La storia dei freni ad aria: da Westinghouse al camion moderno

Il freno ad aria fu inventato da George Westinghouse, che brevettò un freno ferroviario ad aria compressa nel 1869 e fondò la Westinghouse Air Brake Company quello stesso anno. Quel primo progetto usava la pressione dell'aria per azionare i freni, il che risultava pericolosamente inefficace quando un treno si spezzava. Nel 1872 brevettò il freno ad aria automatico: ogni vagone portava un proprio serbatoio e una valvola tripla, così qualsiasi perdita di pressione nella linea azionava i freni invece di rilasciarli. Questa inversione è il motivo per cui l'aria compressa, e non l'idraulica o i cavi, divenne lo standard sui veicoli pesanti e lo è tuttora.

Il problema prima dei freni ad aria

I treni dell'Ottocento si fermavano grazie ai frenatori. Il macchinista fischiava e gli uomini percorrevano i tetti dei vagoni in movimento girando volantini uno per uno. La distanza di frenata dipendeva da quanto velocemente quegli uomini riuscivano a muoversi. Le collisioni erano frequenti, e i frenatori morivano nel farlo.

Furono provati sia freni a vapore sia freni a vuoto. Il vapore si condensava e ghiacciava prima di raggiungere la coda di un treno lungo. I sistemi a vuoto funzionavano, e rimasero in uso in Gran Bretagna e altrove per decenni, ma un sistema a vuoto può offrire al massimo circa un'atmosfera di differenziale, all'incirca 14,7 psi. L'aria compressa non ha questo limite: un piccolo serbatoio può contenere circa 120 psi e applicare una grande forza di serraggio attraverso una camera modesta. Questa densità energetica è il motivo pratico per cui l'aria vinse.

Freno ad aria diretta contro freno ad aria automatico

Il brevetto del 1869 di Westinghouse è chiamato freno ad aria diretta. Una pompa a vapore sulla locomotiva caricava un serbatoio, e la valvola del macchinista inviava aria lungo la linea del treno ai cilindri freno di ogni vagone. Aria in ingresso, freni azionati. Linea sfiatata, freni rilasciati.

Il difetto è evidente detto ad alta voce: un tubo scoppiato, un accoppiamento staccato o un treno che si spezza in due svuota la linea, e tutti i freni del treno si rilasciano nel momento peggiore possibile.

Il freno automatico del 1872 invertì la logica. L'aria dalla locomotiva carica un serbatoio ausiliario su ogni vagone attraverso la linea del treno. Una valvola tripla su ogni vagone monitora la pressione della linea e fa tre cose: carica il serbatoio, aziona il freno o lo rilascia. Quando la pressione della linea cala, sia che il macchinista lo abbia comandato sia che un tubo si sia staccato, la valvola tripla collega l'aria immagazzinata di quel vagone al proprio cilindro freno. Il treno si ferma da solo. Westinghouse aggiunse poi la valvola tripla ad azione rapida in modo che l'azionamento si propagasse velocemente lungo un treno lungo invece di procedere vagone per vagone.

Ogni camion e rimorchio con freni ad aria costruito da allora funziona su questo principio. Se si perde la pressione di alimentazione, i freni a molla si azionano. Il sistema è progettato per guastarsi verso l'arresto.

Cronologia: tappe fondamentali dei freni ad aria

Dalla ferrovia alla strada

I camion diventarono pesanti più in fretta dei loro freni. I primi camion pesanti usavano rinvii meccanici e poi impianti idraulici, entrambi praticabili su un veicolo rigido a due assi ma entrambi poco adatti una volta aggiunti dei rimorchi. Un circuito idraulico deve essere sigillato, riempito e spurgato; non si può collegare e scollegare con leggerezza più volte al giorno in un piazzale fangoso. L'aria invece sì. Due gladhand, una spinta, fatto, e una perdita si sfiata innocuamente in atmosfera invece di far perdere fluido e corsa del pedale.

Verso la fine degli anni '20 e nel corso degli anni '30, i freni ad aria erano equipaggiamento standard su autobus e camion più grandi negli Stati Uniti. Bendix e Westinghouse unirono le forze intorno al 1930 per costruire componenti frenanti ad aria per autoveicoli, e quei nomi, insieme a Wabco e più tardi Knorr-Bremse in Europa, compaiono ancora oggi su compressori, regolatori e valvole di un camion moderno.

La versione stradale riorganizzò l'impostazione ferroviaria senza cambiarne la filosofia. Un compressore d'aria azionato dal motore sostituì la pompa a vapore. Un regolatore faceva ciclare quel compressore tra stato carico e scarico invece di lasciarlo girare a pieno regime. Il compito della valvola tripla fu suddiviso tra valvole relè, valvole a rilascio rapido e, sul rimorchio, un relè d'emergenza che aziona i freni del rimorchio se si perde la linea di alimentazione, che è esattamente l'idea del 1872 in una fusione diversa.

Cosa ha ereditato il sistema moderno

Un camion costruito oggi è l'architettura di Westinghouse con un secolo di perfezionamenti aggiunti:

• Azionamento fail-safe. I freni a molla iniziano a trascinare mentre l'aria si scarica e sono completamente azionati intorno a 20-45 psi, a seconda della camera.
• Energia immagazzinata in ogni punto di utilizzo. Serbatoi sul trattore e sul rimorchio, proprio come i serbatoi su ogni vagone ferroviario.
• Pressione di esercizio intorno a 120 psi. I regolatori interrompono tipicamente l'erogazione nella fascia 120-135 psi e la ripristinano intorno a 100-110 psi, quindi un sistema completamente carico si assesta vicino a 120 psi. Una spia e un allarme acustico sul cruscotto si attivano quando la pressione scende a circa 60 psi.
• Ridondanza. La frenatura di servizio è suddivisa in due circuiti indipendenti così un guasto non compromette tutto, l'equivalente stradale del non fidarsi di un'unica linea.
• Gestione della qualità dell'aria. I compressori fanno passare aria calda, umida e leggermente oleosa. Essiccatori e cicli di spurgo esistono perché umidità e olio distruggevano le valvole molto prima che qualcuno scrivesse una norma in merito.

Ciò che è veramente cambiato è il controllo, non l'azionamento. ABS, EBS, controllo di stabilità e frenata automatica d'emergenza si collocano tutti sopra lo strato pneumatico, modulando la pressione più velocemente e precisamente di quanto potrebbe mai fare un piede. È sempre l'aria a fare il lavoro. Per la panoramica meccanica di come questi componenti si combinano su un veicolo attuale, parti da come funzionano i sistemi frenanti ad aria, e confronta le due filosofie fianco a fianco in freni ad aria contro freni idraulici.

Perché non è mai stato sostituito

Nel corso dei 150 anni sono state proposte alternative. Nessuna ha battuto la combinazione che offre l'aria: un fluido di lavoro gratuito e illimitato; perdite che si sfiatano in atmosfera invece di far scendere il pedale; accoppiamenti che un autista può collegare in pochi secondi con qualsiasi tempo; energia che può essere immagazzinata in un serbatoio d'acciaio; e una modalità di guasto che ferma il veicolo invece di liberarlo.

La frenata elettromeccanica potrebbe eventualmente cambiare questo scenario su alcuni veicoli pesanti, e il controllo elettronico domina già il processo decisionale. Ma l'attuatore all'estremità della ruota è ancora un diaframma spinto dall'aria compressa e trattenuto in riserva da una molla, un'idea brevettata nel 1872 che nessuno ha avuto bisogno di sostituire.