カルダン駆動方式

カルダン駆動方式の概要

カルダン駆動方式（カルダンくどうほうしき、英：cardan jointed drive）は、鉄道車両における駆動システムの一つです。この方式は、動力源である主電動機を台車のばね上に配置し、自在継手を介して車輪の軸に動力を伝達します。これにより、台車と車輪の間に生じる衝撃を効果的に緩和し、車両全体の安定性を高めることが可能です。

カルダン駆動の利点

この駆動方式の大きなメリットは、主電動機が衝撃や振動を直接受けにくいため、騒音や乗り心地の向上が見込めることです。さらに、主電動機は小型化でき、同じサイズでよりパワフルな電動機を使用することが可能です。

台車に掛かる重量も軽減され、鉄道の乗車時に体感する揺れを軽減し、更なる快適性を実現することができるのも重要です。このため、線路のうねりやねじれに対する輪軸の追従性が向上し、安定した走行性能が得られます。加えて、減速歯車が小型化されることで、機構の軽量化も図れます。

自在継手とカルダンジョイント

主電動機を台車に固定するためには、動力伝達時の位置変化を吸収する仕組みが必要です。これを達成するために、さまざまなタイプの自在継手が使用されます。その中でもカルダンジョイントは特に有名で、名称はその発明者であるイタリアの数学者ジェロラモ・カルダーノに由来しています。

カルダンジョイントは、特定条件下では「非等速」または「不等速」と呼ばれ、入力軸と出力軸の速度が異なる特性を持ちます。しかし、二つのジョイントを使用し、その間に角度の変化を許可することで、動力伝達の効率を大幅に改善することができます。

駆動方式の種類

カルダン駆動方式にはいくつかのタイプが存在します。

1. 直角カルダン駆動方式：主電動機を台車に取り付け、かさ歯車やウォームギアを用いて動力を伝えます。
2. 中空軸平行カルダン駆動方式：回転軸を中空にして電動機の両側に撓み板継手を配置し、設置スペースの効率を最大化します。
3. WN駆動方式：円筒形内歯歯車を使用した構造で、高い耐久性を実現しています。
4. TD平行カルダン駆動方式：コンパクトかつ高性能を両立するよう設計された駆動システムです。
5. 車体装架カルダン駆動方式：車体側床下に電動機を固定し、円形プロペラシャフトで車軸を駆動。
6. 垂直カルダン駆動方式：電動機を垂直に設置し、複雑な機構が特徴です。
7. TGVトリポードカルダン駆動方式：進行方向に対し左右に減速装置を配置した特有の構造。

カルダン駆動の歴史

1887年以降、鉄道では吊り掛け駆動が主流でしたが、主電動機が受ける衝撃や騒音が課題となりました。そこで、車両の安定性改善を目指して、カルダン駆動方式への転換が行われました。最初の実用例は1910年代のドイツにおける路面[[電車]]で、1920年代にはパリでも広く使われました。

日本では1951年から主要私鉄や電機メーカーが協力して開発を進め、1952年には国鉄の気動車で初の試験採用が行われました。1953年には営団地下鉄が本格的に採用し、その後日本各地の鉄道車両で普及が進みました。以降、80年代以降も進化を遂げ、現代のほとんどの電車がカルダン駆動方式を採用しています。

カルダン駆動方式は、鉄道の新たな標準として、信頼性と効率性を併せ持つ優れた駆動方式として今も利用されています。

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