月刊ポピュラーサイエンス/第57巻/1900年9月/電気自動車

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電気が他のすべての動力源に取って代わり、路面電車でこれほど成功したのだから、自動車でも同じように成功すると考えるのが自然であろう。路面電車では、車両は同じ路線を連続的に走るので、電動機を動かすのに必要な電流は、中央の発電所から電線によって車両に送ることができる。自動車は、決まったコースがなく、どこにでも行くことが要求されるので、電流は自動車が持っている電源から供給されなければならない。もし、安価に電流を供給できるような一次電池ができれば、電気自動車は蒸気やガソリンで走るものと同じ立場になり、電池を新しくするのに適した化学物質が手に入れば、どこへでも行くことができる。しかし、そのような一次電池がないので、電流を供給する唯一の方法は蓄電池を使用することであり、蓄電池は投入された以上のエネルギーを出すことはできず、実際には全く同じだけのエネルギーを出すことはできない。したがって、もし電池の容量が自動車を40マイル走らせるのに十分であったとしても、この距離を走破した時点で推進力は尽きてしまい、それ以上進むには電池を再充電しなければならないのである。充電が数分で済むなら、蓄電池は経済的に発電できる一次電池と同じであるが、3時間以上かかるので、ユーザーが充電のたびに長時間停車しない限り、電気自動車は長距離走行に使用できない。それでも、電気自動車はどこにでも行けるわけではなく、充電設備があるルートを通らざるを得ない。この事実から、電気自動車は、蒸気やガソリンと同じ分野をカバーすることはできないことがわかる(電気開発の現状において)。しかし、適用される範囲内では、最も満足のいく方法で仕事をすることができ、実際、これに対していかなる反対意見も提起することができないのである。運転は無騒音で、車の振動はありえない。乗客に迷惑をかけるような熱さもなく、不快な臭いもなく、蒸気が漏れることもない。どんな速度でも出せる。もちろん、重い配達用馬車ではそのような速度は出せないが。

電気自動車が他のものと比べて唯一不利な点は、重さである。蓄電池の容量はその重量に比例し、軽くすると得られる電力が小さくなったり、供給される時間が短くなったりする。1馬力を1時間供給するには約100ポンドの電池が必要であり、平均的なエネルギー消費を2馬力とすると、1000ポンドの電池で5時間自動車を動かし続けることができるのである。自動車に使用される電池の重量は4、5百から約2千ポンドで、充電せずに走行する距離は25マイルから90マイルの間で変化するので、電気自動車の行動半径は充電ステーションから約12マイルから45マイルの間で変化すると言える。

図1. 電気自動車の一般的な配置

電気自動車の一般的な配置は、図1から理解することができる。Aで破線表示されている長方形は蓄電池を表している。座席の下にある丸いBは、制御スイッチを表している。モータはCにあり、ケーシングDに収納された歯車を介して車軸または車輪に運動を与えている。太い破線は電流の通り道を示し、矢印は方向を示している。このスイッチの動きによって電流の強さを変えることができる方法はたくさんあるが、その一つを説明すると、乾燥した、かなり専門的なものになってしまう。したがって、コントローラとシステムの他の部分との接続の配置がどうであれ、それらの関係は、スイッチハンドルの動きによって、電動機の速度をゼロから最大速度まで変えることができるということだけで、十分であろう。

図2. 二段減速 図3. 単段減速

アメリカの自動車の大部分は、電動機の動きを平歯車で車輪に伝えている。モータは1個の場合もあれば、2個の場合もあり、また、世間で注目されている設計では、馬車の各車輪に1個ずつ、計4個のモータが採用されているものもある。図2は、一般に単モータ用二段減速機と呼ばれるものを示したものである。外形Aはモータ、Bはシャフトである。この軸には小さなピニオンが取り付けられており、このピニオンは中間軸C上の大きな車輪に噛み合っている。この軸は、車両の車軸に取り付けられた車輪Dに噛み合うピニオンを運んでいる。

図4. 補整歯車 図5. 単一電動機

図3は単段減速2重モータ装置であり、モータはAAに配置されている。この装置では、モータ軸の端にあるピニオンが、車軸に固定された大きな歯車に直接噛み合うので、前図の中間軸Cは不要である。減速機は1個の方が構造が簡単であるが、モータの回転速度が低いので、同じ容量であれば、より大きなものを使用しなければならない。図3のダブル・モータでは、通常の車両と同様に静止しているが、図2のように配置されたシングル・モータ装置では、車輪が車軸に固定され、後者は回転する。馬車は短いカーブを曲がるとき、図3のように外側の車輪が独立して自由に動けば、内側の車輪より速く回転する。図2のように車軸に固定されていると、どちらか一方が地面を滑ることになり、ゴムタイヤでは非常に不都合である。カーブを曲がるとき、この滑りを防ぐために、図2のような構造では、車軸を二分割し、歯車Dを配置して、二分割を駆動し、それぞれに適切な速度を与えるようにする。この種の歯車はコンペンセイティング・ギアと呼ばれ、多くのデザインがあるが、最も一般的なのは、図1のような形である。この図において、Aは図2の歯車Dであり、BBはスタッドCに取り付けられたかさ歯車で、事実上、車輪AAの輻に相当するものである。大きなかさ歯車EとFはA Eの両側に置かれ、車軸の半分であるGと、残りの半分であるFとHに固定されている。しかし、カーブを曲がるときには、車軸の半分の一方が他方より速く回転して、歯車BがスタッドCを回転することになる。

もし、コンペンセイティング・ギアを車軸に配置すると、ラターは車両の端を支えるのではなく、それ自体を支えなければならなくなる。この問題は、補機(コンペンセイティング・ギア)を別の軸に配置することによって克服することができる。図5は、コロンビア社のシングル電動機装置で使用されている構造である。この場合、モータケーシングは車両の片側から反対側まで届く十分な長さに作られています。動力を発生する部分であるモータの電機子と界磁はAにあり、ピニオンEとFが取り付けられたコンペンセイティングDとCは、コンペンセイティングギアの側輪によって回転するので、馬車輪の運動が必要とする速度で走行することになる。

図6. コロンビアのビクトリア

図6は、図5の図に従って配置された単一モータ装置を備えたコロンビアのビクトリアである。図7は、コロンビアの別の車両で、ダブル・電動機装置を備えている。この車両が自動車用として見事に適合しているのは、短時間に通常の能力をはるかに超える力を発揮することができ、特別な準備なしにいつでもこれを行うことができるからである。このため、自動車をエンストさせることは事実上不可能である。車輪が轍(わだち)に落ちたり、泥穴に沈んだりしても、電動機がそれを回転させることができ、滑らなければ馬車は前に進むことができる。

図7. ダブル電動機装備のコロンビア車

運転手は、ステアリング・レバーとコントロール・スイッチのハンドル以外に気を使うことはない。可動部分はすべて回転運動をし、完全にバランスが取れているので、振動の心配はなく、熱や不快な臭いは全くない。

二頭立ての馬の動きを観察したことがある人なら誰でも、舗装が非常に滑らかでない限り、舌が絶えず左右に揺れ、時にはかなりの激しさを伴うことに気がついただろう。この事実から明らかなように、もし自動車の前車軸が馬車のそれと同じであれば、運転手はステアリング・レバーを所定の位置に保持するために、少なくとも不愉快な仕事をしなければならないだろうし、もし片方の車輪が轍に落ちれば、ハンドルは激しく手から離れ、自動車は片側にずれ、おそらく深刻な結果をもたらすだろう。この問題を避けるために、馬車の前輪は、ハブの中とは言わないまでも、ハブの近くにある中心で回転するように配置されている。図10は、最も一般的な構造を示しており、1枚目は車軸と車輪を正面から見た図、2枚目は上方から見た図である。図10の左側で、Aは車軸、BBは車輪を乗せる部分である。中央部Aは車体またはそれを運ぶトラックに固定され、端部BBは右側でより明確に示される方法でスタッドPPの周りを旋回する。ここにはレバーCCが示されており、これらはBBの側面から伸びています。直角レバーEはロッドFによってステアリング・レバーGと連結されているので、Gを動かすとロッドDが動き、レバーCCはスタッドPPを中心に回転し、そうして支持スタッドBBは車輪を舗装の穴に落とすが、Bのテコが非常に短いのでこの傾向はほとんど目立たないほどである。

図8. シングルモータ設計におけるモータの位置

図10は、フロント・アクスルが設計された一般的な原理を示したものですが、旋回ジョイントPの構造は、先に述べた車両に採用された実際の設計を示した図11からわかるように、はるかに精巧なものとなっています。図9を見ると、前車軸は2本の棒からなり、一方は左右に直線的に走り、他方は凸面が上になるように湾曲していることがわかる。図11のBは上側の曲がった棒の先端、Cは下側のまっすぐな棒の先端である。この2本の棒は、車輪を乗せる部分Dを保持する鋳物Aに固定されており、Dは図10の左側の部分Bである。図面で折れている端Eは車輪のハブを貫通しており、摩擦なく動くようにボールベアリングが備え付けられている。Dの上端Fは、図示のようにボールベアリングによってJの端に保持されるように配置され、下部の調整ねじIによって、Jの端に保持される。

図9 コロンビア製オムニバス

図12の左端は、前車軸の車輪の設計を示したもので、先に述べた一般的な配置の多くの変更の一つである。この構造では，車輪はハフ内に置かれたスタッドCのまわりを旋回し，リムの中心とほぼ一直線上にある。ロッドAは車軸であり、Fは車輪のハブの内側から伸びる恋人であり、これによって操舵が行われる。図12の左側は正面から見た図であり、右側は上方から見た装置を示している。この最後の図では、レバーFが車輪ハブの内側に取り付けられているので、ロッドGを引いたり押したりして、レバーFを車軸Aの一方側または他方側に動かせば、車輪が旋回することが観察される。この種の設計の利点は、操舵ハンドルに負担がかからないことであり、欠点は、車輪のハブがかなり大きくなり、全体の構造がやや複雑になることである。

前項で述べたように、車輪をハブの近くまたはその中の中心に旋回させる前車軸の配置は、あらゆる種類の自動車に用いられており、電気自動車の際立った特徴とはいえない。軽車両の中には、前輪を通常の自転車の前輪と実質的に同じデザインのフォークに保持し、フォークの上部を図10の下部のようにロッドで互いに連結し、1つの操縦ハンドルの動きで2輪を同時に動かせるようにしたものがある。

電気自動車の大部分は後輪に動力を供給しているが、中には前輪に電動機をギヤード接続しているものもある。また、車輪と車軸を通常の馬車と同じにし、車軸の中心にある枢軸(キングボルト)を中心に旋回し、5輪で補強しているものもある。この構造の場合、ステアリング・ギアは他の設計よりも車軸をしっかりと固定するように作られているが、この補助があっても、運転手は独立したスイングの車輪の場合よりも大変な仕事をしなければならない。全体をスイングさせることで得られる利点

前輪に動力を与えながら、同時に独立した中心を回転させることができるよう、いくつかの工夫がなされている。これらの構造のひとつを図13に示す。最初の図は上から見た外観で、2番目の図は前面から見たものである。最初の図では、電動機がAに示されており、ピニオンBと歯車Cによって、運動が車軸に伝達される。車軸の両端にはかさ歯車FFがあり、これらは垂直スタッドDのまわりを回転する他のかさ歯車とかみ合います。この歯車列を通してかさ歯車Eが駆動され、これらは馬車車輪のハブに取り付けられています。図13の第1図から、歯車EEは歯車FFからの運動の伝達を何ら妨げることなく、Dの周りをいずれの方向にも旋回できることがすぐにわかる。レバーHHは、スタッドDDのまわりを旋回するスリーブGGに固定されているので、これらをロッドJに接続し、ステアリング・ハンドルによってロッドJを一方または他方に動かすことにより、車輪を任意の方向に回転させることができる。

図10.車軸と車輪の配置

この構造は、電動機が後車軸に接続されているものと同様に、馬車の操縦を容易にするものであるが、その反面、車輪の回転を犠牲にすることになる。

前輪を独立した支点に旋回させる別の駆動方式として、図14に示すフランスのクリーガー社製のクーペがある。動力は2つの電動機から供給され、1つは各旋回点に取り付けられている。この構造は、図13の下部において、電動機がフレームLの端にある適切な支持体に固定され、シャフトがピボットDを置き換え、そこに取り付けられたピニオンが車輪Eに歯合するような位置に保持されていると考えれば、理解できるだろう。

アメリカの電気自動車メーカー、少なくともその大部分は、電動機の動きを駆動輪に伝えるためにスパーギヤを使用しているが、フランスの設計者たちは、チェーンとスプロケットを好んで使用しているようである。図15は、ジェナジー社(フランス)の車両で、チェーンが使用されている。この構造は、アメリカ人には好まれないだろう。アメリカ人は、原則として、装置の機械的な部分をできるだけ見えないようにしたがるからだ。ジェナジー社の車では、車体の両側に1つずつ、2つのチェーン・ギアが使用されているが、工学的見地からはこれが最も望ましい配置であり、これによって駆動輪が独立して作動し、車軸に補償用のギアを置く必要がないのである。しかし、アメリカの設計者は、ほとんどの場合、より芸術的な外観に支配され、馬車の本体の下に置かれる一本の鎖を使用し、したがって、できるだけ見えないようにするのであろう。

図11. フロントアクスル 図11. フロントアクスルホイール。

図16は、英国で設計された電動犬車である。この機構は、単一の電動機と車軸とを平歯車で連結したもので、電動機の速度が同じであれば、車両にいくつかの異なる速度が得られるような配置になっている。歯車装置によって可変速を得るには、かなりの複雑さを導入する必要があり、この国では、それによって得られる利益は、増加した複雑さを補うには十分ではないというのが、ほとんどの設計者の意見であるようで、差動速度歯車装置はあまり使用されていないようです。

図14、16と図6、9を比較すれば、この国の産業は外国よりはるかに若いにもかかわらず、芸術的効果に関する限り、わが国の電気自動車メーカーはヨーロッパ人から学ぶべきことがほとんどないことが明らかであろう。運転上の利点については、アメリカの馬車は非常によく走り、耐久性があるので、これらの点では他の馬車に引けを取らないと思われる、ということだけである。