趣味の鉄道模型

前回の測定で車輪の芯振れが大きかったので、軸穴加工時にバイトで内径切削をした後にリーマを通す工程に変更しました。

完成品のサンプルを10本測定し、前回と比較してみました。

芯振れはかなり減少しました。

目標としては最大で20μmを切りたいところですが、現状はこの程度が実力のようです。

参考までにModelsIMONのTR23に付いていた輪軸4軸の車輪の芯振れを測定したところ、絶縁、導通共に20〜30μmでした。

なお、前回の試作輪軸を使用して運転会で走らせましたが、特に問題は無く、スムーズに走っていました。

車輪の軸穴加工を行っています。

できるだけ車輪の保持で精度が確保できるようにヤトイはコレットチャック自体を加工しています。

前回は、リーマで軸穴を加工したのですが、輪芯にタイヤを圧入する際に若干振れが出るようで、リーマは振れた下穴に沿って削られるため、出来上がった輪軸の車輪の芯振れが大きくなったようです。

今回は、それを改善するため、内径バイトで削っています。

ただ、小さな内径を測定する手段がないため、何個か削ってみて車軸を入れて適当と思われるバイト位置で削っています。

ちゃんと測定はしていないのですが、数個確認したところ、芯振れは0.01mm程度には収まっているようです。

実際に台車に取り付けて回転させても、振れはほぼ感じない程度になっています。

輪芯の切削が完了しました。

数が多いので、金属ブラシで一個一個磨くのが大変なので、バリ取りを兼ねて磁気バレルで研磨しています。

容器に研磨材入りの水と、細いステンレス線、研磨する品物を入れます。

容器の下で磁石が回転することで、磁力でステンレス線が回転し、品物にステンレス線が当たって研磨されます。

車輪の輪芯の切削で失敗してしまいました。

ロストワックスの輪芯の裏側には表側の切削時のチャッキングにφ3の棒を付けてあります。

裏側の切削時にこのφ3も一緒に削ってしまおうとしたら、力がかかりすぎたようで、スポークが曲がって全体がねじ曲がり、バイトが引っかかってしまいました。

バイトの先が折れ、使えなくなってしまいました。

突っ切りなら切れるのでしょうけど、このためにバイトを変えてチャッキングしたり外したりするのも時間がかかるので、φ3の部分は糸鋸で切ることにしました。

数百個あるので、結構面倒ではあります。

前日の客車に引き続き、貨車の牽引負荷を測定してみました。

EF13電気機関車、貨車は運転会に参加された方からお借りして測定を行っています。

クラブの運転会がありましたので、組み立て式レイアウトで客車10輛を牽引した時の負荷を測定しました。

輪芯を切削する映像を撮影してみました。

ピントを固定にしなかったため、切削物の取り替えの際にピントが外れてしまっているのはご容赦のほど。

また、前回のと合わせて100個削りましたので、切削の外径誤差のヒストグラムのグラフを作ってみました。

輪軸を製作するにあたり、輪芯の加工を始めました。

スポーク輪芯はロストワックスで作ってあるのですが、そのままでは精度不足のため、旋盤で加工します。

数が多いので外注で加工してもらいたいのですが、請けてくれるところが見つからず、自分で加工することにしました。

特に外径は、タイヤを圧入する関係上、基準となる寸法(タイヤの内径)よりも少し大きい必要があり、できるだけばらつきは少なくしておきたいという思いがあります。

実際に削ってみて、誤差はどうなるのか調べてみました。

客車用のスポーク輪軸を50本試作しました。

前回は組み立て途中の物を1本だけ測定してみましたが、完成品のサンプルを10本にして測定しました。

測定器の最小目盛は2μmですが、5μm単位で測定しています。

芯振れの方が大きいのが意外でした。

今回は、輪芯をタイヤに圧入後、軸穴にリーマを通しただけなのですが、一旦旋盤のバイトで軸穴を旋削した後にリーマを通すべきかもしれません。

この程度の振れでは、脱線することはないと思いますが、もう少し精度を上げたいと思います。

客車用の輪軸を試作中なのですが、どの程度の精度で組み立てられたか確認してみました。

比較として車輪メーカ製の車輪の振れ精度も測定してみました。

車輪メーカ製の車輪の面振れは20μm前後、車輪の芯振れも20μm程度でした。

今回試作の車輪の面振れは20μm強、車輪の芯振れは20μm程度でした。

車輪の芯振れに関しては、旋盤のチャックの振れも加わっているので実際にはもう少し小さいのかもしれません。

試作品の振れは10μm以下にしたいところなのですが、車輪メーカ品と大差がないので、まあ、これで良しとしたいと思います。

輪軸踏面に赤色の油性マーカを塗り、1時間ほどR732曲線で走らせて、踏面のどのあたりでレールと接触しているのか確認しました。

円錐踏面(洋白タイヤ)の輪軸でも、同様の条件で測定してみました。

これまでの試験で、ステンレスタイヤの踏面が汚れて牽引負荷が増加していると推測していましたが、ピボット軸受の潤滑の影響も否定できませんでした。

これまでは、ピボット軸受の潤滑には個体である黒鉛(鉛筆の芯)を使用していましたが、今回はピボット軸受に液体のルブロイドという潤滑剤(超極圧潤滑剤と称して販売されています)を塗布してから同じ試験を実施しました。

次の測定のために踏面を綺麗にしようとしているのですが、レールの当たった筋がなかなか取れません。

今回の試験で、ステンレスタイヤでは洋白タイヤよりレールや踏面が汚れやすいことが分かりました。

この汚れが牽引負荷増大の主要因と推測していますが、軸受も負荷増大の要因となることも考えられます。

今回の試験では、ピボット軸受に黒鉛(鉛筆の芯)を塗っていますが、液体の潤滑剤を使用した場合でも試してみたいと思います・

円弧踏面の輪軸での踏面汚れを確認するため、

• レールの頭面を研磨し、めっきを剥がした後、リグロインで拭き取り
• 車輪の踏面を#2000の布やすりで磨き、付着物を除去

を行った後に再度、2時間ほどR732曲線を走らせ状況を確認しました。

曲線での牽引負荷測定で、横向きの力による測定値への影響が懸念されましたので、時計回りと反時計回りで測定してみました。

今回はR732曲線のエンドレスで測定しました。

この前の試験で、R732曲線での負荷は直線の約3倍という結果が出ました。

はたしてこれで正しいのか、ちょっと疑問が残ります。

というのは、連結部が直線ではなく、斜めになっているので、フォースゲージに対して横向きの力もかかっているはずだからです。

連結器の角度からある程度の推定はできるはずですが、信憑性のある結論が出るか疑問です。

フォースゲージの連結器を付けている部分を右に押したときと、左に押したときで検出される力がプラスマイナス逆になることを利用し、右回りと左回りに走らせてその時の結果に差があれば、その差(の半分)が負荷とは関係のない横向きの力と推定されます。

ということで、機会があればその試験をやってみたいと思っています。

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)

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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)