簡易牽引力測定装置

先月のKKC総会でHさんに、ニュートンメーターという電子はかりが動力車の牽引力測定に使えることを教えていただきました。これは学校の理科実験用教材の電子はかりで、軽いもの(2Kg未満)が測定できます。値段も￥3,900(税別）とお手頃です。「計量法の検定を受けている秤」ではありませんが、そういう秤とは一桁価格も違います。ノギスでいうとミツトヨのデジタルノギスに対して、ホームセンターで売っている廉価なデジタルノギスのような位置づけの製品かと思っています。

製品にはフックがついていますが、そのフックの根元には3mmネジが切ってあるので、ケーディーカプラー取り付け用アダプターを作りました。3mmネジの頭の部分を半分に削ってそこに、カプラー取付用ネジを切った真鍮板をはんだ付けしています。

本来なら、スロットルを上げていって空転し始める直前のタイミングで牽引力測定すべきなのでしょうが、液晶モニターを目視確認するためか　値がばらつくので、Sashiさんがされたように機関車を空転させた状態での牽引力を測定してみました。

とりあえず下記の6両の空転時牽引力を測定しました。

最後の欄が森井さんのアドバイスで算出した牽引力と車重の比率です。ｇはNに換算して単位を揃えています。

	軸配置		測定値(N)	重量(g)	備考
自由形モーガル	2-6-0	DCC	0.26	196		0.13
6200	4-4-0	DC	0.26	196	高効率ギア	0.13
6500	2-6-0	DCC	0.57	259*	ゴムタイヤ	0.22
7750	2-6-0	DC	0.48	265*		0.18
7850	2-6-0	DC	0.47	267*		0.18
9200	2-8-0	DCC	0.51	342		0.15

*自重はテンダーを含まない機関車本体の重さですが、6500,7750,7850はテンダーの荷重を機関車本体にかけているので、実際の動輪上の軸重合計は大きくなると思います。したがって牽引力と車重の比率はもう少し小さくなるはずです。また今回は先輪の軸重は考慮していないので、自重と動輪上重量は異なります。

第二動輪の両側にゴムタイヤをつけた6500は、牽引力と車重の比率が突出していますが、それ以外は、0.13〜0.15あたりになるのだと思います。

なおDCCデコーダーはすべてBEMFによるPI制御をオンにしてあります。

今後また測定を続けて、報告していきたいと思います。

※追加

ニュートンメーター裏蓋開けてみました。自己責任です。

フォースゲージは、しっかりした金具で本体に固定されています。

高効率ギアボックス(7) 犬に馬車を牽かせる

dda40x さんが開発された高効率ギアシステムですが、今回の私の6200への搭載例＝HO/16番の小型車両への小型モーターを使った搭載は、開発者が意図された使用法では全くの適応外「犬に馬車を牽かせるようなもの」で全くモーターの特性（無負荷回転数が高く最大トルクが弱い）がこのシステムには不適応であるという結論になります。

開発者が「こういう使い方は、そろそろ止めていただきたい」といわれるのももっともなことだと思います。最低でもＳＨ15ぐらいのモーターが搭載できる蒸機でないとあの高効率ギアシステムの真価は発揮できないと思います。この高効率ギアシステムを小型モーターを使って、小型機関車に搭載しようと計画しておられる方がおられるなら、考え直された方がよいと私も思います。

とはいっても最近ブログに発表されたＫＭ氏の同じトビーの6200形改造作例では、IMONミニモーターを使って、ペーパー客車を4，5両牽いて快走するという成果が得られており、このギアシステムの伝動効率が高効率であるなら、同じように小型モーターを使っても「走行抵抗の変化に対する速度応答」を改善すれば、同等の走行性が得られるのではないかと考えました。

モーターの特性についてもう少し考えてみたいと思います。

モーターにかかる電圧が一定であれば、その特性はその電圧での無負荷最大回転数と停止するときの最大トルクを結ぶ直線であらわせる。車両が曲線や勾配に入って走行抵抗が大きくなったときは、その回転数は低下する。上の模式図で、赤い矢印の分だけ負荷が増加すると、最大回転数が高く、最大トルクの小さいモーター(緑色の特性曲線）は大きく（緑色の両矢印）回転数が低下するが、最大回転数が低く、最大トルクの大きいモーター(青色の特性曲線）では（青色の両矢印）あまり回転数は低下しません。

これがまさに、小型モーターを搭載した私の作例と米国型などの大型機に適性のあった大きなコアレスモーターを搭載した場合との違いになります。後者は走行抵抗が変化しても速度はあまり変化しないが、前者は大きく変化することになります。

走行抵抗が増加しても、速度をそのままに保つためには電圧をあげれば、最大回転数と最大トルクを結んだ直線（黒点線）は、最大定格電圧の最大回転数と最大トルクを結んだ直線（オレンジ実線）までは平行に移動増加していくので対応できます。
回転数-トルク直線の電圧による変化についてはI田氏のブログのグラフがわかりやすいので参照してください。
それを手動で操作しようとすると、「スロットルを握ったまま列車から目を離せない」状態となってしまいます。

その電圧調整操作が自動でできないかというと、モーター回転数を検知して、自動的に電圧を変化させて速度制御するようにすれば可能です。そういう仕組みで一番導入が簡単なのは、DCCデコーダーに搭載されているBEMF（モーター逆起電圧）を使ってモーター回転数を検知して回転数を制御するシステムです。

本来の物理現象を電子的に補償して動作特性を変化させるのは、この高効率ギアシステムの開発者の意図とは異なっているようです。しかし前述のように同等のモーターで従来のギアシステムを使って走らすことのできる列車なら、「走行抵抗の変化への速度応答」の問題を解決すれば、むしろ良好な走行性が得られるのではないかと考えて、回転数制御機能のついたDCCデコーダーを使って、もう少し実験してみようと思います。

手綱さばきが巧妙で一任できる「回転数制御機能のついたDCCデコーダー」という御者を馬車に乗せて、小馬でもそれなりの馬車が牽けるかどうか試してみたいと思います。

高効率ギアボックス(6) モーター特性を考える

I田さんのブログで、モーターの特性についてわかりやすく解説されていますが、もう少し単純化して自分の理解のために書いてみたいと思います。

 モーターにかかる電圧が一定（定電圧制御）であれば、負荷（トルク）と回転数の関係は、無負荷回転速度Kmaxと停止時最大トルクTmaxを結んだ赤色の直線となります。というわけで黄色矢印の分だけ負荷が増えると回転数が緑矢印の分だけ下がって速度が落ちます

 ところが無負荷回転数が高く、最大トルクの小さなモーターでは赤色の傾きが急になるので、上の図と同じだけ負荷が増えても回転数の低下が大きくなります。
 というわけで私が6200につかったコアレスモーターは　無負荷回転数が高く　最大トルクが小さいので同じだけ負荷が増えても、回転数の低下が大きいということになります。
 この高効率ギアはギア比が小さいので、それが顕在化することになります。
 この理屈でおかしな点があればご指摘お願いします。
 もちろんI田さんご指摘のように、慣性が大きくて走行抵抗の少ないトレーラーを牽かせれば、曲線や勾配といった負荷がかかっても速度変化は小さくなることが期待できます。実際に走行抵抗の少ない速度測定車のみ牽かせると速度変化は小さくなりますが、電車のように固定編成でなければすべての車両に走行低減化加工おこなうのは現実的には難しいと思います。やはり私の作例のように無負荷回転数が高く、最大トルクが小さいモーターでは電子回路で回転数制御するしかないと思います。DCCデコーダーを搭載してCV値を変化させて、加減速度の調整とPID制御のパラメーターをいじることで、線路負荷による速度変化の少ない走行ができるようにやってみたいと思います。

それでうまくいかなければ、機関車に小型モーター積むのは諦めて、テンダーモーターに戻してSE15搭載を考えます。 

高効率ギアボックス(5) 6200をレイアウトで走らせる

本日Ｈ御大のお宅におじゃまさせていただいたので、高効率ギアボックスを組み込んだ6200を千曲鉄道走らせていただきました。

これまでは自宅の直線やユニトラックの平坦エンドレスでしか走らせていなかったので、本格的レイアウトでの走行は初めてです。

千曲鉄道の平坦線を、ムサシノモデルのナハ22000系客車2両（重い！）と速度計測車を牽いて走らせました。さすがに客車3両では空転して牽けませんでした。なお電源はＳＬ1の平滑直流で走らせました。

結果は、カーブや勾配（1％程度）でもスピードが変化します。電圧が同じでもカーブに入ったり上り勾配があると減速し、下り勾配では増速します。線路状態に応じて速度がしばしば変化します。実物的といえばそうなんでしょうが、スロットルを常時握っていないと速度変化が非常に激しく、こまめに速度調整が必要です。走りでいうといさみやなどから発売されている平ギア減速の釣り掛けギアを運転したときと似たような感覚でした。やはりこれはギア比が小さく、車両の慣性が実物に比べると格段にすくないことからおきている現象だと思います。国鉄の制式機など大きな重量のある機関車でSE15などのトルクの強いモーターを使ったときはあまり速度変化はないのかもしてません。

なおφ8mm16mm長小型のコアレスモーターを使っていますが、ギア効率がよいためかモーターのパワー不足は感じませんでした。もう少しボイラー内に余裕があるので補重して、テンダーのウェィトをロコ本体にもかけてみようと思います。重い真鍮製の客車を2両なんとか牽いたので、現状でもペーパー製客車なら4両は可能かと楽観視しています。

このギアシステムは運転してみると操作性が従来のギアを使った機関車とはちょっと違う印象を受けました。

このままＤＣで使うか、ＤＣＣデコーダーを搭載してフィードバック回転数制御をおこなうべきか今後検討していこうと思います。

なお平均すると実物換算速度60km/hぐらいで　走行電圧は5-6Ｖ　電流は0.3-0.4Aといったところですが、変動が大きいです。

※6/20追記

スピードが変化するのが困るのは、固定レイアウトでは列車がトンネルに入って、列車の走行状態が見えないときです。列車の状態が運転席から目視で確認できれば、スロットルで制御できますが、見えないとどういう状態で走っているのかよくわかりません。千曲鉄道はトンネル内に曲線と勾配があるので、余計にその印象が強かったのかもしれません。今回は手もとのスマホでスピードが確認できる速度計測車を連結して、そのスピードを見ながらスロットル操作しました。

※さらに訂正追記

この客車は室内灯がついていたので、その分差し引くと　電流は0.2A前後と推測されます。速度計測車は乾電池電源でレールからは給電していませんので消費電力は関係なしです。

高効率ギアボックス(4) 6200に組み込む

組み上がったギアボックスをトビーの6200に仮組み込みしました。今回は吊り掛け式にします。
まだモーターアームのギア取付は仮付けで両面テープで貼っていますが、調子よく回ります。

キャブ内のモーターのはみ出しもこのくらいなら許容範囲内でしょうか？
バックプレートのディテールも焚口戸は支障しますがそれ以外は大丈夫なようです。

高効率ギアボックス(3) 動輪を組み立てる

ギアの位置出し治具を使ってギアの位置をだしてロックタイトで固定します。dda40xさんのご指定のロックタイトは200番台ですが、今回は嵌め合い用の601を使って固定しました。

ギアボックスは幅が9mmありそのままでは入らないので、両側面を0.4mmずつ削って幅を狭くしました。この加工で一悶着ありました。

ウォームシャフトの端には、1.4mmナットから加工した六角ジョイントの受け手をロックタイト601で固定しました。

動輪はコンさんが頒布された位相合わせ治具を使って組み立てました。

高効率ギアボックス(2) ギア位置出し治具をつくる

高効率ギアボックスですが、パイプで軸を延長したのでは、いろいろ工夫しても芯ぶれがとれず振動が出てしまうので、この高効率ギアボックスを生かし切れないようです。パイプでウォーム軸を延長というのは旧来からおこなわれてきた手法ですが、今回は精度がヒトケタ違うようなので考え直した方が良いようです。

というわけで6200への搭載はもう少し考えることにして、dda40xさんのブログにある治具を作ってみることにしました。私は万力でコンさんの治具を使うか、旋盤に自家製ジグを装着して芯押し台で圧入して組み立てるので、ギア位置を出す治具のみを作ることにしました。これまでギアの位置出しは、車軸にローレットを切っていましたので挿入後ノギスで計りながら圧入微調整していました。しかしこのギアはローレットを切って挿入するのは禁忌のようで、ロックタイトでの固定が指定のようですのでこの手は使えません。ちょうど適当な径の真鍮丸棒を切らしていたので、何か適当な材料はないかみていると　モノタロウで売っているＭ10の真鍮ナットが目に止まりました。

位置出しジグの厚みは、(バックゲージ14.5ーギア厚3.0)/2=5.75mmとなります。

またブログでは治具中央にφ6.0のベアリングを逃げる孔が必要とありますが、軸箱可動式の蒸機の場合は軸箱を逃げるもう少し大きな孔が必要です。HO/16番で一般的なφ3.0車軸用の5mm角つば付きオイルレスメタル軸箱では、長径が約8.5mmあります。このナットでは中心のネジ部分の内径が8.5mm前後なのも好都合でした。

なおこのナット　厚みは公称6.0 ですが実際入手してみると5.83mmでした。最初は旋盤で厚みを削ろうとおもっていたのですが、削りシロが0.08mmぐらいでしたので、大きな平ヤスリの上にのせてざっと削って、仕上げは定盤の上にサンドペーパーを敷いて、厚さが5.75で公差がマイナス0.02以内に収まるように研磨しました。もちろんギア嵌めた軸が抜けるように、U字形に切り込みをいれました。これなら旋盤を持っていない方でもこの治具が製作可能だと思います。

高効率ギアボックス(1) 6200への搭載検討中

dda40xさんから、動輪からの逆回転も可能な、HO用高効率ギアボックスを頒けていただけました。

ただそのサイズからみて、動輪径はφ17.5 以上ないとギアカバーが収まらないようです。というわけで、当鉄道の古典蒸機では搭載可能な車両は限られますが、以前から動力改修を考えていたトビーの6200に白羽の矢を立てました。この製品の寸法は、ほぼTMSスタイルブックどおりなので、その上にギアボックスとモーターをのせて検討してみました。

 

モーターはトーマモデルワークスのφ8 16mm長コアレスモーターを使用してみようと思います。かなり小型のモーターですが低速からトルクがあり、前作の西大寺コッペルでも好結果を得たモーターです。無負荷回転数も12,000rpmと低めです。ただしギア比が、3/23なので少し高速になりそうですが、 DCCデコーダーを搭載してBEMFフィードバックをかけたＰＷＭ速度制御で使えばあまり問題ないと考えています。

KMさんが先日同じ製品を改造されていたのをツィッターなどで拝見しましたが、IMONミニモーターを搭載されていて、ペーパー客車5，6両を楽々牽いていたようなので、モーターのパワーは大丈夫かなと思っています。今回は動輪のゴムタイヤ化はおこなわない予定です。

本来なら、六角ジョイントを入れてモーターと連結すべきですが、そうするとスペースが厳しく、横からみると何とかキャブの幕板には隠れてみえませんが、オープンなキャブ内にモーターが露出してしまいます。またトビーの製品の構造上の問題で、後端梁付近を大改造する必要があるようです。今回は写真のように直結モードで使わざるを得ないかと思っていますが、これはもう少し検討してみます。ただし直結で使うと本来のdda40xさんの設計思想からは少し外れるので効率化が少し低下してしまうかもしれません。トルクアームは設けず、釣り掛け式でモーターとギアボックスを接続し、モーター後端を主台枠から弾性体を介して支持する予定です。

とりあえず、搭載機を検討中と報告しておきます。

☆画像追加

製品オリジナルのの軸受取付板でモーターの尻が上がっていますが、これは撤去するので、モータ−は水平になります。

イコライザーが当たるので、ギアボックスは幅を削る必要がありそうです。

ギアボックスとモーターの上部にスペースできるのでウェイト積めそうです。

水煙式発煙装置の試み(1) ペットボトル用超音波加湿器を分解する

最近ちょっと話題になっている水煙式発煙装置を作ってみたくなり、ペットボトル型超音波加湿器を購入して分解してみました。
購入したのは、ペットボトルの先につける水煙=ミスト発生部と超音波振動子のドライブ回路が分離しているタイプです。もちろん中国製でネット通販で送料込みで￥1500でした。

キャップ部分についている超音波振動子はシリコンカバーを入れると20mm直径があります。シリコンカバー外すと16mm径でした。その下がUSBメモリ状のパーツ内部の超音波振動子のドライブ基板です。まだ特性は測定していませんが、ネットで検索してみると40V　100-150kHz程度の交流発生回路のようです。この基板でも8ピンのIＣで発振して右横の小トランスで昇圧してるのではないかと推測します。タクトスイッチは押す度にオンオフが切り替わるので、このスイッチ回路をうまく制御すると水煙の断続ができそうです。

とは言っても超音波振動子の直径が20mmあり、ネット上の情報では細い煙突では内部で結露して煙がでなくなるので、ボイラーが細くて煙突の長い中小型機に組込は無理のようです。当社工場資材庫のストック車両では、9600がボイラー内径が20mmあり煙突も短くて太いのでなんとか組み込めるかな？と思って検討中です。

8450をつくる（28）モーター釣り掛けユニット

dda40xさんのブログで、ギアボックスの支持のことが話題になっています。

Ｏゲージの大型機だとモーター重量が重い、提示された蒸機では350gもあるそうなので、モーターとギアボックス一体型の釣り掛け方式にすると軸重不均等になると書かれています。

ちなみにこの8450の釣り掛け動力ユニットの重量を量ってみると18ｇです。モーターは主台枠に取り付けた支持金具でモーターの真下で支持しています。後方の取り付け孔はネジでフレームに固定しますので、スイングの中心点ではありません。モーターは支持金具にスポンジ緩衝材つきの厚手両面テープでの小片で貼っていますので、モーターの中心部を中心にスイングします。というわけで釣り掛けユニット自体の重さは数gしか主動輪にかかっておらず軸重不均衡もおこしていないと思います。

HO/16番程度の大きさの模型では、釣り掛け式ユニットにして厚手両面テープで固定する方法でも十分と考えます。トルクアームやトルクチューブといった仕掛けまで考えなくてもよさそうです。

なおモーターを両面テープで主台枠に固定するというのは、松本謙一さんが以前とれいん誌に書かれていたのを読んで私もはじめました。松本さんは動力を釣り掛けに改造されてはいないようなので、モーターの下面一杯の大きさに両面テープを貼ってしっかりモーターを固定されているようです（昨年のＪＡＭのクリニックでもそう実演されていました）

釣り掛け式の場合は、広い面積のテープで固定してしまうと、釣り掛けユニットが上下に首を振らなくなるので、強度が確保できるできるだけ小面積のテープで固定するのがミソです。今回のユニットでもテープの面積は、取付板の半分以下です。テープの大きさは実際ためしてみるしかないので、取付板は大きめに作っています。
また釣り掛けユニットと主台枠をテープで固定すると分解調整するときが面倒なので、釣り掛けユニットを取付板にテープで貼って、取付板を主台枠にネジ止めしています。

ギアボックスは珊瑚のA8用です。下面にギアカバーを接着しています。