なぜ蒸気機関車は歯車で動力を伝達しなかったのですか？

現代の車は歯車を使用して、エンジンから車輪に動力を伝達します。蒸気機関車は、ある種のバーを使用して（申し訳ありませんが、私はネイティブスピーカーではありません）、車輪に動力を伝達しました。

なぜエンジニアは歯車を使用しなかったのですか？歯車を使用していた場合、蒸気機関車はより高速でしたか？

現代の車はトランスミッションに歯車を使用せず、シャフトを使用していることを指摘したいと思います。歯車は、歯車装置と差動装置に使用されます。

しかし、バーメカニズムが使用されたのは、今日のような製造設備がなかったためです。バー機構は簡単に作成でき、柔軟性があり、現場で保守できます。いずれにしても、この特定の設計では、機構全体が動力伝達方向を2回回転させる必要があったためです。ピストンが前輪に直接接続されており、それを後続の車輪に転送するのはバーで非常に簡単ですが、シャフトカップリングにはより多くの部品が必要でしたが、これも製造が困難でした。

蒸気ピストンエンジンは、静止状態から多くのトルクを生成でき、ピストンはボイラーから物理的に離れているため、ほとんどの場合、ピストンをクランクを介してホイールを直接駆動するのが最も便利です。同様に、列車にはステアリング機構がなく、円錐形の車輪があるため、差動装置も必要ありません。

対照的に、内燃エンジンは、かなり中程度のRPMで回転して有用なトルクを生成し、かなり狭い回転範囲でほとんどのトルクと出力を生成する必要があるため、駆動を解除する手段（クラッチまたは粘性トルクコンバーター）と幅広い道路速度で有用なトルクを提供するための選択可能な比率ギアボックス。

また、ICエンジンは複数のシリンダーでよりよく機能する傾向があります。これにより、作業サイクルのさまざまな段階での動力供給がスムーズになり、共通の出力シャフトを備えたクランクシャフトが必要になります。蒸気エンジンは本質的に空気圧アクチュエータであるため、便利な限り作動ストロークを作成し、合理的に一貫した線形力を得ることができます。

蒸気機関車の外部接続ロッドは、ICエンジンのピストンをクランクシャフトにリンクする接続ロッドに直接類似しています。

簡単な答えは、蒸気エンジンのトルク特性はギアボックスが不要であることを意味するだけです。通常の作業速度範囲ではトルクはRPMにほぼ依存しないからです。

これは、最新の内燃機関内部のクランクシャフトの写真です。

これらの目的は、ピストンの前後運動を回転運動に変換することです。これは、古い蒸気エンジンで使用されているメカニズムとほぼ同じです。

違いは、内燃機関では、動力が車輪に直接伝達されるのではなく、シャフトに伝達されることです。この違いの理由は、他の回答で説明されています---基礎となるメカニズムが同じであることを指摘したかっただけです。

しばらくの間、蒸気機関車は実際にクランクシャフトを駆動するギアとシリンダー/ピストンセットを使用していました。これらはギア付き機関車と呼ばれ、低速で特に急な傾斜に重い荷物を運ぶのに使用されました。これにより、蒸気発電の時代に米国西部の木材伐採事業で人気がありました。

より緩やかな斜面で高速で使用する場合、直接駆動法（コネクティングロッドが駆動輪に係合する）はより単純で、負荷のインピーダンスとエンジンのインピーダンスを適切に一致させます。

Steamはゼロ速度でフルトルクを生成します。他の場所で述べたように、電気自動車（同じような特性を持っている）のように、ギアボックスから得られるものはほとんどなく、車輪を直接駆動することもできます。

これはまた、非常に小さいディーゼル機関車の大部分が実際にディーゼル電気であり、パフォーマンスのゼロ速度に近い部分を煩わしくないものにし、非常に高い出力のクラッチを冷却しようとする必要性を取り除きます。

ちなみに、蒸気機関車には一種の「ギアリング」があります。ドライバーはバルブタイミングを制御して、ストロークごとに許容される蒸気量と利用可能なトルクを変えることができます。 ....これは、ドライバーが排気バルブが開くときにシリンダー内にまだかなりの圧力がかかるようにバルブギアセットを持っているため、最初にスタックからの蒸気の強力な爆発があるため、蒸気列車が引き離されるときにこれを見る最大トルク）、速度が上がると吸気バルブが開いているサイクルの一部が効率を改善し、排気が大気圧に近づくにつれて排気音が均一になります。これらの可変バルブリンケージは、当時、すべての大企業の間で争いがあった、より多くの特許侵害を受けた海域の1つでした。

蒸気機関車は蒸気タービンではなく蒸気ピストンを使用します。

蒸気機関車には回転式の動力源がないため、歯車/歯車は無意味です。彼らは前後に行く蒸気ピストンを使用します。

物理学がうまくいくと、ダイレクトドライブはピストン直径、ストローク/偏心、ホイールサイズの達成可能な値で非常にうまくいきました。 しなかったまで。そして、それらを得たのは曲線でした。

ロッドが付いたメインラインプーラー：ギアには大きすぎる

完全に過熱されたボイラーが非常に強力になったため、高速の機関車はこの電力をより高速で使用しました。彼らにとって、サイドロッドのデザインは完璧でした。しかし、ゆっくりと荷物を運ぶ貨物機関車は、低速で動力を伝達するためにより多くの重量をレールに必要としました。これには、重量を分散させるためにより多くの駆動軸が必要でした。それにより、駆動車軸の単一の剛体グループがカーブに対して長すぎました。そのため、2つの（まれに3つの）駆動軸のグループに分割されました。動力伝達は各グループのエンジンを使用して行われ、通常は単純で、時には複合的でした。ユニオンパシフィックのビッグボーイには、2つのグループに8つの駆動軸があり（それぞれ単純なエンジンで、まだギアを避けています）、4つの駆動軸の機関車のようなカーブを処理しました。

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ばかげたことに。バージニア鉄道は最終的にあきらめて電化した。

4000〜6000馬力のこれらの出力レベルでは、ギア駆動は問題外でした。ギアにとっては桁違いに大きな出力でした。時代の電動GG1でさえ、12個の巨大なピニオンを使用して、同じ量の動力を6つの車軸に伝達しました。

はるかに小さなエンジンを装備可能

山岳鉄道は、低出力で軽量の機関車を使用しており、かなりきついカーブを切り開く必要がありました。非常に控えめなサイドロッドの蒸気エンジンでさえ、カーブには硬すぎました。また、パイロットトラックや入札機など、駆動輪以外の車輪に貴重な重量を大量に浪費していました。エフライム・シェイは、実際にギア付き機関車でこの問題を解決しました。これらは小さな機関車であることに注意してください。最大の西メリーランド州＃6のボイラー圧力は200 psiで、最高速度は23 mphです。

エフライム・シェイは機関車の片側に沿って各車輪に連動して駆動軸を取り付けました。ピストンはドライブシャフトを直接クランキングしました。精巧な伸縮式ドライブシャフトに注意してください。中心から外れた場所にあるため、特に重要です。

ギアに注意してください。ソース

チャールズ・ハイスラーは、ドライブシャフトを機関車の中心線に沿って配置し、「双子」ピストン配置を使用しました。サイドロッドに注意してください。つまり、2つの車軸のうち1つだけがドライブシャフトに連動し、サイドロッドはもう一方の車軸に動力を伝達します。そのようなサイドロッドは、おそらく車軸あたり100馬力を意味します。

Climax Manufacturing Co.は、ハイスラーのセンターラインシャフト配置を採用し、クロスシャフトとギアを追加して、蒸気ピストンをほぼ従来の場所に配置しました。

これらのギア付き機関車の配置を見たことで、数千馬力の出力に「拡大」しない場所を確認できます。