ワットのリンク

ワットのリンク機構は、ジェームズ・ワットが発明した機械的リンク機構の一種で、リンク機構の中心移動点はほぼ直線経路を移動するように制約されています。ワットは、1784 年にワット蒸気エンジンの特許明細書でこのリンク機構について説明しています。

現在、これ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、つまりその動作特性の鍵となり、車軸の動きをほぼ垂直方向に制限するとともに、水平方向の動きも制限します。

ワットのリンク機構は、ボルトで連結された 3 本のバーで構成されています。バーの連結は、2 本の端バーと 1 本の中間バーで構成されています。中間バーの各端は、各外側バーの端の 1 つにボルトで固定されています。2 本の外側バーの長さは同じで、中間バーよりも長くなっています。3 本のバーは、2 本のボルトを中心に回転できます。長いバーの外側の端は、互いに対して固定されていますが、それ以外は、3 本のバーは、接合部にある 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、外側の端点を接続する仮想の固定長バーが存在します。したがって、ワットのリンク機構は4 バー リンク機構の例です。

その起源は、ワットが 1784 年 6 月にマシュー・ボールトンに書いた手紙の中に記されています。

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。[...] これは私が発明した最も独創的でシンプルな機構の 1 つです。^[2]

ワットの革新の背景は、CG ギブソンによって次のように説明されています。

産業革命の時代、回転運動を直線運動に変換する機構は、産業機械、鉱山機械、機関車、計測装置に広く採用されました。このような装置は、工学的な単純さと高い精度、そして長時間の高速運転能力を兼ね備えていなければなりませんでした。多くの目的において、近似直線運動は正確な直線運動の代替として受け入れられます。おそらく最もよく知られている例は、1784年にスコットランドの技術者ジェームズ・ワットが発明したワットの4節リンク機構でしょう。^[3]

このタイプのリンク機構は、ワットの1784年4月28日の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、ボルトンに宛てた手紙の中で、彼は実際には特許には含まれていないリンク機構の開発について説明していました。少し後の設計は平行運動リンク機構と呼ばれ、より便利な省スペース設計につながり、実際に彼の往復動ビームエンジンと回転ビームエンジンに使用されました。^[4]

このリンク機構は真の直線運動を生み出すわけではなく、実際ワットはそう主張していなかった。むしろ、ワットの曲線、つまりレムニスケートまたは8の字型の曲線を描く。バーとベースの長さを交差する正方形を形成するように選択すると、ベルヌーイのレムニスケートを描く。^[5] 1784年9月11日のボウルトンへの手紙で、ワットはこのリンク機構について次のように説明している。

アーチの凸部は反対方向にあり、接続レバーには特定の点があり、直線からの顕著な変化はほとんどありません。

ポーセリエ・リプキンリンク機構、ハートの逆リンク機構、およびその他の直線機構は真の直線運動を生成しますが、ワットリンク機構はこれらの他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ります。この点では、近似直線運動を生成する別のリンク機構であるチェビシェフリンク機構に似ていますが、ワットリンク機構の場合、運動は2つの端点を結ぶ線に対して垂直ですが、チェビシェフリンク機構では運動はこの線に対して平行です。

初期の単動ビームエンジンは、ピストンをビームに接続するためにチェーンを使用していましたが、これは鉱山などから水を汲み上げるのに十分に機能しました。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設計が優れており、複動シリンダーを使用できます。このようなエンジンには、両側で交互に蒸気が作用するピストンが組み込まれているため、出力が 2 倍になります。ワットが後期の回転ビームエンジンで実際に使用したリンク機構 (これもワットが発明) は、平行運動リンク機構と呼ばれ、「ワットのリンク機構」の発展形ですが、同じ原理を使用しています。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 つの外側のビームに押すことと引っ張ることの両方で作用できます。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、ピストンを収容シリンダー内で拘束することなく、ピストンへの固定接続を使用できます。この構成により、シングルアクションエンジンよりもビームの動きがスムーズになり、前後の動きを回転に変換しやすくなります。^{[4] [6]}

ワットの連結機構の例は、1865 年のクロスネス エンジンの高圧および中圧ピストン ロッドに見られます。これらのエンジンでは、低圧ピストン ロッドはより一般的な平行移動連結機構を使用していますが、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はありません。

ワットのリンク機構は、 20世紀初頭に設計されたパナールロッドの改良として、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。ワットのリンク機構は、垂直方向の直線運動に非常に近く、車軸の中心を車両の縦方向の中心線に常に配置します。単純なパナールロッドを使用した場合のように、車体の片側に寄せることはありません。^[7]

これは、シャーシの両側に取り付けられた、長さが同じ 2 本の水平ロッドで構成されています。この 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 (直線運動が制限されるポイント) は、車軸の中心に取り付けられています。すべての旋回ポイントは、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、互いに向かい合って取り付けられた 2 本のパナール ロッドと見ることができます。ただし、ワットの配置では、旋回するパナール ロッドによってもたらされる反対の曲線運動が、短い垂直回転バー内で互いにほぼバランスを保ちます。

リンケージは反転させることができ、その場合、センター P はボディに取り付けられ、L1 と L3 は車軸に取り付けられます。これにより、バネ下質量が軽減され、運動学がわずかに変化します。この配置は、2012 年シーズンの終わりまで 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。

ワットリンケージは、車の縦方向の車軸の動きを防ぐ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取り付けられた 2 つのワットリンケージが必要ですが、レーシングサスペンションシステムでは 1 つの 4 バーリンケージのみを使用するのが一般的です。

• 4節リンク
• リンケージ（機械式）
• 直線機構
• ワットの平行運動リンケージは、ワットのリンケージに基づいて構築された直線リンケージです。

ウィキメディア・コモンズには、ワットのリンクに関連するメディアがあります。

• ワットビームエンジン
• 直線の描き方、AB ケンペ、BA
• ワットによる第一種レムニスコイド（8の字曲線）リンク機構
• ワットによる第2種および第3種のレムニスコイドリンク機構
• Molecular Workbench ソフトウェアを使用したシミュレーション。