ラック式鉄道

左からリッゲンバッハ式、シュトループ式、アプト式、ロヒャー式の歯軌条

ラックレールとピニオンギアの作動（フォン・ロール式）

ラック式鉄道（ラックしきてつどう、Rack Railway）（歯軌条鉄道）とは2本のレールの中央に歯型のレール（歯軌条、ラックレール）を敷設し、車両の床下に設置された歯車（ピニオン）とかみ合わせることで急勾配を登り下りするための推進力と制動力の補助とする鉄道のことである。特殊な分岐器が必要とされる場合もある。

ラック式鉄道に対して車輪とレールの間の摩擦力（粘着力）によってのみ駆動と支持を行う通常の鉄道を粘着式鉄道と呼ぶが、この方式では80から90‰（パーミル）の勾配が限界とされる。

解説

ラック式鉄道は、1812年にイギリスのマシュー・マレーによって製作されたミドルトン鉄道の機関車で初めて採用された。当時は急勾配を登るためではなく、機関車の空転防止が目的だった。この問題は、機関車の重量を増やすことで解決された。ラック&ピニオン式はジョン・ブレンキンソップが1811年に特許 (No 3431) を取得した。

世界初の登山用ラック式鉄道は、1868年開通したアメリカ合衆国のワシントン山歯軌条鉄道である。19世紀末から20世紀初頭にかけて世界各地で多数のラック式鉄道が相次いで建設されたが、ケーブルカー（鋼索鉄道）やさらにはロープウェイ（索道）の発達により新規路線の開設はほとんど行われなくなった。しかし20世紀末には山岳観光地における環境負荷の少ない交通機関として見直す動きが起こった。オーストラリアでは新しいラック式鉄道が開業しており、日本でも菅平高原に本格的なラック式登山鉄道が計画されたことがある。

歯軌条と歯車の形状により、後述するさまざまな種類がある。ただし日本の営業用鉄道路線ではアプト式以外の採用例がない（足尾銅山観光のトロッコ列車や、能勢電鉄が運行する観光鉄道シグナス森林鉄道でリッゲンバッハ式を採用している例もあり、正式な鉄道以外では他の形式も存在する）ため、日本では「アプト式」があたかもラック式鉄道全般を指す言葉であるかのような誤解がしばしば見られる。

また、推進力をもっぱらピニオンのみにより車輪には動力がないタイプと通常は車輪に動力を伝え急勾配区間のみラックレールを使用するタイプがある。前者のタイプでは平坦な駅構内や分岐器部分にもラックレールが必要となる。

上に述べたすべての方式の採用例があり、ラック式鉄道が世界で最も普及している国はスイスである。山に登るのを目的とした観光鉄道のほか、峠を越える部分のみラックレールを使用している亜幹線鉄道もある。かつて信越本線（碓氷峠）に存在したラック式区間は最大勾配こそ66.7‰に過ぎなかったが、これほど輸送量の多い幹線に用いられた例は、ブラジルのサントス＝ジュンジアイ鉄道の104‰のラック式鉄道区間で日本製の電気機関車が重連で500t、スイス製の電気機関車が同じく850tを牽引した列車が運行されている^[1]ものに次ぐものであり、世界にも他にあまり例はない。

ラックの諸方式

はしご型ラックレール

マーシュ式 (Marsh): アメリカ合衆国の技師シルベスター・マーシュ（Silvester Marsh 1803年 9月30日 - 1884年 12月30日）によって考案された。ラック式として最初の方式。L字型をした2本の鋼材（アングル材）の間に丸型断面のピンを渡した、はしご状のラックレールを使う。
リッゲンバッハ式 (Riggenbach): スイスの技師ニクラウス・リッゲンバッハ（Niklaus Riggenbach 1817年 5月21日 - 1899年 7月25日）によって考案された。マーシュ式と類似した構造だが浅いコの字の形をした鋼材（チャンネル材）と台形断面のピンを使用し、機関車のピニオンとの噛みあわせをより完全にした。

複合型ラックレール

アプト式 (Abt): 位相をずらした通常2枚または3枚の板状のラックレールを使う。常に複数枚の歯車と歯軌条が噛み合っているため重量のある車両にも適しており、3列式は幹線鉄道にも使用されている。スイスの技師カール・ローマン・アプト（Carl Roman Abt 1850年 7月16日 - 1933年 5月1日）によって考案された。

挟み込み式ラックレール

ロヒャー式 (Locher): ラックの歯が上部ではなく側面にあり、2枚の歯車がそれをはさむ形になる。車体側のピニオンがラックに乗り上げるおそれがなく、諸方式の中で最も急勾配に対応できるとされている。トングレールを用いる分岐器が使えず、ロータリースイッチという特殊な分岐器またはトラバーサーを用いて進路を切り替える。これを採用したスイスのピラトゥス鉄道は、ケーブルカーをのぞいた鉄道最急勾配の480‰（パーミル）を誇る。スイスの技師エデュアルト・ロヒャー（Eduard Locher 1840年 1月15日 - 1910年 6月2日）によって考案された。

単純型ラックレール

元々マーシュ、リッゲンバッハ、アプトの各方式は、動力車が蒸気機関車・蒸気動車だった時代に開発されたが、蒸気動力車は動輪そのものがピストンの往復運動を回転運動に変えるクランクの役を果たしている関係から、動軸の衝動が大きく、このためピニオンがラックレールから外れることのないよう対策する必要があった。しかし、近年に入って動力車が電気機関車・電車になり、またベアリングのコロ軸受け（ローラーベアリング、ボールベアリング）化とその改良もあって、動軸の衝動は特に対策しなくてもよい範囲に収まるようになったため、シンプルで低コストのこれらの形式がうみだされた。

シュトループ式 (Strub): スイスのエミール・シュトループ (Emil Strub) によって考案された。頭の大きなレールの形をした鋼材に歯をつけてラックにする。
フォン・ロール (Von Roll): スイスのフォン・ロール社 (Von Roll) によって開発された。幅の広い単一のラックを使う。分岐器も含め構造が簡単なのでリッゲンバッハ式・シュトループ式ラックレールの置換用として、または比較的新しい路線でよく使用される。

ラック式ではない類似方式

フェル式 (Fell): 厳密にはラック式ではないが、中央に設置された通常のレールを水平の2枚の車輪がはさみこむ。スウェーデンの技師ウィドマーク (Widmark) が最初に考案し、イギリスの技師ジョン・フェル (John Fell) によって完成された。

Zahnradbahn riggenbach.jpg

リッゲンバッハ式のラックとピニオン
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シュトループ式のラックとピニオン
SMR Axle on display at Llanberis 05-07-24 20.jpeg

アプト式のラックとピニオン
Pilatus Rack.jpg

ロヒャー式のラックとピニオン
Lausanne Metro Track Closeup.jpg

1枚ラックのフォン・ロール式
Abt rack rail 02.jpg

大井川鐵道井川線のアプト式3枚ラックレール
Pilatus2.jpg

ピラトゥス鉄道山頂駅付近のロータリースイッチ。一枚の鋼板の両面にレールとラックを装備し、全体を回転させることで切り替える。
Snaefell Mountain Railway car no 4 on mountain.jpg

スネーフェル登山鉄道のフェル式レール
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リッゲンバッハ式とフォンロール式の接合部