Istoria frânelor cu aer: de la Westinghouse la camionul modern

Frâna cu aer a fost inventată de George Westinghouse, care a brevetat o frână feroviară cu aer comprimat în 1869 și a fondat Westinghouse Air Brake Company în același an. Acel prim model folosea presiunea aerului pentru a acționa frânele, ceea ce eșua periculos atunci când un tren se rupea. În 1872 a brevetat frâna automată cu aer: fiecare vagon avea propriul rezervor și o supapă triplă, astfel încât orice pierdere de presiune pe conductă acționa frânele în loc să le elibereze. Această inversare este motivul pentru care aerul comprimat, și nu sistemele hidraulice sau cablurile, a devenit standardul pe vehiculele grele și rămâne așa și astăzi.

Problema dinaintea frânelor cu aer

Trenurile din secolul al XIX-lea se opreau cu ajutorul frânarilor. Mecanicul fluiera, iar oamenii mergeau pe acoperișurile vagoanelor aflate în mișcare, învârtind roți manuale una câte una. Distanța de frânare depindea de cât de repede se puteau deplasa acei oameni. Coliziunile erau frecvente, iar frânarii mureau făcând asta.

Au fost încercate atât frânele cu abur, cât și cele cu vid. Aburul se condensa și îngheța înainte de a ajunge în spatele unui tren lung. Sistemele cu vid funcționau și au rămas în uz în Marea Britanie și în alte locuri decenii la rând, dar un vid poate oferi doar aproximativ o atmosferă de diferență de presiune, adică circa 14,7 psi. Aerul comprimat nu are un asemenea plafon: un rezervor mic poate reține în jur de 120 psi și poate aplica o forță mare de strângere printr-o cameră de dimensiuni modeste. Această densitate energetică este motivul practic pentru care aerul a câștigat.

Frâna directă versus frâna automată

Brevetul lui Westinghouse din 1869 se numește frâna cu aer direct. O pompă acționată cu abur de pe locomotivă încărca un rezervor, iar valva mecanicului trimitea aer prin conducta trenului către cilindrii de frână de pe fiecare vagon. Se introducea aer, frânele se acționau. Se golea conducta, frânele se eliberau.

Defectul este evident de îndată ce îl formulezi: un furtun spart, un cuplaj desprins sau un tren rupt în două golea conducta, iar toate frânele trenului se eliberau exact în cel mai nepotrivit moment.

Frâna automată din 1872 a inversat logica. Aerul de la locomotivă încarcă un rezervor auxiliar pe fiecare vagon prin conducta trenului. O supapă triplă de pe fiecare vagon supraveghează presiunea din conductă și face trei lucruri: încarcă rezervorul, acționează frâna sau o eliberează. Când presiunea din conductă scade, fie că a fost comandată de mecanic, fie că un furtun a cedat, supapa triplă conectează aerul propriu stocat al acelui vagon la propriul cilindru de frână. Trenul se oprește singur. Westinghouse a adăugat ulterior supapa triplă cu acțiune rapidă, astfel încât acționarea se propaga rapid de-a lungul unui tren lung, în loc să înainteze încet de la un vagon la altul.

Fiecare camion și remorcă cu frâne cu aer construite de atunci funcționează pe acest principiu. Pierzi presiunea de alimentare, frânele cu arc se acționează. Sistemul este conceput să eșueze spre oprire.

Cronologie: repere ale frânei cu aer

De la calea ferată la șosea

Camioanele au devenit mai grele mai repede decât frânele lor. Primele camioane grele foloseau transmisie mecanică, iar mai târziu sisteme hidraulice, ambele funcționale pe un vehicul rigid cu două axe, dar amândouă precare de îndată ce începi să adaugi remorci. Un circuit hidraulic trebuie să fie etanșat, umplut și aerisit; nu poți conecta și deconecta unul cu ușurință într-o curte plină de noroi de mai multe ori pe zi. Aerul poate fi. Două cuplaje rapide, o apăsare, gata, iar o scurgere se aerisește inofensiv în atmosferă, în loc să pierzi fluid și pedală.

Până la sfârșitul anilor 1920 și în anii 1930, frânele cu aer erau echipament standard pe autobuze și camioane mari în SUA. Bendix și Westinghouse și-au unit forțele în jurul anului 1930 pentru a produce componente auto de frână cu aer, iar aceste nume, alături de Wabco și, mai târziu, Knorr-Bremse în Europa, apar și astăzi pe compresoarele, regulatoarele și supapele unui camion modern.

Versiunea rutieră a reorganizat schema feroviară fără a schimba filosofia acesteia. Un compresor de aer acționat de motor a înlocuit pompa cu abur. Un regulator ciclat compresorul între stare încărcată și descărcată, în loc să-l lase să funcționeze continuu la capacitate maximă. Sarcina supapei triple a fost împărțită între supape releu, supape de eliberare rapidă și, pe remorcă, un releu de urgență care acționează frânele remorcii dacă se pierde conducta de alimentare, ceea ce este exact ideea din 1872, turnată într-o altă carcasă.

Ce a moștenit sistemul modern

Un camion construit astăzi are arhitectura lui Westinghouse, cu un secol de îmbunătățiri adăugate:

• Acționare fail-safe. Frânele cu arc încep să tragă pe măsură ce aerul scade și sunt complet acționate la aproximativ 20-45 psi, în funcție de cameră.
• Energie stocată la fiecare punct de utilizare. Rezervoare pe tractor și pe remorcă, la fel ca rezervoarele de pe fiecare vagon de tren.
• Presiune de lucru în jur de 120 psi. Regulatoarele decuplează de obicei undeva în intervalul 120-135 psi și reintră în funcțiune în jur de 100-110 psi, astfel încât un sistem complet încărcat se situează în jur de 120 psi. Un martor de avertizare pe bord și un semnal sonor se activează când presiunea scade la aproximativ 60 psi.
• Redundanță. Frânarea de serviciu este împărțită în două circuite independente, astfel încât o singură defecțiune nu compromite totul, echivalentul rutier al neîncrederii într-o singură conductă.
• Gestionarea calității aerului. Compresoarele produc aer fierbinte, umed și ușor uleios. Uscătoarele și ciclurile de purjare există pentru că umiditatea și uleiul distrugeau supapele cu mult înainte ca cineva să scrie un standard despre asta.

Ceea ce s-a schimbat cu adevărat este controlul, nu acționarea. ABS, EBS, controlul stabilității și frânarea automată de urgență se situează toate deasupra stratului pneumatic, modulând presiunea mai rapid și mai precis decât ar putea vreodată un picior. Aerul face în continuare treaba. Pentru o prezentare mecanică a modului în care aceste componente funcționează împreună pe un vehicul actual, începeți cu cum funcționează sistemele de frânare cu aer și comparați cele două filozofii în frâne cu aer versus frâne hidraulice.

De ce nu a fost niciodată înlocuită

Alternative au fost propuse de-a lungul celor 150 de ani. Niciuna nu a întrecut combinația oferită de aer: un fluid de lucru gratuit și nelimitat; scurgeri care se aerisesc în atmosferă în loc să lase pedala moale; cuplaje pe care un șofer le poate conecta în câteva secunde, indiferent de vreme; energie care poate fi stocată într-un rezervor din oțel; și un mod de defectare care oprește vehiculul, nu îl eliberează.

Frânarea electromecanică ar putea schimba în cele din urmă asta pe unele vehicule grele, iar controlul electronic domină deja procesul decizional. Dar actuatorul de la roată este în continuare o diafragmă împinsă de aer comprimat și menținută în rezervă de un arc, o idee brevetată în 1872 pe care nimeni nu a avut nevoie să o înlocuiască.