鉄道車両の歴史
蒸気機関車のシリンダーの数は、通常左右それぞれに1つずつの2つで、複式の場合高圧と低圧が組み合わせられるため4つになる。イギリスでは4気筒でも単式で燃費向上ではなく同じ車両限界内での出力増大と内外シリンダーの駆動を逆にすることで振動を抑える目的の機関車が開発され、フランスの複式4気筒と共に使われていたが、両者とも大型化が進むにつれクランク車軸がゆがみやすくなる(車軸にクランクが2つあり強度が落ちる)という問題が発生し、中央のクランクを1つにした3シリンダー機の方がクランクウェブの厚みが取れ大馬力化に有利で、トルク変動も2・4気筒が1回転に4回なのに対し3気筒は6回に分散するためトルクのむらが少なく振動が減少するという計算がされたが、てこで外側シリンダーの動きをすぐ内側のシリンダー(位相が逆なので複雑な機構もいらない)で動かせばいい4シリンダーに対し、専用のバルブをつけて中央シリンダーを動かさなければいけないため整備しにくいという欠点があり、改良案としてイギリスのロンドン・アンド・ノース・イースタン鉄道の技師長ナイジェル・グレズリーは、2つの弁装置から延びるてこで3気筒を駆動するグレズリー式連動弁装置を開発して自社の機関車に使用したが、こちらは前方からすぐに保守ができる代わりにこまめに整備しないと中央シリンダーの動きにずれが生じてクランクの損傷につながるので一長一短で、イギリスなど内側シリンダーの整備に慣れていたところでは撤去(専用のバルブをつける)されるなどの改造を受けたものもあった。
こうして発展してきた蒸気機関車は、ロンドン・アンド・ノース・イースタン鉄道のA4形蒸気機関車の1両、4468号機「マラード」 (Mallard) により、1938年7月3日に203 km/hという世界最高速度記録を達成した。これは2008年現在まで破られていない、蒸気機関車の世界最高速度である。この機関車は国立ヨーク鉄道博物館に保存されている。
ヨーロッパでは当初の客車は馬車の客室をもとに発展した。これに対して、現代の客車のようにボギー台車を取り付けたボギー車にするという発想は、1821年に既にイギリスで出ていたが、これを実現したのはアメリカでのことであった。これは、急曲線が多いアメリカでは固定車軸のままでは客車を長くすることができないという現実的な問題に対処するためである。ボギー台車式客車についてボルチモア・アンド・オハイオ鉄道のロス・ワイナンズが1834年に特許を出願している。コンパートメントから発想を脱し、中央に通路を配置してその両側に座席を並べる、現代のオープンサルーン客車の原形となるものを考え出し、1840年代のアメリカで一挙に普及した。ヨーロッパでは長くコンパートメントに固執して、オープンサルーンの普及は大きく後れを取ることになり、1870年代になってもボギー台車やオープンサルーンの車両がいかに珍しい物だったか分かる例に、フランスのジュール・ヴェルヌは自分の小説『80日間世界一周』(1873年)内でアメリカの客車(空想科学的なものではない普通の客車)について次のように説明している。
アメリカのオープンサルーン式客車は、この頃アメリカで広く普及していた「川蒸気」の影響が指摘されている。川蒸気は川を航行する蒸気船で、広大で道路網が未発達であったアメリカでは最も一般的な交通手段として、鉄道より先に普及した。川蒸気の船室は、オープンサルーン式の客車と同様に、通路の両側に座席が並び、あるいは寝台が並ぶ構成であった。一部においては、川のない区間を隣の水系へ船を移動させるために、その区間にだけ鉄道を敷いて、分解した川蒸気の船室を貨車に載せて運ぶといったことも行われていた。このことから、自然に川蒸気の船室を模した鉄道の客車が普及したのだと考えられている。また、ヨーロッパに比べて階級差別の少ないアメリカでは、全ての乗客が同じ部屋を共有するという考え方に抵抗がなかったともされている。アメリカの広大な未開拓の原野を進む列車は大洋を行く船舶に例えられ、駅で列車を降りれば宿泊や食事のサービスを期待できたヨーロッパと異なり、全てを列車内で自給自足する必要があった。このことが食堂車や寝台車がアメリカで開発された1つの要因として考えられている。
寝台車は、1836年には既にペンシルベニア州で運行を開始していた。当初は暗く狭い劣悪なサービスのものであったが、ジョージ・プルマンの手により大幅に改良されることになった。1865年に彼は豪華絢爛たるパイオニア号を送り出し、これはエイブラハム・リンカーン大統領の葬送列車に用いられて有名になった。1868年には食堂車も送り出している。
プルマンの設立したプルマン社では、鉄道会社に代わって寝台車や食堂車を所有し、料理人や給仕など関連する要員を雇って、各鉄道会社の列車に連結して運行してもらうという方式で寝台車サービスを展開した。全盛期には、一晩に4万人の利用する巨大ホテルチェーンとなった。客車の蒸気暖房システムの採用(1887年)、ろうそくであった照明をオイルランプ(1873年)、ピンチガスによるガス灯(1891年)へと更新、全鋼製車両の投入(1907年)など、大型客車の快適性と安全性の追求に大きな足跡を残した。
プルマンの大型客車の影響はヨーロッパにも及んだ。食堂車のなかった当時のヨーロッパでは、食事時間に「リフレッシュストップ」という長い停車時間を食堂のある駅で設定することで、車外に出て食事をしていた。しかし独占状態の駅の食堂のサービスは劣悪で、かつ列車の所要時間短縮の障害となっていた。イギリスでは、プルマンから導入した最初の寝台車は1874年、食堂車は1879年のことであった。ヨーロッパではその後国際寝台車会社(ワゴン・リー社)がプルマン社と同様の形態で寝台列車の運行をするようになった。
当初の鉄道にはまともなブレーキ装置はなく、編成中に連結された緩急車で、人力でブレーキを掛ける程度であった。これは高速化の障害ともなり、たびたび大事故を引き起こしていた。
動力を用いたブレーキの最初は、スチーブンソンが1833年に開発した蒸気ブレーキであった。ブレーキシリンダーにボイラーから蒸気を送り込んで動作させるものであったが、ブレーキ力を制御するのが難しく、編成全体にブレーキ力を効かせることは困難で、機関車用のブレーキとしてのみ用いられた。さらにシリンダーからの排気管を塞ぐことによりブレーキを掛ける、内燃機関における排気ブレーキに相当する技術も開発されたが、シリンダーが高温になりすぎるなどの問題があった。
また、進行中に弁装置を後進側に切り替えることで、蒸気の力をブレーキ方向に働かせる反圧ブレーキという方法も用いられた。これは弁装置や車輪を焼きつかせるなどの問題があったが、真空ブレーキが開発されるまでは様々な工夫が施されながら用いられた。
より本格的なブレーキとしてノース・イースタン鉄道のJ・R・スミスが真空ブレーキを1874年に開発している。真空ポンプで真空を作り出し、これと大気圧の差でブレーキシリンダーを動作させる仕組みで、列車全体にブレーキを掛ける貫通ブレーキが実用できるようになった。ブレーキ力は大きく向上したが、当初はブレーキ管が破損すると全くブレーキが掛けられなくなる致命的な欠陥があり、1878年にジェームズ・グレーシャムによりブレーキ管に空気が入ってきた時にブレーキが掛かるようにする自動真空ブレーキが開発されて解決された。これはかなり広範囲で使用されるブレーキとなった。
アメリカのジョージ・ウェスティングハウスは、1869年に空気圧によってブレーキを掛ける空気ブレーキを発明した。これはまだ初期の真空ブレーキと同じく、ブレーキ管が外れると全くブレーキが効かなくなる方式のものであったが、1872年にブレーキ管から空気が抜けた時にブレーキが掛かるようにした自動空気ブレーキの特許を取得してこの問題を解決した。真空ブレーキでは大気圧との差の最大1気圧でしかブレーキが掛けられないが、自動空気ブレーキはより高い圧力を掛けることで大きなブレーキ力が得られ、装置も小型化することができるという特徴があった。
連結器についても、当初はねじ式連結器が用いられており、連結作業に際して連結手が車両の間で作業をしなければならず、機関車がオーバーランして連結手が轢かれてしまったり、連結器に手を挟まれたりといった事故が絶えなかった。また連結器の強度にも制限があり列車の長大編成化に制約となっていた。アメリカのイーライ・ジャニーは、連結器同士がぶつかると自動的に連結され、また解放てこを操作するだけで切り離すこともできる、自動連結器を開発して1873年に特許を取得した。
これらの画期的な発明も、すべての車両に一度に導入しなければ効力がなく、導入にとても費用が掛かるということから当初は全く普及しなかった。1893年になって鉄道安全装置法によってジャニー自動連結器とウェスティングハウス自動空気ブレーキの採用が義務付けられ、1900年までにアメリカで運行されるすべての列車に自動連結器と自動空気ブレーキが用いられるようになり、安全性の向上に大きな効果を発揮した。これは、アメリカの鉄道が現代のような巨大なシステムに発展する基礎ともなっている。
自動連結器と自動空気ブレーキの組み合わせは他の国にも波及した。例えば、日本では自動連結器への交換が1925年7月17日(本州)、7月20日(九州)に一斉に行われた。また自動空気ブレーキも1930年からすべての列車で用いられるようになっている。
一方で、ヨーロッパでは自動空気ブレーキは採用されたものの、各国を結ぶ国際列車が複雑に運行され、国家間の調整が必要となる問題があって、自動連結器は2008年現在まで採用されておらず、当初からのねじ式連結器が用いられ続けている。またブレーキについても、真空ブレーキに拘ったイギリスは自動空気ブレーキへの移行が第二次世界大戦後に遅れ、南アフリカやインド、スリランカのように現代に至るまで真空ブレーキを用い続けている国もある。
電力によって鉄道車両を走らせる、電気鉄道の技術は古くから実験されてきており、一番古いものでは1834年にアメリカのデボンポート (Devonport) が走行実験を行ったという記録がある。電池を車体に搭載して走らせたものであるが、初期の電池は振動に弱かったため実用性に乏しかった。
電気鉄道の大きな特徴である、線路側に給電設備を設けてそこから集電して電気車が走行する仕組みは、1850年にアメリカでホール (Hall) が初めて実験している。これは電池を地上において給電していたものであった。電動機の運転中に偶然発電機が見出されるのは1864年のことである。
ドイツのヴェルナー・フォン・ジーメンスは、シーメンス・ハルスケ社 (Siemens Halske) を設立し、1879年のベルリン貿易博覧会会場において電気機関車により3両の客車を牽いて300 mの線路の運転を行った。電圧は直流150 Vで第三軌条による給電であった。さらに1881年にはベルリン郊外のリヒターフェルデ (Lichterfelde) で約2.5 kmの世界初の実用電気鉄道路線を開業させた。直流100 V第三軌条方式であった。
続いて、アメリカのフランク・スプレイグはばねの力を利用して架線から集電するトロリーポールを1880年に発明し、これを利用して1888年にバージニア州リッチモンドに直流500 Vのシステムを用いたリッチモンド・ユニオン旅客鉄道 (Richmond Union Passenger Railway) を敷設した。これは世界で最初の成功した路面電車のシステムとなり、世界中で続々と同様の路面電車が敷設されていくきっかけとなった。またスプレイグは電気鉄道の総括制御の仕組みを発明し、1人の運転士の操作で何両も連結された車両のモーターを一斉に制御することを可能にし、電車を長大編成で連結運転できるようになった。
こうして電気鉄道の歴史は低い電圧の直流電化により始まった。蒸気機関車で運転されてきたロンドン地下鉄は、この時期に電化されている。しかし電圧が低いままでは都市内鉄道のレベルに留まり、都市間の鉄道への発展は難しかった。このことからドイツやスイスを中心に交流電化の技術開発が始められた。
まずは、比較的構造が簡単な交流電動機を使用できる三相交流電化の技術が開発され、スイスのブラウン・ボベリ社(Brown Boveri、後のアセア・ブラウン・ボベリ)が三相交流による電気機関車を1899年に製作して実験を行った。続いて、ドイツのシーメンスとAEGが合同で三相交流による高速試験を行い、1903年10月28日に210.2 km/hを達成している。これはまだ飛行機を手にしていない人類にとって、この世で最も速く移動できる乗り物であった。ライト兄弟がライトフライヤー号で初飛行をするのはこの年の12月17日のことであるが、速度は50 km/hに満たないものであった。三相交流のために複数の架線を張らなければならないという問題から、三相交流電化の技術はシンプロントンネルなど限られた場所に用いられただけで、より高い電圧の直流電化と単相交流電化へ向かうことになった。
低い電圧に留まっていた直流電化の電圧を上げて、2,400 V電化を実現したのはDanplinois鉄道で、1903年のことであった。それに引き続き第一次世界大戦期にアメリカで2,400Vや3,000Vの電化路線が次々に建設された。この時期、弱め界磁制御や高速度遮断器、カルダン駆動方式などが開発されている。イギリスでもランカシャー・アンド・ヨークシャー鉄道で3,600 Vの実験が行われたが成功せず、実用化されたのは1,200 V方式であった。またサザン鉄道での大規模な電化では750 Vと比較的低い電圧が用いられた。
スイスのエリコン社は1907年にゼーバッハ - ヴェッティンゲン間で単相交流50 Hz 15,000 Vの単相交流電化の技術を開発した。これにシーメンス社からの協力を経てレーゲンスドルフ - ヴェッティンゲン間で、現在も用いられているようなカテナリ架線とパンタグラフの組み合わせが用いられるようになった。当初は商用交流をそのまま送電して電動発電機で直流に変換して駆動していたが、16と3分の2 Hzの低周波交流電化により整流子形の直流電動機を駆動する技術が開発された。第一次世界大戦による石炭高騰で列車の大幅運休にまで追い込まれたスイスでは、国防上の理由もあって電化を積極的に進めることになり、スイス国鉄は1945年までに全線がこの方式で電化された。このほかにドイツやオーストリア、ノルウェーなどでこの方式の電化が広く用いられている。
一方、商用交流をそのまま用いる技術も開発が行われ、まずハンガリーの技術者カンドー・カールマーンが主導して1923年と1933年の2回実験を行っている。これは50 Hz 15,000 Vで送電し、機関車内の回転変流機で三相交流に変換して駆動するものであったがうまくいかなかった。1935年にはドイツのヘレンタール線での研究が行われ、50 Hz 20,000Vで送電し、車内では回転変流機で三相交流により交流電動機を駆動するもの、整流器により直流電動機を駆動するもの、そのまま整流子式直流電動機を駆動するものの比較試験が行われ、整流器式が有望であると分かった。ドイツの商用交流による電化技術は、第二次世界大戦後フランスにより接収されてそこで50 Hz 単相25 kV電化として実用化された。この時期、スコット結線変圧器や水銀整流器なども開発されている
こうして幹線網の電化に用いる技術が開発され、大型の電気機関車が投入されてくる一方で、主にアメリカにおいて路面電車から発展して、都市間を高速電気鉄道で結ぶようにした鉄道網が19世紀末頃から発達し、インターアーバンと呼ばれている。インターアーバンでは、停車駅の数を増やし短い編成の列車を頻繁に運転することで従来の鉄道に対抗しようとした。アメリカでは自動車が普及するにつれて第一次世界大戦後には急速に衰退していったが、インターアーバンの技術と思想は日本に大きな影響をもたらし、関東・関西を中心に私鉄が路線網を張り巡らせて、現代の電車王国を築くひとつのきっかけとなった。
ドイツのルドルフ・ディーゼルは、1892年にディーゼルエンジンを発明した。彼が死去する前年の1912年に、世界で最初のディーゼルエンジンによる機関車がドイツのプロイセン邦有鉄道で試作された。船舶用の1,200馬力エンジンをそのまま載せたものであったが、あまり実用性はなかったとされる。1914年にはスイスのスルザーが、200馬力の電気式ディーゼルカーを開発している。
一方この頃、自動車が普及しつつあったアメリカでは、自動車用のガソリンエンジンを用いたガソリン動車が盛んに製作された。ゼネラル・エレクトリックが主に製作し、ガソリンエンジンで発電してその電力で走行する電気式であった。また、フランスのブガッティも1930年代にかなりのガソリン動車を販売した。しかし、鉄道用としては燃費のよいディーゼルエンジンの方が適しており、1920年代以降は主にディーゼル動車の方が普及していった。
また、飛行機が発明されて使用されるようになったことからプロペラ動力に関心が集まり、鉄道車両をプロペラで駆動する技術の研究がドイツで行われた。600馬力のガソリンエンジンに4枚羽根プロペラを取り付け、17.25 トンの車体に載せて走らせた。この車両はレール上のツェッペリン飛行船という意味で「シーネンツェッペリン号」 (Schienenzeppelin) と名づけられた。1931年6月21日の試運転では、ベルリン - ハンブルク間のテストコース256 kmの区間を98分で走破し、平均速度は154 km/h、最高速度は230 km/hを記録して、これは第二次世界大戦前の鉄道の最高速度記録であった。しかし他の車両と連結して走ることができず不経済で、試運転のみに留まった。
シーネンツェッペリンに続いて、ドイツではディーゼルエンジンを用いた通常の車輪駆動の高速列車に取り組んだ。410馬力のディーゼルエンジンと発電機を搭載し、その電力でモーターを回して走る電気式ディーゼルで、1933年5月15日からベルリン - ハンブルク間で営業運転についた。この列車は「フリーゲンダー・ハンブルガー号」と名づけられ、270 kmの距離を2時間18分で結んだ。平均速度は124.6 km/h、最高速度は160 km/hで、営業運転に用いられる列車としては世界最高速度を達成した。高速性能で乗客から人気を博し、コスト的にも蒸気機関車の牽引する列車より安いことが明らかとなった。ドイツ全土を結ぶディーゼル特急ネットワークが計画されて増備が進められ、その中にはフォイト製トルクコンバータを搭載した液体式のものもあった。この時期、チェコスロバキアではスロヴェンスカー・ストレラ、アメリカではパイオニア・ゼファーなど、同じようにディーゼル駆動の高速列車が運行されるようになった。
アメリカではゼネラルモーターズ傘下のエレクトロ・モーティブ・ディビジョン (EMD) がディーゼル機関車の開発を進め、1930年代には1000馬力級のエンジンを搭載したディーゼル機関車が各鉄道に次第に普及し始めていた。
第二次世界大戦前の時点で既に電気動力とディーゼル動力は著しい発展を見せ、蒸気動力の立場を侵食し始めていた。大戦中は、比較的余裕のあったアメリカでディーゼル機関車の導入が進んでいた以外はどの国でも電気・ディーゼル動力への取り組みは一旦休止され、旧来の蒸気機関車の性能を極限まで引き出しながら製造に要する資材と工数を極端に切り詰めた戦時設計の機関車が投入された。この例としてドイツ国鉄52形蒸気機関車や国鉄D52形蒸気機関車の例がある。ドイツ国鉄の52形は蒸気機関車として空前の7,000両以上が製造され、その高性能からドイツ占領地に残された機関車が戦後各国で利用されたばかりでなく同形式の車両の追加製造まで行われた。
戦後は、先進各国で蒸気動力を電気動力・ディーゼル動力に置き換える「無煙化」が進められた。日本では1947年、アメリカでは1948年、フランスでは1952年、イギリスでは1953年、西ドイツでは1957年に蒸気機関車の新規開発が打ち切られた。電気・ディーゼル機関車の増産が進められ、既存の蒸気機関車も次々に運用を外れ、保存用に残された蒸気機関車を除けば、アメリカでは1960年、イギリスでは1968年、日本では1976年、西ドイツでは1978年に蒸気機関車が商業的な運行から撤退した。先進国では遅くまで残った南アフリカでも1992年に運行が中止された。
一方、発展途上国では長く蒸気機関車の運行が続き、中国では1980年代まで蒸気機関車の新規の生産が行われていた。しかし中国でも電化・ディーゼル化が進展しつつある状況にある。
一方、蒸気機関車を単純に電気機関車・ディーゼル機関車に置き換えるのではない、別の無煙化の道が日本で実施された。日本では、軟弱な地盤の関係もあり線路の制限軸重が厳しく、重量のある機関車を高速走行させることは難しかった。このため、編成全体に動力を配置した動力分散方式を用いた電車・気動車方式を中心として発展させていく方針が採られた。コスト面では動力集中方式に劣ると見込まれたが、運用効率がよいことでカバーできると考えられた。
1950年から、東京 - 沼津間に80系が投入され、湘南電車として運転を開始した。それまで短距離の通勤・通学目的の列車に限定されていた電車が、初めて客車列車を置き換える目的で投入され、120 km以上の長距離を客車列車並みの長大編成で運転されるようになった。車内の設備も客車と遜色がない設備が用意された。
1958年には151系が投入され、東京 - 大阪の電車特急「こだま」として運用を開始した。大戦前のイタリアでETR200型が長距離特急用に開発されていたことに次ぐものである。これにより長距離の優等列車でも電車が積極的に用いられることになった。
気動車の面でも開発が進められ、1961年にはキハ81系が投入され、上野 - 青森間に「はつかり」として運転を開始した。これにより、気動車もまた長距離優等列車として用いられるようになった。
こうした動力分散方式の車両開発のひとつの到達点として、1964年に東海道新幹線が世界最初の高速鉄道として開業した。東海道新幹線は、全電動車方式の0系を用いている。200 km/hを超える最高速度での営業運転やその列車本数の多さ、在来線と完全に独立したシステムなど多くの点で世界で初めてで特徴的なものであった。
日本における高速鉄道の成功は、航空機と自動車に押されて鉄道が斜陽化しつつあったヨーロッパに大きな影響を与え、まずフランスで高速化の取り組みが始まり、当初は在来線の列車の200km/h走行から始まって、1981年には新幹線よりも最高速度の速いTGVが開業した。しかしTGVでは動力集中方式が採られ、日本の動力分散方式まではヨーロッパに波及しなかった。1991年にはドイツでICEが運転を開始している。
当初は電車に直流電動機を使用していたため、保守に手間が掛かることがヨーロッパで動力分散方式が嫌われた大きな理由となっていた。しかし1990年代に入りVVVFインバータ制御が実用化されると電車に交流電動機が用いられるようになり、保守の手間はあまり問題とならなくなった。また回生ブレーキの技術が用いられるようになると、さらに動力分散方式が有利となり、ドイツでは2000年にICE 3が電車方式で開発された。動力集中方式に拘っていたフランスでも動力分散方式のAGVが開発されるなど、次第に動力分散方式が普及する傾向になっている。