ヒストリー

【ヒストリー】バルブスプリングの挑戦

二輪車をはじめ現在市販される一般公道用のエンジンは、その多くがレシプロの4サイクルを採用しています。ピストンの上昇と下降に合わせ、カムシャフトにより適時吸排気バルブを開閉して吸気・圧縮・燃焼・排気を繰り返すシステムです。この基本動作が、車両を走らせるための動力を生み出す源です。エンジンの排気量や仕様にもよりますが、アイドリングでも1分間におよそ300〜700回ほどこのサイクルを繰り返しています。まさに目にも止まらぬ速さで運動を続けていますね。

これを実現するための、非常に重要な部品のひとつが「バルブスプリング」です。バルブスプリングは1分間に数百回から、時に数千回の圧縮と伸長を繰り返すため、非常に過酷な条件に置かれる部品であり、追従性はもちろん高い耐久性が求められます。

 

そんな場所に、”ばね”としてだれもが想像する「コイルスプリング」が多く使われています。これは何十年も前から変わりません。古くはヘアピン型スプリングを採用したものもありましたし、ドゥカティのように開閉の作動をスプリングに頼らない機構もあります(デスモドロミック)。

また近年ではレースマシンを中心に、ニューマチックバルブと呼ばれる圧縮エアでバルブを閉じる機構もありますが、市販車エンジンに使われる主流はあくまでシンプルなコイルスプリングとなっています。

 

さて、そんなコイルスプリングが大活躍する世界に、かつて独特の機構で斬り込みをかけたモーターサイクルがあったことをご存じでしょうか。それは、ホンダが1965年に発売したCB450です。国内では「クジラ」と呼ばれ、海外では「キャメルバック(ラクダの背中)」と呼ばれたりする、独特のタンク形状が印象的なモデルですね。空冷の4サイクル並列2気筒で、実排気量444ccから43psを発揮しました。

 

このCB450のエンジン、なんとバルブスプリングに一般的なコイル型ではなく「トーションバー」を採用しています。「バー(棒)」を「トーション(ひねる)」する。すなわち、金属棒にひねる力を加え、その戻る力を利用することでスプリングとして機能させるものです。フォルクスワーゲン・ビートル(旧)やトヨタのハイエースなどなど、四輪車のサスペンション用としてはしばしば採用されるこのスプリングですが、条件がはるかに厳しいエンジンのバルブスプリングとして使われた例は極めてまれです。レース用は別として、市販車としてはフランスのパナールが販売していた水平対向エンジン(四輪車)、そしてこのCB450系くらいでしょうか。

ここでひとまず、スプリングという機械部品が機能する原理を見てみましょう。前提として、金属の弾性を利用していることはわかると思います。コイルスプリングも伸ばしてみれば金属棒ですし、ある一点で見るとひねられることで全体が縮み(または伸び)ますから、コイルスプリングもトーションバースプリングも同じ原理で機能していることがわかります。それでもなお、CB450がややこしい機構を採用した理由とは……? 果たして、この特異なバルブスプリングにはどんなメリットがあったのでしょうか?

 

’60年代前半当時、ホンダはマン島TTをはじめとした世界のレースシーンで、2万回転も回る4サイクル多気筒エンジンで暴れまわっていました。高回転化・高出力化のため、早くから気筒あたり吸排気各2本の「4バルブ」を採用しており、GPへの挑戦開始からわずかな期間で世界レベルの戦闘力を得ていました。これらで得た経験から、市販の高性能4サイクルモデルを次々に生み出していったわけですが、大型車市場への参入はまだであり、世界一を目指すメーカーとしてそこの開拓は必須事項でした。

そこで’63年に開発が始められたのがコード「103」、のちのCB450E(エンジンの意)です。ただ、市販エンジンですからレーサーと同じようなレイアウトや材料を採用するのは不可能です。どうしてもバルブ1本あたりが重くなる、2気筒2バルブの大型車でいかに高回転に対応するか……。ホンダの技術者は苦悩しました。当時はまだ、このクラスの重いバルブに対応できる、量産市販車向きのコイルスプリング材が存在しなかったためです。

このため幾多の検討が重ねられたことと想像できますが、最終的に採用されたのがトーションバーバルブスプリングだったのです。

 

CB450のサービスマニュアルには、「固有振動数が高く設計でき、サージングがなくなり……」との記載が見られます。バルブ機構におけるサージングとは、カムによるバルブの開閉動作とスプリングの固有振動数が重なったとき、異常な振動を起こしバルブの開閉がうまく行われなくなり密閉性が失われる状態を言います。

当然、エンジンの出力は落ちてしまいます。ここで補足が必要となりますが、実際に開発で問題になったのはサージングではなく、バルブジャンプ(カムの山に乗り上げた勢いで跳ねる現象)とバルブバウンス(バルブシートに叩きつけられた後に跳ねる現象)だったと開発者は語っています。いずれにせよ、エンジンの作動にとっては害でしかありませんでした。なお、コイルスプリングは内外の二重スプリングを設けることでサージングなどに対処しています。

 

CB450のエンジンは、吸排気でそれぞれ独立したカムシャフトを持つダブルオーバーヘッドカム機構(DOHC)、ボア70mm×ストローク57.8mmのショートストローク設定などを組み合わせ、450ccツインながらレッドゾーンが9500rpmからという高回転型エンジンに仕上げられていました(モデルチェンジ版のCB450K1は9700rpmから)。これは、当時の大型車(450ccでも十分に大型車に分類された時代です)としては驚くべきスペックで、最高速は実に180kmに到達していました。これを実現させた立役者が、トーションバーバルブスプリングだったというわけです。

しかしながら、主要な市場であるアメリカではトルク型のエンジンが好まれ、繊細で”回せば速い”CB450は好まれず、成功作とはなりませんでしたが……。この経験は4年後に発売されるCB750Fourに存分に生かされることとなりました。

 

残念(?)なことに、トーションバースプリングをバルブスプリングとして採用するメリットは、現代においてもはや「ない」と言えるでしょう。理由は明確。材料や加工の技術が進み、寸法や強さの設定および変更の容易なことに加え、さらにはコストの点でコイルスプリングに勝るものはないからです。

今や、クラシックレースの世界ではCB450エンジンのコイルスプリング化がポピュラーであり、ついでに触れると、さらに古いヘアピンスプリング車もコイルスプリング化することが珍しくないくらいです。

4サイクルエンジンの時代が続く限り、コイルスプリングの独壇場に変わりはない……と言えるのかもしれません。

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モーサイ編集部

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