Hava Frenlerinin Tarihi: Westinghouse'dan Modern Kamyona

Hava freni, George Westinghouse tarafından icat edildi. Westinghouse, 1869'da basınçlı hava demiryolu frenini patentledi ve aynı yıl Westinghouse Air Brake Company'yi kurdu. O ilk tasarım freni uygulamak için hava basıncı kullanıyordu ve bir tren parçalandığında tehlikeli biçimde arızalanıyordu. 1872'de otomatik hava frenini patentledi: her vagon kendi hava deposunu ve üçlü valfini taşıyordu, böylece hat basıncındaki herhangi bir kayıp frenleri gevşetmek yerine devreye sokuyordu. Basınçlı havanın hidrolik ya da kablo yerine ağır araçlarda standart haline gelmesinin ve bugün de öyle kalmasının nedeni bu ters mantıktır.

Hava frenlerinden önceki sorun

On dokuzuncu yüzyıl trenleri frenci ile duruyordu. Makinist düdük çalar, adamlar hareket halindeki vagonların üstünde tek tek el çarkları çevirerek yürürdü. Durma mesafesi bu adamların ne kadar hızlı hareket edebildiğine bağlıydı. Çarpışmalar sıradandı ve frenciler bu işi yaparken hayatını kaybediyordu.

Buharlı frenler ve vakumlu frenler de denendi. Buhar, uzun bir trenin arkasına ulaşana kadar yoğuşup soğuyordu. Vakum sistemleri işe yarıyordu ve İngiltere gibi yerlerde onlarca yıl kullanımda kaldı, ama vakum en fazla bir atmosfer fark verebilir, yani kabaca 14,7 psi. Basınçlı havanın böyle bir tavanı yoktur: küçük bir tank yaklaşık 120 psi tutabilir ve mütevazı bir hazneden büyük bir sıkıştırma kuvveti uygulayabilir. Havanın kazanmasının pratik nedeni bu enerji yoğunluğudur.

Doğrudan hava freni ile otomatik hava freni

Westinghouse'un 1869 patenti doğrudan hava freni olarak adlandırılır. Lokomotifteki buharla çalışan bir pompa bir depoyu doldururdu ve makinistin valfi havayı bir tren hattından her vagondaki fren silindirlerine gönderirdi. Hava basınca girer, frenler devreye girer. Hat boşaltılır, frenler gevşer.

Kusur, yüksek sesle söylendiğinde bariz hale gelir: patlayan bir hortum, ayrılan bir kavrama ya da ikiye bölünen bir tren hattı boşaltır ve trendeki tüm frenler en kötü anda gevşer.

1872 otomatik freni bu mantığı tersine çevirdi. Lokomotiften gelen hava, tren hattı üzerinden her vagondaki yardımcı depoyu doldurur. Her vagondaki bir üçlü valf hat basıncını izler ve üç şey yapar: depoyu doldurmak, freni devreye sokmak ya da gevşetmek. Hat basıncı düştüğünde — ister makinist emretsin ister bir hortum patlasın — üçlü valf o vagonun kendi depolanmış havasını kendi fren silindirine bağlar. Tren kendi kendini durdurur. Westinghouse daha sonra hızlı-etki üçlü valfini ekledi, böylece uygulama uzun bir trende vagondan vagona sürünmek yerine hızla yayılabildi.

O günden bu yana üretilen her hava frenli kamyon ve römork bu ilkeyle çalışır. Besleme basıncı kaybedilirse yaylı frenler devreye girer. Sistem durmaya karşı arızalanacak şekilde tasarlanmıştır.

Zaman çizelgesi: hava freni dönüm noktaları

Raydan yola

Kamyonlar frenlerinden daha hızlı ağırlaştı. Erken dönem ağır kamyonlar mekanik bağlantı, sonrasında hidrolik kullandı; ikisi de sabit iki dingilli bir araçta işe yarıyordu ama römork eklendiğinde zayıf kalıyordu. Hidrolik devre sızdırmaz olmalı, doldurulmalı ve havası alınmalıdır; birini çamurlu bir sahada günde birkaç kez rahatça bağlayıp ayıramazsınız. Hava için bu mümkündür. İki hızlı bağlantı, bir itiş, tamam; bir sızıntı sıvı ve pedal kaybetmek yerine zararsızca atmosfere boşalır.

1920'lerin sonunda ve 1930'lara doğru, hava frenleri ABD'de otobüs ve büyük kamyonlarda standart donanım haline geldi. Bendix ve Westinghouse yaklaşık 1930'da karayolu hava freni bileşenleri üretmek için güç birleştirdi; bu isimler, Wabco ve daha sonra Avrupa'da Knorr-Bremse ile birlikte, modern bir kamyonun altındaki kompresör, regülatör ve valflerde hâlâ görülür.

Karayolu versiyonu demiryolu düzenini felsefesini değiştirmeden yeniden organize etti. Motordan tahrikli bir hava kompresörü buhar pompasının yerini aldı. Bir regülatör bu kompresörü tam kapasite çalıştırmak yerine yüklü ve yüksüz durumlar arasında döngüye soktu. Üçlü valfin görevi röle valfleri, hızlı boşaltma valfleri ve römorkta besleme hattı kaybedildiğinde römork frenlerini devreye sokan bir acil durum rölesi arasında bölündü — ki bu, farklı bir gövdede 1872 fikrinin ta kendisidir.

Modern sistemin devraldıkları

Bugün üretilen bir kamyon, üzerine bir asırlık iyileştirme eklenmiş Westinghouse mimarisidir:

• Güvenli-arıza tahrik. Hava boşaldıkça yaylı frenler sürtünmeye başlar ve haznenin türüne bağlı olarak yaklaşık 20-45 psi'de tam devreye girer.
• Her kullanım noktasında depolanmış enerji. Çekicide ve römorkta depolar, tıpkı her vagondaki depolar gibi.
• Yaklaşık 120 psi çalışma basıncı. Regülatörler genellikle 120-135 psi bandında keser ve yaklaşık 100-110 psi'de tekrar devreye girer; bu yüzden tam dolu bir sistem 120 psi civarında durur. Basınç yaklaşık 60 psi'ye düştüğünde gösterge panelindeki uyarı ışığı ve zil devreye girer.
• Yedeklilik. Servis frenleme, bir arızanın her şeyi götürmemesi için iki bağımsız devreye bölünmüştür — tek bir hatta güvenmemenin karayolu karşılığı.
• Hava kalitesi yönetimi. Kompresörler sıcak, nemli, hafif yağlı hava geçirir. Kurutucular ve tahliye döngüleri, kimse bir standart yazmadan çok önce nem ve yağın valfleri bozmasını önlemek için vardır.

Gerçekten değişen şey tahrik değil, kontroldür. ABS, EBS, denge kontrolü ve otomatik acil frenleme, pnömatik katmanın üzerine oturur ve basıncı bir ayağın yapabileceğinden çok daha hızlı ve hassas ayarlar. İşi hâlâ hava yapar. Günümüz bir araçta bu parçaların nasıl bir araya geldiğine dair mekanik anlatım için hava fren sistemleri nasıl çalışır sayfasıyla başlayın ve iki felsefeyi hava frene karşı hidrolik fren sayfasında yan yana karşılaştırın.

Neden hiç değiştirilemedi

150 yıl boyunca alternatifler önerildi. Hiçbiri havanın sunduğu bileşimi geçemedi: bedava ve sınırsız bir çalışma akışkanı; pedal kaybı yerine atmosfere boşalan sızıntılar; sürücünün her havada saniyeler içinde bağlayabildiği kavramalar; çelik bir tankta depolanabilen enerji; ve aracı serbest bırakmak yerine durduran bir arıza modu.

Elektromekanik frenleme bazı ağır araçlarda bunu bir gün değiştirebilir, elektronik kontrol ise şimdiden karar verme sürecine hâkim durumda. Ama tekerlek ucundaki tahrik elemanı hâlâ basınçlı havayla itilen ve bir yayla yedekte tutulan bir diyafram — 1872'de patentlenmiş, kimsenin değiştirmeye ihtiyaç duymadığı bir fikir.