Pourquoi les locomotives à vapeur n'ont-elles pas transféré la puissance par les roues dentées?

Les voitures modernes utilisent une roue dentée pour transférer la puissance du moteur aux roues. Les locomotives à vapeur utilisaient une sorte de barres (désolé, je ne suis pas un locuteur natif) pour transférer la puissance aux roues.

Pourquoi les ingénieurs n'ont-ils pas utilisé de roues dentées? Les locomotives à vapeur auraient-elles été plus rapides si elles avaient utilisé des roues dentées?

Je voudrais souligner que les voitures modernes n'utilisent pas de roues dentées pour la transmission, elles utilisent des arbres. Les roues dentées sont utilisées pour l'engrenage et le différentiel.

Mais les mécanismes à barres ont été utilisés principalement parce qu'ils n'avaient pas le genre d'installations de fabrication comme nous le faisons aujourd'hui. Les mécanismes de barre sont faciles à fabriquer, ils sont flexibles et maintenables sur le terrain. Dans tous les cas dans cette conception particulière également parce que le mécanisme entier aurait dû tourner la direction de transmission de puissance 2 fois. Voir le piston est directement connecté à la roue avant et le transférer à la roue suivante est assez simple avec une barre tandis qu'un accouplement d'arbre aurait eu besoin de plus de pièces, qui étaient encore difficiles à fabriquer.

Les moteurs à pistons à vapeur peuvent générer beaucoup de couple à l'arrêt et les pistons peuvent être physiquement éloignés de la chaudière, donc dans la plupart des cas, il est plus pratique d'avoir les pistons entraînant directement les roues via une manivelle. De même, comme les trains n'ont pas de mécanisme de direction en tant que tel et ont des roues à section conique, vous n'avez pas besoin non plus d'un différentiel.

En revanche, les moteurs à combustion interne doivent tourner à un régime assez modéré pour générer un couple utile et produire la plupart de leur couple et de leur puissance dans une plage de régime assez étroite, ils ont donc besoin à la fois d'un moyen de débrayage (embrayage ou convertisseur de couple visqueux) et une boîte de vitesses à rapport sélectionnable afin de fournir un couple utile à une large gamme de vitesses sur route.

De plus, les moteurs à circuit intégré ont tendance à mieux fonctionner avec plusieurs cylindres car cela adoucit la distribution de puissance sur les différentes étapes du cycle de travail et nécessite donc un vilebrequin avec un arbre de sortie commun. Les moteurs à vapeur sont essentiellement des actionneurs pneumatiques afin que vous puissiez effectuer la course de travail aussi longtemps que cela est pratique et obtenir une force linéaire raisonnablement constante.

Les bielles externes sur une locomotive à vapeur sont un analogue direct des bielles qui relient le piston d'un moteur IC au vilebrequin.

La réponse courte est que la caractéristique de couple d'une machine à vapeur signifie simplement qu'une boîte de vitesses n'est pas nécessaire, car le couple est plus ou moins indépendant du régime pour sa plage de vitesse de travail normale.

Voici une photo des vilebrequins à l'intérieur d'un moteur à combustion interne moderne:

Le but de ceux-ci est de convertir le mouvement de va-et-vient du piston en mouvement de rotation. C'est à peu près le même mécanisme que celui utilisé sur les vieilles machines à vapeur:

La différence est que dans le moteur à combustion interne, la puissance n'est pas transférée directement aux roues mais à un arbre. Les raisons de cette différence sont discutées dans d'autres réponses --- Je voulais juste souligner que le mécanisme sous-jacent est le même.

pendant un certain temps, les locomotives à vapeur utilisaient en fait des engrenages et des ensembles cylindre / piston qui entraînaient des vilebrequins. On les appelait des locomotives à engrenages et elles étaient utilisées pour transporter de lourdes charges sur des pentes particulièrement raides à basse vitesse. cela les a rendus populaires pour les opérations de coupe de bois dans l'ouest des États-Unis à l'époque de la vapeur.

pour une utilisation à plus grande vitesse sur des pentes plus graduelles, la méthode à entraînement direct (dans laquelle la bielle engage la ou les roues motrices) est plus simple et fournit une adéquation adéquate entre l'impédance de la charge et celle du moteur.

La vapeur génère un couple complet à vitesse nulle comme cela a été mentionné ailleurs, donc comme dans une voiture électrique (qui a à peu près le même genre de caractéristique), il y a peu à gagner d'une boîte de vitesses, peut aussi bien entraîner les roues directement.

C'est aussi pourquoi la grande majorité des locomotives diesel au-dessus des très petites, sont vraiment diesel-électriques, cela rend la partie de la vitesse presque nulle moins ennuyeuse et supprime la nécessité d'essayer de refroidir un embrayage de très haute puissance.

Soit dit en passant, une locomotive à vapeur a une sorte de «vitesse», dans la mesure où le conducteur peut contrôler le calage de la soupape pour faire varier le volume de vapeur admis par course et donc le couple disponible, ceci est subtilement séparé (mais interagit avec) de la variation de la pression de vapeur .... Vous voyez cela quand un train à vapeur s'éloigne, car initialement il y aura de puissants jets de vapeur de la pile parce que le conducteur a réglé l'engrenage de soupape de telle sorte qu'il y a encore une pression importante dans le cylindre lorsque la soupape d'échappement s'ouvre (Pour maximiser le couple), à ​​mesure que la vitesse augmente, la fraction de cycle, la soupape d'admission ouverte est réduite pour améliorer l'efficacité et la note d'échappement s'unifie à mesure que l'échappement se rapproche de la pression atmosphérique. Ces liaisons de soupapes variables étaient à l'époque l'une des eaux les plus infestées de brevets avec des combats entre tous les grands acteurs.

Les locomotives à vapeur utilisent des pistons à vapeur , pas des turbines à vapeur .

Les engrenages / rouages ​​seraient inutiles car il n'y a pas de source d'énergie rotative sur les locomotives à vapeur. Ils utilisent des pistons à vapeur, qui vont et viennent.

Au fur et à mesure que la physique a fonctionné, l'entraînement direct a très bien fonctionné avec des valeurs réalisables de diamètre de piston, de course / excentrique et de taille de roue. Jusqu'à ce que ce ne soit pas le cas. Et ce qui les a obtenus, ce sont les courbes.

Extracteurs de canalisation principale bloqués avec des tiges: beaucoup trop gros pour les engrenages

Comme les chaudières entièrement surchauffées sont devenues très puissantes, les locomotives de passagers rapides ont utilisé cette puissance à des vitesses plus élevées. Pour eux, la conception de la tige latérale était parfaite. Mais les locomotives à marchandises lentes à transporter nécessitaient plus de poids sur le rail pour transférer la puissance à basse vitesse. Cela a nécessité plus d'essieux moteurs pour répartir le poids. Cela a rendu un seul groupe rigide d'essieux moteurs trop long pour les virages. Ils se sont donc divisés en deux (rarement, trois) groupes d'essieux moteurs. Le transfert de puissance se faisait avec un moteur sur chaque groupe, généralement simple, parfois composé. Le Big Boy d'Union Pacific avait 8 essieux moteurs en deux groupes (chacun avec un moteur simple, en évitant toujours les engrenages), gérant les courbes comme une locomotive à 4 essieux.

src

Pris à l'absurdité. Le Virginian Railway a finalement abandonné et s'est électrifié.

À ces niveaux de puissance, de 4000 à 6000 chevaux, la transmission par engrenages était hors de question: c'était un ordre de grandeur trop puissant pour les engrenages. Même le GG1 électrique de l'époque utilisait douze pignons massifs pour transférer une quantité similaire de puissance à six essieux.

Des moteurs beaucoup plus petits pourraient être équipés

Les chemins de fer de montagne utilisaient des locomotives de faible puissance et légères qui devaient gravir des courbes assez serrées. Même une machine à vapeur à barre latérale très modeste était trop rigide pour les courbes. Ils ont également perdu beaucoup de poids précieux sur des roues non motrices, par exemple le camion pilote et le tender. Ephraim Shay a résolu ce problème avec, en effet, des locomotives à engrenages. Gardez à l'esprit que ce sont de petites locomotives: la plus grande, Western Maryland # 6, a une pression de chaudière de 200 psi et une vitesse de pointe de 23 mph.

Ephraim Shay a mis un arbre de transmission le long d'un côté de la locomotive, engrenant à chaque roue. Les pistons ont directement lancé l'arbre d'entraînement. Notez les arbres d'entraînement télescopiques élaborés, particulièrement importants en raison de son emplacement décentré.

Notez les engrenages. sources

Charles Heisler a placé l'arbre de transmission le long de la ligne médiane de la locomotive et a utilisé un arrangement de pistons "en V". Remarquez les tiges latérales: cela signifie qu'un seul des deux essieux est adapté à l'arbre de transmission, les tiges latérales transfèrent la puissance à l'autre essieu. Des tiges latérales comme celle-ci impliquent peut-être 100 chevaux par essieu.

La Climax Manufacturing Co.a pris la disposition de l'axe central de Heisler et a ajouté un arbre transversal et plus d'engrenages pour placer les pistons à vapeur dans un emplacement presque conventionnel.

Après avoir vu ces arrangements de locomotives à engrenages, vous pouvez voir où ils ne pourraient pas "évoluer" jusqu'à des puissances en chevaux de plusieurs milliers de chevaux.