電車にギヤはありますか？

質問

電車にギヤはありますか？

普段自転車を趣味としているのですが、自転車のギヤの必要性について調べていると
「クランク機構を使わないモーターは、ギヤを必要としない」
という記述にあたりました。
いわく、「電車にはギヤがない」というのです。

素人考えですが、電車に乗っていると、ギヤの切り替え時のような、
動力と動力の間の無音状態があるような気がするのですが、
電車にはギヤはないんですか？

モーターの出力曲線などがあると、理由が分かったりするのでしょうか？

また、なぜか機関車にはクランクがあるのにギヤがないともありました。
何か理由があるのでしょうか？

素人質問ですが、ご存知の方がいらっしゃいましたらよろしくお願いいたします。

回答No.5

J24A-NAVY · ベストアンサー

ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどといった「内燃機関」は回転数が０rpmの時はトルクも当然０kg/m（いわゆるエンジンストールの状態）です。だから停車中もアイドリングといって低速でエンジンを「遊ばせて」いる訳です。（アイドリング・ストップも車が動く直前にはエンジンは回転している）しかし電動機（モータ）は、通電直後の回転数０rpmから起動する時、とくに直流直巻モータなどは回転が立ち上がるその瞬間に強力なトルクを発生します。すなわち「エンスト」は無い訳ですから当然トルコンやミッションなどは不要です。勿論、列車の最高速度や加速度、運用区間の勾配などを考慮した減速比のギヤ（ママチャリと同じ１段）はありますが。なお、加速時の無音部分というのは、電気抵抗値（最近では交流電気の周波数や電圧）を切り替えるタイムラグでしょう。それから、機関車のクランクというのは、多分、蒸気機関車のことかと思いますが、強大な蒸気圧でピストンを押し出し、ロッドから大口径の動輪（クランク）に直接力を伝え回転します。自転車にお乗りであればお解りでしょうが、減速ギヤなしで、重い列車を起動するそのトルクは、内燃式エンジンとは比較にならないほど巨大なものと云えるでしょう。これこそ低速高トルク機関の典型です。ちなみにEF級電気機関車のトルクはさらにこれを上回るのです。

お礼

回答ありがとうございます。
だいぶ理解できてきたように思います。

もともと、質問するきっかけになったものが、
「ロードバイクに変速機がたくさんついているのは、クランク機構があり、
その弱点（初動で大きな力が必要？）の為、多段変速なのだ」と。
ゆえに「クランク機構の無い、モーター動力の電車には変速機が無い」と。

回答してくださった方々の意見をまとめると、
原動機の特性によって、変速機の必要不必要があり、
クランクの有無は、原動機のトルクの大小と、
円運動か往復運動かの違いに関係するだけかもしれませんね。

回答No.11

azukaiji

蒸気機関車にギアに相当するものがあるかと言われれば、有ります。
「逆転機」と呼ばれる機構がそれです。一種の無段階変速機のようなものです。

逆転機とは、ピストンを往復運動させるためにシリンダー内に蒸気を送り込むタイミングや量を調整する機構で、運転席からの操作で（ネジ式のハンドルを回すものやレバーで操作するタイプがあります）低速側にすると発進加速を容易にし、速度が上がると高速運転に適したモードに切り替えていきます。この機構の操作が蒸気機関車運転の要でもあります。もちろん、蒸気の送り方を変える事で後退（バック）運転も可能になります。ですので逆転機と言う名称で呼ばれています。

人間の脚力や内燃機関などは美味しい回転数（一番出力が安定する回転数）の幅が狭く、変速機を使ってギヤ比を変えてなるべく最適の回転数を維持できるようにします。一方電機モータはモータに供給する電力を調整するだけで低回転から高速回転まで負荷がそれほど変わることなく回すことが可能ですので変速ギアのような機械的な機構は必要ないのです。とはいえ一時代前の直流モータによる抵抗制御では電力をコントロールするために何段もの接点が並んだ抵抗器というのがありカムをドラムで回してコントロールしていました。ある意味ギヤボックスよりも複雑でメカニカルな変速装置です。

回答No.10

J24A-NAVY

ディーゼル機関車に変速機があり、蒸気機関車には無い理由は、さきほどの説明をいま一度熟読いただけば、お分かりいただけると思います。それから、さきほどモータのギヤは１段のみと書き、「ママチャリ」のようなものと表現しましたが、どちらかといえば「ピスト」というべきでした。つまり、それだけ電気モーターや蒸気機関はトルク（脚力）が強大ということです。

お礼

＞つまり、それだけ電気モーターや蒸気機関はトルク（脚力）が強大ということです。
個人的には、モーターというとマブチモーターの記憶が濃いもので、
「トルクが強大」というのにちょっと勘違いがありましたが、
皆さんの回答でだんだんと分かってきました。

トルク曲線も見つけましたので、ちょっと勉強してみようと思います。
http://www.picfun.com/motor01.html

ありがとうございました。

回答No.9

mukaiyama

＞蒸気の量をコントロールするという点では、ガソリンエンジンで言う「アクセル」と同じような機関だと思いますが…

それは違います。
内燃機関は、静止している状態で燃料をシリンダに入れて点火しても、静止した物体を動かすだけの力 (トルク) は生じません。
外燃機関は、十分な温度と圧力を持った気体 (蒸気) をシリンダに送り込むことで、静止した物体を動かすだけの力を生むことができます。

お礼

たびたび回答感謝いたします。

エンジンは、燃焼させるにはある程度回して「圧縮」させてから
爆発させないと動かないんでしたね。
外燃機関(この単語も不勉強ながら知りませんでした)は
シリンダ自体が熱されている上に圧縮された蒸気を送り込むようですね。
(ちょっと調べました。)
それで、巨大なトルクが発生できるのはすごいことですね。

クランクと変速機の関係性からの質問でしたが、
電車や蒸気機関車に興味が出てきてしまいました。

回答No.8

windwald

釈迦に説法であれば申し訳ありません。

take6さんの言う「電車」と、正確な意味の「電車」が違っている可能性があります。
take6さんは「電車」という言葉を、線路の上を走る"鉄道車両"という意味で使用されていませんか？
鉄道車両は電車だけではなく、気動車(ディーゼルカー・例は現存しないがガソリンカーも含む)、客車、貨車、ディーゼル機関車、電気機関車、蒸気機関車があります。
機関車は動力と操縦席のみを持つ車両で、客車や貨車などの無動力の車両を牽引する車両です。
電車・気動車・客車はそれぞれ客室を持つことが共通し、それぞれ動力が異なります。
電車は電気モーターを、気動車は内燃機関を、客車は機関車の動力を動力源とします。
電気モーターを使用するため電車は変速ギヤを必要としませんが、
内燃機関(ディーゼルエンジン)を使用する気動車は変速ギヤをもちますし、
変速切り替えをする車両もあります。

お礼

おお、普段まったく意識しない言葉が、
こうやってしっかり定義していただくと、明るくなりますね。

機関車＝汽車だと思っていました。
なるほど、客室の無い、引っ張る専門の車両という意味なのですね。

色々、知らないことを知れて嬉しいです。
どうもありがとうございました。

回答No.7

Kon1701

電車、モータから車輪の間に歯車はありますが、自動車のような変速機はありません。

まず、自動車になぜ変速機が必要か、です。自動車は、車輪が地面に接し、空転しない状態で動きます。もしエンジンと車輪が単純に減速するのみで直結であれば、速度によってエンジンの回転数が決まってしまいます。そして、エンジンは低回転時に出力が低いため、強い力が必要とする発進/加速時に力が足りません。このため、変速機を入れ、低速時に回転数を上げ、力を増す必要があります。
モーターの場合、低回転時でも電気的制御によって出力を上げられますから、変速機は必要ないわけです。
飛行機の、ジェットエンジンも低回転時には出力は低いのですが、こちらは静止時でもエンジンを全開にできますから、変速機は不要ですね。

”電車に乗っていると、ギヤの切り替え時のような、動力と動力の間の無音状態があるような・・・”
これですが、最近の電車VVVFで制御するものが多いです。速度に応じてモーターへの電圧と周波数を変えてゆくのですが、加速時には周波数が徐々に上がって(音が高くなって）から一気に下がり、また徐々に上がってゆきます。これを数回繰り返すのですが、言われてみれば自動車の変速の音と似ていますね。

お礼

回答ありがとうございます。

＞まず、自動車になぜ変速機が必要か・・・
とても分かりやすかったです。
そういえばプリウスは、低速発進時はモーターを使い、
高速走行時にエンジンに切り替えていたような・・・。

＞速度に応じてモーターへの電圧と周波数を変えてゆく
あ、これかもしれません。
最近の電車はすごい技術で走っているんですね～。
奥が深いですね。

回答No.6

hoiho1010

変速を目的とするギアはありません
モーターはフラットトルクです
エンジンのように回転数によって発生する力が変わるわけではないといえば
いいでしょうか　なので不要なのです

電気自動車もに変速ギアはありません

お礼

なるほど、回転数に影響されず、トルクは一定なんですね。
もしかしたら、電圧などによっても変化するんですかね？

回答ありがとうございました。

回答No.4

kuma-gorou

＞また、なぜか機関車にはクランクがあるのにギヤがないともありました。
何か理由があるのでしょうか？

これは、多分、ディーゼル機関車に関する記述でしょう。
車と同じく、エンジンにはクランクシャフトは存在しますし、油圧式のトルクコンバータも存在しますよ。

お礼

回答ありがとうございます。

＞機関車
そうか！機関車というとディーゼル機関車も入るのですね。
イメージの中では蒸気機関車だったのですが、
内燃機関があるものならば、どちらもクランクは存在しそうですね。

回答No.3

mukaiyama

＞いわく、「電車にはギヤがない」というのです…

通常の電車にはギヤがありますよ。
といっても、自動車のように歯車比を何段階かに切り替えるものではありません。
ギヤ比は固定です。

唯一の例外として、京葉線に 1編成だけある E331系は、モーター軸の両端に車輪が付いていてギヤがありません。

＞電車に乗っていると、ギヤの切り替え時のような…

それは違います。
電車は自動車と違って、走っているときは必ずモーターが働いているわけではないのです。
最初何キロかまで加速したらモーターへの電気を切り、惰性で走るのです。
停まるときにはまたモーターをつないで、モーターを発電機としてブレーキ力とします。
モーターに電気を流して加速することを「力行」、惰性で走ることを「惰行」と言います。
力行から惰行、惰行からブレーキへの切り替えの際に、敏感な人なら多少のショックを感じることがあります。

また、1世代前の抵抗制御という電車なら、力行の際に加速力が階段状に変化しますので、よほど鈍感な人でない限り、マニュアル自動車のような変速ショックがあります。
これは自動車のようなギヤ切り替えによるものではなく、電気的な切り替えによるものです。

＞モーターの出力曲線などがあると、理由が分かったりするのでしょうか…

モーターとエンジンの「速度-出力特性」を比較すれば容易に分かることです。

＞なぜか機関車にはクランクがあるのにギヤがないともありました…

機関車でもクランクなんかないですけど。
ひょっとしてあなたの言う機関車は「蒸気機関車」のこと？
これも蒸気機関と内燃機関 (自動車エンジン) の特性を考えれば分かることです。
外燃機関 (蒸気機関) は、シリンダへ供給する蒸汽の量と圧力などをコントロールすることにより、出力を 0から最大まで制御することができます。

お礼

ふむふむ、自分の知らない専門的な情報を教えていただき
すごく興味深いです。どうもありがとうございます。

＞ギヤ
そうですね、うっかり「変速ギヤ」のことを「ギヤ」と書いていました。
それにしても、車軸に直接モーターがついているものが有るのですね。
すごいな～。

＞「力行」と「惰行」
あ～、きっとそれです。自分が勘違いしていたのは。
てっきり変速時のショックだと思っていました。

＞機関車
そうです、蒸気機関をイメージしていました。

＞外燃機関 (蒸気機関) は、シリンダへ供給する蒸汽の量と圧力などを
＞コントロールすることにより、出力を 0から最大まで制御することができます。
？？ひとつ疑問が出来てしまいました。
蒸気の量をコントロールするという点では、
ガソリンエンジンで言う「アクセル」と同じような機関だと思いますが、
なぜ、ガソリンエンジンで走る車には変速ギヤがあり、
蒸気機関の汽車には変速ギヤがないんでしょう？

回答No.2

kuma-gorou

次に、ギヤですが、これも、トルクコンバータのような変速ギヤと言う意味ならギヤは有りません。
ただし、吊り掛け式にしろカルダン式にしろ変速ギアは存在します。
変速ギアがないので、電気的に電圧や電流を制御することで、モーターに掛かるトルクや回転数を制御します。

この部分、紛らわしいので、次のとおり修正します。

次に、ギヤですが、これも、トルクコンバータのような多段式の変速ギヤと言う意味ならギヤは有りません。
ただし、吊り掛け式にしろカルダン式にしろ減速の為のギアは存在します。
多段式の変速ギアがないので、電気的に電圧や電流を制御することで、モーターに掛かるトルクや回転数を制御します。

お礼

あ、NO,1の方ですね。たびたびありがとうございます。
回答順に返事を書かせていただいているので、気が付きませんでした。

「減速のため」のギヤが存在するんですね。
ちなみにこれって、減速時にも発電して再利用しているって事でしょうか？
（回生回路ってやつですか？）

回答No.1

kuma-gorou

どう言う意味で、クランクと言う言葉を使っているのか存知ませんが、モーターは円運動ですから、往復運動を円運動に変換する必要が無いので、クランクシャフトのような機構は必要としません。

次に、ギヤですが、これも、トルクコンバータのような変速ギヤと言う意味ならギヤは有りません。
ただし、吊り掛け式にしろカルダン式にしろ変速ギアは存在します。
変速ギアがないので、電気的に電圧や電流を制御することで、モーターに掛かるトルクや回転数を制御します。
最新式では、VVVF制御と言って、直流区間でも、メンテと制御し易くパワーの得易い交流モーターを用います。

お礼

早速の回答ありがとうございます。

「さすが鉄道カテ！」という感じの専門的な回答感謝いたします。
なるほど、電気的な制御でトルクや回転数を操作できているのですね。
だからギヤが必要ないということでしょうか？

＞ただし、吊り掛け式にしろカルダン式にしろ変速ギアは存在します。
まったくの鉄道素人のため、用語がさっぱり分かりませんが、
変速ギアつきタイプもあるということですね。

これを機に、「吊り掛け式・カルダン式」を検索して
勉強してみようと思います。