齒輪傳動蒸汽機車是蒸汽機車中的一大類，和傳統的蒸汽機車不同，齒輪傳動蒸汽機車顧名思義不再采用驅動連桿而是采用了一種復雜的齒輪傳動裝置來驅動機車行駛。注意的是，齒輪傳動蒸汽機車不是齒軌機車，不要將這兩種機車混淆，齒輪傳動蒸汽機車依然是依賴輪軌

齒輪傳動蒸汽機車是蒸汽機車中的一大類，和傳統的蒸汽機車不同，齒輪傳動蒸汽機車顧名思義不再采用驅動連桿而是采用了一種復雜的齒輪傳動裝置來驅動機車行駛。

注意的是，齒輪傳動蒸汽機車不是齒軌機車，不要將這兩種機車混淆，齒輪傳動蒸汽機車依然是依賴輪軌粘著力在普通的線路上行駛。

傳統的蒸汽機車，主要依賴機車兩側的氣缸通過驅動連桿帶動主動輪上的曲柄來推動動輪轉動，主動輪轉動一周等于曲柄轉動一圈，相對應的就是氣缸內的鞲鞴（gōu bèi，德語Kolben活塞的音譯）完成了兩個動力沖程。

對于一臺蒸汽機來說，最大轉速是有固定值的。由于氣缸和車輪之間僅僅通過驅動桿相連，沒有任何的可變傳動比裝置，設計者就必須平衡蒸汽機車轉矩和最大轉速，取一個折中的值；另外主動輪的半徑也決定了這一數值，因為曲柄長肯定不會超過動輪半徑；曲柄的長度決定了氣缸主鞲鞴的行程。這個行程不能太大，否則過大的氣缸會導致蒸汽機無法產生足量的蒸汽；也不能太小，否則啟動轉矩和牽引力將太小，機車將無法啟動列車。

機車走形部

許多工業運輸需求的是高牽引力，對于速度的需求是次要的，這些行業主要包含了采礦采石作業、林業伐木作業。這些工業鐵路的特點就是線況差，制造成本低，限速低，坡道陡，因此對于這類線路來說大牽引力機車更有優勢。雖然可以通過減小主動輪的尺寸來調節速度和轉矩之間的平衡，提高牽引力，但是傳統的蒸汽機車如果鞲鞴行程不夠短，則無法達到這種極限的要求。

那么解決的方法就是將曲柄和車輪分開，這樣可以更靈活的選擇鞲鞴行程和曲柄半徑，其次可以利用齒輪傳動來降低轉速。大多數齒輪機車是單速的，但是有一部分齒輪機車增加了變速箱，具備了多個傳動比。

一、齒輪蒸汽機車的分類

世界上絕大多數齒輪蒸汽機車是按照三種不同設計來歸類制造的，三種型號分別是夏伊式蒸汽機車、高潮式蒸汽機車、海斯勒式蒸汽機車，即便是后期的其他類型機車也是基于這三種類型衍生而來，但是有意思的是齒輪蒸汽機車并不是世界上第一種利用齒輪傳動的機車，理查德·特拉維斯克在此之前就研制了一種科布克代爾（Coalbookdale）機車，這種機車使用了大號的齒輪代替連桿驅動機車前進，傳動比為1:1，并為早期的巴爾的摩和俄亥俄鐵路公司制造了3款不同的機車，分別為1832年制造的蚱蜢型機車、1837年制造的螃蟹型機車以及1842年制造的挖掘機型機車，這三臺機車采用的是2:1的傳動比，即曲軸每轉動一圈，驅動軸就轉動兩圈，這允許在不犧牲速度的情況采用更小的機車驅動輪。Steam上的一款模擬精英類游戲《鐵路帝國》當中就有蚱蜢以及蚱蜢的改進漢考克型機車。由于這三個型號的蒸汽機車每個分型有很多而且篇幅較大，因此本篇主要介紹夏伊式蒸汽機車和其衍生型號。

二、夏伊式蒸汽機車

夏伊蒸汽機車是齒輪蒸汽機車里最常見的一個型號，這款機車是由伊法連·夏伊設計發明，他本人也被公認為是推廣齒輪蒸汽機車概念的功臣。雖然說伊法連·夏伊早期設計和后來世紀制造出來的齒輪機車有所不同，但是基本都是夏伊機車概念的延續。

1、機車的開發

伊法連·夏伊，出生于1839年，1916年去世，他生前有多種身份，一名教師，一家內戰時期醫院的職員，一名公務員，一位伐木工人，一位商人，一家鐵路公司所有者，一位發明家，是美國密歇根州人。

19世紀60年代，他成為了一名伐木工人，工作中他一直在追尋一種能夠更高效的運輸方式，那時候人們還是利用雪橇將原木運往磨坊。1975年夏伊發明了自己的車輛，這種車輛在一種軌距660mm的木質軌道上行駛，兩年后，他又提出了自行式軌道車輛的想法，將一臺鍋爐布置在車上，并通過齒輪連接到車輛的轉向架上，其中前轉向架可以旋轉，后轉向架則是固定的。首先夏伊選擇了一款直徑914毫米，高1524毫米的鍋爐，鍋爐布置在車的中間位置，水箱位于前轉向架上方，蒸汽機則放在后轉向架附近，這臺蒸汽機是由威廉·克里彭提供。夏伊首先在蒸汽機到車軸之間安裝了一根鏈條進行傳動，但是他很快發現鏈條傳動很不實用，于是改進采用皮帶，并取得了成功。

1881年感覺技術已經成熟的夏伊申請了齒輪機車的基本理念專利，1901年，他再次為了他的發明申請了齒輪傳動蒸汽機車的專利。

位于美國俄亥俄州利馬市的利馬機車工廠在1880年根據夏伊的設計制造了一臺夏伊式蒸汽機車，但是這個時期的機車都比較小，1884年之前，所有的利馬制造夏伊機車重量均只有10到15短噸左右（8.9到13.4長噸，9.1到13.6公噸），每臺機車只有兩個氣缸。1884年，利馬公司交付了第一臺三缸夏伊機車，1885年，第一臺三組轉向架（C型）夏伊機車下線。夏伊式蒸汽機車的成功對利馬公司帶來了巨大的影響，良好的銷路和利潤讓利馬公司大規模的擴張重組。其實夏伊剛開始跟利馬公司進行交涉的時候，利馬公司并沒有對這款未知領域的蒸汽機車抱有興趣，到后來一位名叫約翰·卡恩斯的人影響了公司高層的想法，從而和夏伊本人達成了一致。

1903年，利馬公司對外宣稱，他們制造了世界上最重的蒸汽機車，也是世界上第一款四組轉向架（D級）的夏伊機車，該機車自重140短噸（120長噸、130公噸）。這款機車是專門為新墨西哥州阿拉莫戈多到考斯克峽谷的艾爾帕索巖石島鐵路制造的，這條線線況極差，坡度達到了60‰。而且由于沿線供水條件差，所以一般采用雙機重聯的方式保證充足的補給。

一位名叫劉易斯·費特納的利馬員工，在1908年到1909年改進了夏伊機車的蒸汽機支架和過熱器，并獲得了專利。（也有一個說法是他只是為這項改進申請了專利，并不是他本人參與改進）

這中間還發生了一起鉆空子事件，夏伊機車的基本專利期滿后，俄勒岡州波蘭特的威拉米特鋼鐵廠鉆空制造了幾臺夏伊型蒸汽機車，并在1927年申請了威拉米特改進型齒輪機車的專利。由于專利保護，這個款式的蒸汽機車被稱為威拉米特蒸汽機車，之所以和夏伊式蒸汽機車分開命名，除了專利原因，更大的原因是由于“夏伊”已經是利馬公司的注冊商標，因此威拉米特蒸汽機車不再屬于夏伊式蒸汽機車的范圍，也不能用夏伊對機車進行命名。除此以外，密歇根州的凱迪拉克下屬密歇根鋼鐵廠被授權制造了6臺夏伊式蒸汽機車，這6臺機車被稱為亨德森風格的夏伊機車。

2、機車概況

夏伊式蒸汽機車的鍋爐一般會偏左布置，這是因為機車的另外一端設置了雙缸或者三缸的傳動裝置，這樣可以平衡重心，傳動裝置呈垂直安裝，縱向驅動軸在輪軸處連接曲軸，曲軸再通過萬向節和方形滑動棱柱接頭和轉向架上輪軸的傘形齒輪相連來驅動車輪，由于每個軸都配置了傘形齒輪因此夏伊式蒸汽機車不需要連桿。

由于每根軸都是由傳動裝置直接驅動，而不像傳統的蒸汽機車由驅動桿帶動連桿驅動車輪，這樣不用設置輔助輪（導輪等），所有的牽引質量全部由動輪承擔（軸重最大化）。另外即便是某一組輪對發生了空轉，也不會影響到其他動輪正常工作，而傳統的蒸汽機車一旦發生空轉則是所有動輪一起空轉，會損失很大的動能。

夏伊式蒸汽機車的側裝式傳動裝置由于其外形被稱為側卷揚機或者絞盤機。主要的機車都是在美國國內使用，不過后面出口到了大約30個國家，出口機車一部分是利馬工廠出售，還有一部分就是被美國鐵路公司淘汰后轉售。

3、機車種類

利馬公司從1878年到1945年一共制造了2770臺夏伊式蒸汽機車，機車從小到大相差很懸殊，機車質量從6到160短噸不等（5.4到142.9長噸、5.4到145.1公噸）。

（1）A型

這類機車側面只有2個氣缸，兩組轉向架，一般質量在6到24短噸之間（5.4到21.4長噸、5.4到21.8公噸）。

（2）B型

這類機車側面3個氣缸，雙轉向架，一般質量在10到60短噸（8.9到53.6長噸、36到54.4公噸）。

（3）C型

這類機車為3個氣缸、三組轉向架，一般質量在40到160短噸之間（36到143長噸、36到145公噸）。

（4）D型

這類機車為3個氣缸、四組轉向架，質量一般在100到150短噸之間（89到134長噸，91到136公噸）。D型機車其實比C型機車在輸出功率上沒有高出多少，但是由于有更大的燃油和水容量，因此提高了粘著力。

（5）特別定制型號

有2臺15短噸（13長噸，14公噸）自重的輕型機車按照2個氣缸、三組轉向架的方式定制，軌距為600mm（1英尺11又5/8英寸）軌距，由位于墨西哥圣路易斯德巴拉斯的奧克塔維亞諾·布卡雷拉公司訂購。

4、機車狀態

大多數的夏伊式蒸汽機車都已經淘汰，但是截止到今日依然有115臺機車幸存了下來，以下是清單：

（1）約塞米蒂木材公司保留了一臺4號機車，該機車已經修復，并在加利福尼亞州阿諾德的內華達山脈伐木博物館繼續展出。這臺機車目前在埃爾博特爾斜坡鐵路上服役，主要任務就是將蘭伯式松的原木運往斜坡鐵路的頂部，這條鐵路坡度很陡，滿載的車廂在大約1.5英里的路程里下降了大約3000英尺的高度（我不知道這里是不是有誤，原文就是1.5英里落差達到了3000英尺，這樣的話坡度應該超過37%，太夸張了點），然后通過另外一條鐵路轉運到磨坊。

（2）位于密歇根州凱迪拉克市中心有一臺被修復的夏伊式蒸汽機車，這臺機車是免費提供給公眾參觀的，機車來自于凱迪拉克-蘇木材公司。密歇根州官方為這臺機車寫了詳細的歷史。

（3）122號機車，現存最古老的夏伊式蒸汽機車，該機車1884年出廠，目前陳列在加州雷丁海龜灣探險公園。

（4）最古老的可運行夏伊式蒸汽機車目前存放于西佛吉尼亞州卡斯風景區州立公園，機車編號改成了5號。1905年西佛吉尼亞州制漿造紙公司前往卡斯收購了這臺機車，但是這臺機車一直在原線路運行。

（5）俄亥俄州利馬的艾倫縣博物館保存了一臺雙轉向架三英尺軌距的夏伊機車，這臺機車曾經在當地的一個采石場服役，這臺機車可能制造與1925年。1953年報廢多年的機車即將要拆解，在臨拆解工作開始幾個小時前被鐵路愛好者搶救了出來，鮑德溫·利馬·漢密爾頓免費修復了這臺機車并保存至今

（6）一臺三轉向架的夏伊機車配屬于卡米諾-維爾市及太浩湖鐵路，編號為2號，目前保存在加州洛杉磯的旅游小鎮博物館展出。

（7）位于加利福尼亞州費爾頓市的咆哮山莊和大樹窄軌鐵路公司還有兩臺夏伊式蒸汽機車在運行，一臺是B型夏伊式蒸汽機車，機車被命名為1號迪先納，該機車于1912年出廠，車號2593，還有一臺為C型機車，被命名為7號索諾拉，機車1911年出廠，車號2465。

（8）鐵路城1897州立歷史公園里保留了一臺C型機車，車號塞利鐵路2號，該機車偶然會牽引游覽列車。

（9）科羅拉多鐵路博物館內保存了兩臺，12號和14號車，這兩臺機車在喬治敦環形鐵路上運行了20年之久。

（10）位于阿萊爾州立公園的新澤西州交通博物館正在修復一款36英尺軌距的夏伊式蒸汽機車，該機車曾經隸屬于伊利托馬斯木材公司，車號6號。這臺機車從1955年一直運行到2002年，主要在松溪鐵路上行駛，但是因為鍋爐問題被停止使用。

（11）約塞米蒂山蘭伯式松樹鐵路另外保存著兩臺機車，編號為10號和15號，機車原先在西區木材公司服役，目前機車保存在約塞米蒂國家公園的南部。

（12）奧斯丁州立大學在位于德克薩斯州納科多克斯的阿瑟坦普爾林業農業學院內展出了一臺夏伊機車，車號2005，制造于1907年。

（13）加拿大科學技術博物館保留了一臺組合夏伊機車，他的零部件分別來自于美林鈴木材有限公司的3號車和4號車，目前機車在不列顛哥倫比亞大陸西奧多西亞林場作業。這臺機車是由一個叫拜頓路志愿協會的志愿者在經營。

（14）位于北卡羅萊納州斯賓塞的北卡羅來納州運輸博物館內保存了一臺編號為3256的C型夏伊機車，這臺機車制造與1925年，這臺機車保持者夏伊式蒸汽機車最高運行時速，這一記錄是在1999年鐵路博覽會舉辦的偉大的夏伊比賽中創造的——18英里/小時。從1997年到2005年，這臺機車一直在博物館做動態展示，但是在那之后機車的萬向節被拆除，變成靜態展示。

（15）印第安納州赫斯頓的蒸汽博物館內保存這一臺C型機車，車號3345，機車制造于1929年，這臺機車是最后一臺窄軌夏伊機車。退役后被拉伯特縣歷史蒸汽學會收購，從服役的鐵路公司轉移到了該博物館，不過1985年的一場大火機車司機室受損，2006年修復之后機車恢復了動態展示。

（16）西側木材公司9號機車，是在1966年從中西部中央鐵路公司收購而來，機車制造于1923年，車號3199，在20世紀90年中期進行小規模翻新之后繼續在愛荷華州東南部地區運營。機車前后牽引中西部舊脫粒者團聚號列車、中西部鬧鬼列車以及北極快車，2011年1月，鐵路公司和喬治敦環線鐵路簽訂了7到10年的協議，這臺9號車被重新翻新，2012年7月14日，機車進入到喬治敦環線鐵路開始正式服役，牽引旅客列車，2019年返回愛荷華州，并在同年舉辦機車重逢聚會后開始服役。

（17）伊利諾伊州鐵路博物館是美國最大的鐵路博物館，管內保存這一臺由利馬機車公司于1929年制造的三轉向架三缸機車，退役之前該機車一直在J·尼爾斯木材公司服役。

（18）草甸河木材公司1號機車保存于賓夕法尼亞州斯克蘭頓的蒸汽鎮國家歷史遺址內，也是該遺址收藏的唯一一臺夏伊式蒸汽機車。

（19）歷史上最后一臺出廠的夏伊機車配屬于馬里蘭西部鐵路公司，車號6號，該機車1945年出廠，原車號3354，目前該車仍然在卡斯風景區鐵路上運行。這臺重達162噸的C型機車是世界上第二大夏伊式蒸汽機車，退役之后機車動態展示了4年，就被放置在巴爾的摩和俄亥俄鐵路博物館，一直到1981年，機車從靜態展示名單中剔除，換成了一臺較小的夏伊機車（卡斯風景區1號機車）和一臺H.K.波特型0-4-0T機車（圣伊麗莎白4號車），這臺機車被派往卡斯風景區鐵路服役，車號依然是6號，綽號大6，這臺機車在風景區的服役時間甚至超過了退役前在鐵路公司的運行時間。這臺機車也是卡斯風景區鐵路保留的最大一臺夏伊式蒸汽機車，卡斯風景區也是世界上最大的齒輪傳動蒸汽機車的集結地。

（20）臺灣阿里山鐵路修復了3臺28噸重B型機車，車號25、26和31號。其中有一臺被轉售給了澳大利亞，機車目前被派往蓬松的比利鐵路。

（21）臺灣集集火車站展出一臺22號車。

（22）田納西州唐森德保存了一臺自重70噸的機車，車號2147，來自于小河鐵路木材公司。

（23）卡斯風景區除了前文提到的幾臺機車以外，還保存了幾臺夏伊機車。其中11號車于1923年制造，最初在加利福尼亞州羽毛河瀑布的哈金森木材公司服役，這臺機車被稱為羽毛河3號，機車自重103噸。另外風景區2號機車，來自于太平洋海岸鐵路，這臺機車是1928年7月出廠，由位于不列顛哥倫比亞省溫哥華島帕爾迪的梅奧木材公司訂購，這臺機車為C型機車，自重93噸。卡斯風景區4號車，最初車號5號，這臺機車1922年出廠，由位于西弗吉尼亞州蒂奧加的樺樹谷木材公司訂購。和卡斯風景區7號車一樣，4號車是一臺C型機車，自重70到80噸之間。

（24）8號機車來自于紐約北部鐵路歷史學會，這臺機車有個名字“利文斯頓蘭辛”，為B型機車，一直在紐約州克羅恩的RHSNNY博物館下轄的勞維爾市到比弗河的鐵路上靜態展示。

（25）不列顛哥倫比亞省鄧肯市的BC森林探索中心保存著3臺B型機車，其中一臺機車編號3262，1924年出廠，1995年重建。

（26）古德曼木材公司9號車，目前在威斯康星州北部的自由中部大陸鐵路博物館展出。

（27）西澳洲朗維尤市公共圖書館在圖書館場地上展示了一臺完全修復的機車，當附近的市民中心舉辦特殊活動的時候，圖書館就會向公眾開放參觀。

（28）機車編號2769，1914年出廠，一直愛大北方鐵路公司服役到退役，目前在哥倫畢業瀑布BNSF公司治下的蒙大拿州干線上展出。

（29）一臺C型機車在墨西哥城的布埃納維斯塔火車站展出，這臺機車曾經在特族特蘭銅業公司服役，車號TCC-2號，機車自重45噸，動輪直徑749.3mm，1946年之前這臺機車的燃料是木材，之后被改造成了燃油機車，退役之后，公司將其捐贈給墨西哥國家鐵路公司作為歷史遺產保留了下來。

三、威拉米特蒸汽機車

威拉米特蒸汽機車是由俄勒岡州波特蘭威拉米特鋼鐵廠制造的夏伊式蒸汽機車。這批機車是趕在夏伊機車的專利過期后，鉆空生產的，被人們認為是盜版夏伊機車。

雖然機車被稱為盜版夏伊，但是其實威拉米特蒸汽機車和夏伊式蒸汽機車還是有很多的不同之處，因為制造商在制造這批機車的時候就計劃改良原版的夏伊機車，盡管后面利馬公司制造的太平洋海岸夏伊機車也效仿的威拉米特蒸汽機車的一些特點，但是還是有很多區別可以區分兩者的不同：

1、威拉米特蒸汽機車配備了過熱器，而夏伊機車通常沒有。

2、鍋爐的零件是焊接的，而不像夏伊是螺栓連接。

3、威拉米特機車采用的是沃爾謝茨閥齒輪，而夏伊機車用的是斯蒂芬森閥齒輪。

4、轉向架全部重新設計，威拉米特蒸汽機車在運行的時候會更平穩。

5、威拉米特機車的氣缸都是朝向同一個方向，而夏伊機車的氣缸一般都是前氣缸朝前后氣缸朝后。

6、威拉米特機車的后汽缸也在司機室前方，夏伊機車的后汽缸嵌在司機室下方

7、閥室是向外轉動的

8、在夏伊機車和威拉米特機車性能對比的一項測試中，夏伊牽引了27輛空車，威拉米特則牽引了29輛空車，切威拉米特燃料消耗減少了40%

9、盡管威拉米特機車在一家木材公司服役，木材豐富，但是除了一臺威拉米特機車燒燃煤以外剩余的都是以燃油作為燃料。由于燃油燃燒更充分且不會飛出火星，因此在木材公司服役期間安全系數也很高。唯一那臺燒煤的威拉米特還在水蟒銅業公司服役。

最終6臺威拉米特機車全員保存下來，但是只有一臺在華盛頓州礦產雷尼爾山風景鐵路運營，其他均處于封存。不過7號機車目前在蒙大拿州米蘇拉市的米蘇拉堡歷史博物館進行修復。

四、結束語

夏伊式蒸汽機車和威拉米特機車的特點都一樣，就是超低速，超高牽引力，而且采用了傳動系統來平滑蒸汽機的輸出功率，也是機車傳動系統的雛形。另外吐槽一下我當初第一次見到這款機車，可能是從小看慣了傳統的蒸汽機車，第一次看到這種齒輪傳動蒸汽機車我感覺我就像看到了一個心臟外露內臟在外面的畸形人，有一種莫名的恐怖感，不過習慣之后我不得不佩服機車發明者。下個章節我們再介紹剩下幾個型號的齒輪轉動蒸汽機車。