Perché le locomotive a vapore non trasferiscono energia tramite le ruote dentate?

Le auto moderne utilizzano la ruota dentata per trasferire la potenza dal motore alle ruote. Le locomotive a vapore hanno usato una sorta di barre (scusate, non sono un madrelingua) per trasferire la potenza alle ruote.

Perché gli ingegneri non hanno usato le ruote dentate? Le locomotive a vapore sarebbero state più veloci se avessero usato le ruote dentate?

Vorrei sottolineare che le auto moderne non usano le ruote dentate per la trasmissione, usano alberi. Le ruote dentate sono utilizzate per la trasmissione e il differenziale.

Ma i meccanismi a barra sono stati usati principalmente perché non avevano il tipo di impianti di produzione come facciamo oggi. I meccanismi a barra sono facili da realizzare, flessibili e mantenibili sul campo. In ogni caso in questo particolare progetto anche perché l'intero meccanismo avrebbe dovuto girare la direzione di trasmissione della potenza 2 volte. Vedere il pistone è direttamente collegato alla ruota anteriore e trasferirlo alla ruota successiva è piuttosto semplice con una barra, mentre un accoppiamento dell'albero avrebbe richiesto più parti, che di nuovo erano difficili da fabbricare.

I motori a pistoni a vapore possono generare molta coppia da fermi e i pistoni possono essere fisicamente distanti dalla caldaia, quindi nella maggior parte dei casi è più conveniente avere i pistoni che guidano direttamente le ruote tramite una manovella. Allo stesso modo in cui i treni non hanno un meccanismo di sterzo in quanto tale e hanno ruote a sezione conica, non è nemmeno necessario un differenziale.

Al contrario, i motori a combustione interna devono girare a un regime abbastanza moderato per generare una coppia utile e produrre la maggior parte della loro coppia e potenza in un intervallo di regimi piuttosto stretto, quindi hanno bisogno sia di un mezzo di disinnesto della trasmissione (frizione o convertitore di coppia viscoso) sia un cambio selezionabile per fornire una coppia utile a una vasta gamma di velocità su strada.

Inoltre, i motori IC tendono a funzionare meglio con più cilindri in quanto ciò uniforma l'erogazione della potenza nei vari stadi del ciclo di lavoro e quindi necessita di un albero a gomiti con un albero di uscita comune. I motori a vapore sono essenzialmente attuatori pneumatici in modo da poter eseguire la corsa di lavoro finché è conveniente e ottenere una forza lineare ragionevolmente coerente.

Le bielle esterne su una locomotiva a vapore sono un analogo diretto delle bielle che collegano il pistone di un motore IC all'albero motore.

La risposta breve è che la caratteristica di coppia di un motore a vapore significa semplicemente che un cambio non è necessario, poiché la coppia è più o meno indipendente dal numero di giri per la sua normale gamma di velocità di lavoro.

Ecco un'immagine degli alberi a gomito all'interno di un moderno motore a combustione interna:

Lo scopo di questi è quello di convertire il movimento avanti e indietro del pistone in movimento rotatorio. È praticamente lo stesso meccanismo usato sui vecchi motori a vapore:

La differenza è che nel motore a combustione interna la potenza non viene trasferita direttamente alle ruote ma ad un albero. Le ragioni di questa differenza sono discusse in altre risposte --- Volevo solo sottolineare che il meccanismo sottostante è lo stesso.

per un po ', le locomotive a vapore hanno effettivamente utilizzato ingranaggi e gruppi cilindro / pistone che hanno guidato gli alberi a gomito. Questi erano chiamati locomotive a ingranaggi e venivano usati per trasportare carichi pesanti su pendenze particolarmente ripide a basse velocità. questo li rese famosi per le operazioni di disboscamento del legname negli Stati Uniti occidentali durante i giorni della produzione di vapore.

per un uso a velocità più elevata su pendenze più graduali, il metodo di azionamento diretto (in cui la biella si innesta sulle ruote motrici) è più semplice e fornisce una corrispondenza adeguata tra l'impedenza del carico e quella del motore.

Il vapore genera la coppia massima a velocità zero come è stato menzionato altrove, quindi come in un'auto elettrica (che ha praticamente lo stesso tipo di caratteristiche), c'è poco da guadagnare da un cambio, può anche guidare direttamente le ruote.

Questo è anche il motivo per cui la stragrande maggioranza delle locomotive diesel sopra le dimensioni molto ridotte, sono veramente diesel-elettriche, rende meno fastidiosa la parte della velocità quasi zero delle prestazioni ed elimina la necessità di provare a raffreddare una frizione di potenza molto elevata.

Per inciso una locomotiva a vapore ha una sorta di "ingranaggio", in quanto il guidatore può controllare la fasatura della valvola per variare il volume di vapore ammesso per corsa e quindi la coppia disponibile, questo è leggermente separato (ma interagisce con) dal variare della pressione del vapore .... Si vede questo quando un treno a vapore si allontana poiché inizialmente ci saranno potenti soffi di vapore dallo stack perché il conducente ha l'ingranaggio della valvola impostato in modo che vi sia ancora una pressione significativa nel cilindro quando la valvola di scarico si apre (A massimizzare la coppia), man mano che la velocità sale alla frazione di un ciclo, la valvola di aspirazione è aperta per migliorare l'efficienza e la nota di scarico si uniforma man mano che lo scarico si avvicina alla pressione atmosferica. Questi collegamenti variabili delle valvole erano una delle acque più infestate dai brevetti di allora con scontri tra tutti i grandi giocatori.

Le locomotive a vapore utilizzano pistoni a vapore , non turbine a vapore .

Ingranaggi / ingranaggi sarebbero inutili poiché non vi è alcuna fonte rotante di energia sulle locomotive a vapore. Usano i pistoni a vapore, che vanno avanti e indietro.

Mentre la fisica ha funzionato, l'azionamento diretto ha funzionato davvero bene con valori raggiungibili di diametro del pistone, corsa / eccentrico e dimensioni della ruota. Fino a quando non lo ha fatto. E ciò che li ha ottenuti sono state le curve.

Estrattori Mainline bloccati con aste: troppo grandi per gli ingranaggi

Man mano che le caldaie completamente surriscaldate diventavano molto potenti, le locomotive passeggeri veloci utilizzavano questa potenza a velocità più elevate. Per loro, il design dell'asta laterale era perfetto. Ma le locomotive da trasporto a trascinamento lento avevano bisogno di più peso sulla rotaia per trasferire la potenza alle basse velocità. Ciò ha richiesto un numero maggiore di assi motore per distribuire il peso. Ciò ha reso un singolo gruppo rigido di assi motore troppo lungo per le curve. Quindi si divisero in due (raramente, tre) gruppi di assi motore. Il trasferimento di potenza è stato effettuato con un motore su ciascun gruppo, di solito semplice, a volte composto. Il Big Boy di Union Pacific aveva 8 assi di trasmissione in due gruppi (ciascuno con un motore semplice, evitando ancora le marce), gestendo le curve come una locomotiva a 4 assi.

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Preso all'assurdità. La Virginian Railway alla fine si arrese ed elettrificata.

A questi livelli di potenza, 4000-6000 cavalli, la trasmissione a ingranaggi era fuori discussione: era un ordine di grandezza troppo potente per gli ingranaggi. Perfino il GG1 elettrico dell'epoca usava dodici pignoni enormi per trasferire una quantità simile di potenza a sei assi.

Potrebbero essere innestati motori molto più piccoli

Le ferrovie di montagna utilizzavano locomotive a bassa potenza e leggere che dovevano strisciare su curve abbastanza strette. Perfino un motore a vapore ad aste laterali molto modesto era troppo rigido per le curve. Hanno anche sprecato molto peso prezioso sulle ruote non motrici, ad esempio il camion pilota e il tender. Ephraim Shay ha risolto questo problema con locomotive equipaggiate. Ricorda che si tratta di piccole locomotive: la più grande, Western Maryland n. 6, ha una pressione della caldaia di 200 psi e una velocità massima di 23 mph.

Ephraim Shay mise un albero motore lungo un lato della locomotiva, innestando ogni ruota. I pistoni azionavano direttamente l'albero di trasmissione. Notare gli elaborati alberi di trasmissione telescopici, soprattutto importanti per la sua posizione decentrata.

Nota gli ingranaggi. fonti

Charles Heisler mise l'albero di trasmissione lungo la linea centrale della locomotiva e usò una disposizione a pistoni "gemello a V". Notare le aste laterali: ciò significa che solo uno dei due assi è orientato sull'albero motore, le aste laterali trasferiscono la potenza sull'altro asse. Le aste laterali come quella implicano forse 100 cavalli per asse.

La Climax Manufacturing Co. ha adottato la disposizione dell'albero centrale della Heisler e ha aggiunto un albero trasversale e più ingranaggi per posizionare i pistoni a vapore in una posizione quasi convenzionale.

Avendo visto queste disposizioni di locomotive a ingranaggi, puoi vedere dove non potrebbero "scalare" fino alle uscite di più di mille cavalli.