L'histoire des freins à air : de Westinghouse au camion moderne

Le frein à air a été inventé par George Westinghouse, qui a breveté un frein à air comprimé pour chemin de fer en 1869 et fondé la Westinghouse Air Brake Company la même année. Cette première conception utilisait la pression d'air pour serrer les freins, ce qui s'avérait dangereux en cas de rupture d'un train. En 1872, il a breveté le frein à air automatique : chaque wagon disposait de son propre réservoir et d'une valve triple, si bien que toute perte de pression dans la conduite serrait les freins au lieu de les relâcher. Cette inversion explique pourquoi l'air comprimé, plutôt que l'hydraulique ou les câbles, est devenu la norme sur les véhicules lourds — et l'est encore aujourd'hui.

Le problème avant les freins à air

Au XIXe siècle, les trains s'arrêtaient grâce aux serre-freins. Le mécanicien sifflait, et des hommes parcouraient les toits des wagons en marche pour tourner des volants un par un. La distance de freinage dépendait de la rapidité de ces hommes. Les collisions étaient fréquentes, et des serre-freins mouraient en exerçant ce métier.

Les freins à vapeur et les freins à vide ont tous deux été essayés. La vapeur se condensait et gelait avant d'atteindre l'arrière d'un long train. Les systèmes à vide fonctionnaient, et sont restés utilisés en Grande-Bretagne et ailleurs pendant des décennies, mais un vide ne peut jamais fournir plus d'environ une atmosphère de différentiel, soit environ 14,7 psi. L'air comprimé n'a pas ce plafond : un petit réservoir peut contenir environ 120 psi et exercer une force de serrage importante via une chambre modeste. Cette densité énergétique est la raison pratique pour laquelle l'air a triomphé.

Frein à air direct contre frein à air automatique

Le brevet de 1869 de Westinghouse est appelé le frein à air direct. Une pompe à vapeur sur la locomotive chargeait un réservoir, et la valve du mécanicien envoyait de l'air le long d'une conduite de train vers les cylindres de frein de chaque wagon. On envoie de l'air, les freins serrent. On purge la conduite, les freins relâchent.

Le défaut saute aux yeux dès qu'on l'énonce : un tuyau qui éclate, un attelage qui se rompt, ou un train qui se scinde en deux vide la conduite, et tous les freins du train se relâchent au pire moment possible.

Le frein automatique de 1872 a inversé la logique. L'air en provenance de la locomotive charge un réservoir auxiliaire sur chaque wagon via la conduite de train. Une valve triple sur chaque wagon surveille la pression de la conduite et accomplit trois fonctions : charger le réservoir, serrer le frein, ou le relâcher. Quand la pression de la conduite chute, que ce soit sur commande du mécanicien ou suite à la rupture d'un tuyau, la valve triple relie l'air stocké de ce wagon à son propre cylindre de frein. Le train s'arrête de lui-même. Westinghouse a ensuite ajouté la valve triple à action rapide pour que le serrage se propage rapidement le long d'un long train au lieu de progresser lentement wagon par wagon.

Tout camion et remorque équipés de freins à air construits depuis fonctionnent selon ce principe. En cas de perte de la pression d'alimentation, les freins à ressort se serrent. Le système est conçu pour qu'une défaillance mène à l'arrêt, pas à la dérive.

Chronologie : les grandes étapes du frein à air

Du rail à la route

Les camions ont pris du poids plus vite que leurs freins n'ont progressé. Les premiers camions lourds utilisaient une transmission mécanique puis l'hydraulique, deux solutions viables sur un véhicule rigide à deux essieux, mais médiocres dès qu'on commence à atteler des remorques. Un circuit hydraulique doit être scellé, rempli et purgé ; on ne peut pas raccorder et débrancher un tel circuit plusieurs fois par jour dans une cour boueuse sans conséquence. L'air, si. Deux raccords rapides, une poussée, c'est fait, et une fuite se disperse sans danger dans l'atmosphère au lieu de faire perdre du liquide et de la pédale.

À la fin des années 1920 et dans les années 1930, les freins à air étaient un équipement standard sur les autobus et les gros camions aux États-Unis. Bendix et Westinghouse ont uni leurs forces vers 1930 pour fabriquer des composants de freins à air automobiles, et ces noms, ainsi que Wabco puis Knorr-Bremse en Europe, figurent encore aujourd'hui sur les compresseurs, régulateurs et valves d'un camion moderne.

La version routière a réorganisé la configuration ferroviaire sans en changer la philosophie. Un compresseur d'air entraîné par le moteur a remplacé la pompe à vapeur. Un régulateur faisait alterner ce compresseur entre les états chargé et déchargé au lieu de le laisser tourner à plein régime. La fonction de la valve triple a été répartie entre valves relais, valves de désserrage rapide et, sur la remorque, un relais d'urgence qui serre les freins de la remorque en cas de perte de la conduite d'alimentation — exactement l'idée de 1872, dans un boîtier différent.

Ce que le système moderne a hérité

Un camion construit aujourd'hui repose sur l'architecture de Westinghouse, avec un siècle d'améliorations en plus :

• Actionnement à sécurité intégrée. Les freins à ressort commencent à traîner à mesure que l'air s'échappe et sont pleinement serrés vers 20-45 psi, selon la chambre.
• Énergie stockée à chaque point d'utilisation. Des réservoirs sur le tracteur et sur la remorque, tout comme les réservoirs sur chaque wagon.
• Pression de service d'environ 120 psi. Les régulateurs coupent généralement l'alimentation entre 120 et 135 psi et la réenclenchent vers 100-110 psi, si bien qu'un système pleinement chargé se situe près de 120 psi. Un témoin et un avertisseur sonore au tableau de bord s'activent quand la pression chute à environ 60 psi.
• Redondance. Le freinage de service est réparti sur deux circuits indépendants, si bien qu'une seule défaillance ne prive pas de tout freinage — l'équivalent routier de ne pas tout miser sur une seule conduite.
• Gestion de la qualité de l'air. Les compresseurs délivrent de l'air chaud, humide et légèrement huileux. Les dessiccateurs et les cycles de purge existent parce que l'humidité et l'huile détruisaient les valves bien avant qu'on écrive une norme à ce sujet.

Ce qui a réellement changé, c'est le contrôle, pas l'actionnement. ABS, EBS, contrôle de stabilité et freinage d'urgence automatique se superposent tous au-dessus de la couche pneumatique, modulant la pression plus vite et plus précisément qu'un pied ne le pourrait jamais. C'est toujours l'air qui fait le travail. Pour comprendre en détail comment ces éléments s'assemblent sur un véhicule actuel, consultez le fonctionnement des systèmes de freins à air, et comparez les deux philosophies dans freins à air contre freins hydrauliques.

Pourquoi il n'a jamais été remplacé

Des alternatives ont été proposées tout au long des 150 dernières années. Aucune n'a égalé la combinaison qu'offre l'air : un fluide de travail gratuit et illimité ; des fuites qui se dispersent dans l'atmosphère au lieu de faire perdre la pédale ; des raccords qu'un conducteur peut brancher en quelques secondes par tous les temps ; une énergie qui peut être stockée dans un réservoir en acier ; et un mode de défaillance qui arrête le véhicule plutôt que de le libérer.

Le freinage électromécanique pourrait à terme changer cela sur certains véhicules lourds, et le contrôle électronique domine déjà les décisions. Mais l'actionneur situé à la roue reste un diaphragme poussé par de l'air comprimé et maintenu en réserve par un ressort — une idée brevetée en 1872 que personne n'a eu besoin de remplacer.