蒸気機関車
気筒室で作られた往復運動は主連接棒(メインロッド)を通じて動輪に伝えられ、ここで最終的に回転運動におきかえられる。主連接棒と連結されている動輪を主動輪という。主動輪と他の動輪は連結棒(カップリングロッド)で連結されている。また左右の動輪は車軸で繋がっており、2シリンダー機の場合は連結棒を介して90度の角度でずらして主連接棒と連結されていて、それにより片方の気筒室内のピストンが前端または後端の死点に達してピストンの力がゼロになっても、もう片方のピストンの力が最大になるように動力伝達されている。
動輪以外に機関車に設置される車輪として先輪と従輪がある。先輪は動輪の前に設置され、カーブでのスムーズな方向転換に有効であり、機関車重量の一部を負担する効果もある。従輪は動輪より後ろに配置され、機関車後部の重量を受け持つ。大きな火室を必要とする高出力機では、小さな従輪の上に幅広の火室を装備する広火室タイプが採用された。
蒸気機関車の最高速度はシリンダーの往復速度と動輪の直径(動輪径)で決まる。
V型に配置された蒸気機関で前後の車輪を駆動する
2組の独立した走り装置を備える。シリンダーは前後とも中央側にある。
蒸気の圧力をシリンダーに導きピストンを作動させることで往復運動に変換し、その往復運動で動輪を駆動する方式で、広く普及した。
なお、給炭の手間や燃費を除いても火床面積は出力に対し十分な火力が得られるならば無理に拡大する必要はなく、特に内火室容積に比べて過剰に大きい場合不完全燃焼が起きやすくなる。
強力機ではそのボイラー容量に見合った火力を得るため巨大な火室を備えるケースが多いが、高カロリーの良質な燃料を常用できる環境にあった鉄道、例えばイギリスのグレート・ウェスタン鉄道(GWR)の機関車では、4073形(キャッスル級あるいはカースル級とも。軸配置2C、過熱式単式4気筒、狭火室。火格子面積2.73m)のように、狭火室のままで他社が保有していた同クラスの機関車を上回る高性能を発揮する例が少なからず存在した。広火室は、総じて低品質の燃料でより大きな出力を得る手段として利用されていたのである。
機関車の火室には、左右の台枠間に設置したいわゆる狭火室タイプと、より大型の機関車に設置される台枠の幅(軌間)より大きな広火室タイプのものがある。D52等、一部の形式では煙管の手前に燃焼室を備える。
1804年にイギリスで蒸気機関車を走行させる。鉄道史上初とされている。
1両の機関車にボイラーに固定されず独立した台枠を有する1組以上の走り装置を装備し、出力強化や曲線通過の容易化を図ったもの。
だが、戦時設計の粗雑な製造という悪条件も重なり、燃焼室で破裂事故(D52 73 昭和19年 5月 14日山陽線大久保-土山間において破裂、D52 83 昭和19年 6月 30日 山陽線万富駅にて破裂、D52 209 昭和20年 10月 19日 東海道線醒ケ井駅にて破裂)を起こし、D52に対する悪評の一因ともなった。余談だが同じ戦時型でもS118やS160などは燃焼室を装備せず極限性能ではなく製造を優先した設計思想も存在する。 欧州では1930年代半ばに燃焼室の効果に疑問を呈されたことがあり、1937年パリ万国博覧会で最高の賞を授与したポーランドPm36には燃焼室が付いておらず、英国LMSコロネーション級蒸気機関車から燃焼室を取り4-6-4とした四気筒機関車の計画が進められていたが世界情勢の悪化により立ち消えとなっている。フランスではSNCFが誕生した際に標準型機関車としてアンドレ・シャプロンが設計に携わったSNCF 141Pに燃焼室が付けられなかった。ソビエト連邦で燃焼室はFD機関車に搭載されたが波及したとは言いがたく、スターリン章を授与されたL型機関車と最後の量産機であるP36型に設置されずなかった。そのため、ソ連技術の影響を受けた中国国鉄前進型蒸気機関車で燃焼室が搭載されたのは1964年の改良型からであった。
日本の蒸気機関車史 国産の国鉄蒸気機関車
軽便鉄道・産業鉄道 鉄道省、そして規模の大きな私鉄向けの蒸気機関車は規格化・国産化された。しかし資本力の小さな鉄道向けの小型蒸気機関車までは国は関与しなかった。軽便鉄道、産業鉄道に向けては主にドイツ、コッペル社の小型蒸気機関車が廉価で高品質であったこともあり、第一次世界大戦までは大量に輸入され続けた。 その後は日本車輌製造、雨宮製作所、あるいは深川造船所などのメーカーによって国産化が進み、第二次世界大戦期には立山重工業などの手による規格化設計機関車の量産も実施された。
軍用鉄道 鉄道連隊演習線
蒸気の圧力を蒸気タービンに導き、回転運動に直接変換する方式である。タービンで発生した回転運動はギアやロッドにより間接的に動輪に伝達される。 詳細は蒸気タービン機関車を参照。
火室で作られた高温の燃焼ガスは、煙管と呼ばれる数多くの細い管に導かれる。煙管の本数や管のサイズは機関車の出力性能に大きく関与するが、本数は50本から200本、管の直径は50mm前後である。煙管の周囲は水で満たされており、燃焼ガスが通過する際の熱伝導を受けて蒸気が発生する、いわゆるボイラーであり、この部分は缶胴と呼ばれている。ボイラーの材質は鋼鉄が一般的だったが、イギリス等では銅も使用された。発生した蒸気は上部の蒸気溜めのドームに一旦溜められ、溜められた蒸気は、蒸気機関車の各種補機類を作動させるために取付けられた配管により分配されるが、走行に使用される蒸気は、加減弁で流量を調整後、乾燥管を通って蒸気中の水分を取り除かれて乾燥された蒸気となり、煙室の主蒸気管を介して走り装置の蒸気室のシリンダーに送られる。
まれに車両限界の都合などでドームがない機関車もあり、こういった車両は缶胴最上部に細いスリットを持つ管を通し、そこから蒸気を採集する。蒸気は気体なので普通にこの穴を通過できるが同じ流体でも粘性のある熱湯は通過しにくいためシリンダー側に湯が入ることはまずないが、勾配区間での使用に関しては当然ドームがある方が安全であり、日本などでは使用されていない。
使用される蒸気は、圧力が10-16kg/cmで温度は200°Cの飽和蒸気を使用する飽和式と、さらに蒸気を加熱して圧力を高めるため、主蒸気管と乾燥管の間に過熱管寄せとそこから煙管の内部まで伸びて過熱管寄せに戻る過熱管を装備して、乾燥管からの蒸気を、過熱管寄せから過熱管を介して通過させることにより、蒸気の温度をさらに300-400°Cに高めた過熱蒸気を使用する過熱式とがあり、直径が通常の煙管の2倍以上で過熱管を内蔵した煙管を大煙管と呼んでいる。
ダージリン・ヒマラヤ鉄道、ニルギリ山岳鉄道(世界遺産「インドの山岳鉄道群」を構成している)、パッフィン・ビリー鉄道
ドイツのハルツ狭軌鉄道
ドイツ・ツィッタウのザクセン・オーバーラウジッツ鉄道(Sächsisch-Oberlausitzer Eisenbahngesellschaft)