Почему паровозы не передают мощность с помощью зубчатых колес?

19

Современные автомобили используют зубчатое колесо для передачи мощности от двигателя к колесам. Паровозы использовали какие-то решетки (извините, я не являюсь носителем языка) для передачи мощности на колеса.

Почему инженеры не использовали зубчатые колеса? Были бы паровозы быстрее, если бы они использовали зубчатые колеса?

Дж. Доу
источник
1
Если я не ошибаюсь, локомотив Shay использует шестерни для передачи мощности от коленчатого вала на колеса. Единственные «стержни» - это обычные поршневые штоки.
Hot Licks
Это верно и для тепловозов. Лишь очень немногие (и очень маленькие ) тепловозы используют зубчатые колеса.
vsz
1
Паровозы с редукторными приводами использовались в специализированных ситуациях, в основном связанных с перевозкой тяжелых грузов на низкой скорости на крутых уклонах. Было разработано несколько типов, в том числе Shay (названный в честь оригинального держателя патента Ephraim Shay), Climax (запатентовано Russ Battles) и Heisler (патенты Charles Heisler). См. En.wikipedia.org/wiki/Geared_steam_locomobil
Боб Джарвис - Восстановить Монику
Комментарий-ответ @HughMurphy: «Если вы когда-нибудь поедете в Колорадо-Спрингс, вы можете проверить Pikes Peak Cog Railway. Cograilway.com »
peterh - Восстановить Монику

Ответы:

12

Я хотел бы отметить, что современные автомобили не используют зубчатые колеса для трансмиссии, они используют валы. Зубчатые колеса используются для передачи и дифференциала.

Но стержневые механизмы использовались главным образом потому, что у них не было таких производственных мощностей, как у нас сегодня. Механизмы штанги легко изготавливаются, они гибки и ремонтопригодны. В любом случае в этой конкретной конструкции также потому, что весь механизм должен был бы повернуть направление передачи мощности 2 раза. Видите, поршень напрямую соединен с передним колесом, и передача его на последующее колесо довольно проста с помощью планки, в то время как для соединения вала потребовалось бы больше деталей, которые снова были сложны в изготовлении.

joojaa
источник
3
Правильно - если бы не было необходимости приводить колеса в число оборотов, отличное от скорости цикла парового поршня, передача была бы бессмысленной.
Карл Виттофт
13
Это неверно в большинстве его пунктов. Во-первых, зубонарезание давно предшествует паровым двигателям. И еще есть факт, что железнодорожные паровые двигатели с редуктором существовали. Механизмы не были необходимы в обычных магистральных локомотивах, но они были возможны и использовались там, где это было необходимо.
Крис Страттон,
2
@ChrisStratton Тот факт, что концепция изобретена раньше другой, не означает, что первая концепция усовершенствована до такой степени, что ее можно реально изготовить с необходимой точностью и прочностью. Кроме того, очевидно, что было возможно построить - это не суть вопроса.
труба
3
В Западной Вирджинии есть живописная железная дорога ( mountainrailwv.com/tour/the-durbin-rocket ), которая управляет локомотивом Heisler . Он имеет 90-градусный V-образный двигатель, поворачивающий ведущий вал, который движется по всей длине локомотива и тендера. Все колеса локомотива и тендера приводятся в движение. Это не очень быстро, но может подниматься круто.
Соломон Слоу
6
@joojaa - все, что вы доказываете, - это то, что даже после предположительного прочтения точных ответов, отправленных другими, вы все равно не понимаете фактических проблем проектирования, связанных с этим. Это не проблема современного производства (опять же, точных передач предшествующих паровых двигателей), а соответствия оптимального режима работы двигателя нагрузке. Тогда и сейчас, механизмы использовались, когда это было необходимо, а не когда
Крис Стрэттон,
35

Паропоршневые двигатели могут генерировать большой крутящий момент от стационарных, а поршни могут быть физически удалены от котла, поэтому в большинстве случаев наиболее удобно, чтобы поршни непосредственно приводили в движение колеса через кривошип. Точно так же, как поезда не имеют рулевого механизма как такового и имеют колеса конического сечения, вам также не нужен дифференциал.

Напротив, двигатели внутреннего сгорания должны вращаться с довольно умеренными оборотами в минуту, чтобы генерировать полезный крутящий момент и вырабатывать большую часть своего крутящего момента и мощности в довольно узком диапазоне оборотов, поэтому им необходимы как средство выключения привода (муфта или гидротрансформатор с вязкостью), так и коробка передач с возможностью выбора соотношения для обеспечения полезного крутящего момента в широком диапазоне скоростей движения.

Кроме того, двигатели с микросхемой, как правило, лучше работают с несколькими цилиндрами, поскольку это сглаживает подачу мощности на различных этапах рабочего цикла и поэтому требует использования коленчатого вала с общим выходным валом. Паровые двигатели - это, по сути, пневматические приводы, поэтому вы можете выполнять рабочий ход настолько долго, насколько это удобно, и получать достаточно стабильную линейную силу.

Внешние шатуны на паровозе являются прямым аналогом шатунов, которые соединяют поршень двигателя IC с коленчатым валом.

Краткий ответ заключается в том, что характеристика крутящего момента парового двигателя просто означает, что коробка передач не нужна, так как крутящий момент более или менее не зависит от оборотов для нормального диапазона рабочих скоростей.

Крис Джонс
источник
Я не вижу, как поворот из-за поворота руля против поворота из-за изогнутых рельсов влияет на то, насколько необходим дифференциал.
Накопление
1
Поскольку разница в скорости между внутренними и внешними колесами обрабатывается коническими колесами, т. Е. Они могут эффективно изменять диаметр, поэтому скорость вращения колес может изменяться, несмотря на постоянную скорость вращения оси.
Крис Джонс
Да, мне кажется, что «коническая» часть является единственной релевантной частью. Я не понимаю, насколько важно упомянуть отсутствие рулевого управления . (Несмотря на то, что они придирчивы, я считаю, что они скорее шишки, а не шишки.)
Накопление
@ Аккумуляция Рельсовые колеса должны иметь сплошную соединительную ось (без дифференциала), чтобы правильно поддерживать центрирование на пути. Здесь есть объяснение: en.wikipedia.org/wiki/…
Энтони Икс
@AnthonyX ваш комментарий начинается с моего имени пользователя, но я не понимаю, как это ответ на мой.
Накопление
13

Вот изображение коленчатых валов внутри современного двигателя внутреннего сгорания:

введите описание изображения здесь

Цель этого состоит в том, чтобы преобразовать движение поршня вперед-назад во вращательное движение. Это очень похожий механизм, который используется на старых паровых двигателях:

введите описание изображения здесь

Разница в том, что в двигателе внутреннего сгорания мощность передается не непосредственно на колеса, а на вал. Причины этого различия обсуждаются в других ответах - я просто хотел указать, что основной механизм тот же.

Натаниель
источник
5

некоторое время паровозы фактически использовали шестерни и комплекты цилиндров / поршней, которые приводили в движение коленчатые валы. Их называли локомотивами-редукторами, и они использовались для подъема тяжелых грузов, особенно на крутых склонах, на низких скоростях. это сделало их популярными для лесозаготовительных работ на западе США во времена паровой энергетики.

для более высоких скоростей на более постепенных уклонах метод прямого привода (при котором шатун входит в зацепление с приводным колесом (колесами)) является более простым и обеспечивает адекватное соответствие между полным сопротивлением нагрузки и сопротивлением двигателя.

Нильс Нильсен
источник
Насколько я знаю, они были основаны на итальянских фуникулах. Вы уверены, что двигатель использовал передачи где-нибудь, кроме как для привода зубчатого колеса вдоль зубчатой ​​рейки?
Карл Виттофт
2
да, обычные имели три цилиндра в одной линии и приводили большие колеса в движение. Я думаю, что Болдуин был одним брендом, который сделал это. Я посмотрю, смогу ли я получить справку для вас - НН
Нильс Нильсен
1
Хорошим примером был «Shay» с 3 цилиндрами, много информации об этом в Интернете.
Нильс Нильсен
2
Это не отвечает на вопрос, на самом деле наоборот. Излагая узкий пример использования, вы демонстрируете исключение, которое подтверждает правило. Вопрос в том, почему зубчатые колеса были не самым распространенным режимом работы.
труба
4

Steam генерирует полный крутящий момент при нулевой скорости, как было упомянуто в других местах, поэтому, как и в электромобиле (который имеет почти такие же характеристики), от коробки передач мало что можно получить, а также он может напрямую приводить в движение колеса.

Именно поэтому подавляющее большинство дизельных локомотивов выше очень маленьких, действительно дизель-электрических, это делает часть производительности с почти нулевой скоростью менее раздражающей и устраняет необходимость пытаться охладить сцепление очень высокой мощности.

Между прочим, паровой локомотив имеет своего рода «зубчатую передачу», в которой водитель может управлять синхронизацией клапана, чтобы варьировать объем пара, допущенного за один ход, и, таким образом, имеющийся крутящий момент, который тонко отделен (но взаимодействует с) от изменения давления пара. .... Вы видите это, когда паровоз отъезжает, так как вначале будут происходить мощные выбросы пара из дымовой трубы, потому что у водителя установлен редуктор клапана, так что в цилиндре все еще остается значительное давление при открытии выпускного клапана. максимизировать крутящий момент), так как скорость возрастает, доля цикла, в течение которого впускной клапан открыт, уменьшается, чтобы повысить эффективность, и нота выхлопа выравнивается, когда выхлоп становится ближе к атмосферному давлению. Эти переменные клапанные связи были одной из наиболее запатентованных вод тогда, когда происходили бои между всеми крупными игроками.

Дэн Миллс
источник
Да, паровой двигатель на самом деле совсем не похож на двигатель с микросхемой, он больше похож на пневматическую систему, поэтому поршень в паровом двигателе больше похож на поршень, скажем, на этом экскаваторе , хотя он и гидравлический.
joojaa
Регулируемая синхронизация клапана обеспечивает не только контроль крутящего момента (и значительно улучшенную эффективность при «раннем отключении»), но и реверсирование.
Брайан Драммонд
@BrianDrummond Действительно, по крайней мере, в некоторых вариантах клапанного механизма, уловка, на которую также способны некоторые большие дизельные двигатели. Я хотел бы отметить, что следует соблюдать осторожность, сравнивая паровую и гидравлическую энергетическую систему, поскольку только одна из них имеет значительное расширение рабочей жидкости (с соответствующим изменением температуры), что делает термодинамически интересным цикл (а в этом случае эффективность при раннем отключении Происходит (также, почему сложные установки с вакуумом в конденсаторах так выигрывают в морских применениях)).
Дэн Миллс
2

Паровозы используют паровые поршни , а не паровые турбины .

Механизмы / винтики были бы бессмысленными, так как на паровозах нет роторного источника энергии. Они используют паровые поршни, которые ходят взад и вперед.

По мере проработки физики, прямой привод работал очень хорошо с достижимыми значениями диаметра поршня, хода / эксцентрика и размера колеса. Пока этого не произошло. И что их получило, так это кривые.

Съемники магистрали, застрявшие в стержнях: слишком большой для зубчатых колес

Поскольку полностью перегретые котлы стали очень мощными, скоростные пассажирские локомотивы использовали эту мощность на более высоких скоростях. Для них дизайн боковой тяги был идеальным. Но грузовые локомотивы с медленной нагрузкой нуждались в большем весе на рельсе для передачи мощности на низких скоростях. Это потребовало больше ведущих мостов, чтобы распределить вес. Это делало одну жесткую группу ведущих осей слишком длинной для кривых. Таким образом, они делятся на две (редко три) группы ведущих мостов. Передача мощности была сделана с двигателем в каждой группе, обычно простой, иногда составной. У Big Pacific в Юнион Пасифик было 8 ведущих мостов в двух группах (каждая с простым двигателем, все еще избегая передач), с кривыми движениями, как у локомотива с 4-мя осями.

введите описание изображения здесь ЦСИ

Взятые до абсурда. Вирджинская железная дорога наконец сдалась и электрифицировалась.

При этих уровнях мощности, 4000-6000 лошадиных сил, о передаче не могло быть и речи: это было на порядок больше мощности для зубчатых колес. Даже электрический GG1 той эпохи использовал двенадцать массивных шестерен для передачи одинакового количества мощности на шесть осей.

Гораздо меньшие двигатели могут быть приспособлены

Горные железные дороги использовали маломощные, легкие локомотивы, которые должны были скользить по довольно узким изгибам. Даже очень скромный паровой двигатель с боковым штоком был слишком жестким для кривых. Они также потратили много драгоценного веса на неприводные колеса, например, на пилотный грузовик и тендер. Эфраим Шей решил эту проблему с помощью действительно локомотивов. Имейте в виду, что это небольшие локомотивы: самый большой, Западный Мэриленд № 6, имеет давление в котле 200 фунтов на квадратный дюйм и максимальную скорость 23 мили в час.

Эфраим Шей положил ведущий вал вдоль одной стороны локомотива, включив передачу на каждое колесо. Поршни непосредственно проворачивали приводной вал. Обратите внимание на тщательно продуманные телескопические приводные валы, что особенно важно из-за его смещения от центра.

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь Обратите внимание на механизмы. источники

Чарльз Хейслер положил приводной вал вниз по центральной линии локомотива и использовал поршневой механизм типа «тройник». Обратите внимание на боковые тяги: это означает, что только одна из двух осей связана с ведущим валом, боковые тяги передают мощность на другую ось. Боковые тяги, как это, подразумевают около 100 лошадиных сил на ось.

введите описание изображения здесь

Компания Climax Manufacturing Co. взяла расположение оси в центре Хейслера и добавила поперечный вал и дополнительное зубчатое колесо, чтобы поместить паровые поршни в почти обычное место.

введите описание изображения здесь

Увидев эти механизмы локомотивов, вы увидите, где они не будут «масштабироваться» до многотысячной мощности.

Харпер - Восстановить Монику
источник