趣味の鉄道模型

前の試験で、踏面が円弧踏面のものと円錐踏面のものを比較し、円弧踏面の輪軸を使用した客車の方が若干負荷が少なさそうでした。

※これまで「曲面踏面」と書いていましたが、実物では「円弧踏面」と表記されるため、合わせることにします。

円弧踏面の方が行路差によるレールでの滑りが少なく負荷が減ることが考えられるのですが、実際の回転負荷に対してどれくらいの影響があるのかはよく分かりません。(ほとんど影響が無いのかもしれません)

行路差で影響があるのなら、アタック角に差が出るのかもしれないということで確認してみました。

※アタック角については、むすこたかなし氏のblog(しょうなんでんしゃ　のブログ)に詳しく書かれていますので説明は割愛します。

下記の通り、円弧踏面でも円錐踏面でもアタック角はほとんど変わりませんでした。

台車だけの実験なので、車体を乗せて重くなると多少変わるのかもしれませんが、ほとんど期待できないような気がします。

踏面形状違いの輪軸を使用して曲線通過を見てみました。

IMONシステムトラックを使用し288mm長2本の直線で12mm持ち上げ、約2％の勾配を作製し、客車を転がしてみました。

曲線半径は732mmです。

最初の3回が曲面踏面の輪軸で、後の3回が既存の輪軸を使用したものです。

客車、台車は同じものを使用し、輪軸を入れ替えただけです。

期待したほどの差はありませんでしたが、曲面踏面の方が負荷は少ないようです。

前の試験で踏面角が大きいほど分岐器の曲線を通過しやすかった件でなぜなのかちょっと考えてみました。

以下に記したとおりです。

間違いやご指摘事項がありましたら、コメント等でご教示いただきますようお願いします。

※計算間違いをしていたようなので訂正しました。(まだ間違っているかも)

※むすこたかなし氏のblogでも似たような話が書かれていて、あちらの方が図入りで解説しているので分かりやすいかもしれません。

※むすこたかなし様からのコメントで、式、計算値等を見直しました。ただ、ご指摘事項を完全には理解できていないので、まだ間違っているかもしれません。(ボロボロですね)

ｰｰｰｰｰ

曲線の半径700mmと仮定
ゲージは12mm
内側のレールの長さは(700ｰ6)×2×π≒43614386mm
外側のレールの長さは(700+-6)×2×π≒4436mm
内と外の差は1周で約7550mm
仮に10度曲がるとしたら約2.11.4mmのずれが発生
踏面角0度の場合、車輪の周長は左右で変わらないので曲線の外側は2.11.4mm遅れる
(実際はフィレットがあるのでそれほど差は出ないはず)
→輪軸が枕木と水平から傾いた状態になる
→フランジが引っかかる?
→止まる
ということが考えられる。

Φ9.8の車輪の周長は約30.8mmある。
片側で1.4mm増やすと周長は約32.2mmにする必要があるので、約10.25mmの直径が必要になる。(約0.45mm直径が増える)

レールの長さは外周と内周で1.731.14％の差があるので、内外周で0.170.11mmの直径差が必要である。

12mmゲージの線路上で輪軸が左右に0.25mm横移動が許されると仮定するならば、
車輪のレールに接触する位置から双方の車輪が0.25mmずれるので、踏面では0.25×2=0.5mmすれた位置の直径差が0.170.110.45mmあれば良いことになる。
直径差0.170.110.45mmなので半径では0.0850.0550.225mmである。
その角度を求めるとatan(0.0850.0550.225/0.5)≒9.66.324度ということになってしまう。
実際にはフィレット部分にも乗り上げて踏面角以上に左右の車輪の周長差があるものと推定される。

曲面踏面のフィレット直前の角度は、設計上約20度しかないけど、フィレット部分まで乗り上げて周長差を確保していると思われる。

台車に輪軸を取り付けた場合、軸受で輪軸の進行と垂直方向の回転は抑止される。
台車の回転と、レールの曲線半径を考慮したフランジ形状にしておけば、フランジがレールに当たって大きな負荷がかかる可能性は低い。(フランジ形状をどうやって設計すれば良いのか?)
ただ、レール上を踏面が滑ることのなるので輪軸の回転には負荷が発生する(実用上無視できる程度なのか否かは不明)

現行の輪軸のフランジで曲線通過時の様子を描いてみました。

赤い線は通常の直線で輪軸を乗せた時のレール面で車輪を切断した形状です。(ほぼフランジ形状)

緑色の曲線は、外側レールR600の曲線にスラック0.3mmを付けたレールの内側を表しています。
台車のホイールベースはTR23の約1/87に合わせて28mmにしてあります。

進行方向は下側で、上側の輪軸は線路の向きとほぼ平行、下側の輪軸はカーブの分、線路の向きと約3度の角度が付いていて、フィレットとフランジの境界ぎりぎりまでレールが近づいていると想定しています。

この図のフランジ形状は設計図上のものなので、実際のものと違っている可能性はありますが、下右側のフランジは、レールに接触するかどうか微妙な感じです。

この図で合っているのかどうかよく分かりませんが、正しいとすれば、もう少しレールから離れるようにフランジを輪軸内側に寄せた方が良いのかと思います。

何とか1軸分だけ踏面の切削ができました。(何軸も無駄にしました)

フィレットの近くまで削れましたが、若干元の踏面が残っていますが、とりあえずこれで試験をしました。

2種類の輪軸では条件が違いすぎるので、既製の輪軸の踏面を削って曲面の踏面形状を作ろうとしています。

これで、うまく走るようになれば、踏面を曲面にすることによって効果があることが確認できます。

総型バイトを使用して削ろうとしているのですが、いくつか問題が発生しました。

・切削中に車輪が空転する

圧入強度が弱いのだと思いますが、切削負荷に負けてしまいます。

絶縁側は、車輪が手で抜けてしまいます。

・元のフィレットを残したいが、うまくいかない

この総型バイトはフィレット込みで作ってあるため、フィレットまで削れてしまいます。

うまく走る要因を確認するためにはフィレットは元のままにしておきたいのですが、うまくいきません。

・踏面ががたつく

切削中に車輪が空転するせいか、剛性が足りないせいか、踏面が綺麗に切削できません。

できれば輪軸の状態で踏面を削りたかったのですが、車輪を抜き、ヤトイを作って、それに固定して削るしかないのかもしれません。

曲面の踏面形状は、2016-04-23の当blogにある通り、5年ほど前に作ったものなのですが、正当な評価ができないままに年月が経ってしまいました。

今回、分岐器の曲線の通過において従来の輪軸よりも良好な結果だったのですが、たまたまなのか、本当に以前に設計した踏面形状が良いのか、車輛に組み込んだときに良好な結果が得られるのかには疑問があります。

具体的に、どう検証すれば適切な評価ができるのか、私は分かっていません。

あと、踏面形状は良いとして、フランジ形状がこれで良いのかという課題もあります。

フランジとしては、

・車輪の回転をじゃまをしない

・競り上がり脱線が起こりにくい

・レールの左右ずれに強い

・脱線を引き起こしにくい車輪裏側のフランジ形状

といったことでどういった形状が適切で、どう検証して良いのか分かりません。

どなたかご教示していただけないでしょうか。

踏面形状を見るために写真を撮ってみました。

なかなか綺麗に撮影できないのですが、

左が分岐器での試験において途中で止まった輪軸

右が、途中で止まることなく通過していった輪軸です。

この写真でも分かるとおり、右のは踏面の途中から曲線状になっていてフィレットへ続いています。

設計上は左はフィレット径R0.25、フランジ角83度、踏面角3度

右は、フィレット径R0.3、フィレットの手前がR1.0、フランジ角70度

ですが、左のは設計値とは結構違っているように見えます。

輪軸の踏面形状の違いで線路上での回転が異なるのか確認してみました。

輪軸は2個使用し、分岐器に傾斜を付け、

曲面踏面(1)→通常踏面(1)→曲面踏面(2)→通常踏面(2)→曲面踏面(1)の順に走らせています。

曲面踏面の輪軸は、分岐器を走りきりますが、通常踏面の輪軸は、曲線で若干斜めになり途中で止まってしまいました。

このことから、曲面踏面の輪軸の方が曲線通過が軽くなると言えるでしょう。