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2020年02月08日21:18

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キハ40,47系の疑問に答えます。

 先日のこと、数年前の日記にアップしました国鉄時代のキハ40,47系の暖房装置について書いた内容をきっかけに、この気動車について質問して下さった方がおられました。どうも経歴から鉄道マニアと言うよりも、鉄道車両に興味をお持ちの技術者でしょう。質問内容が鉄道マニアとは違います。
 その時、私は誠に申し訳ないことに、間違った答えをお伝えしてしまいました。あれからじっくり調べますと、私の勘違いでご迷惑をおかけしてしまっていました。本当に申し訳なく思っております。
 再度調べた内容と共に、今も実際にキハ40,47系を運転している同僚に質問し、その答えも一緒にここに挙げさせていただきます。


その質問内容です。

質問1,キハ40、47は変直切替が半自動(切替操作は手動だが、切替時に機関側回転数と推進軸側回転数の比を検知して両回転数に差があれば自動で回転数を合わせ変直切替ショックを軽減)とネットの記事で見たのですが、この半自動変直切替の仕組みを詳しく知りたいです。

 とのご質問でした。皆さんはこの答えをご存じでしょうか?

 まず最初に気動車の大半はディーゼルエンジンの出力を液体変速機(トルクコンバーター)を介して車輪に伝えています。これが液体式と言われる気動車の動力伝達方式で、自動車のAT車とよく似た方式です。
自動車のAT車は停車状態から動き出すときは大きな力を必要としますので、トルクコンバーターにより静かに起動します。しかし速度が上がっていきますと、トルクコンバーターの特性上、動力伝達の効率が悪くなります。そのためエンジンの回転力を自動的に直接タイヤに伝えるようにしています。
 気動車の場合は、車両によって異なりますが、運転士がマスコンにあります変速ハンドルを切り換えることで、変速運転から直結運転に切り換えています。キハ20,30,58系などは、全て手動でしたが、新系列気動車のキハ181系は変速、直結の切換が全自動となりました。その次に登場したキハ65はキハ58系と電気回路を合わせたため、変速、直結の切換は手動でした。しかし500馬力の大出力機関のトルクは相当なものでして、これまでの180馬力の気動車と同じようにすぐに直結に投入すると、クラッチを破損してしまいます。そこでこのキハ65だけは直結の電気指令が来ますと、自動的にエンジンを空ふかしして、入力軸と出力軸の回転数を揃えてから直結に投入する様になりました。 
 そしてこの次に登場したキハ66,67系も同様のシステムとなり、この方式はその後に登場したキハ183系、キハ40,47系にも採用されました。

 ちなみにDD51やDE10のような液体式のディーゼル機関車の場合は、液体変速機の中に低速段、中速段、高速段をそれぞれ担当する液体変速機が組み込まれており、速度が上がり指定された速度に達すると、低速段の中にあったコンバーターオイルが一気に中速段に入り、変速機は低速段から中速段に切り替わります。中速段から高速段への切換も同じです。これはホイト式と呼ばれています。
誰かさんのホームページでDE10に直結があると書いていましたが、これは完全に間違っています。

 ここからこのご質問を下さった方の質問の答えに入っていきましょう。
 引用する資料は、交友社発行、北海道鉄道学園編 キハ40系ディーゼル動車です。


 DW10形液体変速機はDMF15HSA形ディーゼル機関と結合して、キハ40,47に搭載される液体変速機(以下変速機という)で、従来のTC2系、DF115系及びDW4系変速機の検修、運転上の実績を極力生かし、キハ66、67に搭載のDW9形をベースに設計製作したものである。・・・とあります。
フォト

 これがキハ40、47系に搭載されているDW10形液体変速機。

 ここで補足説明ですが、TC2系とは、神鋼造機が開発してキハ17系以降に搭載された液体変速機で、最大の特徴は乾式単板クラッチを採用していること。DF115系は新潟鐵工所が開発して同じくキハ17系以降に搭載された液体変速機で、最大の特徴は湿式多板クラッチを採用していること。この2形式の液体変速機は互換性がありまして、TC2を搭載していた気動車が、液体変速機の故障でこのTC2を外して、代わりにDF115を取り付ける事は可能でした。
 DW4系はキハ181系とキハ65に採用された液体変速機で、逆転機を内蔵しており、当初は爪クラッチを最奥していましたが、トラブル多発のために湿式多板クラッチに改造しています。このDW4系がこれ以降の液体変速機の基礎となりました。

 さて、このDW10形液体変速機の概要の(3)からの引用です。

(3)直結は、運転台からの電気指令を受けて変速機の速度比(出力軸回転速度/入力軸回転速度)を検出し、自動的に直結動作を行う。・・・とあります。

 この教科書は北海道鉄道学園が執筆したものですので、北海道用のキハ40の100番代について書かれています。これまでの北海道の一般型気動車であるキハ22形とこの点が異なるため、概要に書かれたのでしょう。

 それでは速度比を検出して自動的に直結動作を行うそのプロセスについて説明します。
まずはこのグラフを御覧下さい。
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 縦軸が回転数、横軸が時間。山型の線が機関回転数。
 要は直結の場合、機関回転数と変速機の逆転軸回転数が同じ、つまり双方の軸が繋がった状態が直結です。
 直結の動作は速度比を検出し、自動的に行います。この速度比は、

 速度比=出力軸回転数/入力軸回転数=逆転軸回転数/機関回転数です。

 ここで重要な役割を担っているのが、速比大スイッチ(SRHS)でして、速度比0.915以上でオン。速度比0.872以下でオフとなります。運転士が扱うスイッチではなく、床下の機器箱にありまして、条件が揃ったときに自動的に「入」となります。

 グラフの左側を御覧下さい。機関回転数の所に直結動作と有ります。この直結動作は運転士が変速ハンドルを変速位置から直結位置に変えた時です。この時に電気回路で変速機に対して直結に投入しろと言う指令が出ます。私が勘違いしていたのはこの部分でして、直結指令は変速状態であれば速度比を自分で検出して自動で直結に投入すると勘違いしていたのです。実はJR西日本がキハ40,47系の更新工事をしたときに、エンジンと変速機を交換しており、その交換した変速機は自動で変速から直結に切り換えます。私はこれとごちゃ混ぜしていました。どうもすみません。

 この直結動作ですが、電気的には2通り有りまして、速度比が大の時と、速度比が小の時です。

 これを教科書の電気回路の項から詳しく説明しますと、機関が運転をはじめると変速機の部分で変、直の有無にかかわらず、速度比検出を行っており、その時の回転状態に応じて、速比大スイッチ(SRHS)は、オン、オフを行っています。

このグラフの場合は、速度比が大きい場合ですので、
(1)、惰行中に直結指令が出たような場合で、機関回転数が車速より低いので、速比大スイッチ(SRHS)はオンし、速比大継電器(SRHR1-2)は、励磁している。

(2)、変速ハンドルを「直」位置にし、主ハンドルを1ノッチ以上にすると、直結指令継電器(AR6-1・2・3)が励磁する。

(3)これにより回路構成され2ノッチ指定継電器(NR2-1・2)が励磁する。

(4)このNR2-2の接点により空回転指令継電器(IR)が励磁する。

(5)NR2-1、IRの励磁により、機関は2ノッチ空回転となる。

(6)機関が空回転で2ノッチになると、最高回転まで上昇する。このため速比は分母が大となり、1より小となり、0.872以下となると、速比大スイッチ(SRHS)はオフとなる。

(7)(SRHS)の接点のオフにより(SRHR1-2)は消磁し(NR2-1・2)も消磁する。

(8)これにより機関アイドル継電器(EIR)が動作し自己保持する。(IR)は(EIR)の接点により励磁を続ける。(アイドル指令)

(9)アイドル指令により機関の回転が低下して再び速比大スイッチ(SRHS)がオンとなると、直結継電器(MRR)が励磁して自己保持する。

(10)(MRR)の接点により直結電磁コイル(62b)が励磁する。

(11)直結電磁コイルが動作すると直結クラッチに油圧が作用し、直結ピストンの油圧が5.3�圈�c�岼幣紊砲覆辰董�直結油圧スイッチ(MROPS)が動作するとMROPR2により機関アイドル継電器(EIR)が消磁し、(IR)も消磁する。(アイドル指令解除)機関はマスコンノッチに従い、力行運転に入る。

(12)またMROPR3の接点により29と49a線を閉じ、接触器箱内の直結油圧表示燈(MROPLp)(黄)が点灯する。また運転台の「直」と明示した表示燈(472d)が点燈する。

(1)から(11)までのプロセスで運転士が変速ハンドルを直結にしますと、様々な電気回路が構成され、各種の継電器(リレー)が動作し、最適な状態になったときに、油圧の力で直結に投入されるのです。

次に、速度比が小さいときの場合。

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(1)機関回転数が高くなった後に直結指令が出されると(変速運転より直ちに直結運転に切り換えた場合)速比大スイッチ(SRHS)は、オフし、速比大継電器(SRHR1-2)は消磁している。

(2)変速ハンドルを「直」位置にし、主ハンドルを1ノッチ以上にすると、直結指令継電器(AR6-1・2・3)が励磁する。

(3)先ほどの説明文(8)以下の説明により、機関アイドル継電器(EIR)が動作し、自己保持する。

(4)EIRの接点により、空回転指令継電器(IR)が励磁する。このため、機関はアイドル回転になる。(アイドル指令)

(5)機関がアイドルになり速度比が0.915以上になると、速比大スイッチ(SRHS)がオンとなり、速比大継電器(SRHR1-2)が励磁する。

(6)SRHR1の接点により、直結継電器(MRR)が励磁して自己保持する。

(7)SRHR2の接点により床下のSRHPLpが点燈する。

(8)(MRR)の接点により、直結電磁コイル(62b)が励磁する。

(9)直結電磁弁が動作すると、直結クラッチに油圧が作用し、直結油圧が5.3�圈�c�岼幣紊砲覆辰督招詭�圧スイッチ(MROPS)が動作すると、MROPR2により、(EIR)は消磁し(IR)も消磁する。(アイドル指令解除)機関はマスコンノッチに従い、力行運転に入る。

 専門用語が多くて何のことかわからなかった方が多かったと思います。
 継電器とは、わかりやすく言いますとリレーのことです。鉄道車両はリレーを多用しておりまして、半導体を多用するようになったのは最近の車両からです。リレーの中に電磁石があり、これに電気を流すとコイルに磁力が生じ、接点を構成します。これが「励磁」で、その逆が「消磁」です。
 リレー内の接点を閉じる事で、回路を構成し電流が他の継電器や接点に流れます。
 それから「自己保持」を理解するには、路線バスの降車スイッチを思い出してください。
 自分が降車する停留所の案内放送が流れたら、降車スイッチを押します。すると全てのスイッチが点灯し、「次止まります」との案内放送が流れます。この時に自分の押したスイッチから指を離していても点燈状態を維持していますよね。これが自己保持の一例でして、これの解除はバスが停留所で停車して降車ドアを開けると回路が断たれて自己保持が解消されます。つまりこの気動車の電気回路内で自己保持の回路が多用されているのです。もちろんこの自己保持は気動車だけではなく電車、新幹線、機関車にも多用されています。

 それからこのDW10形液体変速機の構造図も出しておきます。
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 入力軸の速度検出をする1次速度検出装置はこの図の左下、歯車ポンプの横。

 出力軸の速度検出をする2次速度検出装置はこの図の右上、出力軸にあります。


 それからJR西日本で実際にキハ40,47を運転している同僚の話です。
 「今の変直の切換は自動で行われ、キハ40とキハ47では変速機が違っており、キハ40は50km/hで直結1に、70km/hで直結2に入ります。キハ47では40km/hで変速2、60km/hで直結1、80km/hで直結2に入る。昔は手動で60km/hくらいで直結に切り換えていた。」とのことで、私は以前この話を聞いていたので、間違ってしまったのです。
 JR四国は今も国鉄時代と同じ変速機ですが、JR西日本はまだまだキハ40,47を使い倒しますので、エンジンと変速機を交換しています。変速ハンドルの取扱は、変速位置にしておくだけで、直結1,2と自動で切り換えてくれるそうです。この詳しい資料が欲しいものです。


 ところで、上記の質問をして下さった方は別の質問もしておられます。
 これについては皆さんもお考え下さい。


質問2、気動車は自動車(AT)のようにアクセルもブレーキもかけない時にクリープ現象は発生するのでしょうか?
 (エンジンのアイドル回転が変速器を伝って推進軸側に回転が伝わる現象)

 この質問を下さった方は、自分の想像で、こうではないかとお答えでしたが、皆さんはどうでしょうか?
 国鉄形やJR各社の最新型気動車の多くは液体式の気動車でして、自動車のAT車とよく似た構造です。

 皆さんは気動車はクリープ現象が発生するか、それともしないのか? どっちでしょうか。お答え下さい?
 


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