さよならVSE記念企画　ロマンスカーの連接構造についてあれこれ調べてみた : 休日自衛隊ライブドア基地　JHSDF livedoor base

2022年3月11日、ロマンスカーVSEが定期運行を終了します。

引退に備え、車体には装飾が施され、
駅でも記念のボードが作成されるなど、盛り上がっています。

VSEは2005年、箱根観光の起爆剤として登場した、
今までにない全く新しい形のロマンスカーでした。

その後のロマンスカーに繋がる高い天井や、
窓側を向いた座席など、今までになかった内装構造が特徴でした。

そして技術的な特徴としては、連接構造の採用があげられます。

20000形RSE,30000形EXEで連結構造を採用していた中、
10000形HiSE以来途絶えていた連接構造を復活させました。

しかし、2018年に登場した展望特急、70000形GSEは通常の連結構造で新製されました。

今回のVSEの引退により、ロマンスカーは60年にわたる連接構造を完全に失うこととなります。
そこで当ブログでは、読者の皆様により連接車知識を深めてもらおうと、
ロマンスカーの連接台車について特集することとしました。

連接車とは、連結器の代わりに台車を配置して車両同士を繋いだ車両のことで、かつて鉄道が盛んに研究されていた頃は多様な種類が見られましたが、現在では数が少なくなっています。

連接車の台車配置の違いは走行音の違いとなって現れます。記録したので見てみましょう。

こちらの動画では、連接車のVSEと、連結車の1000形のジョイント音を比較しています。
台車が1車体につき2個ある1000形は、ガタンゴトンと音を立てて通過しますが、1車体につき1個しかないVSEは、ガタン…ガタン…とリズミカルに通過していくことがわかります。

まず、皆さん台車の構造ってご存知ですか？

多分、ピンとこないと思いますので、
今回は要点を絞って説明していきたいと思います。
連接車について語るうえでは、車体を支える部分のことだけ考えればいいです。

台車が車体を支持するための部品は主に3つあります。
それは、車体中心についている「心皿」と呼ばれる部品と、
車体左右についている「側受」と呼ばれる支持部品です。

辻堂海浜公園に保存されている小田急の台車です。

枕梁の間にある丸い部品が、車体についている中心ピンを収めるための下心皿という部品です。
ここに車体のピンが刺さって、くるくると回ることでカーブを曲がります。

しかし、心皿を1点押さえただけでは、電車は左右にフラフラと揺れてしまいますので、
両脇に支えるための部品を取り付けます。これを側受と言います。

すみません、ちゃんと明るい写真がなかったので、別の車で代替させてください。

これは江ノ電100形の側受。奥にあるのが心皿、手前のスキー板を逆にしたような支えが側受です。

このように中央の心皿と左右の側受の3点で車体を支える構造が、旧来の鉄道車両では一般的でした。

この心皿と側受の構造を、連接台車にすると、こんな感じになります。

左が鎌倉側の車体、右が藤沢側の車体です。
両側の車体から連接梁と呼ばれる部品が伸びていて、台車の上で組まれているのがわかります。
台車は右の車体の梁を支えていて、右の車体の心皿の上に載る左側の車体の梁が中心ピンの役割をしています。
そして手前に、車体から張り出した緑色の側受があり、これが左右にあるので計4箇所あります。

江ノ電の車両の場合だと、藤沢・鎌倉両側の車体に側受があるので、端の台車と合わせて各車体を2箇所の心皿で支え、左右のふらつきを4箇所の側受で抑える構造になってます。

ここまで連接車の車体支持方法について簡単に説明したところで、一点断っておきたいことがあります。
それば、江ノ電と小田急の連接車は、形は同じでもその採用の背景が大きく異なっているということです。

キーワードは、「曲線通過」と「低重心」です。

江ノ電の場合、急曲線通過によって、車体同士が右へ左へと激しく動きます。
このような急曲線を通過する連結器には、
左右の動きにしなやかに追従しながらも、連結相手の力を伝達する機能がないと、強い負荷によって連結器が壊れてしまいます。
また、箱根登山鉄道のように貫通路の通行が危険のため困難になるというデメリットもあります。
そこで戦前の江ノ電が考えた解決策は、電車を連結せずに複数車両を一斉に走行させる「特殊続行運転」だったわけですが、連接車を採用することで、連結器を使うことなく、曲線をスムーズに通過できる大型車の導入を実現しました。また、のちに連結器の改良が進んだことで現在のような4両編成の電車運転も可能となりました。

では、ロマンスカーの場合はどうなのか。
もちろん小田急にも線形が悪いことによる曲線通過の課題がありました。
加えて、ロマンスカーが連接車を採用した背景には別のメリットがあります。

ロマンスカーSE車のは、新宿と箱根を60分で輸送できる高速列車を目指し、低重心化と軽量化を狙って連接台車を採用しました。

まず低重心化について。
電車の重心を下げる方法は、屋上機器をなるべく床下に移設することと、車高を下げることなどがあります。
では車高を下げる方法は何かというと、床下の高さを小さくすることにあります。
そこで、最も場所を食う台車を小さくする、という方法に迫られるわけですが、
ここで連接車を採用するメリットが現れます。

ロマンスカーミュージアムのSE車の車内を見てみます。

車端部だけ床が高くなっているのが分かるでしょうか。
このように、台車を車端部に寄せることで、客室を全体的に下げることが出来るのです。
2階建て車両が車端部だけ平屋構造になっているのと同じような理屈ですね。

そして、軽量化。
台車は電車の中でも頑丈で重い部品です。

仮に100mのホームを想定して電車の長さを想定しましょう。
18m5両編成、90mの電車の場合、台車は12個必要となります。
20m5両編成、100mの場合でも、台車は10個必要です。
しかし12メートル8両編成、96mのSE車の場合、台車は9個で済みます。
こうして機器を削減して、編成全体の重量を軽くすることが出来るのです。

その後、ロマンスカーの高速化は線路容量の逼迫によってなくなりましたが、
HiSEまで連接台車の採用が続きました。

ここからは、HiSEまでのロマンスカー特有の連接構造について、イラストや写真を用いて説明していこうと思います。

まずは、HiSEの連接台車を例に説明していきます。

連接台車の中心にあるのが心皿、反対側の車両の中心ピンが載ります。
この結合部結合部は球面をしているので、球面心皿と呼びます。

この心皿の構造は、江ノ電と同じです。
しかし、側受については、江ノ電にはない構造を採用しています。

SEと、NSE～HiSEの構造はまた別なので、
まずはロマンスカー3000形SE車の連接部を見てみましょう。

側受は江ノ電と同様、台車の内側、貫通路の両脇に2か所ずつ設置されています。
暗いのですが妻面にうっすら見えるのが分かるでしょうか？
（ロマンスカーミュージアムではこの部分はホームに覆われて確認することが出来ません）

数は江ノ電と同じなのですが、設置の仕方が江ノ電とは異なります。
江ノ電の側受は心皿の補助的なものでしたが、
ロマンスカーの側受は、車体の荷重を心皿と側受で分散するために、常に車体に押し付けられた状態となっています。
SE車の製造時のカタログによると、これをシュリーレン式（スイスの地名）と呼び、車体側の側受にはコイルバネがついていて、これを台車に押し付ける構造になっています。
SE車の場合はさらに、台車側の側受に油を注ぐことで摺動部の摩擦を軽減する仕組みを採用していますが、この油を利用した構造はNSE以降では廃止されているようです。

このような仕組みは低速で走行する江ノ電には必要なく、江ノ電に乗ってみると、側受についたり離れたりしながら左右にゆらゆらと走っているのが観察できます。

つぎにNSE以降の側受を観察していきましょう。
こちらは観察しやすい状態のものがありました。

これがNSEについている側受で、
ロマンスカーミュージアムに保存されている車両の中で唯一観察できるものです。
側受は1車体につき、小田原側に2か所つくのみとなっていて、
車体側の側受をバネで台車に押し付けて、安定性の向上を図っているようです。

このように、NSE、LSE、HiSEの3形式は、片方の台車では連接梁で車体を支え、他方の台車では球面心皿と側受の3点で車体を支える、という方法で、各車体を台車の計4点の部品で支える構成まで削減出来ています。
この構造を確認できるのは、長野電鉄で運用中のゆけむりを残すのみとなりました。

LSEのものを例にとって図解すると、このようになります。

これはLSEの妻面を書いたもので、
手前が新宿、奥が小田原です。
ロマンスカーミュージアムに展示されているHiSEやLSEは新宿向き先頭車なので、このイラストの手前側に載る車体です。逆にいうとイラストで示す向きの保存車は現在ありません。

また実際の台車の上には、新宿側の車体が載り、さらに小田原側の車体が載るので、実物の台車と車体をこのように組み立てることはできません。

新宿側の妻面（＝図）において車体を支持しているのは、中央部、貫通路下にある球面心皿と、左右の側受です。

逆に小田原側の妻面（=海老名のHiSE）は、車体中央部の大きな連接梁のみによって支えられているようです。

この両側の4点の支持によって、ロマンスカーは左右にグラグラすることなく走行することができるのです。

また実車をしっかり観察したわけではないのですが、日本車輌製の福井鉄道200形の連接台車の側受も、数は4箇所ですが小田急と似たものを採用しているみたいですね。

では、VSEはどうなのでしょう。

VSEの引退を記念して、小田急の公式サイトではVSEのテクニカルガイドが公開されました。
しかし、やや抽象的な書き方をしているので、連接構造を理解するのにはもう少し実車を見て考える必要があります。

ということで、実車構造についてある程度知識をつけたので、メモを残しておくこととします。

VSEは世界初の連接車ながら車体傾斜を実現した形式で、
世界初の技術というからには特許出願されているだろうと、日本車輌製造の論文を探してみました。
車体傾斜については見つけられなかったのですが、車高制御と検索したらヒットしました。
なかなか面白いです。

また、鉄道車両の連接構造についての特許も見つかりました。これがVSEの連接構造の機械的な部分の説明になっていると思います。

読んでみましたが、最初はなんじゃこりゃと思いました。

実はVSEの連接構造は、今まであったロマンスカーのみならず、ほかの鉄道車両と比較して、
台車と車体をつなぐ方法が、根本的に異なっている、非常に珍しいものなのです。

図説すると、こうなります。

まず目立っている部品が貫通路を囲うフレームで、これを"連接枠"と呼びます。この連接枠が車体の支持と台車への重量の伝搬を全て負っているのです。

連接枠を車内から見ていきます。

こちらはVSEの貫通路です。ターンテーブルではありません。
真ん中の銀色の部品が連接枠とつながる部品と思われます。

この連接枠は、車体を支えるだけでなく、操舵台車の制御にも関わっています。

連接枠と車体の台枠がダンパー（台車の上にちょっと見える横長の円筒部品）によって繋がっていて、
車体がカーブに差し掛かって曲がると、このダンパーが連接枠を押したり引いたりします。
連接枠が動くと、台車が連接枠の空気バネによって適度に緩衝されながら引っ張られ、カーブの方向へ向きを変えるようになっています。

急曲線の多い箱根登山線でも、台車のキーンとした軋み音を軽減することが出来ています。
ちょっと鳴るけど。

3分割された貫通路のカバーは、のちのロマンスカーの標準仕様になりましたが、上部をよく見ると動きが少し異なります。

電車の左右の揺れ（ローリング）に対して、
新宿側の車体（手前）と連接枠はシンクロしているのに、
小田原側の車体（奥）と連接枠はずれていきます。

この理由は、連接枠を固定するフレームが新宿側の車体に備わっているためです。

小田原駅の階段から撮影したVSEの連接部です。

このようにしっかり繋がっていて、台車は新宿側の車体の持ち物になっているようです。

そして、小田原側の車体が揺れて見えるのは、
今まで側受を使って安定性重視の結合をしていた車体を、球面心皿のみによる結合に変更したことで自在に動けるようになったものと読み取りました。車体傾斜を実現することを目的に作った方式なのでしょう。

つぎに台車が大きく変わっていて、ボルスタレス台車を採用し、側受を設置するための枕梁がなくなりました。そのためこれまで使用していた側受はなくなりました。

さらに、台車が車端部にあることを利用して、従来床下にある空気バネを腰の位置まで高くしています。

VSEは、この高い空気バネの空気圧を調整することで、車体傾斜を実現しています。

空気バネの位置を高くすることで車体傾斜を実現する先行事例としては、スペインの連接車「タルゴ」の自然振り子制御が挙げられます。
タルゴは連接構造を採用して、空気バネを車体の屋根の近くに設置しています。車体を重心より高いところで支持するため、天井を支点にして床側を重力で動かす車体傾斜を実現します。ちょうど懸垂式モノレールような挙動です。しかしこの自然振り子式全体に言えるデメリットとして、カーブによる遠心力の発生と車体の傾斜にタイムラグが発生してしまうため、乗り物酔いを引き起こす現象が知られています。
そこで、ATS地上子を利用してあらかじめ空気圧で振り子の動きを調節する制御式振り子式や、油圧や空気圧で車体を持ち上げる車体傾斜装置が開発されます。

VSEの車体傾斜システムは、空気バネを車体重心と同じ高さに配置し、空気バネの制御によって重心を変えることなく車体を傾斜させます。
空気バネを制御することで、予知的な曲線通過時には車体を傾け、そうでない時には車体傾斜を避けることで安定性を高め、乗り心地を向上することができます。

連接台車の空気バネの上にあるこの俵型の部品が、
空気バネに入れる空気を調節する車高制御器のようです。

特許公報を読んでみると、空気バネ車体制御の工夫が書かれています。
分かりづらいので、ヘタクソですがパワポ絵をご用意しました。

前提知識として、空気バネは従来、車体と台車の高さを一定に保つ（コイルバネには出来ない）ために、車体と台車を繋ぐ高さ調整棒という部品を備えています。

高さ調整棒には空気バネに空気を入れる車高制御器（台車の上についている丸い部品）が付いていて、

乗客が増えて車体が調整棒より低くなると車高を上げて基準位置になるようにして、

逆に下調整棒より高くなれば車高を下げて基準位置になるようにします。

特許技術では、高さ調整棒を空気圧で伸縮させる機構を持っていて、曲線通過時にテコが上下することで、車高を調節できるようになっているようなのです。

すると、基準位置にあるにもかかわらず車高がずれていると車高制御器は判断します。

そしてズレた分だけ空気バネが車高の調整を行って、車体が傾くという仕組み。

日本車輌のサイトにある方法だと、この調整棒の長さを"見かけ上"変化させる高いてあるので、実施例としては車高制御器の弁の位置を調整するような仕組みになっているのでしょう。

まぁ、肝心の作動部は転落防止幌の内側に隠れてしまって観察できなかったのですが、実際に観察できたら非常に面白いですね……。
もしかしたら連接車以外の車体傾斜機構には他に使われている方式なのかもしれません。

さて、VSEのテクニカルガイドを読むと、先頭車の床下に「傾斜空気ダメ」と呼ばれる専用の空気タンクを持っていて、「傾斜制御電磁弁箱」「動揺防止制御電磁弁箱」という機器があります。どうやら先頭車から送られる空気で車高制御器を制御しているようです。
特許文献から推察するに、傾斜制御用電磁弁は車体傾斜のための大きな空気バネの空気流用を許容するための弁、動揺防止制御電磁弁は、車体の素早く小刻みな揺れに対して不要な空気バネ操作を抑止して圧縮空気の使用量を削減するために用いられる弁装置と思われます。

曲線の検知方法は特許の発明範囲になかったので、ここも私の推測になりますが、線路情報など何らかの方法で先頭車がカーブを検知すると、両先頭車の傾斜制御電磁弁が開いて、カーブ外側の空気を込めて、内側の空気を抜く操作を行う。
で、カーブを抜けると、逆の操作を行う。

みたいな仕組みになっているのではないかと推測します。

動画を確認していたら、空気バネらしき音を拾っているものがあったので見てみましょう。

不確定なのであまり詳しいことは書けませんが、箱根板橋を発車した後、0分31秒あたりでから聞こえるシューッという音が車高制御の音ではないかと考えています。
（違ったら申し訳ないですが教えてください）

ちなみに、こちらはVSEの連接部を赤外線カメラで撮影した画像です。
車高制御器の中は気体の状態方程式に基づいて高温になっているのではないかと期待して撮影したものですが、目立った熱源は確認できませんでした。

参考ですが、こちら箱根登山鉄道モハ1形の赤外線写真です。床下のコンプレッサーと空気配管が発光しています。
コンプレッサーは空気圧を急激に上昇させるため、大きな温度変化が発生します。このため、大きな圧力変化を与える部品の存在は、空気配管の温度を測定することで、ある程度把握することができるのです。

他の空気バネ台車（小田急3000形など）の温度を撮影して変化がないかを確認すれば、なにか特徴が掴めるかもしれませんね。今後の調査課題としましょう。

また車体傾斜ですが、実際に乗っていると意識することは難しいと思います。

前述の通り重心が高いので正確な値ではないですが、
傾斜による高さの変化は、以下の先で表せます。

傾斜高さ＝(車体幅÷2)sin(傾斜角)

VSEの場合、車体幅2800mm、傾斜角を2°とした場合、49mm、窓際席が4センチ動くだけなんです。座席寸法から計算しても通路側なら18mmの変化しかありません。線路にはカントも設定されているわけですから、ここで車体傾斜を体感するというのはかなり難しいと感じています……。
ぜひJR四国の振り子ダンスみたいに、海老名検車区とかでテスト用の機能とか使ってわざと傾斜させてみせてほしいですよね。ちなみに先頭車は傾斜角が1.8°に抑えられているので、理論上は先頭車と2両目で車体高さに2mmの差が出ます。もしそんな写真が撮れたら……そんなカメラもスキルも凄いものですが、ぜひ記録してみたいものですね。

最後におまけ。

特許公報によれば、日車は連接枠にパンタグラフを設置することも実施例として想定していたようですが、VSEではこの設計は見送られたようです。

（※追記　読者からご指摘いただいたのですが、2003年初夏にLSEのサハ7052に連節枠を設置して車体傾斜装置の実車試験を行ったことがあるそうで、この時に連接枠にシングルアームパンタグラフを設置するテストが行われているようです。時間はしたものの、採用には至らなかったようですね。）

さて、色々書きましたが、やはり連接台車って難しいですね。

今回は素人が見聞きして調べたことを説明してみたのですが、
間違ったことを説明している個所があったら、お手数ですが教えていただきたいです。

また、ぜひともロマンスカーミュージアムの図録などで、この辺りの仕組みを公式に詳しく紹介していただけたらな、なんて思ったりしています。実際にメンテナンスしていた人の声、聞いてみたいですよね……。

長くなってしまいましたが、
VSEの定期運用離脱は残念ながら、2023年秋までのセカンドライフはより自由な車両の使い方ができるのではないかと期待しています。

なんかあってもいいように小田急ポイントカードをせっせと使っているので、是非とも車両技術が学べるツアーを、なにとぞ、なにとぞ……。

参考資料

旅と鉄道編集部「旅と鉄道 2018年増刊8月号ありがとう小田急ロマンスカーLSE」　2018年　天夢人

伊藤一夫「鉄道車両メカニズム図鑑」　1987年　グランプリ出版

野元浩「改訂版　電車基礎講座」　2017年　交通新聞社

小田急電鉄株式会社　「SUPER EXPRESS 3000」パンフレット 2006年復刻版

純粋な趣味人がアクセス数を稼ぐのはどうなのかと悩みましたが、
車両技術ファンを増やすべく、ブログランキングに挑戦してみようと思います。