Dlaczego lokomotywy parowe nie przenosiły mocy za pomocą kół zębatych?

Nowoczesne samochody używają koła zębatego do przenoszenia mocy z silnika na koła. Lokomotywy parowe używały pewnego rodzaju prętów (przepraszam, nie jestem native speakerem), aby przenieść moc na koła.

Dlaczego inżynierowie nie używali kół zębatych? Czy lokomotywy parowe byłyby szybsze, gdyby korzystały z kół zębatych?

Chciałbym zaznaczyć, że nowoczesne samochody nie używają kół zębatych do transmisji, używają wałów. Koła zębate są używane do uzębienia i mechanizmu różnicowego.

Ale mechanizmy prętowe były używane głównie dlatego, że nie miały takich zakładów produkcyjnych jak my dzisiaj. Mechanizmy prętowe są łatwe do wykonania, są elastyczne i łatwe w utrzymaniu w terenie. W każdym razie w tym konkretnym projekcie również dlatego, że cały mechanizm musiałby 2 razy obrócić kierunek przenoszenia mocy. Zobacz, jak tłok jest bezpośrednio połączony z przednim kołem, a przeniesienie go na kolejne koło jest dość proste za pomocą pręta, podczas gdy sprzęgło wału wymagałoby więcej części, które ponownie były trudne do wytworzenia.

Silniki tłokowe parowe mogą generować duży moment obrotowy ze stacjonarnych, a tłoki mogą być fizycznie oddalone od kotła, więc w większości przypadków najwygodniej jest mieć tłoki bezpośrednio napędzające koła za pomocą korby. Podobnie, ponieważ pociągi nie mają jako takiego mechanizmu kierowniczego i mają koła o przekroju stożkowym, nie potrzebujesz również mechanizmu różnicowego.

W przeciwieństwie do tego silniki spalinowe muszą obracać się z dość umiarkowanymi prędkościami obrotowymi, aby wytworzyć użyteczny moment obrotowy i wytworzyć większość swojego momentu obrotowego i mocy w dość wąskim zakresie prędkości obrotowych, więc potrzebują zarówno środka odłączającego napęd (sprzęgło lub lepki przemiennik momentu obrotowego), jak i przekładnia z możliwością wyboru przełożenia w celu zapewnienia użytecznego momentu obrotowego przy szerokim zakresie prędkości drogowych.

Silniki spalinowe pracują również lepiej z wieloma cylindrami, ponieważ wyrównuje to dostarczanie mocy na różnych etapach cyklu roboczego, a zatem potrzebuje wału korbowego ze wspólnym wałem wyjściowym. Silniki parowe są zasadniczo siłownikami pneumatycznymi, dzięki czemu można wykonać skok roboczy tak długo, jak jest to wygodne i uzyskać względnie stałą siłę liniową.

Zewnętrzne korbowody lokomotywy parowej są bezpośrednim analogiem korbowodów łączących tłok silnika spalinowego z wałem korbowym.

Krótka odpowiedź brzmi: charakterystyka momentu obrotowego silnika parowego oznacza po prostu, że skrzynia biegów jest niepotrzebna, ponieważ moment obrotowy jest mniej więcej niezależny od prędkości obrotowej w normalnym zakresie prędkości roboczej.

Oto zdjęcie wałów korbowych w nowoczesnym silniku spalinowym:

Ich celem jest przekształcenie ruchu tłoka w przód i w tył w ruch obrotowy. Jest to bardzo podobny mechanizm jak w starych silnikach parowych:

Różnica polega na tym, że w silniku spalinowym moc nie jest przenoszona bezpośrednio na koła, lecz na wał. Przyczyny tej różnicy są omówione w innych odpowiedziach --- Chciałem tylko zaznaczyć, że mechanizm leżący u podstaw jest taki sam.

przez jakiś czas lokomotywy parowe faktycznie używały kół zębatych i zestawów cylindrów / tłoków, które napędzały wały korbowe. Były one nazywane lokomotywami z przekładnią i były używane do ciągnięcia ciężkich ładunków, szczególnie na stromych pochyłościach przy niskich prędkościach. dzięki temu stały się popularne podczas operacji pozyskiwania drewna w zachodnich Stanach Zjednoczonych w czasach energii pary.

w przypadku zastosowania wyższej prędkości na bardziej stopniowych zboczach metoda z napędem bezpośrednim (w której korbowód sprzęga się z napędzanym kołem (kołami)) jest prostsza i zapewnia odpowiednie dopasowanie między impedancją obciążenia a impulsem silnika.

Para wytwarza pełny moment obrotowy przy zerowej prędkości, jak wspomniano w innym miejscu, więc podobnie jak w samochodzie elektrycznym (który ma bardzo podobny charakter), niewiele można uzyskać ze skrzyni biegów, równie dobrze może napędzać koła bezpośrednio.

Dlatego też ogromna większość lokomotyw spalinowych nad bardzo małymi jest naprawdę dieslowo-elektryczna, co sprawia, że ​​prawie zerowa prędkość jest mniej denerwująca i eliminuje potrzebę próbowania chłodzenia sprzęgła o bardzo dużej mocy.

Nawiasem mówiąc, lokomotywa parowa ma rodzaj „przekładni”, w której kierowca może kontrolować rozrząd zaworów, aby zmieniać objętość pary dopływającej na skok, a zatem dostępny moment obrotowy, jest to subtelnie oddzielne (ale oddziałuje) od zmiany ciśnienia pary .... Widzisz to, gdy pociąg parowy odjeżdża, ponieważ początkowo będą silne podmuchy pary ze stosu, ponieważ kierowca ma ustawione koło zębate zaworu, tak że w cylindrze nadal występuje znaczne ciśnienie po otwarciu zaworu wydechowego (Aby maksymalizować moment obrotowy), gdy prędkość wzrasta w ułamku cyklu, zawór wlotowy jest otwarty, jest zmniejszany w celu poprawy wydajności, a dźwięk wydechu wyrównuje się, gdy wydmuch zbliża się do ciśnienia atmosferycznego. Te zmienne połączenia zaworów były wówczas jedną z bardziej zainfekowanych przez wody wód, z walkami między wszystkimi dużymi graczami.

Lokomotywy parowe używają tłoków parowych , a nie turbin parowych .

Koła zębate / zębate byłyby bezcelowe, ponieważ lokomotywy parowe nie mają obrotowego źródła energii. Używają tłoków parowych, które poruszają się tam iz powrotem.

W miarę rozwoju fizyki napęd bezpośredni sprawdził się naprawdę dobrze, osiągając wartości średnicy tłoka, skoku / mimośrodu i rozmiaru koła. Aż nie. I to, co je dostało, to krzywe.

Ściągacze głównej linki utknęły z prętami: zdecydowanie za duże na koła zębate

Ponieważ w pełni przegrzane kotły stały się bardzo mocne, szybkie lokomotywy pasażerskie wykorzystywały tę moc przy wyższych prędkościach. Dla nich konstrukcja pręta bocznego była idealna. Jednak lokomotywy towarowe z wolnym ciągnięciem potrzebowały większego ciężaru na szynie, aby przenosić moc przy niskich prędkościach. Wymagało to większej liczby osi napędowych do rozłożenia ciężaru. To sprawiło, że jedna sztywna grupa osi napędowych była zbyt długa na zakręty. Podzielili się więc na dwie (rzadko trzy) grupy osi napędowych. Przeniesienia mocy dokonano za pomocą silnika w każdej grupie, zwykle prostego, czasem złożonego. Big Boy z Union Pacific miał 8 osi napędowych w dwóch grupach (każda z prostym silnikiem, wciąż unikających biegów), prowadzących zakręty jak lokomotywa z 4 osiami napędowymi.

src

Podjęte do absurdu. Virginian Railway w końcu poddała się i naelektryzowała.

Przy tych poziomach mocy, 4000-6000 koni mechanicznych, przekładnia nie wchodziła w rachubę: była o rząd wielkości zbyt duża dla przekładni. Nawet elektryczny GG1 z tamtych czasów wykorzystał dwanaście masywnych zębników do przeniesienia podobnej mocy na sześć osi.

Można by zastosować znacznie mniejsze silniki

Koleje górskie korzystały z lekkich lokomotyw o niskiej mocy, które musiały ślizgać się po dość ciasnych zakrętach. Nawet bardzo skromny silnik parowy z prętem bocznym był zbyt sztywny na zakręty. Zmarnowali także wiele cennego ciężaru na koła bez napędu, np. Na ciężarówkę pilota i przetarg. Efraim Shay rozwiązał ten problem z lokomotywami z przekładnią. Pamiętaj, że są to małe lokomotywy: największa, zachodnia Maryland # 6, ma ciśnienie w kotle wynoszące 200 psi i prędkość maksymalną 23 km / h.

Efraim Shay położył wał napędowy wzdłuż jednej strony lokomotywy, przekładając się na każde koło. Tłoki bezpośrednio obracały wał napędowy. Zwróć uwagę na skomplikowane teleskopowe wały napędowe, szczególnie ważne ze względu na jego położenie poza środkiem.

Zwróć uwagę na koła zębate. źródła

Charles Heisler opuścił wał napędowy wzdłuż linii środkowej lokomotywy i zastosował układ tłoka „vee-twin”. Zwróć uwagę na pręty boczne: oznacza to, że tylko jedna z dwóch osi jest ustawiona na wale napędowym, pręty boczne przenoszą moc na drugą oś. Tego rodzaju pręty boczne oznaczają około 100 koni mechanicznych na oś.

Firma Climax Manufacturing Co. przyjęła układ osi środkowej firmy Heisler i dodała wał poprzeczny oraz więcej przekładni, aby umieścić tłoki pary w prawie konwencjonalnym miejscu.

Po obejrzeniu tych układów lokomotyw z przekładnią można zobaczyć, gdzie nie byłyby one „skalowane” do wielomilionowej mocy wyjściowej.