ス チ ー ブ ン ソ ン 式 弁 装 置 ︵ ス チ ー ブ ン ソ ン し き べ ん そ う ち 、 英 語 : S t e p h e n s o n v a l v e g e a r ︶ 、 あ る い は ス チ ー ブ ン ソ ン リ ン ク 、 シ フ テ ィ ン グ リ ン ク [ 1 ] は 、 蒸 気 機 関 全 般 で 広 く 使 わ れ た 単 純 な 構 造 の 弁 装 置 の 一 種 で あ る 。 ジ ョ ー ジ ・ ス チ ー ブ ン ソ ン に よ っ て 特 許 が 取 得 さ れ た が 、 実 際 に は 彼 の 従 業 員 が 発 明 し た も の で あ っ た 。
ガブ・モーション
1 8 3 0 年 代 に 蒸 気 機 関 車 で 使 わ れ る も っ と も 普 及 し た 弁 装 置 は 、 イ ギ リ ス で は ガ ブ ・ モ ー シ ョ ン ︵ g a b m o t i o n ︶ で 、 ア メ リ カ 合 衆 国 で は V フ ッ ク ・ モ ー シ ョ ン ︵ V - h o o k m o t i o n ︶ で あ っ た [ 2 ] 。 ガ ブ ・ モ ー シ ョ ン は 、 そ れ ぞ れ の シ リ ン ダ ー に 2 つ の エ キ セ ン ト リ ッ ク と ロ ッ ド を 組 み 合 わ せ 、 一 方 の エ キ セ ン ト リ ッ ク が 前 進 用 、 も う 一 方 が 後 退 用 に な っ て お り 、 ガ ブ に よ っ て 分 配 弁 を 駆 動 す る ピ ン と 必 要 に 応 じ て 結 合 で き る よ う に な っ て い る 。 ガ ブ と い う の は X 字 形 を し た 部 品 で 、 分 配 弁 を 駆 動 し て い る バ ル ブ ス ピ ン ド ル と 中 央 部 で 接 続 さ れ て い る 。 こ の X の 両 端 に そ れ ぞ れ 前 進 用 と 後 退 用 の エ キ セ ン ト リ ッ ク ロ ッ ド が つ な が れ 、 ピ ン で ど ち ら か が X 字 の 中 央 部 に 固 定 さ れ る こ と で 駆 動 力 を 伝 達 し 、 固 定 さ れ て い な い も う 一 方 の エ キ セ ン ト リ ッ ク ロ ッ ド は X 字 の 外 側 で 空 振 り を す る 構 造 に な っ て い る 。 ガ ブ ・ モ ー シ ョ ン は 、 使 い 方 が 難 し く 、 ま た 弁 の 動 作 タ イ ミ ン グ を 変 え る こ と が で き な い 不 器 用 な 機 構 で あ っ た 。
ス チ ー ブ ン ソ ン 式 弁 装 置
1 8 4 1 年 、 ロ バ ー ト ・ ス チ ー ブ ン ソ ン ・ ア ン ド ・ カ ン パ ニ ー で 働 く 2 人 の 従 業 員 、 製 図 担 当 の ウ ィ リ ア ム ・ ホ ー ︵ W i l l i a m H o w e ︶ と 型 製 作 担 当 の ウ ィ リ ア ム ・ ウ ィ リ ア ム ズ ︵ W i l l i a m W i l l i a m s ︶ が 、 ガ ブ を 置 き 換 え る 単 純 な 方 法 を 提 案 し た 。 垂 直 方 向 に 穴 の 開 い た リ ン ク ︵ エ キ ス パ ン シ ョ ン リ ン ク ︶ を つ く り 、 そ の 両 端 に エ キ セ ン ト リ ッ ク ロ ッ ド の 末 端 を 接 続 す る 。 進 行 方 向 を 変 え る に は 、 リ ン ク と エ キ セ ン ト リ ッ ク ロ ッ ド 末 端 を 丸 ご と 、 逆 転 機 ハ ン ド ル か ら リ ー チ ・ ロ ッ ド に よ っ て つ な が っ て い る ベ ル ・ ク ラ ン ク ︵ L 字 形 に 力 を 伝 達 す る ク ラ ン ク ︶ に よ っ て 上 げ た り 下 げ た り す る 。 こ れ に よ っ て 逆 転 動 作 が 簡 略 化 さ れ た だ け で は な く 、 ギ ア を 半 端 な 位 置 に 設 定 す る こ と が で き る よ う に な り 、 前 進 ・ 後 退 エ キ セ ン ト リ ッ ク か ら の 動 き を 異 な る 比 率 で 組 み 合 わ せ て バ ル ブ を 短 い ト ラ ベ ル で 駆 動 し 、 1 行 程 で の 蒸 気 の 供 給 を 早 く カ ッ ト オ フ ︵ 英 語 版 ︶ し て シ リ ン ダ ー 内 に 供 給 さ れ る 蒸 気 の 量 を 減 ら し 、 ボ イ ラ ー か ら 吸 気 し 続 け る の で は な く 蒸 気 自 体 の 持 っ て い る 膨 張 力 を 使 う こ と が で き る よ う に な っ た 。 出 発 時 や 勾 配 を 登 る 時 に は 長 い カ ッ ト オ フ 、 通 常 は 最 大 出 力 の 7 0 - 8 0 % く ら い で 動 か し て 、 勢 い が つ く に し た が っ て 、 蒸 気 の 膨 張 を 利 用 し て 燃 費 を よ く し リ ー ド を 長 く し 行 程 末 端 で 高 い 圧 力 に よ る 緩 衝 効 果 が 得 ら れ る よ う に 、 カ ッ ト オ フ を 短 く し て い く と い う こ と が 標 準 的 な 習 慣 と な っ た 。 こ の プ ロ セ ス は リ ン キ ン グ ・ ア ッ プ ︵ l i n k i n g u p ︶ と か ノ ッ チ ン グ ・ ア ッ プ ︵ n o t c h i n g u p ︶ と よ く 呼 ば れ る 。 後 者 は 、 逆 転 リ バ ー を 正 確 な 位 置 に 保 つ た め に 刻 ま れ た ノ ッ チ に 合 わ せ る こ と か ら 言 わ れ る よ う に な り 、 回 転 式 逆 転 ハ ン ド ル に な っ た 後 に も 使 わ れ 続 け た 言 葉 で あ る 。 ス チ ー ブ ン ソ ン 式 の さ ら な る 長 所 は 、 他 の 多 く の 方 式 に は 無 い 、 可 変 の リ ー ド で あ る 。 ギ ア の 位 置 に 応 じ て 、 低 速 で フ ル ギ ア に し て 動 い て い る 時 に は ピ ス ト ン の 行 程 の 末 端 で 圧 縮 や 背 圧 を か な り 減 ら す こ と が 可 能 で あ り 、 勢 い が つ い て カ ッ ト オ フ が 短 く さ れ た 時 に は 、 リ ー ド が 自 動 的 に 早 め ら れ て 圧 縮 量 が 増 え 、 ピ ス ト ン の 行 程 の 末 端 で の ク ッ シ ョ ン 効 果 を 発 揮 し 、 ま た 残 存 し て い る 蒸 気 の 温 度 を 維 持 し て 次 に 吸 気 行 程 が 始 ま っ た 時 に 入 っ て き た 蒸 気 の 温 度 が 下 が る こ と を 防 ぐ こ と が で き る 。
ア メ リ カ の 機 関 車 で は 、 一 般 に 台 枠 内 側 に 設 置 さ れ た 内 側 ス チ ー ブ ン ソ ン 式 弁 装 置 が 1 9 0 0 年 前 後 ま で 用 い ら れ 、 そ の 後 急 速 に ワ ル シ ャ ー ト 式 弁 装 置 が 普 及 し た 。 ヨ ー ロ ッ パ で は 動 輪 の 外 側 に 設 置 し て エ キ セ ン ト リ ッ ク ま た は リ タ ー ン ク ラ ン ク で 駆 動 す る か 、 主 に イ ギ リ ス で 用 い ら れ た よ う に 台 枠 内 側 に 設 置 し て 動 軸 か ら エ キ セ ン ト リ ッ ク で 駆 動 さ れ た 。
ア ブ ナ ・ ド ブ ル ︵ A b n e r D o b l e ︶ [ 3 ] は 、 ス チ ー ブ ン ソ ン 式 弁 装 置 を 以 下 の よ う に 評 し て い る 。 ﹁ 大 き な 機 関 車 に で も 小 さ な 機 関 車 に で も 使 え る 、 も っ と も 普 遍 的 に 適 し た 弁 装 置 で あ る 。 と て も 単 純 で あ り な が ら と て も 正 確 に 動 作 す る 上 に 、 そ の 大 き な 長 所 は 、 そ の 支 点 ︵ エ キ セ ン ト リ ッ ク の シ ャ フ ト 、 ク ロ ス ヘ ッ ド 、 リ ン ク を 吊 る ア ー ム ︶ の 間 の 正 確 な 関 係 が バ ル ブ の 動 作 に よ ら ず 、 正 確 性 が 自 己 完 結 し て い る と い う こ と で あ る 。 全 て の シ リ ン ダ ー が 同 一 平 面 に あ る 機 関 車 で は 、 私 の 考 え る と こ ろ で は 、 ス チ ー ブ ン ソ ン 式 が 最 高 の 選 択 で あ る ﹂ ス チ ー ブ ン ソ ン 式 の 本 質 的 な も う 1 つ の 利 点 は 、 フ ル ギ ア の 時 に 0 に な り カ ッ ト オ フ が 短 く な る に つ れ て 増 え る 、 可 変 の リ ー ド で あ る 。 ス チ ー ブ ン ソ ン 式 弁 装 置 は 逆 転 動 作 を 必 要 と す る 全 て の 蒸 気 機 関 に と っ て 便 利 な 配 置 で あ り 、 定 置 式 蒸 気 機 関 、 鉄 道 の 蒸 気 機 関 車 、 ト ラ ク シ ョ ン エ ン ジ ン 、 蒸 気 自 動 車 、 舶 用 蒸 気 機 関 な ど 幅 広 く 使 用 さ れ た 。 舶 用 で は 、 ロ ー ン チ ・ リ ン ク ︵ l a u n c h l i n k ︶ と 呼 ば れ る も の を 採 用 し て お り 、 こ れ は 一 部 の 機 関 車 で も 用 い ら れ た 。 ロ ー ン チ ・ リ ン ク は 通 常 の 機 関 車 用 の リ ン ク よ り 長 い も の で あ っ た 。 小 さ な リ ン ク は 、 初 期 の イ ギ リ ス の 機 関 車 の よ う に ボ イ ラ ー の 下 の 空 間 が 狭 く ス ペ ー ス が と て も 貴 重 な も の で 用 い ら れ た 。 機 関 車 用 の リ ン ク は 、 エ キ セ ン ト リ ッ ク ・ ロ ッ ド の 末 端 が リ ン ク の 端 に 取 り 付 け ら れ て い る の に 対 し て 、 ロ ー ン チ 型 で は リ ン ク の 脇 に 取 り 付 け ら れ て お り 、 フ ル ギ ア の 時 に ピ ス ト ン ロ ッ ド へ よ り 直 線 的 な 運 動 が で き る よ う に し 、 も し 必 要 な ら ば 長 い バ ル ブ ト ラ ベ ル を 実 現 す る こ と も で き た 。 ロ ー ン チ 型 は 1 8 5 0 年 代 か ら ア メ リ カ の 機 関 車 で は と て も 一 般 的 に 用 い ら れ た が 、 ヨ ー ロ ッ パ で は 1 8 4 6 年 に は 既 に 存 在 し て い た に も か か わ ら ず 、 ボ イ ラ ー の 中 心 線 が 上 げ ら れ て 十 分 な 空 間 が 確 保 さ れ る よ う に な る 1 9 0 0 年 前 後 ま で 一 般 的 に 用 い ら れ る よ う に は な ら な か っ た 。
リ ン ク モ ー シ ョ ン 式 弁 装 置 の 中 で は 、 ス チ ー ブ ン ソ ン 式 の 配 置 は 最 適 で あ る と 考 え ら れ る 。 に も か か わ ら ず 、 逆 転 動 作 の た め に 丸 ご と 上 下 に 動 か す 必 要 が あ る リ ン ク を 必 要 と す る と い う こ と は 、 ス チ ー ブ ン ソ ン 式 で は か な り の 垂 直 方 向 の 空 間 が 必 要 で あ る と い う こ と で あ る 。 導 入 初 期 に は 、 機 関 車 の 重 心 を で き る 限 り 低 く 保 つ こ と が 重 要 で あ る と 考 え ら れ て お り 、 そ の た め に ボ イ ラ ー の 中 心 線 を 可 能 な 限 り 下 げ る よ う に し て い た 。 イ ギ リ ス で は 一 般 的 に 弁 装 置 を 台 枠 の 内 側 、 ボ イ ラ ー の 下 に 配 置 し て い た た め 、 極 め て 窮 屈 な 場 所 に お か れ た 弁 装 置 を 保 守 す る の は 困 難 で あ っ た 。 ま た 、 リ ン ク の 重 量 と エ キ セ ン ト リ ッ ク ・ ロ ッ ド の 末 端 を 一 緒 に 持 ち 上 げ る 必 要 が あ る た め 、 逆 転 動 作 は と て も 労 力 を 要 す る も の で あ っ た 。 こ う し た 問 題 に 対 処 す る た め 、 2 種 類 の 派 生 型 が 開 発 さ れ た 。
グーチ式弁装置
グーチ式弁装置(Gooch valve gear)(ダニエル・グーチ によって発明された)では、逆転およびカットオフの機能は、バルブロッドと固定されたリンクとをつなぎ、固定点を中心に回転するラジアスロッドを上下させることによって実現されている。長所は弁装置の高さを抑えることができるということと、逆転リバーでラジアスロッドの重さだけを操作すればよいので逆転動作が軽いということである。この構成により、リンクはエキセントリック側に対して凹になっているのではなく凸になっている。グーチ式の欠点は、フルギアの時にエキセントリックロッドとバルブスピンドルの間に角度が付いているという点である。スチーブンソン式ではフルギアの時に力がまっすぐ伝えられる。また、グーチ式ではカットオフに関わらず一定のリードとなる。このことは、同じような機関車にグーチ式とスチーブンソン式を装備して営業運転で比較した時に欠点として観察される[4] 。グーチ式弁装置は1860年代 までいくらかの技術者によって用いられた他はイギリスでは普及しなかったが、フランス ではとても一般的なものであった。
アラン式弁装置
アラン式弁装置(あるいはアラン直線リンク弁装置、Allan straight link valve gear)(1855年にアレキサンダー・アラン(Alexander Allan )によって発明された)では、スチーブンソン式とグーチ式の特徴を組み合わせている。逆転とカットオフの機能は、ラジアスロッドを上げながら同時にリンクを下げる、あるいはその反対に動かすことで実現される。グーチ式のようにスペースを節約しながら、スチーブンソン式に近い性能を出す。さらに、直線のエキスパンションリンクが工作を簡便にした。これもまたイギリスではあまり使われなかったが、ヨーロッパ大陸ではかなり使われた。
オーストリア 製の古い蒸気機関車で使われているアラン式弁装置の例
^ Snell, J B (1971). Mechanical Engineering: Railways, Longman & Co, London
^ White, John H. Jr. (1968): A History of the American locomotive, its development: 1830-1880; Dover republication of 1979, ISBN 0-486-23818-0 , original published by the Johns Hopkins Press.
^ Walton J.N. (1965-74) Doble Steam Cars, Buses, Lorries, and Railcars . "Light Steam Power" Isle of Man, UK; p. 196.
^ Holcroft, Harold (1957). An outline of Great Western locomotive practice, 1837-1947; Locomotive Publishing Co Ltd, London, U.K. p.20.