自走式ポータブル蒸気機関 トラクションエンジン(Traction engine)

2022/06/02

機械 昔の技術 特許 発明

t f B! P L

トラクションエンジン Traction engine とは

蒸気で動くトラクターで、道路や地面を耕したり、指定された場所で動力を供給するために使われる。ラテン語で「引かれた」という意味のtractusが名前の由来であり、トラクションエンジンの主な機能は後ろに荷物を引くことであるため。また、レールの上を走る蒸気機関車である鉄道機関車と区別するために、道路機関車と呼ばれることもある。
牽引車は、大型で頑丈、強力な反面、重く、速度が遅く、操縦が難しいという欠点があった。しかし、当時はまだ馬に代わる原動機がなかったため、農業や道路運送に革命をもたらした。

最初の実験車両は 18 世紀と 19 世紀に製造された。リチャード・トレビシックが高圧蒸気の使用を開発した後、1800 年頃になってようやく移動式蒸気エンジンが実用的な提案になりました。19 世紀前半には蒸気車両の設計が大きく進歩し、 1850 年代には農業用の自走式ポータブル蒸気機関が商業ベースで製造することが可能になった。この進歩は、道路上での蒸気動力車の使用を制限または禁止する法律によって弱められたが、それにもかかわらず、1880年代から1920年代にかけて、車両技術と製造技術の継続的な改善が見られ、蒸気道路車両は多くの用途のために開発された。20世紀には、内燃機関技術の急速な発展により、内燃機関を動力源とするトラクターとの競争に敗れ商業ベースでの車両の推進源としての蒸気エンジンの終焉につながった。

トーマス・アヴェリング US228588A·1880-06-08
トーマス・アヴェリング
ボイラーと駆動輪の間に駆動ギア(またはその大きな部分)を配置することが慣行であり、大きな幅のゲージが必要でした。

ボイラーの寸法を変更せずにより狭いゲージを提供するために、私は2つの速度で動作するためのギアリングを再配置し、またギアリングをボイラーの幅内に配置し、すべてのギアホイールをシャフトにしっかりとキーイングし、それによってオイルフェザーをスライドさせるピニオンの使用から生じる不便を回避することを提案します。
US228588A·1880-06-08


トラクションエンジンは厄介で、軟弱地や重たい地面を渡るのに適していなかったため、農業用としては、フライホイールで駆動する連続した革ベルトで農業機械を動かす「オン・ザ・ベルト」、あるいは2台1組で畑の片側から別の場所にケーブルで道具を引っ張っていく「ペア・トラクション」が一般的であった。しかし、土壌の状態が許す限り、道具を直接運ぶ(「オフ・ザ・ドローバー」)ことが好まれ、アメリカではこれがスチームトラクターの発展へとつながった。

蒸気を動力とする実用的な道路用車両が登場したのは19世紀初頭のことであった。
1859年、トーマス・アベリングは、馬で運搬していたクレイトン&シャトルワースのポータブルエンジンを自走式に改造し、現在見られるようなトラクションエンジンを開発した。この改造は、クランクシャフトと後輪車軸の間に長い駆動用チェーンを取り付けることによって行われた。トーマス・アベリングは「トラクションエンジンの父」と呼ばれている。その他の影響としては、各社が製造したボイデルエンジンやブレイが道路運搬用に開発したエンジンなど、トラクションエンジンと呼ばれるようになった最初の既存の車両がある。1860年代前半は大きな実験の時期であったが、10年の終わりにはトラクションエンジンの標準的な形ができあがり、その後60年間はほとんど変わることはなかった。

道路の質が向上するまでは、より高速な車両の需要はほとんどなく、エンジンは悪路や農道での使用に対応できるよう、それに応じてギアリングされた。
20世紀初頭まで、メーカーは直立耕起の経済的メリットを実現するための解決策を模索し続け、特に北米ではスチームトラクターの開発につながった。マンズ社やギャレット社などの英国企業は、実現可能性のある直耕エンジンを開発したが、市場環境が不利であったため、普及には至らなかった。このような市場環境は、第一次世界大戦後、英国政府の政策により余剰機材が大量に発生したことに起因する。戦時中の耕作地拡大のためにファウラー社の耕うん機が大量に生産され、1917年からはフォードソンF社の軽トラが新車で大量に輸入された。
初期の蒸気動力車は、100年後の視点から見ると、かなりの欠点があった。蒸気を生成するために水を沸騰させなければならなかった為、始動が遅く、汚れた燃料(石炭)を使い、汚れた煙を出した。燃料はかさばり、シャベルを使って手で車両に乗せなければならなかった。エンジンは水を必要とし、最高速度で使用すると、より頻繁に水が必要になった。ほとんどの車両は金属製の車輪を持ち、牽引力に欠けていた。何より重量が重い欠点があった。速度は時速約20マイル (32 km) 遅く、加速は非常に遅かった。
道路用蒸気は、規制と料金の高騰によって姿を消した。1921年まで、蒸気トラクターは重量物運搬や短距離輸送において、馬力よりも明らかに経済的に有利であることを実証していた。しかし、ガソリンローリー(トラック)はより良い効率を示し始め、戦争余剰品として安く購入することができた。3トンのガソリンローリー(トラック)は、制限速度、比較的高い燃料価格とメンテナンスコストにもかかわらず、蒸気同等品と比較して、毎月約100ポンド節約することができた。
1920 年代と1930 年代を通じて、速度、煙、蒸気の制限、ボイラーの湿潤面積に比例して課税される「湿潤税」など、道路蒸気輸送に対する規制が強化され、蒸気機関は内燃機関ユニットに対する競争力を失った(輸入品には最大 33%の課税が行われた)。道路財源に関するソルター・レポートの結果、1933年に「車軸重量税」が導入された。これは、道路システムの維持費として商用車により多く課し、道路の自由利用が鉄道貨物の競争相手を助成しているという認識を払拭するためであった。この税金は、すべての道路運送事業者が車軸荷重に比例して支払うものであり、特にガソリン車よりも重い蒸気推進車には厳しいものであった。
当初は輸入石油が英国産石炭よりはるかに多く課税されていたが、1934年、運輸大臣オリバー・スタンレーは燃料油への課税を減らす一方で、道路機関車への道路基金負担を年間100ポンドに引き上げ、エンジンメーカー、運搬船、興行師、石炭業界の抗議を招いた。当時、鉱業界では失業者が多く、蒸気機関車による運搬事業は年間95万トンの石炭市場を代表していた。この税金は重量物運搬業者や興行師のビジネスに壊滅的な打撃を与え、多くのエンジンのスクラップを促した。

1930年代に最後の英国製トラクションエンジンが製造されたが、その多くは長年にわたって商業的に使用され続け、田舎では最も一般的な形態であった。運搬用として、また定置動力源として使用された。農家ではこのような機械を所有していない場合でも、時折これに頼ることがあった。多くの農家では一年中馬を使っていたが、収穫期には脱穀業者が畑に設置された脱穀機をエンジンから動かして畑から畑へと移動していた。

ドレッドノートホイール(Dreadnaught wheel)

トラクションエンジンの弱点である重量を軽減させるための様々な工夫がなされた。その一つがドレッドノートホイールである。無限軌道の原型ともされている。軟弱な土地の上を走行する際その重量のためにスリップやスタックを軽減させるために開発された。ドレッドノート車輪は、車輪が転がるための強固な足場を提供するために、縁に連結されたレールを取り付けた車輪で、道路用機関車に装着された「無限軌道車輪」とも呼ばれ、蒸気牽引機関車によく装着されていた。 車両に連続した軌道が広く採用される以前の牽引車は、軟弱地盤や当時の悪路や農道の横断には不向きで、厄介なものであった。そこで、車輪の外周に平らな板や鉄板をゆるく取り付けた「エンドレスレール」を採用し、車両の重量をより大きく分散させ、軟弱地での沈み込みや滑りやすい路面での横滑りによる泥沼化防止に役立てた。

初期のバージョンは1846年8月と1854年2月にジェームズ・ボイデル(James Boydell)によって特許が取得された。ボイデルはイギリスの蒸気牽引エンジン製造者チャールズ・バレル・アンド・サンズと協力して、1856年から彼の連続軌道設計を使用した道路牽引エンジンを製造した。バレルは後にボイデルのデザインの改良の特許を取得した。

ジェームズ・ボイデルの特許 GB191208844A
ジェームズ・ボイデルの特許
GB191208844A 

スチームローラー(Steamroller)とは

蒸気機関を動力源とするロードローラー(道路ローラーではない)(道路や飛行場などの路面をならすための重機)の一種である。蒸気機関を動力源とし、車体の大きさと重量、平滑な車輪と車輪の代わりに装着された大きな円筒やドラムの組み合わせにより、路面を平らにならす働きをする。

トラクションエンジンの欠点である重量が重いことを逆に利用する形で、スチームローラー(Steamroller)が登場し発展していった。

アベリング&ポーター社(Aveling and Porter)は、初めて商業的な販売に成功し、その後世界最大のメーカーとなった。1866年、彼らは公称12馬力の標準的な牽引エンジンの後部に3フィート幅のローラーを取り付けた試作ローラーを製造した。この実験機は、地元紙で「世界初のスチームローラー」と評され、世間を騒がせた。1867年、蒸気ロードローラーの特許を取得し、同社は最初の実用的な蒸気ローラーの生産を開始した。この新しい機械のローラーは、後部ではなく前部に取り付けられており、重量は30トンを超えていた。この機械は、チャタムのミリタリーロード、ロチェスターのスターヒル、ロンドンのハイドパークでテストされ、大成功を収めた。1年も経たないうちに、フランス、インド、アメリカなど世界中に輸出されるようになった。ニューヨーク市のある主任技師は、この機械について「10ドルの費用で1日圧延するだけで、1日20ドルの費用で8頭の馬が引く7トンのローラーで2日間圧延したのと同じだけの仕事ができた」と述べている。

スチームローラーの多くは、外見上トラクションエンジンに似ているが、これは多くのトラクションエンジンメーカーが既存の設計に基づいてスチームローラーを製造したためで、アベリング&ポーター社が所有する特許が、他のメーカーの一般的な設計に影響を与える傾向があったためである。(特許をかわす為)両者の大きな違いは、ローラーがトラクションエンジンの前輪と車軸の代わりになることと、駆動輪が平滑タイヤであることである。
アベリング&ポーター社は、その後数十年にわたり製品を改良し続け、1881年の王立農業博覧会では、完全に操縦可能なフロントローラーと複合蒸気機関を導入した。

THOMAS AVELING スチームローラーの改良とそれに関連するもの。 GB190306308A Improvements in and relating to Steam Rollers.
THOMAS AVELING スチームローラーの改良とそれに関連するもの。


米国製(農業用)トラクションエンジン
アメリカのトラクションエンジンは、土壌条件が良いため、通常、鋤を後ろに引いていた。そのため、ケーブルドラムや余分な歯車を設ける複雑さがなく、メンテナンスが簡素化された。アメリカのトラクションエンジンは、様々な大きさのものが製造され、6馬力のラッセルが商業的に最も小さく、ラッセル、ケース、リーブスの大型エンジンが最大であった。

参考:

Traction engine - Wikipedia
Portable engine - Wikipedia
Aveling and Porter - Wikipedia
Dreadnaught wheel - Wikipedia

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