ギア付き蒸気機関車

ギア付き蒸気機関車は、一般的な直接駆動設計とは対照的に、 駆動系にギア（通常は減速ギア）を使用するタイプの蒸気機関車です。

このギアは機関車内の機械の一部であり、ラック機関車をレール間のラックに沿って推進するピニオンと混同しないでください。これまでに製造されたギア付き蒸気機関車は、車輪とレールの粘着力に依存する従来の軌道用でした。

従来の蒸気機関車とは異なり、車輪の配置ではなく、形式と台車数によって分類されます。

一般的に使用されている蒸気機関車は、ピストンが駆動輪のクランクに直接取り付けられているため、ギアがなく、駆動輪の 1 回転がクランクの 1 回転に相当し、ピストンごとに 2 回の動力ストロークが発生します (蒸気機関車は、より一般的な内燃機関とは異なり、ほぼ例外なく複動式です)。

最大回転速度は、特定のエンジン技術ではほぼ固定されています。ピストン エンジンと車輪の間に可変比トランスミッションがないため、設計者は必要なトルクと必要な最大速度の間で妥協せざるを得ません。これは駆動輪の半径によって決まります。車輪に取り付けられたクランクの半径は、もちろんこれよりも小さく、その半径によってピストン ストロークの長さが決まります。この半径が大きすぎると、機関車は高速で大きなシリンダーに蒸気を供給するのに十分な蒸気を生成できなくなります。また、小さすぎると、利用可能な始動トルクと牽引力が小さすぎて、機関車は列車を始動できなくなります。

多くの産業用途では、十分な始動牽引力を備えた低速機関車が必要です。これらの産業は、採鉱や採石場から林業や伐採作業まで多岐にわたります。特に線路が安価に建設され、高速走行に適していない場合は、勾配が急な線路でも、牽引力の高い機関車の使用が有利になります。駆動輪のサイズを小さくすることで、速度とトルクのトレードオフをトルクと牽引力に有利になるように調整できますが、直接駆動の機関車でピストン ストロークを短くしすぎることなくこれを行うことができない実際的な限界があります。

解決策は、クランクを車輪から分離することです。第一に、必要以上に大きな駆動輪を必要とせずに、妥当なピストン ストロークとクランク半径を実現し、第二に、ギアリングによって回転速度を低下させることができます。このような機関車はギア付き機関車です。ほとんどは当時も現在も単速ですが、可変比ギアボックスと複数のギア比を採用したものもありました。

世界中のギア付き機関車の大部分は、認可を受けた公式のものか、主要な特許の期限切れ後に作られたクローンかを問わず、3つの異なる設計のいずれかに基づいて製造されました。これらのタイプのうち、シェイ機関車は最も多く、最もよく知られていました。圧倒的多数は北米地域で運用されていましたが、南米のさまざまな地域でもいくつかが使用され、オーストラリアとニュージーランドでもかなりの数が使用され、その中には自国で開発されたタイプも含まれています。

これらはギア式変速機を採用した最初の機関車ではない。リチャード・トレビシックのコールブルックデール機関車は、サイドロッドの代わりに大きなギアを使用してクランクシャフトを駆動車軸に連結し、ギア比は正味1:1であった。ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道向けに製造された初期のグラスホッパー（1832年）、クラブ（1837年）、マッドディガー（1842年）機関車は、ギア比が2:1程度で、クランクシャフトが1回転するごとに駆動車軸が約2回転した。これにより、速度を犠牲にすることなく比較的小さな駆動輪を使用することができた。 ^[1]

シェイ機関車は、オフセットボイラーの反対側に多気筒エンジンが取り付けられており、ベベルギアを介して車軸に連動する縦軸を駆動します（発明者のエフライム・シェイも参照）。

B クラスおよび C クラスのクライマックス機関車には、横方向のクランクシャフトを駆動する 2 つの傾斜シリンダーがあり、機関車の中央に配置された縦方向のドライブシャフトにギア接続され、内部ギアを介して動力付き台車を駆動します。

以前のクラス A クライマックスには、垂直に取り付けられた船舶用蒸気エンジンがあり、2 速ギアボックスを介して同様の駆動ラインで作動していました。

ハイスラー機関車には「 V ツイン」スタイルの蒸気エンジンが搭載されており、ボイラーの両側に 1 つのシリンダーがあり、中央の縦方向の駆動軸に固定され、車輪にギア接続されています。

前述の 3 つの主なデザインのほかに、他のデザインやクローンもありました。

• センチネル貨車工場は、主に垂直水管ボイラーと高速密閉式ポペットバルブエンジンを搭載した、さまざまな設計のギア付き入換機関車を多数製造しました。これらは高圧ボイラーと高減速ギアリングを組み合わせ、低速で高いトルクを提供しました。 ^[2]
• ウィラメット機関車は、主要な特許の期限が切れた後にウィラメット鉄鋼会社 (蒸気ドンキーエンジンで有名)が限定生産したシェイ機関車の改良版クローンです。西海岸の伐採業者は、ギア式機関車の詳細設計の改善と、より近代的な機関車技術の適用を強く求めていましたが、リマ (シェイの製造元) は対応を渋っていました。ウィラメットは、それに対する回答でした。
• ダベンポート機関車工場は、サイドロッド機関車の機関車フレームの間に設置するギアボックスに関する一連の特許を保有していた。1913年に最初に認可されたのはオープンギアだった。 ^{[3] [4]}その後の改良では、完全に密閉されたギアが採用された。^{[5] [6] [7]} これは、単速と2速の両方のトランスミッションとして提供され、4連結および6連結のサイドロッド機関車で使用され、クランクシャフトは後部運転手のすぐ後ろにギアボックスへ入力された。^[8]大型の連結式機関車は、シリンダーが内側の端に、ギアボックスが外側にある2つの4連結ギア付き台車を使用して製造された。^[9] ダベンポートは、これらの機関車を産業、採石、伐採用に宣伝した。^[10]
• ベル機関車工場は、駆動車軸に連動するモジュール式の完全密閉型2気筒「蒸気モーター」をベースにした小型産業用機関車のシリーズを販売した。^{[11] [12] [13] [14]}
• ニュージーランドのテムズにあるA & G プライス社は、クライマックス A、クライマックス B、またはハイスラー型の国産派生型であるギア付き機関車を多数製造した。しかし、同社は「16 輪車」(0-4-4-4-4-0) として知られるタイプも製造しており、これは別のニュージーランドの製造業者であるインバーカーギルのジョンソン ブラザーズ社によっても製造されていた。プライス社の最後の蒸気機関車はハイスラー機関車で、最後のアメリカ製ハイスラーが製造されてから 3 年後に製造された。
• エイヴリングとポーターは、本質的にはフランジ付き車輪を備えた牽引エンジンであるギア付き機関車を数台製造しました。初期のものはスプロケットチェーン ドライブを使用していましたが、後期のバージョンには平歯車が採用されました。
• エイボンサイド・エンジン社は、ナタールのサトウキビ農園向けに、狭軌のギア付き蒸気機関車を少数製造した。これらは、設計がハイスラー社に似ていた。
• キットソン・スティル機関車は、同じシリンダーの異なる端を蒸気またはディーゼル推進に使用しました。クランクはフレームの上にあり、固定減速の歯車列がそれを中央の車軸に接続していました。
• 1899 年、オーストリアのフロリツドルフにあるウィーン機関車工場は、アーヘン湖鉄道で運行される狭軌の歯車式蒸気歯車式機関車を製造しました。
• 垂直ボイラー式の「コーヒーポット」機関車にはギアが付いていることが多かったが、デ・ウィントン社製の機関車にはギアが付いていなかった。

蒸気牽引の商業利用の減少に伴い、ギア式機関車の商業利用も同様に減少しました。

インドネシアの砂糖農園では、今でもギア付き蒸気機関車が稼働しており、他の場所でも稼働していることは間違いないが^[要出典]、ほとんどの国では、現在では観光路線、保存場所、博物館でしか見られない。サトウキビの砂糖生産におけるこれらの機関車の特別な利点は、機関車の保守に低コストの技術労働力が利用できる限り、サトウキビを圧搾した後に残る乾燥した固形残留物 (バガスを参照) をわずかなコストで燃料として使用できることである。

• オーストラリア、ビクトリア州のパッフィングビリー鉄道：
  • クラス B クライマックス 1694。1928年にビクトリア州森林委員会が購入。メルボルン東部のモー・ワルハラ鉄道から分岐したタイアーズバレー木材軌道で丸太を運搬するために使用。1950 年代初頭に機関車は廃止され、エリカの州立製材所に保管 (放置) された後、1965 年にパッフィングビリーの博物館に移され、静態展示された。1980 年代にパッフィングビリー鉄道によって蒸気機関車に復元。大規模なオーバーホールが終了し、2013 年 9 月 8 日 (日) に運行を再開。^[15]
  • リマ社製の台湾阿里山鉄道のシェイ機関車ですが、まだ修復されていません。

• オンタリオ州オタワにあるカナダ科学技術博物館には、 50 ショートトン (45 ロングトン、45 t) のクラス B シェイ機関車が稼働しており、7 月と 8 月の日曜日と水曜日に運行されています。
• ブリティッシュコロンビア州ダンカンにあるブリティッシュコロンビア森林発見センター。シェイズ - リマ ショップ番号 2475 (展示) および 3147 (ボイラー作業のため使用不可)。クライマックス ショップ番号 1057 (展示) および 1359 (稼働中)。

製糖工場では、現在でもさまざまなタイプが使用されています。そのほとんどは、最も外側の車軸にギア駆動を組み込んだ関節技術を使用し、内側のペアは直接駆動する、ロングホイールベースの0-10-0機関車です。

• 西海岸の スラム街：
  • ハイスラー、製作者番号 1494 (未修復)
  • クライマックス、メーカーNo.1203（オーバーホールのため運休中）
• プケミロ線、プケミロ：
  • ハイスラー、メーカー番号 1063 (部品のみ。エンジンユニットと台車 2 台)
  • ハイスラー、メーカー番号 1082 (オーバーホール待ち)
  • クライマックス、製作者番号1650（2014年修復中）
  • プライス Cb 117 (クラス A クライマックス クローン、復元済み、運用可能)
  • プライス E 111 (クラス B クライマックス クローン、2014 年静的修復中)
• 「スチームシーン」クライストチャーチ：
  • プライス V 148 (ハイスラークローン、運用中)

テ・アワムトゥ「クライマックス」製作者番号 1317 (2014 年静的修復中)

• 「フェリーミード ヘリテージ パーク」、クライストチャーチ：
  • ハイスラー、製作者番号 1450 (未修復)
  • プライス Cb 113 (クラス A クライマックス クローン、復元済み)
• マウェラ保護区、レッドジャックス、SH7の横、^[16]未修復のG&Dデイビッドソン1913 0-4-4-0 ^[17]

約 30 台の Sentinel と少数の Aveling & Porter が保存されています。以下にいくつかの例を示します。

• バッキンガムシャー鉄道センター:
  • 2人のエイヴリング＆ポーター
  • 2人のセンチネル
• エンセイ・ボルトン・アビー蒸気鉄道
  • センチネル1人
• ノーサンプトンシャー・アイアンストーン鉄道トラスト
  • 2人のセンチネル
• ラッシュデン、ハイアム、ウェリングバラ鉄道
  • ワン・エイヴリング＆ポーター

Aveling & Porter 2-2-0WT ブルー サークルは何度も所有者が変わっています。最後に確認された場所は、Rushden、Higham and Wellingborough Railwayです。

アメリカでは、ギア付き蒸気機関車は現在商業的に使用されていません。しかし、観光路線では数台が運行されています。

• ウェストバージニア州のキャスシーニック鉄道州立公園では、ギア付き機関車のみが使用されており、シェイ社が製造した中では最大かつ最後の機関車である、162 トンの旧ウェスタン メリーランド鉄道6 号機が展示されています。この鉄道会社はクライマックス機関車とハイスラー機関車も所有しており、3 種類すべてを見ることができます。
• カリフォルニア州フェルトンのロアリングキャンプ・アンド・ビッグツリーズ狭軌鉄道には、稼働中のシェイ社製の車両が数台、めったに稼働しないハイスラー社製の車両が 1 台、修復を待つクライマックス社製の車両が 1 台あります。
• ニューハンプシャー州リンカーンのクラークス トレーディング ポストにあるホワイトマウンテン セントラル鉄道は、1920 年に製造されたクライマックス 6 号 (製造者番号 1603) を観光路線で運行しています。クラークスには、ニューイングランドに残る最後のシェイも保管されています。シェイは稼働していませんが、保管されています。クラークスには、ステイボルトの交換を待っている 32 トンのハイスラー機関車もあります。
• シェイ設計の3台車を備えた1922年製65トンのリマ機関車が、ロサンゼルスのトラベルタウン野外博物館に静態展示されている。
• ジョージア州ダルースのサウスイースタン鉄道博物館には、メイン展示ホール内に、丁寧に修復された2台のハイスラー (#9) が静態展示されています。ハイスラーはキャンベル ライムストーン社のために塗装されたもので、非常に良好な状態です。
• ワシントン州のマウント・レーニア・シーニック鉄道では、99 トンのウェスト・フォーク・ロギング・ハイスラー #91 が運行中、70 トンのヒルクレスト・ランバー・クライマックス #10 が運行中、95 トンのピカリング・ランバー・シェイ #11 がボイラー作業を待っており、75 トンのレイヨニア・カンパニー・ウィラメット #2 が運行中であり、これが唯一の運行中のウィラメットである。
• イリノイ州フリーポートのシルバー クリーク アンド スティーブンソン鉄道。ヘイスラー ショップ番号 1260 が稼働中。
• ウェストバージニア州ダービンのダービン・アンド・グリーンブライア・バレー鉄道。クライマックスショップ番号 1059 が稼働中。
• オレゴン州ベイカーシティのサンプターバレー鉄道。ヘイスラー工場 #1306 が稼働中。
• オレゴン州ガリバルディのオレゴンコースト シーニック鉄道。ヘイスラー ショップ #1198 が稼働中。
• ペンシルベニア州ブラッドフォードにあるフォスター・ブルック・アンド・ステート・ライン鉄道。2フィート（610 mm）狭軌^[18]シェイ（ライマ機関車工場ショップ#3118）が稼働中。一般公開されていない。
• コロラド州ジョージタウンのジョージタウン ループ鉄道。シェイ (リマ機関車工場 #3199) が稼働中。
• カリフォルニア州シュガー・パインにあるヨセミテ・マウンテン・シュガー・パイン鉄道。
• インディアナ州ヘストンのヘストン蒸気博物館には、1975年に初めて修復された稼働中のシェイ機関車が展示されている。1985年の火災で大きな被害を受けたが、財団の創立50周年に間に合うように2000年から2006年の間に再び修復された。その後も修復は続けられており、「ビッグシェイ」は2023年8月5日の週末から博物館の来館者に乗車を提供する予定だ。

台湾の阿里山森林鉄道は過去に22台のシェイ機関車を運行しており、最も古いものは1910年に遡る（2016-04-17にWayback Machineにアーカイブ） 。元々の22台のうち16台が保存されており、3台は稼働状態で、1台はパッフィン・ビリー鉄道に保存されている。

• キャス シーニック レイルロード州立公園
• 蒸気機関車部品の用語集
• 蒸気ロバ
• 蒸気モーター

• ギアード蒸気機関車の仕組み