Loading article…
ワット式リンク機構は、ジェームズ・ワットが発明した機械式リンク機構の一種で、リンク機構の中心となる可動点がほぼ直線経路を移動するように拘束されている。ワットはこのリンク機構を、1784年にワット式蒸気機関の特許明細書の中で説明した。
今日では自動車のサスペンションに使用されており、サスペンションの運動学、つまりその運動特性において重要な役割を果たし、車両の車軸の動きをほぼ垂直方向に制限すると同時に、水平方向の動きも制限する。
ワットのリンク機構は、ボルトで連結された3本の棒で構成されています。この棒の鎖は、両端の2本の棒と中央の1本の棒からなります。中央の棒は、両端で両端の外側の棒の両端にボルトで固定されています。両端の2本の棒は同じ長さで、中央の棒よりも長くなっています。3本の棒は、2本のボルトを中心に回転することができます。長い棒の両端は互いに固定されていますが、それ以外は、3本の棒は接合部である2つのジョイントを中心に自由に回転できます。
リンク機構解析では、外側の端点を結ぶ仮想的な固定長の棒が存在する。したがって、ワットのリンク機構は4節リンク機構の一例である。
その起源は、ワットが1784年6月にマシュー・ボールトンに宛てた手紙の中に記されている。
私は、チェーンや垂直ガイドを使わずに、梁の上の鉄片に固定するだけでピストンロッドを垂直に上下に動かす方法を垣間見ました[...]そして、私が発明した最も独創的でシンプルな機械装置の一つです。[ 2 ]
ワットの革新の背景については、C・G・ギブソンが次のように述べている。
このタイプのリンク機構は、ワットが1784年4月28日に取得した特許明細書に記載されているいくつかのタイプの1つです。しかし、ボルトンへの手紙の中で、彼は実際には特許には含まれていないリンク機構の発展形について述べていました。少し後に考案された平行運動リンク機構と呼ばれる設計は、より便利で省スペースな設計につながり、実際に彼の往復動式および回転式ビームエンジンで使用されました。[ 4 ]
このリンク機構は真の直線運動を生み出すものではなく、実際ワット自身もそう主張していませんでした。むしろ、ワットの曲線、つまりレムニスケートまたは8の字型の曲線を描きます。バーとベースの長さを交差した正方形になるように選ぶと、ベルヌーイのレムニスケートを描きます。[ 5 ] 1784年9月11日にボルトンに宛てた手紙の中で、ワットはこのリンク機構を次のように説明しています。
互いに反対方向を向いているアーチの凸面によって、連結レバーのある一点が直線からほとんどずれていない状態になる。
ペウセリエ・リプキンリンク機構、ハートの反転機構、その他の直線機構は真の直線運動を生み出すが、ワットリンク機構はこれらのリンク機構よりもはるかに単純であるという利点がある。この点において、ワットリンク機構は近似的な直線運動を生み出す別のリンク機構であるチェビシェフリンク機構と類似している。ただし、ワットリンク機構の場合、運動は2つの端点間の線に垂直であるのに対し、チェビシェフリンク機構では運動はこの線に平行である。
初期の単動式ビームエンジンは、ピストンとビームをチェーンで接続しており、鉱山からの揚水などには十分機能していました。しかし、回転運動には、圧縮と引張の両方で機能するリンク機構の方が優れた設計であり、複動シリンダーの使用を可能にします。このようなエンジンは、ピストンが両側で交互に蒸気の作用を受けるため、出力が2倍になります。ワットが後に開発した回転式ビームエンジンで実際に使用したリンク機構（これもワット自身が発明したもの）は、平行運動リンク機構と呼ばれ、「ワットのリンク機構」を発展させたもので、原理は同じです。エンジンのピストンはリンク機構の中心点に取り付けられており、リンク機構の2つの外側ビームに対して、押す力と引く力の両方で作用することができます。リンク機構のほぼ直線的な動きにより、このタイプのエンジンはピストンを固定接続しても、ピストンがシリンダー内で固着することはありません。この構成により、単動エンジンよりもビームの動きが滑らかになり、往復運動を回転運動に変換しやすくなります。[ 4 ] [ 6 ]
ワットのリンク機構の例は、1865年製のクロスネスエンジンの高圧および中圧ピストンロッドに見られる。これらのエンジンでは、低圧ピストンロッドにはより一般的な平行運動リンク機構が使用されているが、高圧および中圧ロッドはビームの端に接続されていないため、スペースを節約する必要がない。
ワットリンク機構は、 20世紀初頭に設計されたパンハードロッドの改良版として、一部の自動車サスペンションの後車軸に使用されています。どちらの方法も、車軸と車体の間の相対的な横方向の動きを防ぐことを目的としています。ワットリンク機構は、垂直方向の直線運動に非常に近い動きを実現し、単純なパンハードロッドを使用した場合のように車軸の中心が車両の片側に寄るのではなく、常に車両の縦方向の中心線上に位置します。[ 7 ]
これは、シャーシの両側にそれぞれ取り付けられた、長さが等しい2本の水平ロッドで構成されています。これらの2本のロッドの間には、短い垂直バーが接続されています。この短い垂直ロッドの中心（直線運動が拘束される点）は、車軸の中心に取り付けられています。すべての旋回点は、垂直面内で自由に回転できます。
ある意味では、ワットのリンク機構は、互いに反対側に配置された2本のパナールロッドと見なすことができる。しかし、ワットの機構では、回転するパナールロッドによって生じる反対方向の湾曲運動が、短い垂直回転バー内でほぼ互いにバランスを取り合うようになっている。
リンク機構は反転させることができ、その場合は中央のPが車体に取り付けられ、L1とL3が車軸に取り付けられます。これによりバネ下重量が軽減され、運動特性がわずかに変化します。この構成は、2012年シーズン終了までオーストラリアのV8スーパーカーで使用されていました。
ワットリンク機構は、車の前後方向における車軸の動きを防止するためにも使用できます。この用途では、車軸の両側に走行方向と平行に2つのワットリンク機構が取り付けられますが、レーシングサスペンションシステムでは、単一の4リンク機構がより一般的です。
