왜 증기 기관차가 톱니 바퀴로 동력을 전달하지 않았습니까?

현대 자동차는 톱니 바퀴를 사용하여 엔진에서 바퀴로 동력을 전달합니다. 증기 기관차 는 바퀴에 동력을 전달하기 위해 일종의 막대 (죄송합니다. 나는 원어민이 아닙니다)를 사용했습니다.

엔지니어가 왜 톱니 바퀴를 사용하지 않았습니까? 증기 기관차가 톱니 바퀴를 사용했다면 더 빨 랐을까요?

현대 자동차는 톱니 바퀴를 사용하여 변속기를 사용하지 않고 샤프트를 사용한다고 지적하고 싶습니다. 톱니 바퀴는 기어링 및 차동 장치에 사용됩니다.

그러나 바 메커니즘은 오늘날처럼 제조 시설이 없기 때문에 주로 사용되었습니다. 바 메커니즘은 제작이 쉽고 유연하며 현장에서 유지 보수가 가능합니다. 이 특정 설계에서 어쨌든 전체 메커니즘이 동력 전달 방향을 2 번 돌려야했기 때문이다. 피스톤이 앞바퀴에 직접 연결되어 있고 그 다음 바퀴로 전달하는 것은 막대로 매우 간단하지만 샤프트 커플 링은 더 많은 부품이 필요했기 때문에 다시 제조하기 어려웠습니다.

증기 피스톤 엔진은 정지 상태에서 많은 토크를 생성 할 수 있으며 피스톤은 보일러와 물리적으로 멀리 떨어져있을 수 있으므로 대부분의 경우 피스톤이 크랭크를 통해 휠을 직접 구동하는 것이 가장 편리합니다. 마찬가지로 열차에는 스티어링 메커니즘이없고 원뿔형 섹션 휠이 있으므로 차동 장치도 필요하지 않습니다.

대조적으로, 내연 기관은 유용한 토크를 생성하고 상당히 좁은 회전 범위에서 대부분의 토크와 동력을 생성하기 위해 상당히 적당한 RPM으로 회전해야합니다. 광범위한 도로 속도에서 유용한 토크를 제공하기 위해 선택 가능한 비율 기어 박스.

또한 IC 엔진은 여러 실린더에서 더 잘 작동하는 경향이 있는데, 이로 인해 작업 사이클의 다양한 단계에서 전력 공급이 원활 해 지므로 공통 출력 샤프트가있는 크랭크 샤프트가 필요합니다. 증기 엔진은 본질적으로 공압식 액추에이터이므로 작업 스트로크를 편리하고 일정하게 일관된 직선 력으로 유지할 수 있습니다.

증기 기관차의 외부 커넥팅로드는 IC 엔진의 피스톤을 크랭크 샤프트에 연결하는 커넥팅로드와 직접 유사합니다.

짧은 대답은 증기 엔진의 토크 특성은 토크가 정상적인 작동 속도 범위에서 RPM과 다소 독립적이기 때문에 기어 박스가 불필요하다는 것을 의미한다는 것입니다.

다음은 현대식 내연 기관 내부의 크랭크 샤프트 사진입니다.

이것의 목적은 피스톤의 전후 운동을 회전 운동으로 변환하는 것입니다. 오래된 증기 엔진에서 사용되는 것과 거의 동일한 메커니즘입니다.

차이점은 내연 기관에서 동력이 바퀴로 직접 전달되지 않고 샤프트로 전달된다는 것입니다. 이 차이점에 대한 이유는 다른 답변에서 논의됩니다 --- 나는 기본 메커니즘이 동일하다는 것을 지적하고 싶었습니다.

한동안 증기 기관차는 실제로 크랭크 샤프트를 구동하는 기어와 실린더 / 피스톤 세트를 사용했다. 이것을 기어 기관차라고하며 저속에서 특히 가파른 경사를 무거운 짐을 싣는 데 사용되었습니다. 이것은 증기 력의 시대에 미국 서부의 목재 벌목 작업으로 인기를 끌었습니다.

보다 점진적인 경사에서 더 빠른 속도로 사용하기 위해, 직접 구동 방법 (커넥팅로드가 피동 휠 (들)과 맞 물리는 방식)이 더 간단하고 부하 임피던스와 엔진 임피던스 사이의 적절한 매칭을 제공합니다.

증기는 다른 곳에서 언급했듯이 제로 속도로 최대 토크를 생성하므로 전기 자동차 (매우 동일한 종류의 특성을 가짐)와 마찬가지로 기어 박스에서 얻을 수있는 것이 거의 없으며 바퀴를 직접 구동 할 수 있습니다.

이것은 또한 매우 작은 위의 디젤 기관차의 대부분이 실제로 디젤 전기이며, 성능의 거의 제로 속도 부분을 덜 성가 시게 만들고 매우 높은 파워 클러치를 냉각시킬 필요성을 제거합니다.

부수적으로 스팀 로코에는 일종의 "기어링 (gearing)"이 있는데, 운전자가 밸브 타이밍을 제어하여 스트로크 당 허용되는 스팀의 양과 가용 토크를 변화시킬 수 있다는 점에서 이것은 스팀 압력 변화와 미묘하게 분리되어 있지만 상호 작용합니다. .... 초기에 증기 기관차가 빠져 나올 때이 현상을 볼 수 있습니다. 운전자는 배기 밸브가 열릴 때 실린더에 상당한 압력이 가해 지도록 드라이버에 밸브 기어 세트가 있기 때문입니다. 속도가 올라감에 따라 흡기 밸브가 열려있는 사이클의 비율이 증가함에 따라 효율이 향상되고 배기 가스가 대기압에 가까워짐에 따라 배기음이 고르게됩니다. 이 가변 밸브 링키지는 당시 모든 대기업들 사이의 싸움으로 특허가 많이 퍼진 물 중 하나였습니다.

증기 기관차는 증기 터빈이 아닌 증기 피스톤을 사용 합니다.

증기 기관차에 회전 동력원이 없기 때문에 기어 / 톱니 바퀴는 무의미합니다. 그들은 앞뒤로 움직이는 증기 피스톤을 사용합니다.

물리학이 발전함에 따라 다이렉트 드라이브는 달성 할 수있는 피스톤 직경, 스트로크 / 편심 및 휠 크기 값으로 실제로 잘 작동했습니다. 그렇지 않을 때까지.그리고 그것들은 커브였습니다.

메인 라인 풀러에 막대가 붙어 있음 : 기어에 비해 너무 큼

완전 과열 보일러가 매우 강력 해짐에 따라 고속 승용차가이 힘을 더 빠른 속도로 사용했습니다. 그들에게는 사이드로드 디자인이 완벽했습니다. 그러나 느린화물 운송 기관차는 저속으로 동력을 전달하기 위해 레일에 더 많은 무게가 필요했습니다. 무게를 분산시키기 위해서는 더 많은 구동축이 필요했습니다. 이로 인해 곡선에 비해 하나의 단단한 구동축 그룹이 너무 길어졌습니다. 그래서 그들은 두 개의 (드물게 세 개의) 구동 액슬 그룹으로 나뉩니다. 동력 전달은 각 그룹의 엔진으로 이루어졌으며, 보통 단순하고 때로는 복합적이었습니다. Union Pacific의 Big Boy는 4 구동 액슬 기관차와 같은 곡선을 처리하는 두 그룹 (각각 간단한 엔진으로 기어를 사용하지 않음)으로 8 개의 구동 축을 가졌습니다.

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부조리에 가져 갔다. 버지니아 철도는 마침내 포기하고 전기를. 다.

이러한 동력 레벨에서 4000-6000 마력 인 기어 구동은 의문의 여지가 없었습니다. 그것은 기어에 비해 너무 큰 전력이었습니다. 시대의 전기 GG1조차도 12 개를 사용했습니다 거대한 피니언을 하여 비슷한 양의 힘을 6 개의 차축으로 옮겼습니다.

훨씬 더 작은 엔진을 장착 할 수 있습니다

산악 철도는 저전력의 가벼운 기관차를 사용하여 상당히 좁은 곡선을 미끄러 뜨려야했습니다. 매우 작은 측면로드 증기 엔진조차도 곡선에 비해 너무 뻣뻣했습니다. 또한 파일럿 트럭 및 입찰과 같은 비 구동 휠에 많은 무게를 낭비했습니다. 에브라임 셰이는 실제로 기어가 달린 기관차로이 문제를 해결했습니다. 가장 큰 서부 메릴랜드 # 6의 보일러 압력은 200psi이며 최고 속도는 23mph입니다.

Ephraim Shay는 기관차의 한 측면을 따라 구동축을 각 바퀴에 맞춰 넣습니다. 피스톤은 구동축을 직접 크랭크했다. 정교한 텔레 스코핑 구동축은 중심에서 벗어난 위치로 인해 특히 중요합니다.

기어에 유의하십시오. 출처

Charles Heisler는 구동축을 기관차 중심선에 놓고 "vee-twin"피스톤 배열을 사용했습니다. 측면 막대를 참고하십시오. 즉, 두 축 중 하나만 구동축에 맞춰지고 측면 막대는 다른 축으로 동력을 전달합니다. 이와 같은 사이드로드는 액슬 당 100 마력 일 수 있습니다.

Climax Manufacturing Co.는 Heisler의 중심선 샤프트 배열을 취하고 크로스 샤프트와 더 많은 기어링을 추가하여 스팀 피스톤을 거의 일반적인 위치에 배치했습니다.

이러한 기어 기관차 배치를 보았을 때, 이들이 다중 마력 출력까지 "확대"되지 않는 위치를 볼 수 있습니다.