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Shay 的「直立式汽缸」特殊設計，是全球蒸汽機車族群內非常少見的。 所謂直立式汽缸（Cylinder Vertical Engine），是指火車汽缸中的活塞是以垂直的方向運動，帶動曲柄（Crank）轉動滾軸（Shaft），以傘型齒輪帶動車輪，它的優點是可以行駛在不平整的軌道（rough track），曲率半徑極小又彎又陡（sharp curve and steep grade）的路線上，非常適合較差的森林鐵道路線。Shay 蒸汽機車，裝置傘型齒輪的減速作用（gear's reduction），使火車在坡度路段停車時亦不致下滑，爬坡力強這是它的優點。然而，缺點也是因為傘型齒輪的減速作用，曲柄本身的直徑很小，又經過齒輪減速後傳動，即使活塞全速運轉，火車怎樣也快不起來。所以過去1960年代，阿里山蒸汽火車登山時，最快只有時速11公里,
Shay蒸汽機車，它的發明者Ephraim Shay是位美國工程師，他在1870年代美國南北戰爭時期加入北軍，並在密西根州開墾森林。戰爭結束後Ephraim Shay在密西根州舖設伐木鐵道，而他的林場用機械，都是向創立於1869年俄亥俄州的Lima公司購買。他發現一般往復式汽缸的火車，並不適合軌道路線彎曲，時走時停的森林鐵道中行駛。於是他經過五年的研究改良，在1878年發明了「直立式汽缸」與齒輪結構傳動，並命名為Shay，於1881年正式取得專利，並將它賣給專門生產林業用機械的Lima公司。
於是從1892年4月12日開始，萊瑪公司( Lima Locomotive & Machine Co.)開始生產這種直立式汽缸，稱之為Shay齒輪式火車（Geared Locomotive），沒想到這種火車，立刻受到美國伐木業者極大的歡迎。1880年第一部Shay誕生之後訂單不斷，1893年更在萬國博覽會上聲名大噪，收到許多海外的訂單，Shay從此成為這種特殊火車的代名詞。
而美國 Lima公司生產的 Shay，從最小的10噸，到最大的150噸共有17種型式；軌距從輕便窄軌762公厘，到標準軌1435公厘皆可使用。儘管他們的大小不同，對軌道的彎度和坡度適應力，絲毫不打折扣。尤其直立式汽缸聯動兩側傘型齒輪的伸縮桿（flexible jonits），可依軌道彎度自動伸縮，這種行駛彎道的能力，除了 Climax 與 Heisler 另外兩款齒輪式火車，世界上沒有任何蒸汽機車的地形適應力，可與Shay相提並論。
LIMA 從 1878年到1945年間共製造了 2768部 Shay, 其可分為四種類型及 2 trucks 和 3 trucks 並從 6 到 160 噸都有.
•Class A: two cylinders, two trucks. Weights between 6 and 24 tons.
•Class B: three cylinders, two trucks. Weights between 10 and 80 tons.
•Class C: three cylinders, three trucks. Weights between 40 and 160 tons.
•Class D: three cylinders, four trucks. Weights of 100 and 150 tons.
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