Pedeorelha | Come funzionano i freni ad aria compressa

Vova Krasen
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Galleria di immagini: freni Pensi di poter spostare uno di questi cattivi ragazzi in un pizzico? Guarda altre foto dei freni. Greg Pease / Getty Images

Immagina che sia la tua prima settimana di lavoro come portuale presso un'azienda di autotrasporti in rovina. Tutti corrono cercando di finire di caricare l'ultimo pallet di carico sul retro di un enorme camion-rimorchio diretto alla costa opposta. All'improvviso, uno dei caposquadra ti dice di spostare uno dei camion fuori strada in modo che un altro autista possa tornare indietro alla banchina di carico. Supponendo che tu sappia come guidare un veicolo del genere, il caposquadra continua, ma ti fermi, perché non lo fai.

Cercando di accontentare i superiori e di ignorare il fatto che non hai la patente di camionista, sali in cabina, chiudi la portiera e giri la chiave. Prima che il motore diesel si avvii, sei sorpreso da un cicalino che intorpidisce la mente e una luce lampeggiante sul cruscotto. Accendi il motore, ma il cicalino e la luce continuano ad attirare la tua attenzione.

Hai già guidato un cambio manuale, quindi pensi di averlo coperto. Nonostante il sovraccarico sensoriale, spingi la frizione, afferri quella che pensi sia la marcia bassa e allenta la frizione. Invece di barcollare in avanti come ti aspetti, sei accolto con un violento botto, il motore muore e sei quasi sbalzato attraverso il parabrezza.

Riavvia il motore, immagina di aver inserito la marcia sbagliata e di selezionare quella che ritieni sia quella giusta. Tuttavia, il cicalino e la luce causano il caos all'interno della cabina. Forse il freno di emergenza è ancora inserito. Non vedi alcuna maniglia o leva del freno che normalmente vedresti in un'auto, quindi decidi di rilasciare la frizione e dargli un'altra possibilità.

Con tuo grande imbarazzo, accade la stessa cosa. Con la coda dell'occhio vedi lo stesso caposquadra che ti urla dalla banchina di carico. Frustrato, salti fuori dal taxi e alzi le mani perplesso, mentre il guardiano accigliato corre verso di te.

Benvenuti nel mondo dei freni ad aria compressa. In questo articolo imparerai come funzionano i freni ad aria compressa e i loro componenti, come mantenere un sistema di frenatura ad aria compressa e perché non puoi spostare quel camion. Successivamente, vediamo come George Westinghouse ti ha portato in questa situazione.

Contenuti

George Westinghouse e Air-Brake History
Capire i freni
Componenti per freni ad aria compressa su autocarri e autobus
Freni ad aria: manutenzione preventiva
Schema del freno pneumatico

L'aria è ovunque. Il fluido idraulico no. Treni, autobus e trattori-rimorchi utilizzano sistemi di frenatura pneumatica in modo da non dover fare affidamento sul fluido idraulico nei sistemi di frenatura delle auto, che possono esaurirsi in caso di perdite. Tutti questi tipi di trasporto sono appesantiti da carichi pesanti di passeggeri o merci, quindi la sicurezza è della massima importanza. Una locomotiva in corsa che faceva affidamento sui freni idraulici si trasformerebbe in un micidiale proiettile d'acciaio se l'impianto frenante avesse improvvisamente rotto una perdita.

Prima dei freni ad aria compressa, i treni utilizzavano un sistema frenante primitivo che richiedeva che un operatore, o frenatore, in ciascuna carrozza applicasse un freno a mano al segnale del direttore del treno o dell'ingegnere. Questo inefficiente sistema manuale è stato sostituito da sistemi di frenatura ad aria diretta, che utilizzava un compressore d'aria per alimentare l'aria attraverso un tubo del freno nei serbatoi d'aria su ogni auto. Quando l'ingegnere ha applicato questi freni, il tubo si è riempito d'aria e ha schiacciato i freni.

Nel 1869, un ingegnere di nome George Westinghouse si rese conto dell'importanza della sicurezza nel settore ferroviario relativamente nuovo e inventò il primo tripla valvola sistema di frenatura ad aria per uso ferroviario. Il sistema di Westinghouse ha funzionato al contrario di un sistema di frenatura ad aria compressa diretto. Il sistema a tripla valvola svolgeva tre funzioni, da cui il nome. Diamo un'occhiata a queste funzioni.

Ricarica: Il sistema deve essere pressurizzato con aria prima che i freni si liberino. A riposo i freni rimangono inseriti. Quando il sistema raggiunge la pressione di esercizio, i freni sono liberati e pronti per l'uso.
Applicazione: Quando vengono applicati i freni, la pressione dell'aria diminuisce. Man mano che la quantità di aria diminuisce, la valvola fa rientrare l'aria nei serbatoi del serbatoio, mentre i freni si spostano nella posizione applicata.
Rilascio: Una volta che i freni sono applicati e l'aria fuoriesce dopo la frenata, la pressione aumentata rilascia i freni.

Invece di usare la forza o l'aria diretta per applicare i freni in modo molto simile al fluido idraulico nelle nostre auto, il sistema a tripla valvola riempie un serbatoio di alimentazione e utilizza la pressione dell'aria per rilasciare i freni. In altre parole, i freni in un sistema a tripla valvola rimangono completamente innestati finché l'aria non viene pompata in tutto il sistema. Piuttosto ingegnoso, considerando che se questo tipo di sistema avesse una completa perdita d'aria, i freni si innesterebbero e fermerebbero il treno. Pensa a questo quando stai scendendo lungo l'autostrada e premi il pedale del freno. Se il liquido dei freni della tua auto fosse fuoriuscito, i tuoi freni non funzionerebbero.

Il sistema a tripla valvola è il concetto di base al lavoro negli odierni sistemi frenanti ad aria compressa di treni, autobus e rimorchi. Cambiamo marcia e impariamo come funzionano i freni ad aria compressa nei veicoli stradali nella sezione successiva

Il treno in fuga avrebbe potuto essere evitato

Il 27 giugno 1988, un treno pendolare si schiantò contro un treno fermo alla stazione Gare de Lyon di Parigi, Francia, uccidendo 56 persone e ferendone altre 32 [fonte: AP, National Geographic]. Il disastro è avvenuto dopo che una serie di errori ha lasciato il treno con una capacità di frenata notevolmente ridotta. Dopo che un passeggero ha inavvertitamente premuto il freno di emergenza alla sua uscita, il guidatore ha chiuso una valvola del freno, pensando che il sistema avesse un blocco d'aria. Dopo aver rilasciato l'aria dal sistema, il treno rotolava liberamente, ma le restanti carrozze che avevano un sistema carico non avevano abbastanza potere di arresto. In preda al panico, il conducente non è riuscito ad attivare il sistema di frenata elettrica di emergenza e il treno si è scontrato con un treno in sosta alla stazione. Se non fosse stato per un coraggioso guidatore del treno fermo che è rimasto fino alla collisione, aiutando l'evacuazione dei passeggeri, il bilancio delle vittime sarebbe stato molto più alto [fonte: AP, National Geographic]

Prima di conoscere i freni ad aria compressa nei veicoli stradali, diamo un'occhiata a come funzionano i freni della tua auto. Chiunque abbia guidato un'auto sa quando preme il pedale del freno verso il pavimento l'auto rallenta e alla fine si ferma. Ma come mai il nostro piede può fermare un'auto da 1.361 kg che viaggia lungo la strada ad alta velocità?

Per cominciare, discutiamo dei diversi tipi di freni e poi possiamo esplorare i diversi componenti. Ogni veicolo su ruote, inclusi treni, autoarticolati, autobus e automobili, contiene uno dei due tipi di sistemi. Idraulico Freni, che si trovano negli autocarri leggeri e nelle autovetture, utilizzare fluido idraulico o olio per azionare i freni. I freni ad aria compressa, che analizzeremo nella prossima sezione, utilizzano l'aria per azionare i freni. Diamo un'occhiata alle differenze.

In un sistema idraulico, il fluido viene immagazzinato in un serbatoio comunemente indicato come a cilindro principale. Quando si preme il pedale del freno, il fluido viene pompato attraverso i tubi o le linee dei freni nei pistoni montati su ciascuna ruota. Questi pistoni del freno spingono contro due ganasce dei freni, che si espandono e causano attrito all'interno di a tamburo del freno, o contro a pastiglie freno, che blocca a rotore del freno. Di seguito sono riportati i componenti di un sistema di freno a disco idraulico.

Serbatoio del freno: Contiene liquido freni idraulico
Cilindro principale: Dispositivo che pompa il fluido dal serbatoio alle linee dei freni che corrono in tutto il veicolo
Tubi dei freni: Tubi intrecciati in gomma o acciaio che vanno dalla pompa a ciascuna pinza freno
Pinza freno: Un alloggiamento in acciaio che si monta su un punto fisso del rotore del freno che contiene un pistone e pastiglie dei freni
Pistone del freno: Uno stelo tondo che si estende e spinge contro una pastiglia del freno quando il fluido idraulico viene alimentato dalla pompa freno
Pastiglie freno: Un platorello in metallo con un rivestimento semimetallico che fa presa sul rotore in acciaio
Rotore del freno: Un disco in acciaio montato su ciascuna ruota e mozzo che le pastiglie afferrano per impedire alle ruote di ruotare

[fonte: freni]

Ecco uno sguardo a come alcune delle parti si adattano a un freno a disco.

Prima dei freni a disco, le auto si affidavano ai freni a tamburo. La meccanica principale era la stessa, ma i freni a tamburo usavano ganasce del freno inserite in un tamburo montato sul mozzo, invece di un rotore. I freni a disco aumentano la potenza frenante, poiché sono più facilmente raffreddati e hanno una maggiore superficie da afferrare. Inoltre, la polvere dei freni, che si forma con l'usura delle pastiglie e diminuisce la capacità di frenata, viene scaricata più facilmente con i freni a disco che con i freni a tamburo. Per ulteriori informazioni su freni a disco e freni a tamburo, leggi Come funzionano i freni a disco e Come funzionano i freni a tamburo.

Ora che abbiamo capito i fondamenti dei freni nei treni e nelle automobili, parliamo dei grandi camion e degli autobus.

Schema dei componenti del freno pneumatico

Fondazione i freni sono i sistemi di frenatura ad aria più comuni che si trovano nei camion e negli autobus e funzionano allo stesso modo dei vagoni ferroviari. Utilizzando il principio della tripla valvola, l'aria si accumula all'interno dei tubi dei freni o delle linee dell'aria, rilasciando i freni. Praticamente tutti i veicoli stradali dotati di freni ad aria compressa hanno a sistema di rilascio graduale dove un aumento parziale della pressione impone un rilascio proporzionale dei freni.

I seguenti componenti sono esclusivi di un sistema frenante pneumatico di fondazione in un camion o un autobus:

Compressore d'aria: Pompa l'aria nei serbatoi di stoccaggio da utilizzare nel sistema frenante
Regolatore del compressore d'aria: Controlla il punto di attivazione e disattivazione del compressore d'aria per mantenere una determinata quantità di aria nel serbatoio o nei serbatoi
Serbatoi di riserva d'aria: Trattenere aria compressa o pressurizzata che deve essere utilizzata dall'impianto frenante
Valvole di scarico: Valvole di rilascio nei serbatoi d'aria utilizzati per scaricare l'aria quando il veicolo non è in uso
Valvola di fondo (pedale del freno): Quando premuto, l'aria viene rilasciata dai serbatoi di riserva
Camere dei freni: Contenitore cilindrico che ospita un regolatore del gioco che muove un diaframma o un meccanismo a camma
Asta di spinta: Uno stelo in acciaio simile a un pistone che collega la camera del freno al regolatore del gioco. Quando premuto, i freni vengono rilasciati. Se esteso, i freni vengono applicati.
Regolatori di gioco: Un braccio collega l'asta di spinta alla camma a S del freno per regolare la distanza tra le ganasce del freno
Camma S del freno: Una camma a forma di S che spinge le ganasce del freno a parte e contro il tamburo del freno
Ganascia: Meccanismo in acciaio con rivestimento che provoca attrito contro il tamburo del freno
Molla di ritorno: Una molla rigida collegata a ciascuna delle ganasce del freno che riporta le ganasce in posizione aperta quando non sono diffuse dalla camma a S o dal diaframma.

Al minimo (piede fuori dal freno e sistema pneumatico del veicolo carico), la pressione dell'aria supera il diaframma o la camma a S è in posizione chiusa, determinando un sistema frenante rilasciato. Non appena si preme il pedale del freno, la pressione dell'aria diminuisce, ruotando la camma a S e allargando le ganasce del freno contro il tamburo. Il compressore riempie i serbatoi del serbatoio e quando si lascia ritrarre il pedale, la pressione dell'aria torna allo stato originale.

Emergenza freni ad aria completano gli impianti frenanti ad aria di serie e possono essere attivati premendo un pulsante sul cruscotto (vicino a quello con la luce che abbiamo visto nell'introduzione). Prima di poter guidare un veicolo con freni ad aria compressa, è necessario premere il pulsante del freno di emergenza per riempire il sistema di aria. Finché il sistema di emergenza è pressurizzato, il freno di emergenza rimarrà libero. Se il sistema ha una perdita, la pressione può diminuire abbastanza da innestare il freno di emergenza. Inoltre, gli autocarri pesanti sono spesso dotati di un freno allo scarico che aiuta il processo di frenata, ma questo si basa sul motore, non sull'impianto frenante pneumatico.

Abbiamo imparato come funzionano i freni ad aria compressa. Ora diamo un'occhiata a come la manutenzione può prevenire il guasto del freno nella sezione successiva.

Cos'è quel suono?

Ti sei mai chiesto perché camion e autobus emettono quei divertenti cigolii e sibili? Il cigolio è l'aria che fuoriesce dopo la frenata e il suono ppssss è quello automatico valvole di sicurezza di bypass al lavoro, assicurandosi che la pressione dell'aria rimanga al livello corretto. Poiché un vantaggio principale dei sistemi di freni ad aria è la loro capacità di utilizzare l'aria per funzionare, il compressore si accende e si avvia costantemente per riempire i serbatoi con aria pressurizzata. Quando il compressore produce troppa aria, le valvole si aprono, producendo quel forte sibilo.

Una cattiva manutenzione dei freni ad aria compressa può causare incidenti. Andy Sacks / Getty Images

Ogni stato degli Stati Uniti ha linee guida specifiche per la guida di un veicolo con freni ad aria compressa. I test per ottenere una patente di guida commerciale sono impegnativi, così come i passaggi per mantenere un veicolo del genere. Ecco alcuni passaggi che ti consigliamo di eseguire prima di metterti in viaggio:

Assicurarsi che la pressione di esercizio minima per i sistemi di frenatura pneumatica del veicolo non sia inferiore a 85 psi (libbre per pollice quadrato) per un autobus e 100 psi per un camion.
Verificare che non siano necessari più di due minuti affinché la pressione dell'aria aumenti da 85 psi a 100 psi da 600 a 900 giri / min. (Questo è chiamato tasso di aumento della pressione dell'aria.)
Verificare che la corretta pressione del regolatore di interruzione per il compressore d'aria sia compresa tra 120 psi e 135 psi. La pressione di attivazione è compresa tra 20 psi e 25 psi al di sotto della pressione di disattivazione.

Dovrai anche controllare la presenza di acqua nell'impianto frenante pneumatico, un sottoprodotto dell'aria condensata. Le linee dei freni ad aria compressa non amano l'acqua, specialmente nei climi più freddi dove il ghiaccio può impedire all'aria di raggiungere il meccanismo del freno e causare il blocco della ruota. Per evitare questo problema, molti dei sistemi moderni hanno valvole di scarico automatiche installate in ogni serbatoio d'aria.

Anche gli accoppiatori d'aria possono rappresentare un problema. Le guarnizioni in gomma usurate causano la fuoriuscita di aria. Sebbene il compressore possa superare una piccola perdita, un funzionamento eccessivo dei compressori può causare guasti. Ancora una volta, come abbiamo imparato, la perdita d'aria non è necessariamente una brutta cosa, ma significa che sei bloccato. Per i camionisti, rimanere bloccati nel mezzo di un passo di montagna probabilmente non è nell'itinerario.

La sensibilità dei freni, un altro sottoprodotto dei freni ad aria compressa, può causare incidenti, soprattutto per i conducenti inesperti. I sistemi di frenatura pneumatica sono progettati per funzionare su veicoli che trasportano carichi pesanti. Ti sei mai chiesto da dove vengono tutti quei segni di doppia sbandata sull'autostrada? Questo è un prodotto di rimorchi leggeri o vuoti che bloccano le ruote posteriori. Probabilmente la peggiore paura per un camionista è il jackknifing. Non va mai bene quando la parte posteriore del rimorchio si insinua accanto alla cabina. I camion che viaggiano sotto la pioggia e la neve possono facilmente tenere il coltello a serramanico se viene applicato troppo freno.

La maggior parte dei veicoli moderni con freni ad aria compressa utilizza un doppio sistema. In sostanza, tali veicoli equipaggiati hanno due sistemi nel caso in cui uno dovesse fallire. I freni antibloccaggio possono ora essere trovati negli autocarri di rimorchi e trattori e funzionano più o meno allo stesso modo dei sistemi ABS presenti nelle autovetture.

Fondamentalmente, i freni ad aria compressa sono efficienti e affidabili. Tuttavia, non trattenere il respiro se speri di trovarli presto nella tua auto. I sistemi di freni ad aria occupano troppo spazio e attenzione per essere considerati pratici nelle auto. Guarda un furgone della Peterbilt mentre percorre l'autostrada. Hai visto i grandi serbatoi nascosti dietro i serbatoi del carburante? Prova a trovare un posto per chi è sotto il cofano di una Honda Civic.

Se desideri saperne di più sui freni ad aria compressa e leggere alcuni articoli correlati, esplora i collegamenti nella pagina successiva.

Una cattiva manutenzione porta a un camion in fuga

Il 25 aprile 1996, un camion di cemento Mack del 1988 entrò in collisione con una piccola berlina Subaru a Plymouth Meeting, Pa. Quando il conducente del camion di cemento si avvicinò a un incrocio alla fine di una rampa in discesa, i suoi freni fallirono e il camion entrò in l'incrocio, colpendo la Subaru e uccidendo il suo guidatore. Il National Transportation Safety Board ha indagato sull'incidente e ha trovato diversi problemi con il camion, in particolare le linee dei freni invertite e un guasto del sistema secondario. Questi due problemi lasciavano al camion solo una stima del 17-21% della sua capacità di frenata totale. Sfortunatamente, il conducente non aveva idea di avere un guasto ai freni. Una cattiva manutenzione ha provocato una morte insensata che avrebbe potuto essere evitata. [fonte: NTSB]

Componenti del freno pneumatico

Ora mettiamo insieme le parti per vedere come funzionano i freni ad aria compressa nel loro complesso. Questo diagramma fornisce sia una vista in primo piano che un esempio di dove si trovano i freni nel veicolo.

Altri ottimi link

Il National Transportation Safety Board degli Stati Uniti
Il Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti (DOT)

fonti

Associated Press. "Un altro mortale incidente ferroviario parigino". Il New York Times. 7 agosto 1988 (20 maggio 2008) http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=940DEFDA1638F934A3575BC0A96E948260
California Department of Motor Vehicles. "Manuale del conducente commerciale della California, sezione 5: freni ad aria compressa". 1 gennaio 2006 (21 maggio 2008) http://www.dmv.ca.gov/pubs/cdl_htm/sec5_a.htm
Carly, Larry. "Freno (dispositivo)." MSN Encarta. 2008. (17 maggio 2008) http://encarta.msn.com/text_761555435___3/Brake_(device).html
ETextbook in linea CDX. "Sistemi frenanti". (24 maggio 2008) http://www.cdxetextbook.com/brakes/brakes.html
ETextbook in linea CDX. "Freni di scarico". (24 maggio 2008) http://www.cdxetextbook.com/brakes/brake/systems/exhaustbrake.html
Connor, Piers R. Railroad.net. "Freni ad aria". (18 maggio 2008) http://www.railroad.net/articles/railfanning/airbrakes/index.php
National Geographic Channel. "Secondi dal disastro; Treno in fuga." (21 maggio 2008) http://channel.nationalgeographic.com/series/seconds-from-disaster/2389/Overview
Consiglio nazionale per la sicurezza dei trasporti. "Rapporto sugli incidenti stradali PB97-916202". 17 ottobre 1997 (19 maggio 2008) http://ntl.bts.gov/lib/9000/9700/9762/HAR9702S.pdf
Museo ferroviario di San Diego. "Descrizione e storia del freno pneumatico del treno". (18 maggio 2008) http://www.sdrm.org/faqs/brakes.html
Thomson, Clive. Sottoscrittore canadese. "Mettere i freni in caso di guasto del freno pneumatico." Maggio 2007. (20 maggio 2008) http://www.canadianunderwriter.ca/Issues/ISarticle.asp?id=187245&story_id=25097143856&issue=05012007&PC=

Come funzionano i freni ad aria compressa

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