Historia hamulców pneumatycznych: od Westinghouse'a do współczesnej ciężarówki

Hamulec pneumatyczny wynalazł George Westinghouse, który opatentował kolejowy hamulec pneumatyczny w 1869 roku i w tym samym roku założył Westinghouse Air Brake Company. Ta pierwsza konstrukcja wykorzystywała ciśnienie powietrza do uruchamiania hamulców, co było niebezpieczne w razie rozerwania pociągu. W 1872 roku opatentował automatyczny hamulec pneumatyczny: każdy wagon miał własny zbiornik i zawór potrójny, więc jakakolwiek utrata ciśnienia w przewodzie uruchamiała hamulce zamiast je zwalniać. To odwrócenie logiki sprawiło, że sprężone powietrze, a nie hydraulika czy linki, stało się standardem w pojazdach ciężkich i pozostaje nim do dziś.

Problem sprzed ery hamulców pneumatycznych

XIX-wieczne pociągi zatrzymywali hamulcowi. Maszynista dawał gwizdek, a ludzie chodzili po dachach jadących wagonów, obracając ręcznie kołami hamulcowymi jeden po drugim. Droga hamowania zależała od tego, jak szybko ci ludzie mogli się poruszać. Kolizje były codziennością, a hamulcowi ginęli podczas tej pracy.

Próbowano hamulców parowych i próżniowych. Para skraplała się i zamarzała, zanim dotarła do tyłu długiego pociągu. Systemy próżniowe działały i przetrwały w Wielkiej Brytanii i innych krajach przez dekady, ale próżnia może dać co najwyżej różnicę ciśnień około jednej atmosfery, czyli mniej więcej 14,7 psi. Sprężone powietrze nie ma takiego ograniczenia: mały zbiornik może pomieścić około 120 psi i wywierać dużą siłę docisku przez stosunkowo niewielką komorę. Ta gęstość energii jest praktycznym powodem, dla którego powietrze wygrało.

Hamulec bezpośredni a hamulec automatyczny

Patent Westinghouse'a z 1869 roku nazywa się hamulcem bezpośrednim (straight air). Napędzana parą pompa na lokomotywie ładowała zbiornik, a zawór maszynisty przesyłał powietrze przewodem pociągowym do cylindrów hamulcowych w każdym wagonie. Wpuść powietrze - hamulce się zaciskają. Odpowietrz przewód - hamulce się zwalniają.

Wada jest oczywista, gdy się ją wypowie na głos: pęknięty wąż, rozłączone sprzęgi lub rozerwanie pociągu na dwie części opróżnia przewód, a wszystkie hamulce w pociągu zwalniają się w najgorszym możliwym momencie.

Automatyczny hamulec z 1872 roku odwrócił tę logikę. Powietrze z lokomotywy ładuje przez przewód pociągowy zbiornik pomocniczy w każdym wagonie. Zawór potrójny w każdym wagonie monitoruje ciśnienie w przewodzie i wykonuje trzy funkcje: ładuje zbiornik, uruchamia hamulec lub go zwalnia. Gdy ciśnienie w przewodzie spada - niezależnie od tego, czy nakazał to maszynista, czy pękł wąż - zawór potrójny łączy własne sprężone powietrze danego wagonu z jego własnym cylindrem hamulcowym. Pociąg zatrzymuje się sam. Westinghouse dodał później zawór potrójny szybkiego działania, dzięki czemu uruchomienie hamulców rozchodziło się szybko wzdłuż długiego pociągu, zamiast przenosić się powoli od wagonu do wagonu.

Każda ciężarówka i naczepa z hamulcami pneumatycznymi zbudowana od tamtej pory działa na tej zasadzie. Utrata ciśnienia zasilania powoduje zadziałanie hamulców sprężynowych. System jest zaprojektowany tak, by w razie awarii prowadzić do zatrzymania.

Oś czasu: kamienie milowe hamulca pneumatycznego

Od kolei do drogi

Ciężarówki stawały się cięższe szybciej niż rozwijały się ich hamulce. Wczesne ciężkie ciężarówki wykorzystywały mechaniczne cięgna, a później hydraulikę - obie technologie sprawdzały się w sztywnym pojeździe dwuosiowym, ale słabo radziły sobie, gdy zaczęto doczepiać naczepy. Obwód hydrauliczny musi być szczelny, napełniony i odpowietrzony; nie można go swobodnie podłączać i odłączać kilka razy dziennie na błotnistym placu. Powietrze można. Dwa złącza gladhand, dociśnięcie i gotowe - a wyciek nieszkodliwie ulatnia się do atmosfery zamiast powodować utratę płynu i pedału.

Pod koniec lat 20. i w latach 30. XX wieku hamulce pneumatyczne stały się standardowym wyposażeniem autobusów i większych ciężarówek w USA. Bendix i Westinghouse połączyły siły około 1930 roku, aby budować podzespoły hamulców pneumatycznych do pojazdów drogowych, a te nazwy - obok Wabco i późniejszej Knorr-Bremse w Europie - wciąż widnieją na sprężarkach, regulatorach i zaworach we współczesnych ciężarówkach.

Wersja drogowa przeorganizowała układ kolejowy, nie zmieniając jego filozofii. Napędzana silnikiem sprężarka powietrza zastąpiła pompę parową. Regulator przełączał tę sprężarkę między stanem obciążonym i nieobciążonym, zamiast pozwalać jej pracować bez przerwy. Rolę zaworu potrójnego rozdzielono między zawory przekaźnikowe, zawory szybkiego zwolnienia oraz - w naczepie - przekaźnik awaryjny, który uruchamia hamulce naczepy w razie utraty przewodu zasilającego, co jest dokładnie ideą z 1872 roku w innej obudowie.

Co odziedziczył współczesny system

Dzisiejsza ciężarówka to architektura Westinghouse'a udoskonalana przez stulecie:

• Uruchamianie w trybie bezpiecznej awarii. Hamulce sprężynowe zaczynają ciągnąć w miarę spadku ciśnienia powietrza i są w pełni zaciśnięte przy około 20-45 psi, w zależności od komory.
• Magazynowana energia w każdym punkcie użycia. Zbiorniki na ciągniku i na naczepie - podobnie jak zbiorniki na każdym wagonie kolejowym.
• Ciśnienie robocze około 120 psi. Regulatory zwykle odcinają zasilanie w przedziale 120-135 psi i włączają je ponownie przy około 100-110 psi, więc w pełni naładowany system utrzymuje się blisko 120 psi. Lampka ostrzegawcza i brzęczyk na desce rozdzielczej włączają się przy spadku ciśnienia do około 60 psi.
• Redundancja. Hamowanie robocze jest podzielone na dwa niezależne obwody, więc jedna awaria nie wyłącza wszystkiego - drogowy odpowiednik zasady niepolegania na jednym przewodzie.
• Zarządzanie jakością powietrza. Sprężarki przepuszczają gorące, wilgotne, lekko naoliwione powietrze. Osuszacze i cykle przedmuchu istnieją, ponieważ wilgoć i olej niszczyły zawory na długo przed napisaniem jakiejkolwiek normy w tej sprawie.

To, co naprawdę się zmieniło, to sterowanie, a nie uruchamianie. ABS, EBS, kontrola stabilności i automatyczne hamowanie awaryjne działają na bazie warstwy pneumatycznej, modulując ciśnienie szybciej i precyzyjniej niż mogłaby to zrobić noga kierowcy. Pracę wciąż wykonuje powietrze. Mechaniczne omówienie tego, jak te elementy współdziałają we współczesnym pojeździe, znajdziesz w artykule jak działają układy hamulcowe pneumatyczne, a obie filozofie porównasz w artykule hamulce pneumatyczne a hydrauliczne.

Dlaczego nigdy nie został zastąpiony

Przez 150 lat proponowano rozwiązania alternatywne. Żadne nie dorównało kombinacji zalet powietrza: darmowy i nieograniczony czynnik roboczy; wycieki ulatniające się do atmosfery zamiast obniżania nacisku pedału; złącza, które kierowca może podłączyć w kilka sekund w każdej pogodzie; energia, którą można magazynować w stalowym zbiorniku; oraz tryb awarii, który zatrzymuje pojazd zamiast go uwalniać.

Hamowanie elektromechaniczne może kiedyś to zmienić w niektórych pojazdach ciężkich, a sterowanie elektroniczne już dziś dominuje w podejmowaniu decyzji. Ale siłownik na kole to wciąż membrana napędzana sprężonym powietrzem i przytrzymywana w rezerwie przez sprężynę - idea opatentowana w 1872 roku, której nikt dotąd nie musiał zastąpić.