为什么蒸汽机车不通过齿轮传递动力？

现代汽车使用齿轮将动力从发动机传递到车轮。蒸汽机车使用某种类型的横杆（抱歉，我不是母语人士）将动力传递给车轮。

为什么工程师不使用齿轮？如果使用齿轮，蒸汽机车会更快吗？

我想指出的是，现代汽车不使用齿轮进行传动，而是使用轴。齿轮用于齿轮和差速器。

但是使用钢筋机械主要是因为它们没有我们今天所拥有的那种制造设施。杆机构易于制造，灵活且可现场维护。无论如何，在该特定设计中，还因为整个机构不得不将动力传递方向旋转2次。看到活塞直接连接到前轮，并用一个杆将其转移到随后的轮是非常简单的，而联轴器将需要更多的零件，而这些零件又很难制造。

蒸汽活塞发动机可以从静止状态产生很多扭矩，并且活塞在物理上可以远离锅炉，因此在大多数情况下，使活塞直接通过曲柄驱动车轮是最方便的。同样，火车没有转向机构，也没有圆锥形分段轮，因此也不需要差速器。

相反，内燃机需要以相当适中的RPM旋转才能产生有用的扭矩，并在相当狭窄的转速范围内产生大部分扭矩和功率，因此，它们既需要分离驱动装置（离合器或粘性变矩器），又需要分离驱动装置。可选速比的变速箱，以便在各种道路速度下提供有用的扭矩。

而且，IC发动机往往在多个气缸上工作得更好，因为这可以使工作循环各个不同阶段的动力传递变得平稳，因此需要具有公共输出轴的曲轴。蒸汽引擎本质上是气动执行器，因此您可以在方便的情况下进行工作冲程，并获得合理一致的线性力。

蒸汽机车上的外部连杆是将IC发动机的活塞连接到曲轴的连杆的直接类似物。

简而言之，蒸汽机的扭矩特性仅意味着不需要变速箱，因为在正常工作速度范围内，扭矩或多或少与RPM无关。

这是现代内燃机中曲轴的图片：

这些目的是将活塞的来回运动转换为旋转运动。它与旧蒸汽机上使用的机制几乎相同：

不同之处在于，在内燃机中，动力不是直接传递给车轮，而是传递给轴。在其他答案中讨论了造成这种差异的原因---我只是想指出基本机制是相同的。

有一阵子，蒸汽机车实际上使用齿轮和气缸/活塞组来驱动曲轴。这些被称为齿轮机车，它们被用来在低速下将重物拖到特别陡峭的斜坡上。在蒸汽动力时代，这使它们在美国西部的伐木作业中很受欢迎。

为了在较平缓的斜坡上以更高的速度使用，直接驱动方法（其中连杆与从动轮接合）更简单，并且在负载阻抗和发动机阻抗之间具有足够的匹配度。

蒸汽在零速时会产生全转矩，就像在其他地方提到的那样，因此就像在电动汽车（具有非常相似的特性）中一样，变速箱几乎没有好处，也可以直接驱动车轮。

这也是为什么绝大多数超小型柴油机车真正是柴油电力机车的原因，它使性能的近零速部分变得不那么烦人，并且无需尝试冷却非常高功率的离合器。

顺便说一句，蒸汽机车确实具有某种“齿轮”，因为驾驶员可以控制气门正时，以改变每个冲程允许的蒸汽量，从而改变可用的扭矩，这与改变蒸汽压力是微妙的分开（但相互影响） ....当蒸汽火车拉开时，您会看到此现象，因为最初会有大量蒸汽从烟囱中喷出，因为驾驶员已将气门齿轮装置设定为在排气门打开时汽缸中仍然有很大压力（最大扭矩），随着速度的增加，进气门的打开程度会降低，以提高效率，并且随着排气变得越来越接近大气压，排气音会变得均匀。这些可变气门机构是当时所有大型企业之间的较量，是当时专利较多的水域之一。

蒸汽机车使用的是蒸汽活塞，而不是蒸汽轮机。

齿轮/齿轮将毫无意义，因为蒸汽机车上没有旋转动力源。他们使用来回移动的蒸汽活塞。

随着物理过程的发展，直接驱动的活塞直径，冲程/偏心距和轮径的可实现值的确非常好。 直到没有。而得到它们的是曲线。

主线拉拔器卡在杆上：对于齿轮来说太大了

随着完全过热的锅炉变得非常强大，快速的客运机车以更高的速度使用了这种动力。对于他们来说，侧杆设计是完美的。但是缓慢的货运机车需要在铁轨上增加重量才能以低速传递动力。这需要更多的驱动轴来分散重量。这使得单个刚性驱动轴组对于弯曲来说太长了。因此，它们分为两组（很少是三组）驱动轴。动力传递是通过每个组的引擎完成的，通常很简单，有时很复杂。Union Pacific的Big Boy分为两组，每组有8个驱动轴（每个驱动轴都有一个简单的发动机，但仍避开齿轮），像4个驱动轴的机车一样处理弯道。

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荒唐可笑。弗吉尼亚铁路终于放弃了并电气化。

在这些功率水平（4000-6000马力）下，齿轮驱动是不可能的：对于齿轮来说，这是一个数量级太大的功率。甚至那个时代的电动GG1都使用十二个大齿轮将相似量的动力传递到六个轴上。

更小的发动机可以适应

山区铁路使用低功率，轻型的机车，这些机车必须弯折相当紧的弯道。即使是非常适度的侧杆蒸汽机，对于弯道来说也过于僵硬。他们还在非驱动轮上浪费了很多宝贵的重量，例如飞行员卡车和标书。Ephraim Shay确实用齿轮机车解决了这个问题。请记住，这些是小型机车：最大的马里兰西部＃6号机车，锅炉压力为200 psi，最高速度为23 mph。

以法莲·谢伊（Ephraim Shay）沿着机车的一侧安装了一个驱动轴，与每个车轮啮合。活塞直接曲柄驱动轴。请注意精心设计的伸缩驱动轴，由于其偏心位置，这一点尤其重要。

注意齿轮。资料来源

查尔斯·海斯勒（Charles Heisler）将驱动轴放在机车中心线上，并使用“ V型双”活塞装置。注意侧杆：这意味着两个轴中只有一个与驱动轴相连，侧杆将动力传递到另一个轴。这样的侧杆意味着每个车轴可能有100马力。

Climax Manufacturing Co.采用了海斯勒的中心线轴布置，并增加了横轴和更多的传动装置，将蒸汽活塞放置在几乎传统的位置。

看到了这些机车的布置之后，您可以看到它们不会“扩大”成千上万马力的输出。