蒸汽機車汽門 Steam locomotive valve gear
本文取材自 世界的蒸汽火車 交通科學技術博物館 數位資料庫
蒸汽火車的正式學名為「蒸汽機車」(steam locomotive)，以蒸汽機steam engine為動力的車輛locomotive。蒸汽火車最早發明之時，無法精確控制車輪前進或後退，就必須有一套機構，精確控制蒸汽推動活塞的方向，這個機構稱為汽門（Valve Gear）。直到汽門被發明，蒸汽機車的操作才走向實用化。
人類工業歷史上出現的汽門結構很多，比較具有代表性的汽門結構，大概是以下四種；Stephenson史蒂芬生式、Allan愛蘭式、Joy膠式、Walschearts華式，這四種汽門構造台鐵蒸汽火車都有。目前世界各國的以華式汽門最為普遍。
Stephenson Valve Gear 史式汽門
蒸汽機車為了準確控制活塞，汽門控制是由動輪的軸心，裝置偏心輪，經偏心桿回授，拉動閥心桿開關汽門，這樣的設計首見於1829年，英國史蒂芬生（Robert Stephenson）研製火箭號（Rocket）的構造，故將這種汽門和回授機構藏在動輪內側的設計，稱為史式汽門。
這樣的火車設計在十九世紀蔚為主流，從火車外觀看不到什麼複雜的連桿，其實真正複雜的部份藏在框架裡面，台鐵CK80型蒸汽機車，現今保存CK58及9號蒸汽機車，都是屬於這型構造，蒸汽機車一定要有檢修道，才能維護內部構造。
Allan straight link Valve Gear愛蘭式汽門
騰雲號機車所採用的愛蘭式汽門，基本上是由史蒂芬生式汽門改良而來。直到十九世紀後葉，愛蘭式汽門才把偏心輪，移到框架的外側來，以便於維護，騰雲號機車就是屬於此型構造。這是 蘇格蘭的工程師，Alexander Allan 亞歷山大愛蘭在1855年所發明的。史蒂芬生式汽門，原本將兩對控制前進後退的偏心輪裝在車軸中心，而愛蘭式的偏心輪改裝至車輪外側，如此整體回授機構外露，便於維護，為其優點之一。
然而，在蒸汽機車發展史上，使用偏心輪回授的機構，前進沒有問題，但是後退時，滑環的中心點容易滑動，無法大幅提高其行駛速度，故在華式汽門發明之後，除了速度較慢的火車保留之外，便逐步遭到淘汰。
Joy Valve Gear 膠式汽門
在人類研發蒸汽火車的過程中，其實捨棄偏心輪的簡化設計，並非華式汽門的創舉。在十九世紀末葉， 英國的工程師，Hackworth valve gear 就提出用機械角度補償的方式簡化，David Joy膠式改良其汽門，在1879年取得專利。膠式汽門利用主連桿的前後運動，透過合併桿（Combination lever）把動輪的角度傳達給閥心桿，並將滑環（Expansion link）改成扇形滑，主導機車前進和後退。膠式汽門首度用於英國 L&NWR蒸汽機車，尤其是窄軌火車內部框架空間不足，捨棄內部偏心輪的設計，得到很大的突破。
膠式汽門可謂蒸汽機車發明之後一項突破，整體汽門回授機構，獲得大幅度簡化。不過，由於合併桿與扇形滑的連動過於脆弱，機車速度無法有效提昇，成為蒸汽機車史上的稀有族群，故在二十世紀初葉，逐漸為華式汽門所取代。台鐵現今保存的BK24，就是此一稀有膠式汽門，英國蒸汽機車的歷史文物。
Walschearts Valve Gear 華式汽門
全世界使用最多的汽門構造，包含台鐵在內，就是華式汽門，由比利時的工程師 Egide Walschaerts所發明， 1873 年在維也納Vienna的萬國博覽會Universal Exhibition正式公諸於世。華式汽門將合併桿往前移至十字頭前方，由十字頭帶動直接傳動至汽門開關，原先偏心輪的回授機構，改成曲枴銷（Return Crank）加偏心桿（Eccentric Rod），不啻有效控制前進後退，使汽門開關更為有效迅速，而且沒有後遺症，幾乎是完美的機械結構。
在二十世紀初，1918年一次大戰結束之後，已成為全世界蒸汽火車最主要的汽門構造。英美國家蒸汽火車在二次大戰之前，配合過熱式提高蒸汽壓力，1938年英國的LNER class A4蒸汽機車，創造出時速202公里的極速，寫下人類蒸汽火車速度最快的歷史紀錄。
參考文獻 建議典藏 拙作 台灣蒸汽火車百科 (數位繪圖 張毓軒)
