De Geschiedenis van Luchtremmen: Van Westinghouse tot de Moderne Vrachtwagen

De luchtrem werd uitgevonden door George Westinghouse, die in 1869 een persluchtrem voor treinen patenteerde en datzelfde jaar de Westinghouse Air Brake Company oprichtte. Dat eerste ontwerp gebruikte luchtdruk om de remmen te activeren, wat gevaarlijk faalde wanneer een trein uit elkaar brak. In 1872 patenteerde hij de automatische luchtrem: elke wagon had een eigen reservoir en een drieweg-ventiel, zodat elk verlies van leidingdruk de remmen activeerde in plaats van loste. Die omkering is de reden waarom perslucht, in plaats van hydrauliek of kabels, de standaard werd bij zware voertuigen en dat nog steeds is.

Het probleem vóór luchtremmen

Negentiende-eeuwse treinen stopten met remmers. De machinist floot, en mannen liepen over de daken van rijdende wagons om handwielen één voor één te draaien. De remweg hing af van hoe snel die mannen konden bewegen. Botsingen waren aan de orde van de dag, en remmers kwamen erbij om het leven.

Stoomremmen en vacuümremmen werden beide geprobeerd. Stoom condenseerde en bevroor voordat het de achterkant van een lange trein bereikte. Vacuümsystemen werkten en bleven tientallen jaren in gebruik in Groot-Brittannië en elders, maar een vacuüm kan nooit meer dan ongeveer één atmosfeer verschil geven, zo'n 14,7 psi. Perslucht kent zo'n plafond niet: een kleine tank kan ongeveer 120 psi vasthouden en grote klemkracht leveren via een bescheiden kamer. Die energiedichtheid is de praktische reden waarom lucht won.

Directe lucht versus automatische lucht

Westinghouse's patent uit 1869 heet de directe luchtrem. Een stoomgedreven pomp op de locomotief laadde een reservoir, en het ventiel van de machinist stuurde lucht door een treinleiding naar de remcilinders van elke wagon. Lucht erin, remmen aan. Leiding ontluchten, remmen los.

De fout is duidelijk zodra je het hardop zegt: een gescheurde slang, een losgekoppelde koppeling of een trein die in tweeën breekt, laat de leiding leeglopen, en elke rem op de trein lost op het slechtst denkbare moment.

De automatische rem uit 1872 keerde de logica om. Lucht van de locomotief laadt via de treinleiding een hulpreservoir op elke wagon op. Een drieweg-ventiel op elke wagon bewaakt de leidingdruk en doet drie dingen: het reservoir laden, de rem activeren, of loslaten. Wanneer de leidingdruk daalt, of de machinist het nu beval of een slang losliet, verbindt het drieweg-ventiel de eigen opgeslagen lucht van die wagon met zijn eigen remcilinder. De trein stopt zichzelf. Westinghouse voegde later het snelwerkende drieweg-ventiel toe, zodat de activering zich snel over een lange trein verspreidde in plaats van wagon voor wagon te kruipen.

Elke luchtgeremde vrachtwagen en trailer die sindsdien is gebouwd, draait op dit principe. Verlies van voorraaddruk activeert de veerremmen. Het systeem is ontworpen om te falen richting stilstand.

Tijdlijn: mijlpalen van de luchtrem

Van spoor naar weg

Vrachtwagens werden sneller zwaar dan hun remmen konden bijbenen. Vroege zware vrachtwagens gebruikten mechanische koppeling en later hydrauliek, beide werkbaar op een stijf tweeassig voertuig en beide slecht zodra je trailers gaat toevoegen. Een hydraulisch circuit moet afgedicht, gevuld en ontlucht worden; je kunt er niet zomaar meerdere keren per dag een aankoppelen en loskoppelen op een modderig erf. Lucht kan dat wel. Twee koppelingen, een duw, klaar, en een lek ontsnapt onschadelijk naar de atmosfeer in plaats van vloeistof en pedaal te verliezen.

Tegen eind jaren 1920 en in de jaren 1930 waren luchtremmen standaarduitrusting op bussen en grotere vrachtwagens in de VS. Bendix en Westinghouse bundelden rond 1930 hun krachten om luchtremcomponenten voor voertuigen te bouwen, en die namen, samen met Wabco en later Knorr-Bremse in Europa, staan nog steeds op de compressoren, regulateurs en ventielen onder een moderne vrachtwagen.

De wegversie herschikte de spoorweglayout zonder de filosofie te veranderen. Een door de motor aangedreven luchtcompressor verving de stoompomp. Een regulateur schakelde die compressor tussen belaste en onbelaste toestand in plaats van hem continu vol te laten draaien. De taak van het drieweg-ventiel werd verdeeld over relaisventielen, snellosventielen en, op de trailer, een noodrelais dat de trailerremmen activeert als de voorraadleiding wegvalt — precies het idee van 1872 in een andere behuizing.

Wat het moderne systeem heeft geërfd

Een vrachtwagen van vandaag is Westinghouse's architectuur met een eeuw verfijningen erbovenop:

• Fail-safe activering. Veerremmen beginnen te slepen naarmate lucht wegvloeit en zijn volledig geactiveerd rond 20-45 psi, afhankelijk van de kamer.
• Opgeslagen energie op elk gebruikspunt. Reservoirs op de trekker en op de trailer, net als de reservoirs op elke spoorwagon.
• Werkdruk rond 120 psi. Regulateurs schakelen doorgaans uit ergens tussen 120-135 psi en weer in rond 100-110 psi, dus een volledig geladen systeem zit rond 120 psi. Een waarschuwingslampje en zoemer op het dashboard gaan aan wanneer de druk daalt tot ongeveer 60 psi.
• Redundantie. Bedrijfsremming is verdeeld over twee onafhankelijke circuits zodat één storing niet alles wegneemt — het wegequivalent van niet vertrouwen op één enkele leiding.
• Beheer van luchtkwaliteit. Compressoren geven hete, vochtige, licht olieachtige lucht af. Drogers en spoelcycli bestaan omdat vocht en olie al ventielen kapotmaakten lang voordat iemand er een norm over schreef.

Wat echt is veranderd, is de besturing, niet de aandrijving. ABS, EBS, stabiliteitscontrole en automatisch noodremmen zitten allemaal bovenop de pneumatische laag en moduleren de druk sneller en preciezer dan een voet ooit zou kunnen. De lucht doet nog steeds het werk. Voor de mechanische doorloop van hoe die onderdelen samenkomen in een huidig voertuig, begin bij hoe luchtremsystemen werken, en vergelijk de twee filosofieën naast elkaar in luchtremmen versus hydraulische remmen.

Waarom het nooit vervangen is

Er zijn de afgelopen 150 jaar voortdurend alternatieven voorgesteld. Geen enkele versloeg de combinatie die lucht biedt: een gratis en onbeperkt werkmedium; lekken die naar de atmosfeer ontsnappen in plaats van het pedaal weg te laten vallen; koppelingen die een chauffeur in seconden kan aansluiten in elk weer; energie die in een stalen tank kan worden opgeslagen; en een faalmodus die het voertuig stopt in plaats van vrijgeeft.

Elektromechanisch remmen kan dat op termijn veranderen bij sommige zware voertuigen, en elektronische besturing domineert al de besluitvorming. Maar de actuator aan het wiel is nog steeds een membraan geduwd door perslucht en in reserve gehouden door een veer — een idee gepatenteerd in 1872 dat niemand hoefde te vervangen.