Historie vzduchových brzd: od Westinghouse k modernímu kamionu

Vzduchovou brzdu vynalezl George Westinghouse, který si v roce 1869 nechal patentovat vzduchovou brzdu pro železnici a téhož roku založil společnost Westinghouse Air Brake Company. Tento první návrh využíval tlak vzduchu k aktivaci brzd, což bylo nebezpečné při rozpojení vlaku. V roce 1872 si nechal patentovat automatickou vzduchovou brzdu: každý vagon měl vlastní zásobník a trojcestný ventil, takže jakákoli ztráta tlaku v potrubí aktivovala brzdy místo toho, aby je uvolnila. Tento obrácený princip je důvodem, proč se stlačený vzduch – a ne hydraulika nebo lanka – stal standardem u těžkých vozidel a je jím dodnes.

Problém před vzduchovými brzdami

Vlaky v devatenáctém století zastavovaly pomocí brzdařů. Strojvedoucí zapískal a muži chodili po střechách jedoucích vagonů a jednotlivě otáčeli ručními koly. Brzdná dráha závisela na tom, jak rychle se tito muži dokázali pohybovat. Srážky byly běžné a brzdaři při této práci umírali.

Vyzkoušely se parní i vakuové brzdy. Pára na konci dlouhého vlaku zkondenzovala a zamrzla dříve, než dorazila. Vakuové systémy fungovaly a v Británii a jinde se používaly desítky let, ale vakuum může poskytnout maximálně přibližně jednu atmosféru rozdílu tlaku, zhruba 14,7 psi. Stlačený vzduch žádný takový strop nemá: malá nádrž udrží asi 120 psi a přes skromnou komoru dokáže vyvinout velkou přítlačnou sílu. Tato hustota energie je praktickým důvodem, proč vzduch zvítězil.

Přímý vzduch versus automatický vzduch

Westinghousův patent z roku 1869 se nazývá brzda s přímým vzduchem. Parou poháněné čerpadlo na lokomotivě plnilo zásobník a strojvedoucí pomocí ventilu posílal vzduch potrubím do brzdových válců na každém vagonu. Vpustíte vzduch – brzdy se aktivují. Odvzdušníte potrubí – brzdy se uvolní.

Vada je zřejmá, jakmile ji vyslovíte: prasklá hadice, rozpojená spojka nebo rozdělení vlaku na dvě části vypustí potrubí a všechny brzdy vlaku se uvolní v nejhorší možný okamžik.

Automatická brzda z roku 1872 tuto logiku obrátila. Vzduch z lokomotivy plní přes potrubí pomocný zásobník na každém vagonu. Trojcestný ventil na každém vagonu sleduje tlak v potrubí a dělá tři věci: plní zásobník, aktivuje brzdu nebo ji uvolňuje. Když tlak v potrubí klesne – ať už na příkaz strojvedoucího, nebo kvůli povolené hadici – trojcestný ventil propojí vlastní zásobní vzduch daného vagonu s jeho vlastním brzdovým válcem. Vlak se zastaví sám. Westinghouse později přidal trojcestný ventil s rychlým účinkem, aby se aktivace šířila dlouhým vlakem rychle, místo aby postupovala pomalu od vagonu k vagonu.

Na tomto principu funguje každý kamion a přívěs se vzduchovými brzdami vyrobený od té doby. Ztráta tlaku napájení znamená aktivaci pružinových brzd. Systém je navržen tak, aby selhal směrem k zastavení.

Časová osa: milníky vzduchových brzd

Od kolejí k silnici

Nákladní automobily těžkly rychleji než jejich brzdy. Raná těžká nákladní vozidla používala mechanické táhlo a později hydrauliku, oboje fungovalo na tuhém dvounápravovém vozidle, ale bylo to špatné řešení jakmile se začaly přidávat přívěsy. Hydraulický okruh musí být utěsněný, naplněný a odvzdušněný; nelze ho jen tak běžně několikrát denně na bláitivém dvoře připojovat a odpojovat. Vzduch to umožňuje. Dvě spojky, zatlačit, hotovo, a únik neškodně unikne do atmosféry místo ztráty kapaliny a pedálu.

Na konci 20. let a v průběhu 30. let 20. století byly vzduchové brzdy standardní výbavou autobusů a větších nákladních vozidel v USA. Bendix a Westinghouse spojily síly kolem roku 1930, aby vyráběly automobilové komponenty vzduchových brzd, a tato jména, spolu s Wabco a později Knorr-Bremse v Evropě, se stále objevují na kompresorech, regulátorech a ventilech pod moderním kamionem.

Silniční verze reorganizovala železniční uspořádání, aniž by změnila jeho filozofii. Motorem poháněný vzduchový kompresor nahradil parní čerpadlo. Regulátor přepínal tento kompresor mezi zatíženým a nezatíženým stavem místo toho, aby ho nechal běžet naplno. Úloha trojcestného ventilu se rozdělila mezi relé ventily, ventily rychlého vypouštění a na přívěsu nouzové relé, které aktivuje brzdy přívěsu při ztrátě napájecího potrubí – přesně stejná myšlenka z roku 1872, jen v jiném provedení.

Co moderní systém zdědil

Kamion vyrobený dnes je Westinghousova architektura s vylepšeními nastřádanými za století:

• Bezpečnostní aktivace při selhání. Pružinové brzdy se začínají táhnout, jakmile vzduch uniká, a jsou plně aktivovány zhruba kolem 20–45 psi, v závislosti na komoře.
• Uložená energie v každém bodě použití. Zásobníky na tahači i na přívěsu, stejně jako zásobníky na každém vagonu.
• Pracovní tlak kolem 120 psi. Regulátory obvykle vypínají zhruba v pásmu 120–135 psi a znovu zapínají kolem 100–110 psi, takže plně nabitý systém se pohybuje kolem 120 psi. Varovná kontrolka na palubní desce a bzučák se aktivují při poklesu tlaku na přibližně 60 psi.
• Redundance. Provozní brzdění je rozděleno na dva nezávislé okruhy, takže jedna porucha nevyřadí vše – silniční ekvivalent nespoléhání se na jediné potrubí.
• Řízení kvality vzduchu. Kompresory produkují horký, vlhký a mírně olejnatý vzduch. Vysoušeče a čisticí cykly existují proto, že vlhkost a olej ničily ventily dávno předtím, než někdo napsal jakoukoli normu.

Co se skutečně změnilo, je řízení, ne aktivace. ABS, EBS, stabilizace jízdy a automatické nouzové brzdění – to vše sedí nad pneumatickou vrstvou a moduluje tlak rychleji a přesněji, než by to dokázala noha. Práci stále vykonává vzduch. Mechanický přehled toho, jak tyto díly fungují dohromady u dnešního vozidla, najdete v článku jak fungují systémy vzduchových brzd, a porovnání obou filozofií vedle sebe v článku vzduchové versus hydraulické brzdy.

Proč nikdy nebyl nahrazen

Za 150 let od té doby bylo navrženo mnoho alternativ. Žádná neporazila kombinaci výhod, kterou vzduch nabízí: zdarma a neomezené pracovní médium; úniky, které unikají do atmosféry místo poklesu pedálu; spojky, které řidič dokáže spojit za pár sekund za jakéhokoli počasí; energii, kterou lze uložit v ocelové nádrži; a způsob selhání, který vozidlo zastaví, místo aby ho uvolnil.

Elektromechanické brzdění to u některých těžkých vozidel může časem změnit a elektronické řízení už dnes dominuje rozhodovacímu procesu. Ale akční člen na konci kola je stále membrána tlačená stlačeným vzduchem a držená v pohotovosti pružinou – myšlenka patentovaná v roce 1872, kterou zatím nikdo nepotřeboval nahradit.