Warum haben Dampflokomotiven keine Kraftübertragung durch Zahnräder?

19

Moderne Autos nutzen Zahnräder, um die Kraft vom Motor auf die Räder zu übertragen. Dampflokomotiven verwendeten Stangen (sorry, ich bin kein Muttersprachler), um die Leistung auf die Räder zu übertragen.

Warum haben die Ingenieure keine Zahnräder verwendet? Wären Dampflokomotiven schneller gewesen, wenn sie Zahnräder benutzt hätten?

steam

— J. Doe
quelle

1

Wenn ich mich nicht irre, überträgt eine Shay-Lokomotive die Kraft von der Kurbelwelle auf die Räder über Zahnräder. Die einzigen "Stangen" sind im Grunde gewöhnliche Kolbenstangen.

— Hot Licks

Dies gilt auch für Diesellokomotiven. Nur sehr wenige (und sehr kleine ) Diesellokomotiven verwenden Zahnräder.

— vsz

1

Dampflokomotiven mit Getriebeantrieb wurden in speziellen Situationen eingesetzt, bei denen es hauptsächlich darum ging, schwere Lasten auf steilen Steigungen mit langsamer Geschwindigkeit zu befördern. Es wurden verschiedene Typen entwickelt, darunter Shay (benannt nach dem ursprünglichen Patentinhaber Ephraim Shay), Climax (patentiert von Russ Battles) und Heisler (Patente von Charles Heisler). Siehe en.wikipedia.org/wiki/Geared_steam_locomotive

— Bob Jarvis - Reinstate Monica

Kommentar-Antwort von @HughMurphy: "Wenn Sie jemals nach Colorado Springs fahren, sollten Sie sich die Pikes Peak Cog Railway ansehen . Cograilway.com "

— sagt Peter, stellen Sie Monica am

12

Ich möchte darauf hinweisen, dass moderne Autos keine Zahnräder zur Kraftübertragung verwenden, sondern Wellen. Zahnräder werden für das Getriebe und das Differential verwendet.

Aber Stangenmechanismen wurden hauptsächlich verwendet, weil sie nicht die Art von Fertigungsanlagen hatten, wie wir sie heute haben. Stabmechanismen sind einfach herzustellen, flexibel und vor Ort wartbar. Auf jeden Fall bei dieser speziellen Konstruktion auch, weil der gesamte Mechanismus die Kraftübertragungsrichtung 2 mal hätte drehen müssen. Der Kolben ist direkt mit dem Vorderrad verbunden und die Übertragung auf das nachfolgende Rad ist mit einer Stange ziemlich einfach, während eine Wellenkupplung mehr Teile benötigt hätte, die wiederum schwer herzustellen waren.

— joojaa
quelle

3

Richtig - es sei denn, es bestand die Notwendigkeit, Räder mit einer Drehzahl anzutreiben, die von der Zyklusrate des Dampfkolbens abweicht, wäre das Getriebe sinnlos.

— Carl Witthoft

13

Dies ist in den meisten Punkten falsch. Erstens geht das Zahnradschneiden lange vor Dampfmaschinen. Und dann ist da noch die Tatsache, dass es Getriebedampfmaschinen für Eisenbahnen gab. Getriebe wurden in gewöhnlichen Fernverkehrslokomotiven nicht benötigt, aber sie waren möglich und wurden dort eingesetzt, wo sie benötigt wurden.

— Chris Stratton

2

@ChrisStratton Nur weil ein Konzept vor dem anderen erfunden wird, heißt das nicht, dass das erste Konzept so weit perfektioniert ist, dass es mit der erforderlichen Präzision und Stärke hergestellt werden kann. Außerdem war es offensichtlich möglich zu bauen - das ist nicht der Punkt der Frage.

— Pipe

3

In West Virginia gibt es eine malerische Eisenbahnstrecke ( mountainrailwv.com/tour/the-durbin-rocket ), die eine Heisler-Lokomotive betreibt . Es hat einen 90-Grad-V-Twin-Motor, der eine Antriebswelle dreht, die über die gesamte Länge der Lokomotive und des Tenders läuft . Alle Räder der Lokomotive und des Tenders werden angetrieben. Es geht nicht sehr schnell, aber es kann steile Steigungen überwinden.

— Solomon Slow

6

@joojaa - alles, was Sie beweisen, ist, dass Sie, auch nachdem Sie vermutlich die genauen Antworten gelesen haben, die von anderen gepostet wurden, die tatsächlichen Designprobleme, um die es hier geht, immer noch nicht verstehen. Es geht nicht um eine moderne Fertigung (wiederum Präzisionsgetriebe vor Dampfmaschinen), sondern darum, das beste Betriebsregime des Motors an die Last anzupassen. Damals und heute wurden Zahnräder eingesetzt, wenn sie gebraucht wurden, und nicht, wenn sie nicht gebraucht wurden

— Chris Stratton,

35

Dampfkolbenmotoren können im Stillstand viel Drehmoment erzeugen, und die Kolben können physisch vom Kessel entfernt sein. In den meisten Fällen ist es daher am bequemsten, wenn die Kolben die Räder direkt über eine Kurbel antreiben. Ebenso brauchen Sie auch kein Differential, da die Züge keinen Lenkmechanismus haben und konische Räder haben.

Im Gegensatz dazu müssen Verbrennungsmotoren mit einer relativ mäßigen Drehzahl laufen, um ein nützliches Drehmoment zu erzeugen und den größten Teil ihres Drehmoments und ihrer Leistung in einem relativ engen Drehzahlbereich zu erzeugen. Daher benötigen sie beide Mittel zum Ausrücken des Antriebs (Kupplung oder viskoser Drehmomentwandler) und ein Getriebe mit wählbarem Übersetzungsverhältnis, um ein nützliches Drehmoment für einen weiten Bereich von Straßengeschwindigkeiten bereitzustellen.

Außerdem arbeiten Verbrennungsmotoren in der Regel besser mit mehreren Zylindern, da dadurch die Leistungsabgabe über die verschiedenen Phasen des Arbeitszyklus hinweg geglättet wird und eine Kurbelwelle mit einer gemeinsamen Abtriebswelle benötigt wird. Dampfmaschinen sind im Wesentlichen pneumatische Antriebe, sodass Sie den Arbeitshub so lange wie möglich ausführen können und eine einigermaßen konstante lineare Kraft erhalten.

Die äußeren Pleuel einer Dampflokomotive entsprechen direkt den Pleuelstangen, die den Kolben eines Verbrennungsmotors mit der Kurbelwelle verbinden.

Die kurze Antwort lautet, dass die Drehmomentcharakteristik einer Dampfmaschine einfach bedeutet, dass ein Getriebe nicht erforderlich ist, da das Drehmoment für seinen normalen Arbeitsdrehzahlbereich mehr oder weniger unabhängig von der Drehzahl ist.

— Chris Johns
quelle

Ich verstehe nicht, wie beim Lenken oder beim Kurvenfahren ein Unterschied darin besteht, ob ein Differential benötigt wird.

— Akkumulation

1

Weil der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Innen- und Außenrädern dadurch ausgeglichen wird, dass die Räder selbst konisch sind, dh, dass sie den Durchmesser effektiv ändern können, so dass die Radgeschwindigkeit trotz konstanter Achsgeschwindigkeit variieren kann.

— Chris Johns

Ja, es scheint mir, dass der "konische" Teil der einzig relevante Teil ist. Ich sehe nicht, wie wichtig es ist, den Mangel an Lenkung zu erwähnen . (Obwohl ich ein bisschen pingelig bin, glaube ich, dass es eher Frustrums als Zapfen sind.)

— Ansammlung

@Akkumulation Schienenräder benötigen eine feste Verbindungsachse (kein Differential), um die richtige Zentrierung auf der Spur zu gewährleisten. Hier gibt es eine Erklärung: en.wikipedia.org/wiki/…

— Anthony X

@AnthonyX Ihr Kommentar beginnt mit meinem Benutzernamen, aber ich verstehe nicht, wie er auf meinen reagiert.

— Akkumulation

13

Hier ist ein Bild der Kurbelwellen in einem modernen Verbrennungsmotor:

Diese dienen dazu, die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umzuwandeln. Es ist fast derselbe Mechanismus wie bei alten Dampfmaschinen:

Der Unterschied besteht darin, dass bei der Brennkraftmaschine die Kraft nicht direkt auf die Räder, sondern auf eine Welle übertragen wird. Die Gründe für diesen Unterschied werden in anderen Antworten besprochen. Ich wollte nur darauf hinweisen, dass der zugrunde liegende Mechanismus derselbe ist.

— Nathaniel
quelle

5

Eine Zeit lang verwendeten Dampflokomotiven Zahnräder und Zylinder- / Kolbensätze, die die Kurbelwellen antreiben. Diese wurden als Getriebelokomotiven bezeichnet und dienten dazu, schwere Lasten bei niedrigen Geschwindigkeiten an besonders steilen Hängen zu befördern. Dies machte sie zu Zeiten der Dampfkraft für Holzfäller im Westen der USA beliebt.

Für den Einsatz mit höherer Geschwindigkeit bei langsameren Gefällen ist die Direktantriebsmethode (bei der die Pleuelstange in das oder die angetriebenen Räder eingreift) einfacher und bietet eine angemessene Übereinstimmung zwischen der Impedanz der Last und der des Motors.

— Niels Nielsen
quelle

Soweit ich weiß, basierten diese auf der italienischen Standseilbahn. Sind Sie sicher, dass der Motor andere Gänge verwendet hat, als das Zahnrad entlang der Zahnstange anzutreiben?

— Carl Witthoft

2

ja, die gewöhnlichen hatten drei zylinder in der reihe und fuhren die großen räder durch zahnräder. Ich denke, Baldwin war eine Marke, die diese gemacht hat. Ich werde sehen, ob ich eine Referenz für Sie bekommen kann

— niels nielsen

1

gutes Beispiel war der 3-Zylinder "Shay", viele Infos dazu im Web.

— Niels Nielsen

2

Dies beantwortet nicht die Frage, eigentlich das Gegenteil. Indem Sie ein enges Beispiel für eine Verwendung angeben, haben Sie eine Ausnahme dargestellt, die die Regel bestätigt. Die Frage ist, warum Zahnräder nicht die gebräuchlichste Betriebsart waren.

— Pipe

4

Dampf erzeugt das volle Drehmoment bei Drehzahl Null, wie an anderer Stelle bereits erwähnt wurde. Wie bei einem Elektroauto (das in etwa die gleiche Art von Charakteristik aufweist) ist bei einem Getriebe nur wenig zu erreichen, und es kann auch die Räder direkt antreiben.

Dies ist auch der Grund, warum die überwiegende Mehrheit der Diesellokomotiven über den sehr kleinen wirklich dieselelektrisch ist, der Teil der Leistung mit der Geschwindigkeit nahe Null weniger ärgerlich wird und der Versuch, eine sehr leistungsstarke Kupplung zu kühlen, entfällt.

Im Übrigen hat eine Dampflok eine Art "Getriebe", indem der Fahrer die Ventilsteuerung steuern kann, um das pro Hub eingelassene Dampfvolumen und damit das verfügbare Drehmoment zu variieren. Dies ist subtil von der Änderung des Dampfdrucks getrennt (aber interagiert damit) .... Sie sehen dies, wenn ein Dampfzug abfährt, da anfangs starke Dampfstöße aus dem Stapel austreten, weil der Fahrer die Ventilsteuerung so eingestellt hat, dass beim Öffnen des Auslassventils (To Drehmoment maximieren), wenn die Drehzahl den Bruchteil eines Zyklus erreicht, wird das Einlassventil geöffnet, um den Wirkungsgrad zu verbessern, und die Abgasnote gleicht sich aus, wenn sich das Abgas dem atmosphärischen Druck nähert. Diese variablen Ventilgestänge waren damals eines der patentgeschädigten Gewässer mit Kämpfen zwischen allen großen Akteuren.

— Dan Mills
quelle

Nun ja, eine Dampfmaschine ist überhaupt nicht wie ein Verbrennungsmotor, sondern eher wie ein pneumatisches System, so dass der Kolben in einer Dampfmaschine eher wie der Kolben in diesem Bagger ist , obwohl das hydraulisch ist.

— Joojaa

Die variable Ventilsteuerung ermöglicht nicht nur eine Drehmomentsteuerung (und einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad bei "frühem Abschalten"), sondern auch eine Rückwärtsfahrt.

— Brian Drummond

@BrianDrummond Zumindest in einigen Ventiltriebvarianten ein Trick, den auch einige große Dieselmotoren können. Ich möchte darauf hinweisen, dass beim Vergleich eines Dampf- und eines Hydrauliksystems Vorsicht geboten ist, da nur eines von ihnen eine signifikante Ausdehnung des Arbeitsmediums (mit entsprechender Temperaturänderung) aufweist, die den Kreislauf thermodynamisch interessant macht (und dort den Wirkungsgrad bei der frühen Abschaltung bewirkt) kommt von (auch warum Verbundanlagen mit Vakuum in den Kondensatoren bei Schiffsanwendungen so ein Gewinn sind)).

— Dan Mills

2

Dampflokomotiven verwenden Dampfkolben , keine Dampfturbinen .

Getriebe / Zahnräder wären sinnlos, da Dampflokomotiven keine Drehantriebsquelle haben. Sie benutzen Dampfkolben, die hin und her gehen.

Die Physik hat gezeigt, dass der Direktantrieb mit erreichbaren Werten für Kolbendurchmesser, Hub / Exzenter und Radgröße sehr gut funktioniert. Bis es nicht geschah. Und was sie bekam, waren die Kurven.

Mit Stangen befestigte Abzieher: viel zu groß für Zahnräder

Als voll überhitzte Kessel sehr leistungsfähig wurden, nutzten schnelle Personenlokomotiven diese Leistung bei höheren Geschwindigkeiten. Für sie war das Design der Seitenstangen perfekt. Langsam schleppende Güterzuglokomotiven benötigten jedoch mehr Gewicht auf der Schiene, um die Leistung bei niedrigen Geschwindigkeiten zu übertragen. Dies erforderte mehr Antriebsachsen, um das Gewicht zu verteilen. Das machte eine einzelne starre Gruppe von Antriebsachsen für Kurven zu lang. Sie teilten sich also in zwei (selten drei) Gruppen von Antriebsachsen auf. Die Kraftübertragung wurde mit einem Motor für jede Gruppe durchgeführt, normalerweise einfach, manchmal zusammengesetzt. Der Big Boy von Union Pacific hatte 8 Antriebsachsen in zwei Gruppen (jede mit einem einfachen Motor, der immer noch keine Gänge zulässt), die Kurven wie eine 4-Achs-Lokomotive handhabten.

src

Zur Absurdität gebracht. Die Virginian Railway gab schließlich auf und elektrifizierte.

Bei diesen Leistungsstufen von 4000 bis 6000 PS kam ein Getriebeantrieb nicht in Frage: Es war eine Größenordnung zu viel Leistung für Getriebe. Sogar der elektrische GG1 der Ära verwendete zwölf massive Ritzel, um eine ähnliche Kraft auf sechs Achsen zu übertragen.

Es könnten viel kleinere Motoren geschaltet werden

Die Bergbahnen setzten leistungsschwache, leichte Lokomotiven ein, die in engen Kurven fahren mussten. Sogar eine sehr bescheidene Seitenstangendampfmaschine war zu steif für die Kurven. Sie verschwendeten auch viel kostbares Gewicht für nicht angetriebene Räder, z. B. den Lotsenwagen und den Tender. Ephraim Shay hat dieses Problem mit Getriebelokomotiven gelöst. Beachten Sie, dass dies kleine Lokomotiven sind: Die größte, Western Maryland Nr. 6, hat einen Kesseldruck von 200 psi und eine Höchstgeschwindigkeit von 37 km / h.

Ephraim Shay steckte eine Antriebswelle entlang einer Seite der Lokomotive und schaltete auf jedes Rad ein. Die Kolben kurbelten die Antriebswelle direkt an. Beachten Sie die aufwändigen teleskopierbaren Antriebswellen, die aufgrund ihrer außermittigen Lage besonders wichtig sind.

Beachten Sie die Zahnräder. Quellen

Charles Heisler legte die Antriebswelle auf die Mittellinie der Lok und verwendete eine "V-Twin" -Kolbenanordnung. Beachten Sie die Seitenstangen: Das heißt, nur eine der beiden Achsen ist auf die Antriebswelle verzahnt, die Seitenstangen übertragen die Kraft auf die andere Achse. Solche Seitenstangen bedeuten vielleicht 100 PS pro Achse.

Die Climax Manufacturing Co. übernahm die Mittellinien-Wellen-Anordnung von Heisler und fügte eine Querwelle und ein weiteres Getriebe hinzu, um die Dampfkolben an einem fast konventionellen Ort zu platzieren.

Wenn Sie diese Getriebe-Lokomotiven-Anordnungen gesehen haben, können Sie sehen, wo sie nicht auf eine Leistung von mehreren tausend PS "skalieren" würden.

— Harper - Setzen Sie Monica wieder ein
quelle