気動車・ディーゼル機関車の動力伝達方式
気動車・ディーゼル機関車の動力伝達方式(きどうしゃ・ディーゼルきかんしゃのどうりょくでんたつほうしき)では、気動車やディーゼル機関車及びその他の内燃機関車の動力伝達方式について述べる。
内燃機関は、トルクの出方が山なりで、出力(馬力)は回転数に比例して増大するという基本的な出力特性を持つ。また、拘束状態からの起動は不可能であり、機関始動時には無負荷でなければならない。したがって内燃機関をこれらの車両に使用する場合には、電動機のように静止状態から直結発進することはできず、負荷を切り離す機構が必要となる。また、利用できる回転数が限られているため実用的な運転速度範囲を得るためには何らかの変速機構が必要となる。
世界各国で各種交通機関のエネルギー効率上昇に向けた取り組みが行われているが、現時点で内燃機関の熱効率の改善は限界に近付きつつあり、大幅な向上は見込めなくなってきている。一方、駆動系の伝達効率にはまだ向上の余地があり、伝達効率の向上への取り組みが図られている。
鉄道車両用の動力伝達方式としては、一般に以下の3方式が存在する。
アメリカ合衆国では電気式が主流であったが、1960年代に西ドイツのクラウス=マッファイ社から導入した流体式変速機を搭載した機関車、ML-4000形がサザン・パシフィック鉄道 (SP) とリオグランデ・ウェスタン鉄道 (RGW) に存在した。
SPは1950年代からより強力な機関車を欲していた。SPとRGWは当初3両ずつ発注した。初期の成績が良かったのでSPは15両追加発注した。山岳地帯の運用には適していなかったので平坦地で運用された。最初の3両はキャブ・ユニットで2次車はフード・ユニットの形態であった。より強力なEMDSD40形等の導入により1960年代末には使用が停止され、1970年代に解体された。その後、1両はカメラカーとして乗員の訓練に使用され、2010年時点では復元のうえで保存され、将来的には動態保存が予定されている。
「押し出し式」とも言われる液体式の一種。液体をある圧力で押し出すポンプとその先にこれを受ける水車を設け、押し出された液体が水車を回す事で動力を伝達するという機構で、液体の圧力と押し出し量を変えることで車両の速度や引っ張り力を変えられる。
鉄道では内燃機関車の最初期に用いられた事があるが、成績が良くないので広まらなかった。詳細は「油圧モーター」および「無段変速機」を参照
クラッチと機械式の変速機(ギアボックス)を組み合わせた方式で、自動車での「マニュアルトランスミッション」と同様である。1900-1920年代においては当時の自動車のパワートレインを流用した手動の選択摺動式変速機とクラッチによる方式が採用され、日本においてもこの方式が採用されていた。
その後1920-30年代頃には、大型自動車や建設機械、戦車等のパワートレインの発達に合わせて、選択摺動式変速機とクラッチ、または常時噛み合い( constant mesh/コンスタントメッシュ)式変速機を電磁油圧式もしくは電磁空気式で制御する方式が開発され、特に欧州およびその旧植民地の気動車においては当時この方式が一般化し、1両2機関搭載車や重連総括制御についても1930年代には実用化され、同年代のドイツにおいては自動変速式の気動車も実用化されている。車両によってはシンクロナイザーや流体継手を組み込んだものもある。
なお、元々は「物理的に動力を伝える方式」を電気に変換して伝える電気式に対し機械式と呼んでいたため、古い文献では歯車変速機を使う物(現在の機械式)を「歯車式」、歯車式と液体式・空気式(後述)を含めた物理伝達方式の総称を「機械式」と呼んでいるものもある。
機械式のうち、手動式のものの長所短所は、次のとおりである。
ドイツにおいては1920年代に台車上に機関と電磁制御式変速機を搭載するパワートラック方式の機械式気動車が実用化され、1937年製のNEB(Niederbarnimer Eisenbahn)のT4型などでは速度信号と電磁弁による全自動変速装置が実用化されている。第二次世界大戦後は液体式が主流となったが、国鉄レールバス キハ10000・10200(キハ01-03形)形の手本となった西ドイツのレールバスなどは総括制御機能のついた機械式となっており、その代表的な形式であるVT98型は定格出力110kWの機関を2基と遠隔制御式5段変速機2組を搭載しており、付随車・制御車の牽引も可能であった。
スイスでは、1937年製で、定格出力213kWのディーゼルエンジンに電磁空気式5段変速機、歯車式の2軸駆動台車を採用したRCm2/4形や、1927年製で、定格出力110kWのディーゼル機関と電磁空気式4段変速機を採用した全長11mの小型ラック式気動車であるフルカ・オーバーアルプ鉄道のBChm2/2形が製造されているが、電化の進展により本線用の気動車の製造例は少ない。
戦前の日本で製造された電気式気動車は鉄道省の2種類と満鉄・相模鉄道向けの1種類づつ、計4種類だけである。
第二次世界大戦後はキハ44000などが国鉄で限定して試作されるに留まり、それらも後に全て液体式に改造されている。
しかし2000年代に入り、機関車同様の交流電動機普及と省エネルギー化を背景に、蓄電池を併用するハイブリッド型として電気式の制御・駆動方式を備える気動車の研究が進められ、2007年には東日本旅客鉄道(JR東日本)によって営業運転用としてキハE200形 が導入されたのを皮切りに、その後も2010年に観光用のHB-E300系、2015年に一般用のHB-E210系が投入されている。また2016年に新製されたE001形「トランスイート四季島」は、基本は電車であるが、非電化区間では電気式気動車として機能するハイブリッド(EDC方式)車両である。
JR北海道のモータアシスト式ハイブリッド気動車キハ160形(2007年に試作車発表)は、電動機の出力とエンジンの出力を電子制御機械式変速機に入力するものである。発電電源でモーターを回す点は電気式気動車であり、同時にその出力配分装置も兼ねた機械式変速機を用いる機械式気動車である点で、従来と異なる特異な例といえる。この方式は、同社の次期特急形気動車キハ285系に採用される予定で試作車も落成したが、安全への傾注方針により、2014年に開発は中止され、試験を行わないまま2015年3月31日付で廃車、2017年3月に解体された。
JR東日本はのちにハイブリッド型ではないGV-E400系も導入している。JR北海道でもこれと基本的な仕様を共通とするH100形を導入している。