¿Por qué las locomotoras de vapor no transfirieron energía por medio de ruedas dentadas?

Los automóviles modernos usan una rueda dentada para transferir la potencia del motor a las ruedas. Las locomotoras de vapor usaban algún tipo de barras (lo siento, no soy un hablante nativo) para transferir la potencia a las ruedas.

¿Por qué los ingenieros no usaron ruedas dentadas? ¿Las locomotoras de vapor hubieran sido más rápidas si hubieran usado ruedas dentadas?

Me gustaría señalar que los automóviles modernos no usan ruedas dentadas para la transmisión, sino que usan ejes. Las ruedas dentadas se utilizan para el engranaje y el diferencial.

Pero los mecanismos de barra se utilizaron principalmente porque no tenían el tipo de instalaciones de fabricación que tenemos hoy. Los mecanismos de barra son fáciles de hacer, son flexibles y se pueden mantener en el campo. En cualquier caso, en este diseño particular también porque todo el mecanismo habría tenido que girar la dirección de transmisión de potencia 2 veces. Vea que el pistón está conectado directamente a la rueda delantera y transferir eso a la rueda posterior es bastante simple con una barra, mientras que un acoplamiento del eje habría necesitado más piezas, que de nuevo fueron difíciles de fabricar.

Los motores de pistón de vapor pueden generar una gran cantidad de torque desde la estación y los pistones pueden estar físicamente alejados de la caldera, por lo que en la mayoría de los casos es más conveniente que los pistones conduzcan directamente las ruedas a través de una manivela. Igualmente, como los trenes no tienen un mecanismo de dirección como tal y tienen ruedas de sección cónica, tampoco necesita un diferencial.

Por el contrario, los motores de combustión interna deben girar a un RPM bastante moderado para generar un par útil y producir la mayor parte de su par y potencia en un rango de revoluciones bastante estrecho, por lo que necesitan un medio para desactivar la transmisión (embrague o convertidor de par viscoso) y Una caja de cambios de relación seleccionable para proporcionar un par útil a una amplia gama de velocidades de carretera.

Además, los motores IC tienden a funcionar mejor con múltiples cilindros, ya que esto suaviza la entrega de potencia en las diferentes etapas del ciclo de trabajo y, por lo tanto, necesita un cigüeñal con un eje de salida común. Los motores de vapor son esencialmente actuadores neumáticos, por lo que puede realizar la carrera de trabajo siempre que sea conveniente y obtener una fuerza lineal razonablemente consistente.

Las bielas externas en una locomotora de vapor son un análogo directo de las bielas que unen el pistón de un motor IC al cigüeñal.

La respuesta breve es que la característica de torque de una máquina de vapor simplemente significa que una caja de cambios es innecesaria, ya que el torque es más o menos independiente de las RPM para su rango de velocidad de trabajo normal.

Aquí hay una foto de los cigüeñales dentro de un moderno motor de combustión interna:

El propósito de estos es convertir el movimiento de ida y vuelta del pistón en movimiento de rotación. Es prácticamente el mismo mecanismo que el utilizado en las máquinas de vapor antiguas:

La diferencia es que en el motor de combustión interna la potencia no se transfiere directamente a las ruedas sino a un eje. Las razones de esta diferencia se discuten en otras respuestas. Solo quería señalar que el mecanismo subyacente es el mismo.

Durante un tiempo, las locomotoras de vapor utilizaron engranajes y juegos de cilindros / pistones que accionaban cigüeñales. Se llamaron locomotoras con engranajes y se utilizaron para transportar cargas pesadas en pendientes particularmente empinadas a bajas velocidades. esto los hizo populares para las operaciones de tala de madera en el oeste de los EE. UU. durante los días de la energía a vapor.

Para un uso de mayor velocidad en pendientes más graduales, el método de accionamiento directo (en el que la biela se acopla a la (s) rueda (s) impulsada (s)) es más simple y proporciona una correspondencia adecuada entre la impedancia de la carga y la del motor.

El vapor genera un par completo a velocidad cero como se ha mencionado en otras partes, por lo que, como en un automóvil eléctrico (que tiene casi el mismo tipo de característica), se puede ganar poco con una caja de cambios, también puede conducir las ruedas directamente.

Esta es también la razón por la cual la gran mayoría de las locomotoras diesel por encima de las muy pequeñas, son realmente diesel-eléctricas, hacen que la parte de casi cero velocidad del rendimiento sea menos molesta, y elimina la necesidad de tratar de enfriar un embrague de muy alta potencia.

Por cierto, una locomotora de vapor tiene una especie de "engranaje", ya que el conductor puede controlar la sincronización de la válvula para variar el volumen de vapor admitido por carrera y, por lo tanto, el par disponible, esto está sutilmente separado (pero interactúa) de la variación de la presión de vapor ... Usted ve esto cuando un tren de vapor se aleja, ya que inicialmente habrá fuertes chorros de vapor de la pila porque el conductor tiene el engranaje de la válvula ajustado de manera tal que todavía hay una presión significativa en el cilindro cuando se abre la válvula de escape maximizar el par), a medida que la velocidad aumenta la fracción de un ciclo, la válvula de admisión abierta se reduce para mejorar la eficiencia y la nota de escape se iguala a medida que el escape se acerca a la presión atmosférica. Estos enlaces de válvulas variables fueron una de las aguas más infestadas de patentes en aquel entonces con peleas entre todos los grandes jugadores.

Las locomotoras de vapor usan pistones de vapor , no turbinas de vapor .

Los engranajes / engranajes no tendrían sentido ya que no hay una fuente rotativa de energía en las locomotoras de vapor. Utilizan pistones de vapor, que van y vienen.

A medida que la física funcionó, la transmisión directa funcionó muy bien con valores alcanzables de diámetro del pistón, carrera / excéntrico y tamaño de la rueda. Hasta que no lo hizo. Y lo que los consiguió fueron las curvas.

Tiradores principales atorados con varillas: demasiado grandes para engranajes

A medida que las calderas totalmente sobrecalentadas se volvieron muy potentes, las locomotoras de pasajeros rápidas utilizaron esta potencia a velocidades más altas. Para ellos, el diseño de la barra lateral era perfecto. Pero las locomotoras de carga de carga lenta necesitaban más peso en el riel para transferir la potencia a bajas velocidades. Esto requirió más ejes motrices para repartir el peso. Eso hizo que un solo grupo rígido de ejes motrices fuera demasiado largo para las curvas. Entonces se dividieron en dos (raramente, tres) grupos de ejes de transmisión. La transferencia de potencia se realizó con un motor en cada grupo, generalmente simple, a veces compuesto. Big Boy de Union Pacific tenía 8 ejes motrices en dos grupos (cada uno con un motor simple, aún evitando engranajes), manejando curvas como una locomotora de 4 ejes motrices.

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Llevado al absurdo. El ferrocarril de Virginia finalmente se rindió y se electrificó.

En estos niveles de potencia, 4000-6000 caballos de fuerza, la transmisión por engranajes estaba fuera de discusión: era un orden de magnitud de demasiada potencia para los engranajes. Incluso el GG1 eléctrico de la época usó doce piñones masivos para transferir una cantidad similar de potencia a seis ejes.

Motores mucho más pequeños podrían ser orientados

Los ferrocarriles de montaña usaban locomotoras ligeras y de baja potencia que debían deslizarse por curvas bastante cerradas. Incluso una máquina de vapor de barra lateral muy modesta era demasiado rígida para las curvas. También desperdiciaron mucho peso valioso en ruedas sin tracción, por ejemplo, el camión piloto y la licitación. Ephraim Shay resolvió este problema con, de hecho, locomotoras con engranajes. Tenga en cuenta que estas son pequeñas locomotoras: la más grande, Western Maryland # 6, tiene una presión de caldera de 200 psi y una velocidad máxima de 23 mph.

Ephraim Shay puso un eje de transmisión a lo largo de un lado de la locomotora, dirigiéndose a cada rueda. Los pistones hicieron girar directamente el eje de transmisión. Tenga en cuenta los elaborados ejes de transmisión telescópicos, especialmente importantes debido a su ubicación descentrada.

Tenga en cuenta los engranajes. fuentes

Charles Heisler bajó el eje de transmisión por la línea central de la locomotora y usó una disposición de pistón "gemelo en V". Tenga en cuenta las barras laterales: eso significa que solo uno de los dos ejes está orientado al eje de transmisión, las barras laterales transfieren potencia al otro eje. Las barras laterales como esa implican quizás 100 caballos de fuerza por eje.

Climax Manufacturing Co. tomó la disposición del eje central de Heisler y agregó un eje transversal y más engranajes para colocar los pistones de vapor en una ubicación casi convencional.

Después de haber visto estos arreglos de locomotoras con engranajes, puede ver dónde no se "escalarían" a potencias de varios mil caballos de fuerza.