スティーブンソンバルブギア

スティーブンソン弁装置、スティーブンソンリンク、シフティングリンク^{[1]は、さまざまな種類の}蒸気機関で世界中で広く使用されていたシンプルな設計の弁装置です。ロバート・スティーブンソン^[2]にちなんで名付けられましたが、彼の従業員によって発明されました。

1830年代、蒸気機関車用バルブ駆動装置として最も普及していたのは、英国ではギャブモーション、米国ではVフックモーションと呼ばれていた。^[3]ギャブモーションは、各シリンダーに2組の偏心器とロッドを組み込んだもので、片方の偏心器はエンジンに前進運動を与え、もう片方は後進運動を与えるように設定されており、どちらか一方がギャブを介して分配バルブを駆動するピンとかみ合う。偏心ロッドのV字型の端部は、位置に関係なく、バルブロッドを駆動するロッカーをキャッチするはずだった。これは扱いにくい機構で、操作が難しく、一定のバルブ動作しか与えなかった。

1841 年、ロバート スティーブンソン アンド カンパニーの 2 人の従業員、製図工のウィリアム ハウとパターン メーカーのウィリアム ウィリアムズは、両端が偏心ロッドの先端に枢動する垂直のスロット リンクでギャブを置き換えるという簡単な方法を提案しました。方向を変えるには、リンクとロッドの端を、反転レバーに接続されたリーチ ロッドによって動作するカウンターバランス付きベル クランクによって全体的に上げ下げしました。これにより、反転が簡単になるだけでなく、ギアを少しずつ上げ下げできることが認識され、異なる割合の「前方」偏心と「後方」偏心の組み合わせた動きによってバルブの移動距離が短くなり、ストロークの早い段階で吸入蒸気を遮断して、ボイラーから引き続き蒸気を吸い込むのではなく、シリンダー自身のエネルギーを使用して少量の蒸気を膨張させることができます。エンジンを始動したり、勾配を登ったりするときは、通常はパワー ストロークの最大 70 ～ 80% 程度の長いカットオフで行い、勢いがつくにつれてカットオフを短くして、膨張作業の経済性と各ストロークの終わりにリードが増して圧縮率が高くなる効果を利用するのが慣例となった。このプロセスは一般に「リンク アップ」または「ノッチ アップ」と呼ばれていた。後者は、レバーのキャッチが象限のノッチと噛み合うことでリバーシング レバーを正確な位置に保持できるためである。この用語はスクリュー リバーサーの導入後も使われていた。スティーブンソン ギアには、他のほとんどのタイプにはない固有の利点がさらに 1 つある。ギアのレイアウト方法によっては、フル ギアで低速で作業しているときに、各ピストン ストロークの終わりに圧縮と背圧を大幅に減らすことができた。また、勢いがつきカットオフが短くなると、リードが自動的に進み、圧縮率が増加し、各ストロークの終わりにピストンをクッションし、残っている閉じ込められた蒸気を加熱して、流入する蒸気の新鮮なチャージの温度低下を防いだ。

アメリカの機関車は、1900 年頃までフレーム間に内部にスティーブンソン弁装置を配置するのが一般的でしたが、すぐに外側のワルシャート弁装置に取って代わられました。ヨーロッパでは、スティーブンソン弁装置は駆動輪の外側に配置して偏心器またはリターン クランクで駆動するか、またはフレーム間に配置し、偏心器を介して車軸から駆動します。これは主にイギリスで行われていました。

アブナー・ドーブル^[4]は、スティーブンソン弁装置について次のように述べている。「(...) 最も汎用的な弁装置であり、長いエンジン構造にも短いエンジン構造にも適用できる。非常に単純な弁装置でありながら非常に正確だが、その大きな利点は、精度が自己完結的であることだ。支持点間の正確な関係 (シャフト、弁クロスヘッド、リンク ハンガー アームの偏心) は弁の動きにほとんど影響しない。筆者の考えでは、すべてのシリンダーが 1 つの平面にあるエンジンで使用するのが最善の選択である。」スティーブンソン弁装置のもう 1 つの利点は、システムに固有の可変リードである。通常、フル ギアではゼロで、カットオフが短くなるにつれて増加する。スティーブンソン弁装置の 1 つの欠点は、非常に短いカットオフを使用するとストロークの終わりに過剰圧縮される傾向があるため、最小カットオフをワルシャート弁装置を備えた機関車ほど低くできないことである。偏心ロッドが長く、リンクが短いと、この効果は軽減されます。

スティーブンソン弁装置は、後進が必要なあらゆるエンジンに便利な配置で、鉄道機関車、牽引エンジン、蒸気自動車エンジン、および圧延機エンジンなどの後進が必要な固定エンジンに広く適用されました。この装置は、圧倒的多数の船舶エンジンに使用されました。グレート・ウェスタン鉄道は、ほとんどの機関車にスティーブンソン弁装置を使用しましたが、後の 4 気筒エンジンでは内部にヴァルシャーツ弁装置を使用しました。

ギアの詳細は、主に伸縮リンクの配置が異なります。初期の機関車では、偏心ロッドの端はリンクの端で回転していましたが、船舶用エンジンでは、偏心ロッドのピボットはリンク スロットの後ろ (垂直エンジンの場合は下) に設置されていました。これらはそれぞれ「機関車リンク」と「ローンチ リンク」と呼ばれるようになりました。ローンチ リンクは、フル ギアでピストン ロッドへのより直接的な直線駆動を可能にし、所定の移動に必要な偏心のサイズを小さくすることで、所定のスペース内でより長いバルブ移動を可能にするため、機関車タイプに取って代わりました。ローンチ タイプのリンクは、1850 年代からアメリカの機関車ではほぼ普遍的でしたが、ヨーロッパでは、1846 年にはすでに登場していたものの、1900 年頃まで普及しませんでした。大型の船舶用エンジンでは、一般的に、よりかさばって高価な船舶用ダブル バー リンクが使用されていました。このリンクは摩耗面が大きく、ローンチ リンクに固有の形状の妥協を最小限に抑えることでバルブ イベントを改善しました。

イギリスでは、スチーブンソン弁装置を持つ機関車は、通常、これを機関車のフレームの間に取り付けていた。1947年、ロンドン・ミッドランド・アンド・スコティッシュ鉄道は、スタンニアー・クラス5 4-6-0機関車をシリーズで製造した。そのほとんどは、このクラスでは標準であるワルシャート弁装置を備えていたが、そのうちの1台、4767号機は、スチーブンソン弁装置を車輪とフレームの外側に取り付けていた。偏心棒の代わりに、偏心ロッド駆動にダブルリターンクランクが使用され、ランチタイプの伸縮リンクが使用された。この装置の価格は13,278ポンドで、ワルシャート弁装置を使用して同時期に製造されたものよりも約600ポンド高かった。実験の目的は、可変リードを持つ弁装置（ワルシャート弁装置の一定リードとは対照的）が性能に影響するかどうかを調べることであった。試験的には何の利点もないことが判明したが、通常の運用では土手での優れた性能という評判を得た。^{[5] [6] [7] [8] [9]}

調和のとれたバルブ ギアとしては、スティーブンソン配置が最適であると考えられます。しかし、逆転するにはリンクを物理的にずらす必要があるため、かなりの垂直クリアランスが必要でした。導入当時、機関車の世界では、重心、つまりボイラーの中心線をできるだけ低く保つことが重要であると考えられていました。英国では、バルブ ギアは一般にボイラーの下のフレームの間に配置されていたため、非常に窮屈な状況でバルブ ギアにアクセスできず、メンテナンスが困難でした。また、逆転にはリンクと偏心ロッド エンドの重量を持ち上げる必要があるため、大変な作業になる可能性がありました。これらの問題に対処するために、2 つの主なバリエーションが開発されました。

グーチ バルブ ギア ( 1843 年にダニエル グーチが発明) では、逆回転とカットオフ機能は、固定点を中心に回転する「固定」リンクにバルブ ロッドを連結する半径ロッドを上下させることで実現しました。求められた利点は、ギアの高さを低くし、逆回転レバーは半径ロッドの重量を持ち上げるだけでよいため、動作が軽くなることにあります。これは、リンクが凹型ではなく凸型 (偏心器に対して) であることを意味します。グーチ バルブ ギアには、フル ギアのバルブ スピンドルと偏心器ロッドの間に角度があるという欠点がありましたが、スティーブンソン ギアの最良の形態では、推力は直線でした。グーチ ギアは、カットオフが何であっても一定のリードを与えました。これは、グーチ ギアまたはスティーブンソン ギアのいずれかを装備した同様の機関車を運用中に比較したときに、欠点であることが観察されました^[10]グーチ ギアは、1860 年代まで 1 人か 2 人のエンジニアを除いてイギリスでは人気がありませんでした。しかし、フランスではかなり一般的でした。

アラン直リンク弁装置（ 1855年にアレクサンダー・アランが発明）は、スチーブンソンとグーチの歯車の特徴を組み合わせたものである。逆転機能と遮断機能は、半径ロッドの上昇とリンクの下降を同時に行うか、またはその逆を行うことで実現した。グーチ歯車と同様に、これによってスペースが節約されたが、アラン歯車はスチーブンソンに近い性能を発揮した。さらに、直線の膨張リンクによって製造が簡素化された。この場合も、アラン歯車は英国ではあまり使用されなかったが、大陸ではかなり一般的であった。英国の著名な例としては、グレート・ウェスタン鉄道の1361および1366クラス、狭軌のフェスティニオグ鉄道の0-4-0TTクラス（ジョージ・イングランド社製）がある。タリリン鉄道の2番目の機関車ドルゴック（フレッチャー・ジェニングス社製）には、フレッチャーの特許取得済みのアラン直リンク歯車の配置が採用されている。

• 1844 年にベルギーの鉄道機械技師エギデ・ヴァルシャーツによって発明されたヴァルシャーツ弁装置は、ヨーロッパと北米で最も広く使用される弁装置になりました。
• ベイカー弁装置は1903 年にアメリカの技術者によって発明され、北米で広く使用されました。
• カプロッティ バルブ ギアは 、1920 年代初頭にイタリアの建築家兼エンジニアであるアルトゥーロ カプロッティによって自動車用バルブに基づいて発明され、カムシャフトとポペット バルブを使用します。他のどの方法よりも効率的であると考えられています。

ウィキメディア・コモンズには、スティーブンソンリンクバルブ装置を備えた蒸気機関に関連するメディアがあります。

• 標準的なスティーブンソン弁装置の図。
• スティーブンソンバルブギアのトラブルシューティング（図付き）