와트의 연결

Watt's linkage
와트의 연계 애니메이션
치수(단위 길이 a, b):
링크 3: a + a
링크 2 & 4: b
접지 조인트 ≈ 2a 사이의 수직 거리
접지 조인트 간 수평 거리 ≈ 2b
링크 1(접지 조인트 간의 총 거리): ≈ 2+ 4 b 2 }+4b^{2
제임스 와트(James Watt, 1808)가 아들에게 보낸 편지에서 그가 디자인에 도착한 방법을 설명하며 직접 그린 그림.[1]

운동학에서 와트의 링크(Watt's linkage, 병렬링크라고도 함)는 제임스 와트가 발명한 기계적 링크의 한 종류로, 링크의 중심 이동점이 거의 직선으로 이동하도록 제한되어 있습니다. 와트 증기기관에 대한 와트의 특허 명세서 1784에 설명되어 있습니다.

오늘날 자동차 서스펜션에 사용되어 차량의 차축이 수직으로 이동하면서 옆으로 움직이는 것을 방지할 수 있습니다.

묘사

와트의 링크는 3개의 바가 함께 체인으로 볼트로 연결되어 있습니다. 막대 사슬은 두 개의 끝 막대와 중간 막대로 구성됩니다. 중간 바는 각 외부 바의 끝 중 하나에 각각의 끝에서 볼트로 고정됩니다. 두 개의 외부 막대는 길이가 같고 중간 막대보다 깁니다. 3개의 바는 2개의 볼트를 중심으로 회전할 수 있습니다. 긴 막대의 바깥쪽 끝점은 서로 상대적으로 고정되어 있지만, 그렇지 않은 경우에는 3개의 막대가 만나는 두 관절 주위를 자유롭게 회전할 수 있습니다.

연결 분석에서는 외부 끝점 사이를 연결하는 가상 고정 길이 막대가 있습니다. 따라서 와트의 연결은 4바 연결의 한 예입니다.

역사

James Watt의 특허 출원(왼쪽 상단)에서 직선 연결을 보여주는 그림 9

그것의 기원은 와트가 1784년 6월 매튜 불튼에게 쓴 편지에 담겨 있습니다.

저는 피스톤 로드를 체인이나 수직 가이드 없이 빔 위의 철 조각에만 고정함으로써 수직으로 위아래로 움직이게 하는 방법을 살짝 보았습니다. 그리고 제가 발명한 가장 기발한 간단한 역학 중 하나입니다.[2]

이러한 유형의 연계는 와트의 1784년 4월 28일 특허 명세서에 기술된 여러 유형 중 하나입니다. 그러나 불턴에게 보낸 편지에서 그는 실제로 특허에 포함되지 않은 링크의 발전을 설명하고 있었습니다. 평행 운동 연결이라고 불리는 약간 나중의 디자인은 그의 왕복 운동과 회전식 빔 엔진에 실제로 사용된 보다 편리한 공간 절약 설계로 이어졌습니다.[3]

C. G. 깁슨은 와트의 혁신의 배경에 대해 다음과 같이 설명했습니다.

산업 혁명 기간 동안 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 메커니즘은 산업 및 광산 기계, 기관차 및 계량 장치에 널리 채택되었습니다. 이러한 장치는 엔지니어링 단순성과 높은 정확도, 그리고 장시간 동안 속도로 작동할 수 있는 기능을 결합해야 했습니다. 많은 목적에서 근사 선형 운동은 정확한 선형 운동을 대체할 수 있습니다. 아마도 가장 잘 알려진 예는 1784년 스코틀랜드의 공학자 제임스 와트에 의해 발명된 와트 포 바 연결입니다.[4]

연결에 의해 추적되는 모양

이 연결은 진정한 직선 운동을 생성하지 않으며 실제로 와트는 그렇게 주장하지 않았습니다. 오히려 와트의 곡선, 즉 레미스케이트 또는 도형 8자 곡선을 추적합니다. 바와 바의 길이가 교차된 사각형을 형성하도록 선택되면 베르누이의 레미스케이트를 추적합니다.[5] 와트는 1784년 9월 11일 Boulton에게 보낸 편지에서 다음과 같이 연결을 설명했습니다.

아치의 볼록한 부분이 반대 방향에 놓여 있고 연결 레버에는 일정한 점이 있는데, 직선과 현란한 변화가 거의 없습니다.

Peaucellier-Lipkin 연결, Hart의 역기호 및 기타 직선 메커니즘이 진정한 직선 운동을 생성하지만, Watt의 연결은 이러한 다른 연결보다 훨씬 더 단순하다는 장점이 있습니다. 이 점에서 이는 대략적인 직선 운동을 생성하는 다른 연결고리인 체비셰프 연결과 유사합니다. 그러나 와트 연결의 경우 운동이 두 끝점 사이의 선에 수직인 반면 체비셰프 연결에서는 운동이 이 선에 평행합니다.

적용들

복동 피스톤

이전의 단일 작용 빔 엔진은 피스톤을 빔에 연결하기 위해 체인을 사용했고 이것은 광산 등에서 물을 퍼내는 데 만족스럽게 작동했습니다. 그러나 회전 운동의 경우 압축과 장력 모두에서 작동하는 링크가 더 나은 디자인을 제공하며 이중 작용 실린더를 사용할 수 있습니다. 이러한 엔진은 증기에 의해 작동되는 피스톤을 양쪽에 번갈아 포함시켜 출력을 두 배로 증가시킵니다. 와트가 나중에 회전 빔 엔진에 실제로 사용한 링크는 평행 운동 링크라고 불렸는데, 이는 "와트 링크"의 발전이지만 같은 원리를 사용한 것입니다. 엔진의 피스톤은 링크의 중앙 지점에 부착되어 있어, 밀어서도, 당김으로써도 링크의 두 외부 빔에 작용할 수 있습니다. 링크의 거의 직선 운동을 통해 이러한 유형의 엔진은 피스톤이 포함된 실린더에서 결속되지 않고 피스톤에 견고한 연결을 사용할 수 있습니다. 또한 이러한 구성으로 인해 단일 액션 엔진보다 빔의 움직임이 더 원활해져 앞뒤 움직임을 회전으로 변환하기가 더 쉽습니다.[3][6]

와트의 연결 예는 1865 크로스니스 엔진의 고압 및 중압 피스톤 로드에서 확인할 수 있습니다. 이러한 엔진에서 저압 피스톤 로드는 보다 종래의 병렬 모션 링크를 사용하지만, 고압 및 중간 압력 로드는 빔 끝에 연결되지 않으므로 공간을 절약할 필요가 없습니다.

차량 서스펜션

와트의 연계 자동차 서스펜션
1998년형 포드 레인저 EV 서스펜션의 와트 링크
와트의 연결 열차 서스펜션

와트의 연결 장치는 일부 자동차 서스펜션의 리어 액슬에 사용되는데, 이는 20세기 초에 설계된 팬하드 로드를 개량한 것입니다. 두 가지 방법 모두 차축과 차체 사이의 상대적인 측면 운동을 방지하기 위한 것입니다. 와트의 링크는 수직 직선 운동에 훨씬 근접하며, 단순한 팬하드 로드를 사용하는 경우와 같이 차축의 중심을 차량의 한쪽으로 향하게 하는 것이 아니라 차량의 세로 중심선에 일관되게 위치시켜 줍니다.[7]

섀시의 양쪽에 장착된 동일한 길이의 두 개의 수평 로드로 구성되어 있습니다. 이 두 개의 막대 사이에는 짧은 수직 막대가 연결되어 있습니다. 직선 운동으로 구속되는 지점인 이 짧은 수직 막대의 중심은 차축의 중심에 장착됩니다. 모든 회전점은 수직면에서 자유롭게 회전할 수 있습니다.

어떻게 보면 와트의 연결은 서로 반대쪽에 장착된 두 개의 팬하드 막대로 볼 수 있습니다. 그러나 와트의 배열에서 회전하는 팬하드 로드에 의해 도입된 반대 곡선 운동은 짧은 수직 회전 막대에서 대체로 서로 균형을 이루게 됩니다.

링크는 뒤집을 수 있으며, 이 경우 중앙 P가 차체에 부착되고 L1과 L3이 차축에 장착됩니다. 이렇게 하면 스프링이 제거된 질량이 줄어들고 운동학이 약간 변경됩니다. 이 편성은 2012년 시즌이 끝날 때까지 호주 V8 슈퍼카에 사용되었습니다.

와트의 연결은 차의 길이 방향으로 차축이 움직이는 것을 방지하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이 애플리케이션은 주행 방향과 평행하게 장착된 차축의 양쪽에 있는 2개의 와트 링크를 포함하지만, 단일 4바 링크만이 레이싱 서스펜션 시스템에서 더 일반적입니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ 프란츠 레울로, 기계의 운동학 (1876), 4페이지
  2. ^ 1890년 æ디아 브리태니커 백과사전에서 인용한 바와 같이, "제임스 와트", 제24권, 413쪽.
  3. ^ a b Ferguson, Eugene S. (1962). "Kinematics of Mechanisms from the Time of Watt". United States National Museum Bulletin. 228: 185–230. hdl:2027/uiug.30112106772574. Retrieved 12 May 2013.https://www.gutenberg.org/files/27106/27106-h/27106-h.htm 에서도 이용 가능
  4. ^ C. G. Gibson (1998) 대수곡선의 기초기하학, 12, 13페이지, Cambridge University Press ISBN 0-521-64140-3
  5. ^ Bryant, John; Sangwin, Christopher J. (2008), How round is your circle? Where Engineering and Mathematics Meet, Princeton University Press, pp. 58–59, ISBN 978-0-691-13118-4.
  6. ^ Hills, Richard (2006). James Watt, vol 3: Triumph through Adversity, 1785-1819. LandmarkPublishing Ltd. pp. 34–38.
  7. ^ Adams, Herb (1993), Chassis Engineering, Penguin, p. 62, ISBN 978-1-55788-055-0.

외부 링크

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