Por que as locomotivas a vapor não transferem energia pelas rodas dentadas?

Os carros modernos usam a roda dentada para transferir a potência do motor para as rodas. As locomotivas a vapor usavam algum tipo de barra (desculpe, eu não sou um falante nativo) para transferir a força para as rodas.

Por que os engenheiros não usaram rodas dentadas? As locomotivas a vapor seriam mais rápidas se usassem rodas dentadas?

Gostaria de salientar que os carros modernos não usam rodas dentadas para transmissão, eles usam eixos. As rodas dentadas são usadas para a engrenagem e o diferencial.

Mas os mecanismos de barra foram usados ​​principalmente porque eles não tinham o tipo de instalações de fabricação como temos hoje. Os mecanismos de barra são fáceis de fabricar, são flexíveis e podem ser mantidos em campo. De qualquer forma, nesse projeto em particular também porque todo o mecanismo teria que girar a direção da transmissão de energia 2 vezes. Veja se o pistão está diretamente conectado à roda dianteira e transferi-lo para a roda subsequente é bastante simples com uma barra, enquanto um acoplamento de eixo precisaria de mais peças, que novamente eram difíceis de fabricar.

Os motores a pistão a vapor podem gerar muito torque a partir de estacionários e os pistões podem ser fisicamente remotos da caldeira; portanto, na maioria dos casos, é mais conveniente fazer com que os pistões acionem diretamente as rodas por meio de uma manivela. Da mesma forma que os trens não possuem um mecanismo de direção e rodas de seção cônica, você também não precisa de um diferencial.

Por outro lado, os motores de combustão interna precisam girar a uma RPM razoavelmente moderada para gerar torque útil e produzir a maior parte de seu torque e potência em uma faixa de rotação bastante estreita, de modo que precisam de um meio de desengate da transmissão (embreagem ou conversor de torque viscoso) e uma caixa de engrenagens de relação selecionável para fornecer torque útil em uma ampla faixa de velocidades da estrada.

Além disso, os motores IC tendem a funcionar melhor com vários cilindros, pois isso facilita a entrega de energia nos vários estágios diferentes do ciclo de trabalho e, portanto, precisa de um eixo de manivela com um eixo de saída comum. Os motores a vapor são essencialmente atuadores pneumáticos, para que você possa fazer o curso de trabalho o quanto for conveniente e obter uma força linear razoavelmente consistente.

As bielas externas em uma locomotiva a vapor são um análogo direto das bielas que ligam o pistão de um motor IC ao virabrequim.

A resposta curta é que a característica de torque de um motor a vapor significa simplesmente que uma caixa de velocidades é desnecessária, pois o torque é mais ou menos independente das RPMs para sua faixa de velocidade de trabalho normal.

Aqui está uma imagem dos virabrequins dentro de um moderno motor de combustão interna:

O objetivo destes é converter o movimento de ida e volta do pistão em movimento de rotação. É praticamente o mesmo mecanismo usado em motores a vapor antigos:

A diferença é que, no motor de combustão interna, a energia não é transferida diretamente para as rodas, mas para um eixo. As razões para essa diferença são discutidas em outras respostas - Eu só queria salientar que o mecanismo subjacente é o mesmo.

por um tempo, as locomotivas a vapor usaram engrenagens e conjuntos de cilindros / pistões que acionavam os virabrequins. Essas eram chamadas locomotivas de engrenagem e eram usadas para transportar cargas pesadas em declives particularmente íngremes a baixas velocidades. isso os tornou populares nas operações de extração de madeira no oeste dos EUA durante os dias de energia a vapor.

para uso em alta velocidade em terrenos mais graduais, o método de acionamento direto (no qual a biela engata a (s) roda (s) acionada (s)) é mais simples e fornece uma correspondência adequada entre a impedância da carga e a do motor.

O vapor gera torque total na velocidade zero, como já foi mencionado em outros lugares, assim como em um carro elétrico (que tem praticamente o mesmo tipo de característica), há pouco a ser ganho em uma caixa de velocidades, também pode dirigir as rodas diretamente.

É também por isso que a grande maioria das locomotivas a diesel acima das muito pequenas é realmente elétrica a diesel, torna a parte da velocidade quase zero do desempenho menos irritante e elimina a necessidade de tentar esfriar uma embreagem de alta potência.

Aliás, uma locomotiva a vapor tem uma espécie de "engrenagem", na medida em que o motorista pode controlar o tempo da válvula para variar o volume de vapor admitido por curso e, portanto, o torque disponível, isso é sutilmente separado (mas interage com) da variação da pressão do vapor .... Você vê isso quando um trem a vapor se afasta, pois inicialmente haverá fortes rajadas de vapor da pilha porque o motorista possui a engrenagem da válvula ajustada de forma que ainda haja pressão significativa no cilindro quando a válvula de escape se abre (Para maximizar o torque), à ​​medida que a velocidade aumenta a fração de ciclo, a válvula de admissão é aberta é reduzida para melhorar a eficiência e a nota de exaustão é nivelada à medida que o exaustor se aproxima da pressão atmosférica. Essas ligações variáveis ​​de válvulas eram uma das águas mais infestadas de patentes na época, com brigas entre todos os grandes jogadores.

As locomotivas a vapor usam pistões a vapor , não turbinas a vapor .

Engrenagens / engrenagens não teriam sentido, pois não há fonte rotativa de energia nas locomotivas a vapor. Eles usam pistões a vapor, que vão e voltam.

Conforme a física funcionava, o acionamento direto funcionava muito bem com valores alcançáveis ​​de diâmetro do pistão, curso / excêntrico e tamanho da roda. Até que não. E o que os levou foram as curvas.

Extratores da linha principal presos com hastes: grandes demais para engrenagens

Como as caldeiras totalmente superaquecidas se tornaram muito poderosas, as locomotivas rápidas de passageiros usavam esse poder em velocidades mais altas. Para eles, o design da haste lateral foi perfeito. Mas as locomotivas de carga de transporte lento precisavam de mais peso no trilho para transferir a energia em baixas velocidades. Isso exigiu mais eixos motrizes para espalhar o peso. Isso fez com que um único grupo rígido de eixos de tração fosse muito longo para as curvas. Então eles se dividiram em dois (raramente, três) grupos de eixos motrizes. A transferência de energia foi feita com um mecanismo em cada grupo, geralmente simples, às vezes composto. O Big Boy da Union Pacific tinha 8 eixos de acionamento em dois grupos (cada um com um motor simples, ainda evitando engrenagens), manipulando curvas como uma locomotiva de 4 eixos de acionamento.

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Levado ao absurdo. A Ferrovia da Virgínia finalmente desistiu e eletrificou.

Nesses níveis de potência, de 4000 a 6000 cavalos de potência, a transmissão estava fora de questão: era uma ordem de grandeza demais para as engrenagens. Até o GG1 elétrico da época usava doze pinhões maciços para transferir uma quantidade semelhante de energia para seis eixos.

Motores muito menores podem ser engrenados

As ferrovias das montanhas usavam locomotivas leves e de baixo consumo de energia, que tinham que deslizar em curvas bastante apertadas. Até um motor a vapor de haste lateral muito modesto era rígido demais para as curvas. Eles também desperdiçaram muito peso precioso em rodas não acionadas, por exemplo, o caminhão-piloto e a proposta. Ephraim Shay resolveu esse problema com, de fato, locomotivas engrenadas. Lembre-se de que estas são pequenas locomotivas: a maior, Maryland ocidental # 6, tem pressão da caldeira de 200 psi e velocidade máxima de 37 km / h.

Ephraim Shay colocou um eixo de acionamento ao longo de um lado da locomotiva, engrenando em cada roda. Os pistões acionaram diretamente o eixo de acionamento. Observe os elaborados eixos telescópicos, principalmente importantes devido à sua localização fora do centro.

Observe as engrenagens. fontes

Charles Heisler colocou o eixo de acionamento na linha central da locomotiva e usou um arranjo de pistão "em V". Observe as hastes laterais: isso significa que apenas um dos dois eixos é engrenado no eixo de tração; as hastes laterais transferem energia para o outro eixo. Barras laterais como essa implicam talvez 100 cavalos de potência por eixo.

A Climax Manufacturing Co. adotou o arranjo do eixo da linha central da Heisler e adicionou um eixo transversal e mais engrenagens para colocar os pistões a vapor em um local quase convencional.

Tendo visto esses arranjos de locomotivas de engrenagens, é possível ver onde eles não "escalariam" até uma infinidade de saídas de potência.