تاریخچه ترمز بادی: از وستینگهاوس تا کامیون مدرن

ترمز بادی توسط جورج وستینگهاوس اختراع شد؛ او در سال ۱۸۶۹ ترمز راه‌آهن با هوای فشرده را ثبت اختراع کرد و در همان سال شرکت Westinghouse Air Brake را تأسیس نمود. آن طراحی اولیه از فشار هوا برای اعمال ترمز استفاده می‌کرد که در صورت جدا شدن اجزای قطار به‌طور خطرناکی از کار می‌افتاد. در سال ۱۸۷۲ او ترمز بادی خودکار را به ثبت رساند: هر واگن مخزن هوای مستقل و یک شیر سه‌گانه داشت، به‌طوری که هرگونه افت فشار خط باعث اعمال ترمز می‌شد نه رها شدن آن. این وارونگی دلیلی است که چرا هوای فشرده، به‌جای سیستم هیدرولیک یا سیم‌بکسل، به استاندارد خودروهای سنگین تبدیل شد و امروز هم همچنان چنین است.

مشکل پیش از ترمز بادی

قطارهای قرن نوزدهم با کمک ترمزبان‌ها متوقف می‌شدند. راننده لوکوموتیو سوت می‌زد و افراد روی سقف واگن‌های در حال حرکت راه می‌رفتند و یکی‌یکی چرخ‌های دستی را می‌چرخاندند. فاصله توقف به سرعت حرکت این افراد بستگی داشت. برخوردها امری عادی بود و ترمزبان‌ها در حین انجام این کار جان خود را از دست می‌دادند.

ترمزهای بخاری و ترمزهای خلأ هر دو امتحان شدند. بخار پیش از رسیدن به انتهای یک قطار طولانی متراکم شده و یخ می‌زد. سیستم‌های خلأ کار می‌کردند و برای دهه‌ها در بریتانیا و جاهای دیگر مورد استفاده قرار گرفتند، اما خلأ تنها می‌تواند حدود یک اتمسفر اختلاف فشار، یعنی تقریباً ۱۴.۷ psi ایجاد کند. هوای فشرده چنین سقفی ندارد: یک مخزن کوچک می‌تواند حدود ۱۲۰ psi نگه دارد و از طریق یک محفظه نسبتاً کوچک نیروی گیره‌ای بزرگی اعمال کند. این چگالی انرژی دلیل عملی برتری هوا بود.

ترمز مستقیم در برابر ترمز خودکار

ثبت اختراع سال ۱۸۶۹ وستینگهاوس ترمز مستقیم (straight air) نام دارد. یک پمپ بخاری روی لوکوموتیو مخزن هوا را پر می‌کرد و شیر راننده هوا را از طریق خط قطار به سیلندرهای ترمز هر واگن می‌فرستاد. تزریق هوا، اعمال ترمز؛ تخلیه خط، رها شدن ترمز.

عیب آن با بیان ساده روشن می‌شود: پارگی شیلنگ، جدا شدن کوپلینگ یا دو تکه شدن قطار خط را تخلیه می‌کند و همه ترمزهای قطار در بدترین لحظه ممکن رها می‌شوند.

ترمز خودکار سال ۱۸۷۲ این منطق را معکوس کرد. هوا از لوکوموتیو از طریق خط قطار مخزن کمکی هر واگن را شارژ می‌کند. یک شیر سه‌گانه روی هر واگن فشار خط را رصد می‌کند و سه کار انجام می‌دهد: شارژ مخزن، اعمال ترمز یا رها کردن آن. وقتی فشار خط افت می‌کند، چه به دستور راننده و چه به دلیل پاره شدن شیلنگ، شیر سه‌گانه هوای ذخیره‌شده همان واگن را به سیلندر ترمز خودش وصل می‌کند. قطار خودش را متوقف می‌کند. وستینگهاوس بعداً شیر سه‌گانه اقدام سریع (quick-action) را اضافه کرد تا اعمال ترمز به‌سرعت در طول یک قطار طولانی منتشر شود، نه اینکه واگن به واگن به‌کندی پیش برود.

هر کامیون و تریلر مجهز به ترمز بادی از آن پس بر این اصل کار می‌کند. با از دست رفتن فشار تغذیه، ترمزهای فنری اعمال می‌شوند. این سیستم طوری طراحی شده که خرابی آن به سمت توقف پیش برود.

خط زمانی: نقاط عطف ترمز بادی

از ریل تا جاده

کامیون‌ها سریع‌تر از ترمزهایشان سنگین شدند. کامیون‌های سنگین اولیه از لینکاژ مکانیکی و بعدها هیدرولیک استفاده می‌کردند، هر دو روی خودروی دو محور صلب کارآمد بودند اما به‌محض افزودن تریلر ضعیف عمل می‌کردند. مدار هیدرولیک باید آب‌بندی، پر و هواگیری شود؛ نمی‌توان آن را چند بار در روز در یک حیاط گلی به‌راحتی وصل و قطع کرد. اما هوا این امکان را دارد. دو گلدهند، یک فشار، تمام؛ و نشتی بی‌خطر به اتمسفر تخلیه می‌شود، نه از دست رفتن مایع و پدال.

تا اواخر دهه ۱۹۲۰ و در طول دهه ۱۹۳۰، ترمز بادی تجهیز استاندارد اتوبوس‌ها و کامیون‌های بزرگ‌تر در آمریکا بود. بندیکس و وستینگهاوس در حدود سال ۱۹۳۰ برای ساخت اجزای ترمز بادی خودرو به هم پیوستند، و این نام‌ها، همراه با واباکو و بعدها نورر-برمزه در اروپا، هنوز روی کمپرسورها، گاورنرها و شیرهای زیر یک کامیون مدرن دیده می‌شوند.

نسخه جاده‌ای چیدمان راه‌آهن را بدون تغییر فلسفه‌اش بازآرایی کرد. یک کمپرسور هوا با موتور جایگزین پمپ بخار شد. یک گاورنر آن کمپرسور را بین حالت بارگذاری و بدون بار سیکل می‌داد به‌جای اینکه اجازه دهد پیوسته کار کند. وظیفه شیر سه‌گانه بین شیرهای رله، شیرهای تخلیه سریع، و روی تریلر یک رله اضطراری تقسیم شد که در صورت قطع خط تغذیه ترمزهای تریلر را اعمال می‌کند؛ دقیقاً همان ایده سال ۱۸۷۲ در قالبی متفاوت.

آنچه سیستم مدرن به ارث برده است

کامیونی که امروز ساخته می‌شود همان معماری وستینگهاوس است با یک قرن بهبود روی آن:

• عملکرد فیل‌سیف. ترمزهای فنری با تخلیه هوا شروع به کشیدن می‌کنند و بسته به محفظه، تقریباً در ۲۰ تا ۴۵ psi کاملاً اعمال می‌شوند.
• انرژی ذخیره‌شده در هر نقطه مصرف. مخازن روی تراکتور و روی تریلر، درست مانند مخازن هر واگن ریلی.
• فشار کاری حدود ۱۲۰ psi. گاورنرها معمولاً در محدوده ۱۲۰ تا ۱۳۵ psi قطع می‌شوند و در حدود ۱۰۰ تا ۱۱۰ psi دوباره وصل می‌شوند، بنابراین یک سیستم کاملاً شارژ در حدود ۱۲۰ psi می‌ماند. چراغ هشدار داشبورد و بوق هنگام افت فشار به حدود ۶۰ psi روشن می‌شوند.
• افزونگی. ترمزگیری سرویس به دو مدار مستقل تقسیم می‌شود تا یک خرابی همه‌چیز را از کار نیندازد؛ معادل جاده‌ای عدم اعتماد به یک خط واحد.
• مدیریت کیفیت هوا. کمپرسورها هوای داغ، مرطوب و کمی روغنی عبور می‌دهند. خشک‌کن‌ها و سیکل‌های تخلیه به این دلیل وجود دارند که رطوبت و روغن مدت‌ها پیش از نوشتن هر استانداردی شیرها را نابود می‌کردند.

آنچه واقعاً تغییر کرده، کنترل است، نه اجرا. ABS، EBS، کنترل پایداری و ترمزگیری اضطراری خودکار همگی روی لایه پنوماتیک قرار می‌گیرند و فشار را سریع‌تر و دقیق‌تر از هر پایی تنظیم می‌کنند. اما این هوا است که کار را انجام می‌دهد. برای بررسی مکانیکی نحوه کنار هم قرار گرفتن این اجزا روی خودروی امروزی، از نحوه کار سیستم‌های ترمز بادی شروع کنید و دو فلسفه را در ترمز بادی در برابر هیدرولیک کنار هم مقایسه کنید.

چرا هرگز جایگزین نشد

در طول ۱۵۰ سال گذشته جایگزین‌های زیادی پیشنهاد شده‌اند. هیچ‌کدام بر ترکیبی که هوا ارائه می‌دهد پیروز نشدند: یک سیال کاری رایگان و نامحدود؛ نشتی‌هایی که به اتمسفر تخلیه می‌شوند نه اینکه پدال را از دست بدهند؛ کوپلینگ‌هایی که راننده می‌تواند در چند ثانیه در هر شرایط آب‌وهوایی وصل کند؛ انرژی‌ای که می‌توان آن را در یک مخزن فولادی ذخیره کرد؛ و حالت خرابی‌ای که خودرو را متوقف می‌کند نه اینکه آن را رها کند.

ترمزگیری الکترومکانیکی ممکن است سرانجام این وضعیت را در برخی خودروهای سنگین تغییر دهد، و کنترل الکترونیکی از هم‌اکنون بر تصمیم‌گیری مسلط است. اما محرک انتهای چرخ همچنان دیافراگمی است که با هوای فشرده رانده می‌شود و توسط یک فنر در حالت آماده نگه داشته می‌شود؛ ایده‌ای که در سال ۱۸۷۲ ثبت اختراع شد و کسی نیازی به جایگزینی آن ندیده است.