Mengapa lokomotif uap tidak mentransfer daya dengan roda gigi?

19

Mobil modern menggunakan roda gigi untuk mentransfer daya dari mesin ke roda. Lokomotif uap menggunakan semacam batangan (maaf, saya bukan penutur asli) untuk mentransfer daya ke roda.

Mengapa para insinyur tidak menggunakan roda gigi? Apakah lokomotif uap akan lebih cepat jika mereka menggunakan roda gigi?

steam

— J. Doe
sumber

1

Kecuali jika saya salah, lokomotif Shay menggunakan roda gigi untuk mentransfer daya dari poros engkol ke roda. Satu-satunya "batang" pada dasarnya adalah batang piston biasa.

— Hot Licks

Ini berlaku untuk lokomotif diesel juga. Hanya sedikit lokomotif diesel (dan sangat kecil ) yang menggunakan roda bergigi.

— vsz

1

Lokomotif uap dengan penggerak diarahkan untuk digunakan dalam situasi khusus, sebagian besar melibatkan pengangkutan beban berat dengan kecepatan lambat pada tanjakan curam. Beberapa jenis dikembangkan, termasuk Shay (dinamai setelah pemegang paten asli, Ephraim Shay), Climax (dipatenkan oleh Russ Battles), dan Heisler (paten Charles Heisler). Lihat en.wikipedia.org/wiki/Geared_steam_locomotive

— Bob Jarvis - Reinstate Monica

Komentar-jawaban dari @HughMurphy: "Jika Anda pernah pergi ke Colorado Springs, Anda dapat memeriksa Pikes Peak Cog Railway. Cograilway.com "

— peterh - Reinstate Monica

12

Saya ingin menunjukkan bahwa mobil modern tidak menggunakan roda gigi untuk transmisi, mereka menggunakan poros. Cogwheels digunakan untuk gearing dan diferensial.

Tetapi mekanisme batang digunakan sebagian besar karena mereka tidak memiliki jenis fasilitas manufaktur seperti yang kita lakukan hari ini. Mekanisme batang mudah dibuat, fleksibel dan dapat dipelihara di lapangan. Bagaimanapun juga dalam desain khusus ini juga karena seluruh mekanisme harus memutar arah transmisi daya 2 kali. Lihat piston terhubung langsung ke roda depan dan mentransfernya ke roda berikutnya cukup sederhana dengan batang sementara kopling poros akan membutuhkan lebih banyak bagian, yang lagi-lagi sulit untuk diproduksi.

— joojaa
sumber

3

Benar - kecuali ada kebutuhan untuk menggerakkan roda pada rpm berbeda dari laju siklus piston uap, gearing tidak ada gunanya.

— Carl Witthoft

13

Ini salah di sebagian besar poinnya. Pertama, pemotongan gigi mendahului mesin uap. Dan kemudian ada fakta bahwa mesin uap kereta api diarahkan adalah sesuatu yang ada. Roda gigi tidak diperlukan di lokomotif arus utama biasa, tetapi mereka mungkin dan digunakan di mana diperlukan.

— Chris Stratton

2

@ ChrisStratton Hanya karena sebuah konsep diciptakan sebelum konsep yang lain, tidak berarti konsep pertama disempurnakan hingga dapat diproduksi dengan presisi dan kekuatan yang diperlukan. Lebih jauh, jelas itu mungkin untuk dibangun - itu bukan inti dari pertanyaan.

— pipa

3

Ada kereta api yang indah di Virginia Barat ( mountainrailwv.com/tour/the-durbin-rocket ) yang mengoperasikan lokomotif heisler . Ia memiliki mesin V-twin 90 derajat yang memutar poros penggerak yang menjalankan seluruh lokomotif dan tender. Semua roda lokomotif dan tender ditenagai. Itu tidak berjalan sangat cepat, tetapi bisa naik nilai curam.

— Solomon Slow

6

@ joojaa - yang Anda buktikan hanyalah, bahkan setelah membaca jawaban akurat yang diposkan oleh orang lain, Anda masih tidak mengerti masalah desain aktual yang terlibat di sini. Ini bukan masalah manufaktur modern (sekali lagi, roda gigi presisi yang mendahului mesin uap) tetapi mencocokkan rezim mesin operasi terbaik dengan beban. Dulu dan sekarang, roda gigi digunakan ketika dibutuhkan, dan bukan saat tidak

— Chris Stratton

35

Mesin piston uap dapat menghasilkan banyak torsi dari stasioner dan piston dapat secara fisik jauh dari boiler, jadi dalam kebanyakan kasus, paling nyaman untuk memiliki piston langsung menggerakkan roda melalui engkol. Sama seperti kereta tidak memiliki mekanisme kemudi seperti itu dan memiliki roda bagian kerucut, Anda tidak perlu diferensial juga.

Sebaliknya, mesin pembakaran internal harus berputar pada RPM yang cukup moderat untuk menghasilkan torsi yang bermanfaat dan menghasilkan sebagian besar torsi dan daya dalam rentang putaran yang cukup sempit sehingga mereka membutuhkan kedua sarana pelepasan drive (kopling atau konverter torsi kental) dan gearbox rasio yang dapat dipilih untuk memberikan torsi yang bermanfaat pada berbagai kecepatan jalan.

Selain itu, mesin IC cenderung bekerja lebih baik dengan beberapa silinder karena hal ini memperlancar pengiriman daya pada berbagai tahap siklus kerja yang berbeda dan karenanya memerlukan poros engkol dengan poros keluaran umum. Mesin uap pada dasarnya adalah aktuator pneumatik sehingga Anda dapat membuat langkah kerja selama nyaman dan mendapatkan gaya linier yang cukup konsisten.

Batang penghubung eksternal pada lokomotif uap adalah analog langsung dari batang penghubung yang menghubungkan piston mesin IC ke poros engkol.

Jawaban singkatnya adalah bahwa karakteristik torsi dari mesin uap berarti bahwa gearbox tidak diperlukan, karena torsi kurang lebih independen dari RPM untuk rentang kecepatan kerja normal.

— Chris Johns
sumber

Saya tidak melihat bagaimana belok karena kemudi versus belok karena rel melengkung membuat perbedaan sejauh apakah diferensial diperlukan.

— Akumulasi

1

Karena perbedaan kecepatan antara roda dalam dan luar ditangani oleh roda itu sendiri berbentuk kerucut yaitu mereka dapat secara efektif mengubah diameter sehingga kecepatan roda dapat bervariasi meskipun kecepatan poros konstan.

— Chris Johns

Ya, menurut saya bagian "kerucut" adalah satu-satunya bagian yang relevan. Saya tidak melihat bagaimana menyebutkan kurangnya kemudi itu relevan. (Meskipun untuk menjadi nitpicky saya percaya mereka frustrasi daripada kerucut.)

— Akumulasi

@Akumulasi Roda rel memerlukan gandar penghubung yang solid (tidak ada diferensial) untuk mempertahankan pemusatan di lintasan. Ada penjelasan di sini: en.wikipedia.org/wiki/…

— Anthony X

@AnthonyX komentar Anda dimulai dengan nama pengguna saya, tetapi saya tidak melihat bagaimana tanggapannya terhadap saya.

— Akumulasi

13

Berikut adalah gambar crankshafts di dalam mesin pembakaran internal modern:

Tujuannya adalah mengubah gerakan bolak-balik piston menjadi gerakan rotasi. Ini sangat banyak mekanisme yang sama seperti yang digunakan pada mesin uap tua:

Perbedaannya adalah bahwa pada mesin pembakaran internal tenaga tidak ditransfer langsung ke roda tetapi ke poros. Alasan perbedaan ini dibahas dalam jawaban lain --- Saya hanya ingin menunjukkan bahwa mekanisme yang mendasarinya sama.

— Nathaniel
sumber

5

untuk sementara waktu, lokomotif uap benar-benar menggunakan roda gigi dan set silinder / piston yang menggerakkan poros engkol. Ini disebut lokomotif diarahkan dan mereka digunakan untuk mengangkut beban berat ke atas lereng yang curam dengan kecepatan rendah. ini membuatnya populer untuk operasi penebangan kayu di AS bagian barat selama masa pembangkit listrik tenaga uap.

untuk penggunaan kecepatan lebih tinggi pada lereng yang lebih bertahap, metode penggerak langsung (di mana batang penghubung menggunakan roda penggerak) lebih sederhana dan memberikan kesesuaian yang memadai antara impedansi beban dan beban engine.

— niels nielsen
sumber

Ini berdasarkan pada funicula Italia sejauh yang saya tahu. Apakah Anda yakin mesin menggunakan roda gigi di tempat lain selain menggerakkan roda bergigi di sepanjang rak pinion?

— Carl Witthoft

2

ya, yang umum memiliki tiga silinder sejalan dan menggerakkan roda besar melalui gigi. Saya pikir Baldwin adalah salah satu merek yang membuatnya. Saya akan melihat apakah saya bisa mendapatkan referensi untuk Anda- NN

— niels nielsen

1

contoh yang bagus adalah 3-silinder "Shay", banyak info tentang ini di web.

— niels nielsen

2

Ini tidak menjawab pertanyaan, sebenarnya sebaliknya. Dengan menyatakan contoh penggunaan yang sempit, Anda telah menggambarkan pengecualian yang membuktikan aturan tersebut. Pertanyaannya adalah mengapa roda gigi bukan mode operasi yang paling umum.

— pipa

4

Steam menghasilkan torsi penuh pada kecepatan nol seperti yang telah disebutkan di tempat lain, jadi seperti pada mobil listrik (yang memiliki karakteristik yang hampir sama), ada sedikit yang bisa diperoleh dari gearbox, mungkin juga menggerakkan roda secara langsung.

Ini juga mengapa sebagian besar lokomotif diesel di atas sangat kecil, benar-benar diesel-listrik, itu membuat bagian kecepatan mendekati nol dari kinerja kurang mengganggu, dan menghilangkan kebutuhan untuk mencoba mendinginkan kopling daya yang sangat tinggi.

Secara kebetulan steam loco memiliki semacam "gearing", di mana pengemudi dapat mengontrol timing katup untuk memvariasikan volume steam yang diterima per langkah dan dengan demikian torsi tersedia, ini terpisah secara terpisah (tetapi berinteraksi dengan) dari memvariasikan tekanan uap .... Anda melihat ini ketika kereta uap menarik diri karena pada awalnya akan ada semburan uap yang kuat dari tumpukan karena pengemudi memiliki gir katup yang diatur sedemikian rupa sehingga masih ada tekanan signifikan dalam silinder saat katup buang terbuka (Ke maksimalkan torsi), karena kecepatan muncul fraksi dari siklus katup intake terbuka berkurang untuk meningkatkan efisiensi dan catatan knalpot mereda ketika knalpot menjadi lebih dekat dengan tekanan atmosfer. Keterkaitan katup variabel ini adalah salah satu perairan penuh paten saat itu dengan perkelahian antara semua pemain besar.

— Dan Mills
sumber

Yah ya mesin uap tidak benar-benar sama sekali seperti mesin IC, itu lebih seperti sistem pneumatik sehingga piston di mesin uap lebih seperti piston pada excavator ini , meskipun itu hidrolik.

— joojaa

Waktu katup variabel tidak hanya memberikan kontrol torsi (dan efisiensi yang jauh lebih baik pada "cutoff awal") tetapi juga membalik.

— Brian Drummond

@BrianDrummond Memang, setidaknya di beberapa varian gear valve, trik yang mampu dilakukan beberapa mesin diesel besar. Saya akan mencatat bahwa perawatan harus diambil membandingkan uap dan sistem tenaga hidrolik karena hanya satu dari mereka memiliki ekspansi yang signifikan dari fluida kerja (dengan perubahan suhu yang sesuai) yang membuat siklus termodinamika menarik (Dan di sinilah efisiensi dalam cutoff awal berasal dari (Juga mengapa tanaman majemuk dengan vakum di kondensor begitu menang dalam aplikasi kelautan)).

— Dan Mills

2

Lokomotif uap menggunakan piston uap , bukan turbin uap .

Roda gigi / gigi tidak akan ada gunanya karena tidak ada sumber daya putar pada lokomotif uap. Mereka menggunakan piston uap, yang bolak-balik.

Saat fisika berjalan, drive langsung bekerja sangat baik dengan nilai diameter piston, stroke / eksentrik, dan ukuran roda yang dapat dicapai. Sampai tidak.Dan yang didapat adalah kurva.

Penarik arus utama terjebak dengan batang: terlalu besar untuk roda gigi

Karena boiler yang sepenuhnya super panas menjadi sangat kuat, lokomotif penumpang cepat menggunakan tenaga ini pada kecepatan yang lebih tinggi. Bagi mereka, desain batang samping sempurna. Tetapi lokomotif angkutan barang yang menyeret lambat membutuhkan lebih banyak beban pada rel untuk mentransfer daya pada kecepatan rendah. Ini membutuhkan lebih banyak gandar penggerak untuk menyebarkan bobot. Itu membuat satu kelompok kaku as roda mengemudi terlalu panjang untuk kurva. Jadi mereka terbagi menjadi dua (jarang, tiga) kelompok as roda mengemudi. Pemindahan tenaga dilakukan dengan mesin pada setiap kelompok, biasanya sederhana, kadang-kadang majemuk. Big Boy Union Pacific memiliki 8 as drive dalam dua kelompok (masing-masing dengan mesin sederhana, masih menghindari roda gigi), menangani kurva seperti lokomotif 4-drive-poros.

src

Diambil ke absurditas. Kereta Api Virginian akhirnya menyerah dan dialiri listrik.

Pada level daya ini, 4000-6000 tenaga kuda, penggerak gir keluar dari pertanyaan: itu adalah urutan besarnya daya terlalu besar untuk gir. Bahkan GG1 listrik pada zaman itu menggunakan dua belas pinion masif untuk mentransfer daya yang serupa ke enam as.

Mesin yang jauh lebih kecil bisa diarahkan

Jalur kereta api gunung menggunakan daya rendah, lokomotif ringan yang harus meluncur dengan kurva yang cukup ketat. Bahkan mesin uap sisi-batang yang sangat sederhana terlalu kaku untuk kurva. Mereka juga membuang banyak bobot berharga pada roda non-penggerak, misalnya truk penerbang dan tender. Ephraim Shay memecahkan masalah ini dengan, memang, lokomotif diarahkan. Ingatlah bahwa ini adalah lokomotif kecil: yang terbesar, Maryland Barat # 6, memiliki tekanan boiler 200 psi dan kecepatan tertinggi 23 mph.

Ephraim Shay menempatkan poros penggerak di satu sisi lokomotif, bersiap untuk setiap roda. Piston langsung memutar poros penggerak. Perhatikan poros penggerak teleskop yang rumit, yang paling penting karena lokasinya di luar pusat.

Perhatikan persnelingnya. sumber

Charles Heisler meletakkan poros penggerak di bawah garis tengah lokomotif, dan menggunakan pengaturan piston "vee-twin". Perhatikan batang samping: itu berarti hanya salah satu dari dua as diarahkan untuk poros penggerak, batang samping mentransfer daya ke poros lainnya. Batang samping seperti itu menyiratkan mungkin 100 tenaga kuda per as.

Climax Manufacturing Co. mengambil pengaturan poros tengah Heisler dan menambahkan poros silang dan lebih banyak gearing untuk menempatkan piston uap di lokasi yang hampir konvensional.

Setelah melihat pengaturan lokomotif diarahkan ini, Anda dapat melihat di mana mereka tidak akan "meningkatkan" output multithous dan tenaga kuda.

— Harper - Pasang kembali Monica
sumber