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国鉄キハ391系気動車

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国鉄キハ391系気動車
（キハ391-1）
キハ391-1（2000年 大宮工場）
基本情報
運用者 日本国有鉄道
製造所 日本国有鉄道大宮工場（T1車構体は富士重工業・T3車構体は新潟鉄工所が制作）
製造年 1972年
製造数 1両（3車体1ユニット）
廃車 1986年
主要諸元
軌間 1,067 mm
設計最高速度 130km/h
編成定員 112名
車両定員 T1車：60名
M2車：定員なし
T3車：52名
車両重量 69.0 t
積車重量 74.5 t
全長 41,100 mm
車体長 T1・T3車：15,950 mm
M2車：7,600 mm[注 1]
車体幅 2,900 mm（T1・T3車）
2,950 mm（M2車）
全高 3,400 mm（運転台屋根上面）
3,325 mm（M2車第2消音機上面）
3,000 mm（客室屋根上面）
床面高さ 920 mm（T1・T3車）
955 mm（M2車）
車体 アルミニウム合金（T1・T3車）
普通鋼（M2車）
台車 横圧軽減装置付き空気バネ台車
※付随台車には自然振子式車体傾斜装置を搭載。
車輪径 動台車：860 mm
付随台車：800 mm
固定軸距 1,800 mm
台車中心間距離 14,100 mm（先頭台車 - 中間台車）
6,000 mm（中間台車 - 中間台車）
軸重 動台車：10.5 t
付随台車：8.3 t
機関 IM100-2R解放2軸非再生方式ガスタービンエンジン
機関出力 1,050 PS / 21,110 rpm（標準出力）
変速機 機械式減速機
変速段 1段
発電機 4VKディーゼルエンジン（90Ps/3,000rpm）、70kVA
駆動方式 機械式ガスタービン駆動
歯車比 23.864
制動装置 油圧ディスクブレーキ（電磁自動ブレーキ (CLE)制御）
保安装置 非常時交互点滅灯、ATS
備考 参考文献：堀田 (1972)、IHI (1972)、『国鉄車両諸元一覧表』 (1977)
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国鉄キハ391系気動車は、日本国有鉄道（国鉄）が1972年（昭和47年）に試作したガスタービンエンジンを動力とする試験用の特急型気動車（ガスタービン気動車）である。1形式1両のみであったためキハ391形気動車（キハ391がたきどうしゃ）とも呼称された。

概要

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新幹線網のフィーダーとなる在来線特急列車の高速化、特に非電化区間の高速化を狙い、1972年（昭和47年）にその試作車として開発され国鉄大宮工場で制作された。

形式は国鉄新系列気動車の車両形式の付番に基づき、数字の百の位は「ガスタービン車」を表す「3」、十の位は「試作車・試験車」を表す「9」を用いているが、用途記号は事業用車にあたる「ヤ」ではなく営業用に準じ普通車を表す「ハ」を用いている。

特に本形式は片持ち式の連接構造やガスタービンエンジン駆動、車体傾斜（自然振子式）を採用したことが特徴であったが、連接構造に起因する種々の問題があった上、試験終了後の1973年（昭和48年）に勃発した第四次中東戦争、それ端を発した第1次オイルショックによってガスタービンエンジン駆動車両の開発自体が頓挫してしまい、量産車の登場に至ることはなかった。

製造の背景

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→ガスタービン動車そのものについては「ガスタービン動車」を、ガスタービン車実車試験については「国鉄キハ07形気動車#キハ07 901」を、列車速度調査委員会については「国鉄591系電車」を参照

非電化区間の高速化にあたっては、軽量車体や車体傾斜装置などに加えて、大出力機関の搭載が必要である。しかしディーゼルエンジンでは大出力化すると大型化し重量も増すため、軽量車体などの効果を相殺してしまう。このため、世界各国の鉄道では、1950年代から1960年代にかけ、非電化区間高速化の切り札として、比較的軽量で大出力が期待できるガスタービンエンジンを用いる車両の開発が進められていた[1]。

日本国内においても、第二次世界大戦後まもなくから開発が始まり、1955年（昭和30年）度にいったん打ち切られてしまったものの、1966年（昭和41年）に日本車両工業協会（現：日本鉄道車輌工業会）ディーゼル車技術委員会がガスタービン車両の検討をスタートさせ、翌1967年（昭和42年）には運輸省（現：国土交通省）のバックアップによりガスタービン車両委員会が発足して開発が進められていった[1]。

1968年（昭和43年）には、国鉄の旧型ディーゼル気動車であるキハ07形（キハ07204）にヘリコプター用ガスタービンエンジンを搭載した機械式ガスタービン車の試験車が登場し、翌1969年（昭和44年）には再改造の上、キハ07 901に改番、その後も幾度かの改造を受けながら定置試験や本線上での試験走行による基礎研究が行われた[2]。

一方、国鉄においても、1960年（昭和35年）に列車速度調査委員会（別名：速度向上委員会）が常設機関として立ち上がり[3]、1968年（昭和43年）の第6回列車速度調査委員会では今後在来線特急列車の表定速度を85 - 90 km/h から100 km/h 以上へ引き上げることが望ましいとされ[4]、当面の速度向上の目標は、最高速度130 km/h 、曲線通過速度+20 km/h以上、となった[5][4]。

このうち、電化幹線の超特急（その後電化亜幹線の曲線高速通過に目的を変更）としては1970年（昭和45年）に591系電車が開発されたが、日本には山岳区間の非電化路線も多く、これら路線の高速化を目的に、1970年（昭和45年）から本形式の開発がスタートし、1972年（昭和47年）に落成することとなった[4][5]。

仕様・構造

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動力を持たない16m級車体（T1・T3車）で 7 ｍ級車体の動力車（M2車）を挟み込んだ、3車体4台車の構造となっている[注 2]。

先に登場した591系電車では、車両間に連接台車を置く通常の連接構造を採用していたが、本系列では後述するように先頭のT1・T3車は車体傾斜を実施するものの、中間のM2車は後述の理由から車体傾斜を実施しないため、座屈を生じないよう連結部の変位量を大きくする必要があった[7]。このため、中間のM2車は通常のボギー車とし、一方で先頭のT1・T3車は先頭台車しかなく自立できない構造となっている[8]。T1・T3車は先頭台車の枕梁が車体中央部を貫通し中間連結部まで伸びる中梁とZリンクで結ばれており、この中梁とM2車を自在接手を用いた中間連結器で連結する形で前後荷重を伝え、加えてM2車からは連接部幌の上部に設置された連接部ころ装置（リンク）で吊るされるような形で支持されている[9][8]。

このため、見た目上は3両編成であるが、591系電車と同様、車籍の上では3車体（T1-M2-T3）で1両の扱いとなり、キハ391形（キハ391-1）と称された[5]。

車体

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低重心化と軽量化のため、車体外板には591系同様に耐食アルミニウム合金（国鉄気動車初[注 3]）を採用したが、M2車は普通鋼製である。先頭部はキハ181系に準じた屋根高さ（3,400mm）の貫通構造であるが、客室部分は低重心化のため、床面高さは920mm（M2車は床面高さ 955 mm[10]）、客室部の全高は3,000 mmと非常に低くなっている[11][12][8]。ただし、先頭台車直上の座席部分は台車と干渉するため通路部分を除き若干嵩上げされている[11][12][8]。車体長はT1・T3車が15,950 mm、M2車が7,600 mm、連結面間距離含む全長は41,100 mmであった[13]。車体色は当時の特急形気動車と同様に、クリーム4号地に窓周りと前面窓下、車体裾と雨どいを赤色（赤2号）で塗装した[8][14]。

主要機器

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走行に必要な機器はほぼM2車に集中配置し、T1・T3車にサービス機器を分散配置している。

台車

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1軸駆動の動台車（DT97）・付随台車（TR98）ともキハ181系などの新系列気動車の構造に準じており、軸箱支持はゴム・コイルバネ併用のリンク式の空気ばね台車である[12]。何れも横圧軽減のため軸距は1,800 mm と非常に小さく[15][16][注 4]、車輪径も動力台車は従来の気動車に準じた 860 mm であるが、付随台車は低床化・低重心化のために 800 mm 径に縮小されている[12]。また、曲線高速通過のために591系電車と同様の心皿移動装置を設けているほか[12]、付随台車については自然振子式の車体傾斜を行う機構が装備されたが、動台車は動力伝達の関係上車体傾斜機構は持たない[10]。

車体傾斜関係

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→自然振子式車体傾斜そのものについては「車体傾斜式車両#自然振り子式」を参照

591系電車と同様に、曲線高速通過時の乗心地向上を狙って、自然振子式車体傾斜装置（コロ式）を搭載し、傾斜角度は591系と同様6°傾斜が可能である[15][14]。本系列の車体傾斜は、先頭のT1・T3車のみ実施し、中間のM2車は実施しない[14]。これは、推進軸による動力伝達を行うため、その振れ角度が大きくなることを防ぐためである。このため、M2車は客室は設けず、動力関係や出入台など[注 5]、車体傾斜をしないほうが都合が良い設備を集約させている。

前述したように、先頭台車の枕梁はそのまま中間連結部まで中梁という形で伸びているが、T1・T3車の車体はこの枕梁=中梁上に設けられたコロによって支持されており、この上で通常のコロ式車体傾斜と同様に車体を傾斜させている[8]。

駆動機関・変速機

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ガスタービンエンジンの鉄道車両での使用については、ガスタービンエンジンで発電した電気により駆動する電気式気動車の一種、電気式ガスタービン車（カナダ・アメリカで運行されたUACターボトレインなどが該当）と、ガスタービンエンジンからタービン羽と機械式変速機（あるいは液体変速機）を通じて直接駆動力を取り出す、機械式（液体式）ガスタービン車（フランスのターボトレイン〔チュルボトラン〕などが該当）があるが、本車は機械式ガスタービン駆動を採用した。

ガスタービン機関は石川島播磨重工業がゼネラル・エレクトリックとの技術提携によって国産化したIM100-2R型（1,050Ps）を搭載した[17][18][注 6]このガスタービンエンジンは、たった165 kgの重量しかなく[17]、従来のキハ181系のディーゼルエンジンと比べて2倍以上の出力で1/21程度の重量と大幅な軽量化を達成している[19][注 7]。

当初、ガスタービン機関は低重心化も兼ねて通常の気動車と同様、床下に搭載する計画であったが、低床化により床下にスペースがなく、M2車を機械室と通路のみの動力車として、床上に搭載した[10]。また、M2車には吸気室があり、慣性分離フィルターとビニロックフィルターを併用して、空気を浄化し、機関へ送り込んでいる[20]。

ガスタービンから取り出した動力は、ギヤカップリングによってはすば歯車（1段、アイドラ軸付き）に入力され、1方向クラッチを通じて逆転減速機に入力され、床下の推進軸によって動台車を駆動している[21][20]。推進軸は比較のため、1本は従来からの十字軸接手、もう1本は等速ポールジョイントを採用した[20]。

制動方式・装置

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ブレーキ装置はキハ181系気動車・591系電車と同じCLE系電磁自動空気ブレーキ（C16B）を採用しているが、応答性を高める改良が行われている[20]。

基礎ブレーキ装置はキハ181系で実績のある油圧ディスクブレーキであり、滑走検知装置を設けている[15]。

その他

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客室内は2人がけ回転クロスシートが予定されていたが、試験のため実際には一部が設置されるにとどまった[22]。

サービス用電源の供給はM2車機器室内に搭載された、キハ65形と同様の4VKディーゼル機関によって発電機（70kVA 50Hz）を駆動することによって行われ、空気圧縮機もこれによって駆動する[23]。

冷暖房装置（AU93形）はT1・T3車の床下搭載とされた[12]。この空調装置は国鉄車両として初めての予冷誘引式が採用されており、吸引された外気を床下設置の空調ユニット2基に内蔵された冷却器で予冷（冬季はヒーターによって予熱）し、車内のノズルから吐出、室内空気は再び取り込まれて別の冷却器によって冷やされ、再び車内のノズルから予冷された外気とともに吐出される仕組みとなっている[24]。

T3車の連結部には便所1器が設置されており、試作車であるため洗面所は省略されたが、便所向かいには男子用小便所と洗面台を設置できるスペースが設けられていた[25][22]。

また、本車の特徴として、極度の低床化がなされているために、連結器高さが通常の800 mm と異なり 600 mm と低い[26]。このため、試験・回送などで在来車と連結するために、先頭部には従来高さの自動連結器と併結可能なよう、先端がL字状に折れ、ナックルが固定式の偏心連結器を装備している[26][27]。なお、緩衝器も新開発のゴム緩衝器を採用した[26]。

ユニット構成

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前述したようにM2車は動力関係と出入り台のみを設けており、一方でT1・T3車は出入り台がなく、ほぼすべてが客室となっている[13]。

T1

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制御車（定員60名）。運転台の他はすべて普通客室である。床下には冷房装置のほかM2車に供給するメイン燃料タンク（700L×2, 計1,400L）を設ける[18][13]。構体自体の制作は富士重工業が担当した[28]。

M2

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3車体ユニットのボギー構造の中間車体（定員なし）。7 m 級の車体の両端にT1・T3車用の出入口を持ち、その間は片通路式の通路の他は前位側から吸気室、ガスタービンエンジン、発電用ディーゼルエンジンからなる機器室で占められている[15]。このため、片方の側面は通路用の窓が並ぶが、もう一方は空気取り入れ口があるのみで窓はない。このほか床上には空気圧縮機、補助燃料タンク（500.15L）を設ける[18]。なお、本車体は各種機器類の搬入出の為に、屋根と機器室側面は取り外し可能となっているほか、室内からも機器室にアクセスできるよう5つの扉を設けた[12]。また、機器室は防音の為、厚さ50 mm の防音壁で囲われている[12]。本車体のみ前述したように普通鋼製であり、構体も含めて大宮工場で製作した[28]。

T3

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制御車（定員52名）。運転台の他はほぼ普通客室で占められているが、T1車と異なり、M2車との連結部に便所を設け、その向かいには洗面所と男子小便所の準備工事も行われているため定員が少ない。床下には冷房装置の他、水タンク（700L）を設ける[13]。構体自体の制作は新潟鐵工所が担当した[28]。

試験

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車両は新造直後の1972年（昭和47年）3月24日に大宮工場にて公開され、同月30日に川越線で公式試運転を行った[29]。その後は大宮工場内での定置試験ののちに[30]、5月17日に大宮工場を出場した[31]。

翌5月18日付でキハ391系は米子機関区に配置となり[27]、6月6日から9日に山陰本線・伯備線（米子駅 - 上石見駅）で85 km/h までの一般走行試験[32][33]、6月20日から23日に山陽本線（岡山駅 - 吉永駅）にて120 km/h までの一般走行試験[32][33]、6月28日には山陰本線・伯備線（米子駅 - 新見駅）でトンネル内の上り25‰勾配上での停止・起動を伴う勾配起動試験を行った[32][33]。このうち、トンネル内勾配起動試験においては、100℃を超える高温の排気ガスを再び吸気してしまうことにより安全装置が作動し、エンジンが停止してしまう事態を再三生じた[34]。その後は同年8月2日に速度向上試験中にクラッチが破損する事故が発生し、クラッチの改良を行った。しかし、試験再開初日の10月15日、米子駅構内にて入換中に再びクラッチの破損事故が生じ自走不能となった[34]。

このためクラッチの再設計・改造を行うこととなったが、この改造期間は3か月に及んだため、併せてここまでの試験で問題となっていた点をいくつか改造によって改善を試みることとなった[30][35]。具体的には騒音低減のため排気消音機の改造、トンネル内で排気ガスを吸気してしまうこと及びT1車が先頭となった時に高温の排気ガスが屋根上の放熱器用冷却空気取入口に流入することを防止するための屋根上整風板新設、騒音低減のためにサイレンサー内部の空気の流れを均一にする排気風道内排気整流板設置の改造を行った[30][35]。改造は翌1973年（昭和48年）1月下旬に完了し、1月27・28日に後藤工場構内にて定置試験、同月29・30日に山陰本線・伯備線米子駅 - 上石見駅間にて改造点の機能確認を実施した[35][30]。

その後は盛岡地区にて耐寒耐雪試験を実施するため、2月13日から15日にかけ田沢湖線・奥羽本線（盛岡駅 - 秋田駅）で試験走行を行った[35]。しかし、同年は暖冬であり、外気取入口や振子装置への着雪などについて十分な試験はできなかった[36][30]。また、曲線通過速度も本則もしくは凍上のため-5 km/h、最高速度も田沢湖線内 85 km/h、奥羽本線内 95 km/h と抑えての走行であったが、より高速での走行も実施していた伯備線より乗心地は悪化した[37]。このほか、2月21・22日に空調システムについて盛岡工場内で定置試験を実施した[38][24]。

3月からは再び中国地方での試験に戻り、3月7日から9日に山陰本線・伯備線（米子駅 - 生山駅）、同月12日から14日に山陰本線（米子駅 - 鳥取駅）で曲線速度の向上試験[37]、同月22日から26日に山陽本線（岡山駅 - 吉永駅）で直線速度の向上試験及びブレーキ試験を行った[37]。特に山陽本線での試験では最高速度130km/hを記録し、同年度の試験を終了した[30][39]。

試験後

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当初の試験計画

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当初1973年（昭和48年）度は長期走行試験を実施して量産先行車制作へのデータを収集する計画であった[39][40]。

ボギー構造の第2次試験車構想

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しかし、同年7月に発表された堀田 (1973)によると量産車の構想は連接車から20 m 級ボギー車による1M1Tのユニット方式に変化した[41][注 8]。これはキハ391系で主に連接構造に起因する　次の諸問題が露呈していたことによる。

  1. 前述のキハ391系が採用していた特殊な連接構造では、中梁の存在によって空気ばねの支点を高くすることが出来ず[注 9]、車体がローリングを起こしやすい欠点があった。また構造も複雑であるため、20 m ボギー車とすることで構造の簡素化、部品の標準化を図れる[41][44]。
  2. 曲線出入時に中梁と先頭台車枕梁を結ぶZリンク部の応力が過大となり、軌道にかかる横圧軽減のために心皿移動を行うとZリンク部にかかる応力がさらに増大したため、現在の構造では長期間の使用に耐えないと考えられた。それに対して構造強化のため中梁の配置スペースを大きくとると、艤装面や重量、重心の面で不利となるため、通常構造のボギー車が望ましいと考えられた[41][44]。
  3. ガスタービン車の課題の一つである騒音の低減のため、吸気部・排気部の消音器の容量を大きくし、ガスタービンエンジンと消音器の距離をなるべく長くとる方が有利とされたため、ガスタービンエンジンは床下搭載のほうが有利となる。また、床下搭載とすることで、さらなる低重心化と定員増加の面でも有利と考えられた。しかし、キハ391系の構造では前述したように床下搭載は不可能であった[41][44]。
  4. キハ391系のM2車は軸重11 t 程度（10.5 t[5]）で2軸駆動としているが、この軸重での2軸駆動は1,000ps超の出力をもっても、レール・車輪踏面間が湿潤の場合、中速域で空転が発生する問題があり、4軸駆動が必要と考えられた。この艤装には通常のボギー車が適当と考えられた[41][44]。

しかし20 m 級ボギー車を4軸駆動とした場合、推進軸が非常に長くなり、その推進軸の反作用が自然振子を抑制するのではないか、という疑念があった[注 10]。このため、量産先行車の制作に先立ってボギー構造の第2次試験車を制作する計画となり、同年にすべての走行試験を終えていた591系電車を改造する計画まで立ち上がっていた[41][44][注 11]。

→591系を使用した第2次試験車計画の詳細については「国鉄591系電車」を参照

ガスタービン車計画の事実上の中止

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第2次試験車の改造計画が具体化した直後の1973年（昭和48年）10月、第四次中東戦争が勃発し、それ端を発した第1次オイルショックの発生により、燃料価格が高騰したことで、前述の諸課題に加えて燃費に難があるガスタービン車の開発は停止してしまった[45][注 12]。その後は投入候補であった田沢湖線・伯備線についても電化が決定し、新幹線のフィーダーとしてのガスタービン車は日の目を見ることはなかった[47]。

留置・除籍・解体

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大宮総合車両センター内で保存されているカットモデル（2019年5月）

こうして開発が中断したこともあり、試験運用終了後は米子機関区で留置された状態が続いていた。その後、鉄道技術研究所に移動したのち1986年（昭和61年）4月10日付で除籍となり[48]、製造元の大宮工場（現：大宮総合車両センター）に移動した。

2015年（平成27年）初頭には片側の前頭部をカットモデルとして保存し、その他は解体された。

脚注

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注釈

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  1. ^ 台車等を含むと長さ8,340 mm
  2. ^ キハ391系の制作に先立つ1970年（昭和45年）に発表されたガスタービン車の構想の時点ですでに連接車とする計画であり、この時点ではキハ391系と同様のT1-M-T2の3車体ユニットに続けて、M車を出入り台だけを持ったT’車と称する2軸付随車（全長2.4 m）に置き換えたT3-T'-T4のユニットを連結した、「T1-M-T2-T3-T'-T4」の6車体7台車からなるユニット（定員224名）として構想されていた[6]。
  3. ^ その後の日本国内の気動車において、アルミ合金製車体の採用は見られていない。
  4. ^ キハ181系は軸距2,100 mm。
  5. ^ 乗客の乗降などで重心が偏ることで車体が傾斜するのを嫌ったことによる[14]。
  6. ^ 当初はIM100-2R型の改良前の型にあたるIM100-1R型（1,050Ps）を搭載予定であった[12]。将来的にはほぼ同諸元の川崎重工製KTF14型（1,050Ps）の搭載も考慮されていた[12]。また、IM100系のガスタービンエンジンは宇高航路に1972年（昭和47年）に投入されたホバークラフト「かもめ」にも採用されている。
  7. ^ キハ181系が1両あたり1基搭載するDML30HSCは、500Psの主力に対し、乾燥重量は約3.5 t あった[19]『国鉄車両諸元一覧表』 (1977, p. 173)。
  8. ^ この時点で車種としては、動力を受け持つM車（中間動力車）のほか、それと組み合わせる付随車として、Tc車（制御付随車）・T車（付随車）・Ts車（グリーン付随車）、Tg車（サービス電源を受け持つ為発電用エンジンを格納する機械室が設けられている）が計画されていた[41][42]。
  9. ^ 591系電車や381系電車はじめ、一般的な自然振子式車両では、車体のすぐ下に枕ばね（空気ばね）があり、その下に振子梁、それを支えるころ装置が連なり、枕梁・台車枠と連なる（ボルスタレス台車の場合は台車枠が枕梁を兼ねる）。しかし、キハ391系では、構造上車体のすぐ下は振子梁ところ装置になり、その下に枕梁（中梁）、枕ばね、台車枠と続く構造とせざるを得ない[43]。
  10. ^ 後年登場するJR四国2000系気動車以降の振子気動車ではエンジンを2基搭載とすることでそれぞれの推進軸が逆回転することで反作用を打ち消す工夫がなされている。
  11. ^ 591系電車はもともと連接車であったが、連接車とした場合の効果は薄いと判断され、1972年（昭和47年）にボギー車に改造されている。
  12. ^ IM100-2Rガスタービンエンジン（1,050Ps）の連続定格燃料消費量は290kg/h≒276g/ps/h であり、キハ181系が用いるDML30系エンジン（500Ps）の連続定格燃料消費率、約185g/ps/h と比べて悪い [46]。

出典

[編集]
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  39. ^ a b 『鉄道工場』24(4) (1973), p. 51.
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  42. ^ 富田 (2021), p. 79.
  43. ^ 野元 (2023), pp. 22–24.
  44. ^ a b c d e 富田 (2021), p. 78-80.
  45. ^ 富田 (2021), p. 82.
  46. ^ 『国鉄車両諸元一覧表』 (1977), pp. 173–174.
  47. ^ 富田 (2021), pp. 85–86.
  48. ^ 『鉄道総合年表1972-93』 (1993), p. 117.

参考文献

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書籍

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  • 『国鉄車両諸元一覧表』日本国有鉄道工作局、1977年1月。doi:10.11501/2526745。https://dl.ndl.go.jp/pid/2526745。2023年5月26日閲覧。 
  • 池田, 光雅 編『鉄道総合年表 1972-93』（1版）中央書院、1993年8月30日。ISBN 4-924420-82-4。 
  • 富田, 松雄『先を見過ぎた鉄道車両たち』（1版）イカロス出版、2021年2月28日。 

雑誌

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鉄道工場

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鉄道技術研究資料

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車輛工学

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交通技術

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その他

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関連項目

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