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Parallel motion - Wikipedia
平行運動 (Parallel motion)

平行運動とはスコットランドの技術者のジェームス・ワットが 1784 年に複動作ワット蒸気エンジンのために、 発明した機械接続のことである。 これにより、垂直に上下する棒が、棒に横方向のひずみを与えずに、円弧で動くビーム (梁) に動きを伝達することができる。


ワットの「平行運動」の動画
  1. 説明
  2. 動作原理
  3. 訳注:ワットの接続
説明

ニューコメンとワットによって建造された、これ以前のエンジンでは 動力ストローク (power stroke) の時にピストンは鎖を使用して、ビーム (梁) を下方に引き、 復帰ストローク (recovery stroke) の時にはポンプの重さが、第二の鎖を使用して、 ビームの反対側の端でビームを下方に引き、 交互の力によりビームに揺れる動きが与えられた。 ワットの新しい複動作エンジンでは上方ストロークの時にも下方ストロークの時にも ピストンは動力を生成する。 従って、動力をビームに伝達する時に鎖を使用することができなかった。 ワットはピストン棒が垂直のままで、動力をどちらの向きにも伝達するために「平行運動」をデザインした。 彼がこれを「平行運動」と呼んだのは、 ピストン棒とポンプ棒が上下方向に互いに平行に動くことが要求されるからである。


揚水エンジンにおけるワットの「平行運動」

1808 年の子息に宛てた手紙で、如何にしてこのデザインに到達したかを説明し、 ジェームス・ワットは次のように書いている: 「私がかってしたどの発明よりも平行運動の方を誇りに思う」。 彼が含めたスケッチは実際は今日ではワット接続と呼ばれるもので、 これは 1784 の特許で説明されているものであるが、 直ちに「平行運動」で取って代わられたものである。


ジェームス・ワットが子息に宛てた手紙の中の手書きの図

平行運動がワットの接続と違っている点は、デザインの中に追加のパンタグラフ接続を組み込んでいることである。 これは基本原理に影響しないが、接続がコンパクトになるため、 エンジン室を小さくできる。

動作原理

ワットの「平行運動」の図式

上の図式を見よ。 A はビーム KAC の軸受けで、ビームは A の周りを上下に揺れる。 H はピストンで垂直に動くが、水平には動かない。 デザインの中心は 4 本の棒の接続で、ABBEEG そして基底リンク AG (両端はエンジンの枠に接続されている 【訳注:従って AB に棒があると見なせる】) である。 ビームが揺れると点 F (これは説明のために描いてあるが、エンジン自身の上には見えない) は空中に長くした 「8 の字」 を描く。ビームの動きは小さな角度に制約されているので F は 「8 の字」 の短い区間を描くのみで、これは垂直な直線に極めて近い。 腕 AB と腕 EG の長さが等しければ 「8 の字」 は対称であり、 BFFE の比が ABEG の比に一致する時がもっともまっすぐである。 ストロークの長さ (すなわち F の最大移動距離を S とすれば、 BE がおよそ 2/3S, AB が 1.5S の時に直線区間が最も長い。

F を直接ピストン棒に接続すること (これが 「ワット接続」 のデザイン) が可能であったが、 こうすると機械はぎこちない形となり、G がビームの端から遠のくことになる。 これを避けるために、ワットは平行四辺形 BCDE の接続を付け加え、パンタグラフのようにした。 これにより点 FAD を結ぶ直線の上にあることになり、 D の動きは F の動きの拡大版になる。 従って D がピストン棒 DH を付ける点になる。 パンタグラフの追加により、機械は短くなり、エンジンを収容する建物は小さくなる。

すでに指摘したように F の通り道は完全な直線ではない。 ワットのデザインは直線から 1/4000 の逸脱がある。 後の 19 世紀に完全な直線となる接続の発明が複数あり、 1864 年のポーセリエ - リプキン (Peaucellier–Lipkin linkage) の接続がその最初のものであった。

訳注:ワットの接続

英文の Wikipedia には 「ワットの接続」 の項目があり、こちらにも色々な説明がありますが、 面倒なのでこの翻訳は省略し、動画のみを掲載します。 次の図のような状態にあれば、「8 の字」 はベルヌーイの レムにスケートになるそうです。


ワットの接続の動画