは無論問題なく使えます。

ベッセルのは問題なく使えそうです。

エンジニアのも使えますが先が短いのが気になります。

アネックスのは先の凸部がちょっと太いのですが一応使えそうです。

JHTのは先の凸部がちょっと太くて微妙です。

PBのは全く使えません。

ということで、#0000と書かれたものなら使えそうです。

ところで、ドライバを調べていて初めて知ったのですが、ねじの十字穴は、Phillips規格だと思っていたのですが、JIS規格(日本工業規格)というのも別にあるようです。

日本製のねじの場合JIS規格で作られていることが多く、PhillipsドライバではなくJISドライバを使用すべきのようです。

海外のねじの場合は、JISかPhillipsか確認してから使う方が良いと思います。

日本国内では、十字のドライバがJISかPhillipsか明確に示されていないことが多いと思いますが、日本企業製の日本向けはJISのように思えます。

海外では、明確にPhillipsとJISで区分して販売しているところもあるようです。

PhillipsとJISの違いはよく知らないのですが、十字の凹部の底が広いのがPhillips、狭いのがJISのようです。

以前にもS0.5の六角頭ねじのことを書きましたが、アドラーズネストから洋白の六角ボルトヘッド(SS)というのが発売されていましたので、これにS0.5のねじを切ってみました。

前回の真鍮よりも硬いのと、ねじ部が短いせいか、ねじを加工しやすかったです。

止めねじのマイナス溝を作製しています。

輪軸の転がりを調べてみました。
線路を傾けていき、走り出した傾きを測定しています。

結果は以下の通りです。

ベアリング入のは、台車にベアリングが入っているのではなく、輪軸を2重軸にして輪軸内にベアリングを入れてあります。

ベアリング入りだけは、約0.6％程度で少し動いて止まり、約1.4％で動き出すという面白い動きになっています。

潤滑剤は、モリブデングリスを少しだけ付けてあります。

予想通り、プレーン軸は重いです。

治具を作ってタイヤを圧入しています。

スポークの輪心は、日光モデル製の輪軸から取りだしたものです。

付随車用輪軸の踏面形状の検討をしています。

牽引力のテストをしていて、円弧状踏面を作ったのですが、付随車の踏面にも使えるのではないかと考えました。
写真の上側の輪軸が今回のもの。下側は、日光モデルで作ってもらったものです。
図面の通り、踏面は円弧なので、レールがフランジ側に近づくにつれ急激に車輪径が大きくなります。

フィレットは、NMRA RP25 #79 に近い径です。
フランジは、レールの横ずれにできるだけ対応できるように頂点を輪軸中央寄りにしてあります。
車軸のピボットは、先端ができるだけ尖るように後加工してあります。
車軸、タイヤはステンレス(SUS303Cuの黒染)とし、摩擦係数を下げようという目論見です。(日光のはタイヤは真鍮、車軸は鉄です)
この輪軸をとりあえず数十輛分ほど作って、走行テストしようと思っています。
はたして目論見通りになりますでしょうか。