Η Ιστορία των Αερόφρενων: Από τον Westinghouse στο Σύγχρονο Φορτηγό

Το αερόφρενο εφευρέθηκε από τον George Westinghouse, ο οποίος κατοχύρωσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για σιδηροδρομικό αερόφρενο το 1869 και ίδρυσε την Westinghouse Air Brake Company την ίδια χρονιά. Ο πρώτος αυτός σχεδιασμός χρησιμοποιούσε πίεση αέρα για την ενεργοποίηση των φρένων, κάτι που απέτυχε επικίνδυνα όταν ένα τρένο χωρίστηκε στα δύο. Το 1872 κατοχύρωσε το αυτόματο αερόφρενο: κάθε βαγόνι έφερε δικό του δοχείο και τριπλή βαλβίδα, ώστε οποιαδήποτε απώλεια πίεσης στη γραμμή να ενεργοποιεί τα φρένα αντί να τα απελευθερώνει. Αυτή η αντιστροφή είναι ο λόγος που ο πεπιεσμένος αέρας, και όχι τα υδραυλικά ή τα καλώδια, καθιερώθηκε ως πρότυπο στα βαρέα οχήματα και παραμένει έως σήμερα.

Το πρόβλημα πριν τα αερόφρενα

Τα τρένα του 19ου αιώνα σταματούσαν με φρενάρηδες. Ο μηχανοδηγός σφύριζε και άνδρες περπατούσαν στις οροφές κινούμενων βαγονιών, στρίβοντας χειροτρόχους έναν προς έναν. Η απόσταση πέδησης εξαρτιόταν από την ταχύτητα αυτών των ανδρών. Οι συγκρούσεις ήταν συνηθισμένες και οι φρενάρηδες σκοτώνονταν κάνοντας αυτή τη δουλειά.

Δοκιμάστηκαν τόσο τα ατμόφρενα όσο και τα φρένα κενού. Ο ατμός συμπυκνωνόταν και πάγωνε πριν φτάσει στο πίσω μέρος ενός μακριού τρένου. Τα συστήματα κενού λειτουργούσαν και παρέμειναν σε χρήση στη Βρετανία και αλλού για δεκαετίες, όμως το κενό δεν μπορεί ποτέ να δώσει περισσότερο από μία ατμόσφαιρα διαφοράς, περίπου 14,7 psi. Ο πεπιεσμένος αέρας δεν έχει τέτοιο όριο: ένα μικρό δοχείο μπορεί να κρατήσει περίπου 120 psi και να εφαρμόσει μεγάλη δύναμη σύσφιξης μέσω ενός μέτριου θαλάμου. Αυτή η πυκνότητα ενέργειας είναι ο πρακτικός λόγος που επικράτησε ο αέρας.

Ευθύ αερόφρενο έναντι αυτόματου αερόφρενου

Το δίπλωμα του Westinghouse το 1869 ονομάζεται φρένο ευθέος αέρα. Μια ατμοκίνητη αντλία στη μηχανή φόρτιζε ένα δοχείο, και η βαλβίδα του μηχανοδηγού έστελνε αέρα κατά μήκος της γραμμής του τρένου στους θαλάμους φρένων κάθε βαγονιού. Στέλνεις αέρα, τα φρένα ενεργοποιούνται. Εκτονώνεις τη γραμμή, τα φρένα απελευθερώνονται.

Το ελάττωμα είναι προφανές όταν το πεις δυνατά: ένας σπασμένος σωλήνας, μια σύνδεση που χαλαρώνει ή ένα τρένο που σπάει στα δύο αδειάζει τη γραμμή, και όλα τα φρένα του τρένου απελευθερώνονται τη χειρότερη δυνατή στιγμή.

Το αυτόματο φρένο του 1872 αντέστρεψε τη λογική. Ο αέρας από τη μηχανή φορτίζει ένα βοηθητικό δοχείο σε κάθε βαγόνι μέσω της γραμμής του τρένου. Μια τριπλή βαλβίδα σε κάθε βαγόνι παρακολουθεί την πίεση της γραμμής και κάνει τρία πράγματα: φορτίζει το δοχείο, ενεργοποιεί το φρένο, ή το απελευθερώνει. Όταν η πίεση της γραμμής πέφτει, είτε επειδή το διέταξε ο μηχανοδηγός είτε επειδή έσπασε ένας σωλήνας, η τριπλή βαλβίδα συνδέει τον αποθηκευμένο αέρα του βαγονιού με τον δικό του θάλαμο φρένων. Το τρένο σταματά μόνο του. Ο Westinghouse αργότερα πρόσθεσε την τριπλή βαλβίδα ταχείας δράσης ώστε η ενεργοποίηση να διαδίδεται γρήγορα σε ένα μακρύ τρένο αντί να προχωρά αργά βαγόνι-βαγόνι.

Κάθε φορτηγό και ρυμουλκούμενο με αερόφρενα που κατασκευάζεται από τότε λειτουργεί με αυτή την αρχή. Χάνεται η πίεση παροχής και τα φρένα ελατηρίου ενεργοποιούνται. Το σύστημα είναι σχεδιασμένο ώστε η βλάβη να οδηγεί σε ακινητοποίηση.

Χρονολόγιο: σταθμοί των αερόφρενων

Από τη σιδηροδρομική στην οδική χρήση

Τα φορτηγά έγιναν βαρύτερα πιο γρήγορα απ' ό,τι τα φρένα τους. Τα πρώιμα βαρέα φορτηγά χρησιμοποιούσαν μηχανική σύνδεση και αργότερα υδραυλικά, και τα δύο λειτουργικά σε ένα άκαμπτο δίαξονο όχημα αλλά ανεπαρκή μόλις αρχίζεις να προσθέτεις ρυμουλκούμενα. Ένα υδραυλικό κύκλωμα πρέπει να είναι σφραγισμένο, γεμάτο και εξαερωμένο· δεν μπορείς να το συνδέσεις και να το αποσυνδέσεις αμέριμνα σε μια λασπωμένη αυλή αρκετές φορές τη μέρα. Ο αέρας μπορεί. Δύο ρακόρ, ένα σπρώξιμο, τέλος, και μια διαρροή εκτονώνεται αβλαβώς στην ατμόσφαιρα αντί να χάνεται υγρό και πεντάλ.

Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1920 και μέσα στη δεκαετία του 1930, τα αερόφρενα ήταν βασικός εξοπλισμός σε λεωφορεία και μεγαλύτερα φορτηγά στις ΗΠΑ. Η Bendix και η Westinghouse ένωσαν δυνάμεις γύρω στο 1930 για την κατασκευή εξαρτημάτων αερόφρενων οχημάτων, και αυτά τα ονόματα, μαζί με την Wabco και αργότερα την Knorr-Bremse στην Ευρώπη, εξακολουθούν να εμφανίζονται στους συμπιεστές, τους ρυθμιστές και τις βαλβίδες κάτω από ένα σύγχρονο φορτηγό.

Η οδική εκδοχή αναδιοργάνωσε τη σιδηροδρομική διάταξη χωρίς να αλλάξει τη φιλοσοφία της. Ένας κινητήριος συμπιεστής αέρα αντικατέστησε την ατμοκίνητη αντλία. Ένας ρυθμιστής εναλλάσσει τον συμπιεστή μεταξύ φορτωμένης και άφορτης κατάστασης αντί να τον αφήνει να λειτουργεί συνεχώς. Το έργο της τριπλής βαλβίδας διαιρέθηκε σε βαλβίδες αναμετάδοσης, βαλβίδες ταχείας απελευθέρωσης και, στο ρυμουλκούμενο, μια βαλβίδα αναμετάδοσης έκτακτης ανάγκης που ενεργοποιεί τα φρένα του ρυμουλκούμενου αν χαθεί η γραμμή παροχής — ακριβώς η ιδέα του 1872 σε διαφορετική χύτευση.

Τι κληρονόμησε το σύγχρονο σύστημα

Ένα σημερινό φορτηγό είναι η αρχιτεκτονική του Westinghouse με έναν αιώνα βελτιώσεων:

• Ενεργοποίηση ασφαλούς βλάβης. Τα φρένα ελατηρίου αρχίζουν να «σέρνονται» καθώς εκτονώνεται ο αέρας και ενεργοποιούνται πλήρως γύρω στα 20-45 psi, ανάλογα με τον θάλαμο.
• Αποθηκευμένη ενέργεια σε κάθε σημείο χρήσης. Δοχεία στον ελκυστήρα και στο ρυμουλκούμενο, όπως ακριβώς τα δοχεία σε κάθε βαγόνι.
• Πίεση λειτουργίας περίπου 120 psi. Οι ρυθμιστές συνήθως διακόπτουν κάπου στη ζώνη 120-135 psi και επανασυνδέουν γύρω στα 100-110 psi, ώστε ένα πλήρως φορτισμένο σύστημα να βρίσκεται κοντά στα 120 psi. Μια προειδοποιητική λυχνία και βομβητής στο ταμπλό ενεργοποιούνται όταν η πίεση πέσει στα περίπου 60 psi.
• Πλεονασμός. Η πέδηση λειτουργίας χωρίζεται σε δύο ανεξάρτητα κυκλώματα ώστε μία βλάβη να μην αχρηστεύει τα πάντα, η οδική εκδοχή του να μην εμπιστεύεσαι μία μόνο γραμμή.
• Διαχείριση ποιότητας αέρα. Οι συμπιεστές παράγουν ζεστό, υγρό, ελαφρώς λαδωμένο αέρα. Οι ξηραντήρες και οι κύκλοι εκκένωσης υπάρχουν επειδή η υγρασία και το λάδι κατέστρεφαν βαλβίδες πολύ πριν γραφτεί οποιοδήποτε πρότυπο γι' αυτό.

Αυτό που πραγματικά άλλαξε είναι ο έλεγχος, όχι η ενεργοποίηση. Το ABS, το EBS, ο έλεγχος ευστάθειας και η αυτόματη πέδηση έκτακτης ανάγκης βρίσκονται όλα πάνω από το πνευματικό επίπεδο, ρυθμίζοντας την πίεση πιο γρήγορα και με μεγαλύτερη ακρίβεια απ' ό,τι θα μπορούσε ποτέ ένα πόδι. Ο αέρας εξακολουθεί να κάνει τη δουλειά. Για τη μηχανική επισκόπηση του πώς αυτά τα κομμάτια συνδυάζονται σε ένα σημερινό όχημα, ξεκινήστε με το πώς λειτουργούν τα συστήματα αερόφρενων, και συγκρίνετε τις δύο φιλοσοφίες στο αέρα έναντι υδραυλικών φρένων.

Γιατί δεν αντικαταστάθηκε ποτέ

Έχουν προταθεί εναλλακτικές λύσεις σε όλα τα 150 χρόνια από τότε. Καμία δεν ξεπερνά τον συνδυασμό που προσφέρει ο αέρας: ένα δωρεάν και απεριόριστο ρευστό λειτουργίας· διαρροές που εκτονώνονται στην ατμόσφαιρα αντί να ρίχνουν το πεντάλ· ρακόρ που ένας οδηγός μπορεί να συνδέσει σε δευτερόλεπτα με οποιονδήποτε καιρό· ενέργεια που μπορεί να αποθηκευτεί σε ατσάλινο δοχείο· και έναν τρόπο βλάβης που ακινητοποιεί το όχημα αντί να το απελευθερώνει.

Η ηλεκτρομηχανική πέδηση ενδέχεται τελικά να το αλλάξει αυτό σε κάποια βαρέα οχήματα, και ο ηλεκτρονικός έλεγχος κυριαρχεί ήδη στη λήψη αποφάσεων. Όμως ο ενεργοποιητής στην άκρη του τροχού εξακολουθεί να είναι ένα διάφραγμα που ωθείται από πεπιεσμένο αέρα και συγκρατείται σε εφεδρεία από ελατήριο — μια ιδέα που κατοχυρώθηκε το 1872 και που κανείς δεν χρειάστηκε να αντικαταστήσει.