Immagina che sia la tua prima settimana di lavoro come portuale in un'azienda di autotrasporti in rovina. Tutti corrono in giro cercando di finire di caricare l'ultimo pallet di carico sul retro di un enorme autoarticolato diretto alla costa opposta. All'improvviso, uno dei capisquadra ti dice di spostare uno dei camion fuori strada in modo che un altro conducente possa tornare alla banchina di carico. Supponendo che tu sappia 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 guida del camion, salti in cabina, chiudi la portiera e giri la chiave. Prima che il motore diesel si avvii, sei sorpreso da un cicalino intorpidito e da 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, prendi quella che pensi sia la marcia bassa e allenta la frizione. Invece di barcollare in avanti come ti aspetti, vieni accolto con un violento scoppio, il motore si spegne e sei quasi sbalzato contro il parabrezza.
Riavvii il motore, immaginando di mettere il camion nella marcia sbagliata e scegli quella che ritieni sia quella giusta. Tuttavia, il cicalino e la luce provocano 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, succede 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 per lo sconcerto, mentre il supervisore accigliato si avvicina a te di corsa.
Benvenuti nel mondo dei freni ad aria. In questo articolo imparerai come funzionano i freni ad aria compressa e i loro componenti, come mantenere un sistema di freni ad aria compressa e perché non puoi spostare quel camion. Quindi, vediamo come George Westinghouse ti ha portato in questa situazione.
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L'aria è ovunque. Il fluido idraulico no. Treni, autobus e rimorchi per trattori utilizzano sistemi di frenatura ad aria in modo da non dover fare affidamento sul fluido idraulico negli impianti frenanti delle auto, che può esaurirsi in caso di perdita. 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 interrompesse improvvisamente una perdita.
Prima dei freni ad aria compressa, i treni utilizzavano un sistema frenante primitivo che richiedeva a un operatore, o frenatore, in ciascuna carrozza di applicare 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 di ogni auto. Quando l'ingegnere ha applicato questi freni, il tubo si è riempito d'aria e ha premuto i freni.
Nel 1869, un ingegnere di nome George Westinghouse si rese conto dell'importanza della sicurezza nell'industria ferroviaria relativamente nuova e inventò la prima tripla valvola impianto frenante ad aria per uso vagone. Il sistema di Westinghouse funzionava in modo opposto a un sistema di freno ad aria diretto. Il sistema a tre valvole svolgeva tre funzioni, da cui il nome. Diamo un'occhiata a queste funzioni.
Invece di usare la forza o l'aria diretta per azionare i freni proprio come il fluido idraulico delle nostre auto, il sistema a tre valvole riempie un serbatoio di alimentazione e utilizza la pressione dell'aria per rilasciare i freni. In altre parole, i freni in un sistema a tre valvole rimangono completamente innestati fino a quando l'aria non viene pompata in tutto il sistema. Abbastanza ingegnoso, considerando che se questo tipo di sistema avesse una completa perdita d'aria, i freni si innesterebbero e fermerebbero il treno. Pensaci quando stai zumando lungo l'autostrada e premi il pedale del freno. Se il liquido dei freni della tua auto è fuoriuscito, i tuoi freni non funzionerebbero.
Il sistema a tripla valvola è il concetto di base al lavoro negli odierni sistemi di freni ad aria compressa di treni, autobus e rimorchi per trattori. Cambiamo marcia e impariamo come funzionano i freni ad aria compressa nei veicoli stradali nella prossima sezione
Il treno in fuga avrebbe potuto essere evitatoIl 27 giugno 1988, un treno pendolare si è schiantato contro un treno fermo alla stazione Gare de Lyon a Parigi, in 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 tirato inavvertitamente il freno di emergenza alla sua uscita, l'autista ha chiuso una valvola del freno, pensando che il sistema avesse una camera d'aria. Dopo aver rilasciato l'aria dal sistema, il treno ha rotolato liberamente, ma le restanti auto che avevano un sistema carico non avevano abbastanza potenza di arresto. In preda al panico, il conducente non ha attivato il sistema di frenata di emergenza elettrica e il treno si è scontrato con un treno in sosta alla stazione. Se non fosse stato per un coraggioso conducente 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 che quando spinge il pedale del freno verso il pavimento l'auto rallenta e alla fine si ferma. Ma come può il nostro piede fermare un'auto da 3.000 libbre (1.361 kg) che viaggia lungo la strada ad alta velocità?
Per cominciare, discutiamo i diversi tipi di freni e poi possiamo esplorare i diversi componenti. Ogni veicolo su ruote, inclusi treni, autotreni, autobus e automobili, contiene uno di due tipi di sistemi. Idraulico freni , che si trovano negli autocarri leggeri e nelle autovetture, utilizzano fluido idraulico o olio per azionare i freni. I freni ad aria, che analizzeremo nella prossima sezione, usano l'aria per azionare i freni. Diamo un'occhiata alle differenze.
In un sistema idraulico, il fluido viene immagazzinato in un serbatoio comunemente denominato 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 del freno , che si espandono e provocano attrito all'interno di un tamburo del freno , o contro una pastiglie freno , che blocca un rotore del freno . Di seguito sono riportati i componenti di un sistema di freno a disco idraulico.
[fonte:Freni]
Ecco come si inseriscono alcune parti in un freno a disco.
Prima dei freni a disco, le auto facevano affidamento sui freni a tamburo. La meccanica principale era la stessa, ma i freni a tamburo utilizzavano ganasce dei freni poste all'interno di un tamburo montato sul mozzo, rispetto a un rotore. I freni a disco aumentano la potenza di arresto, poiché sono più facilmente raffreddabili e hanno più superficie da afferrare. Inoltre, la polvere dei freni, che si forma quando le pastiglie dei freni si usurano e diminuisce la capacità di frenata, viene scaricata più facilmente con i freni a disco rispetto ai freni a tamburo. Per ulteriori informazioni sui freni a disco e sui freni a tamburo, leggi Come funzionano i freni a disco e Come funzionano i freni a tamburo.
Ora che comprendiamo i fondamenti dei freni nei treni e nelle auto, parliamo dei grandi impianti di perforazione e degli autobus.
Fondazione i freni sono i più comuni sistemi di freni ad aria che si trovano in camion e 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 un sistema di rilascio graduale dove un aumento parziale della pressione impone un rilascio proporzionale dei freni.
I seguenti componenti sono esclusivi di un sistema di frenatura ad aria di fondazione in un camion o un autobus:
Al minimo (il piede staccato dal freno e il sistema dell'aria del veicolo è carico), la pressione dell'aria supera il diaframma o la camma a s è in posizione chiusa, determinando il rilascio dell'impianto frenante. Non appena si preme il pedale del freno, la pressione dell'aria diminuisce, ruotando la s-cam e allargando le ganasce del freno contro il tamburo. Il compressore ricarica i serbatoi di riserva e quando si consente al pedale di ritrarsi, la pressione dell'aria torna allo stato originale.
Emergenza freni ad aria compressa integrano i sistemi di freno ad aria standard e si attivano 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 rimane 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 di scarico questo aiuta il processo di frenata, ma dipende dal motore, non dall'impianto del freno pneumatico.
Abbiamo imparato come funzionano i freni ad aria. Ora diamo un'occhiata a come la manutenzione può prevenire il guasto del freno nella prossima sezione.
Cos'è quel suono?Ti sei mai chiesto perché camion e autobus emettono quei divertenti scricchiolii e sibili? Il cigolio è l'aria che fuoriesce dopo la frenata e il suono ppssss è il bypass delle valvole di sicurezza automatiche al lavoro, assicurandosi che la pressione dell'aria rimanga al livello corretto. Poiché uno dei principali vantaggi dei sistemi di freni ad aria compressa 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 genera troppa aria, le valvole si aprono, producendo quel forte sibilo.
Ogni stato negli Stati Uniti ha linee guida specifiche per l'utilizzo 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 vorrai fare prima di metterti in viaggio:
Dovrai anche controllare la presenza di acqua nel sistema del freno pneumatico, un sottoprodotto dell'aria condensata. Le tubazioni del freno pneumatico 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 bloccaggio della ruota. Per prevenire questo problema, molti dei moderni sistemi hanno valvole di scarico automatiche installate in ogni serbatoio d'aria.
Anche gli accoppiatori ad aria possono rappresentare un problema. Le guarnizioni di gomma usurate provocano la fuoriuscita dell'aria. Mentre il compressore può superare una piccola perdita, il funzionamento eccessivo dei compressori può causare guasti. Ancora una volta, come abbiamo imparato, la perdita d'aria non è necessariamente una cosa negativa, ma significherà che sei bloccato. Per i conducenti di camion, rimanere bloccati in mezzo a un passo di montagna probabilmente non fa parte dell'itinerario.
La sensibilità ai freni, un altro sottoprodotto dei freni ad aria compressa, può causare incidenti, soprattutto per i conducenti inesperti. I sistemi di frenatura ad aria sono progettati per funzionare su veicoli che trasportano carichi pesanti. Ti sei mai chiesto da dove vengono tutti quei segni di doppio slittamento sulla superstrada? Questo è un prodotto di rimorchi leggeri o vuoti che bloccano le ruote posteriori. Probabilmente la peggiore paura per un camionista è il coltello a serramanico. It’s never good when the back end of the trailer creeps up alongside the cab. Trucks traveling in rain and snow can easily jackknife if too much brake is applied.
Most modern vehicles with air brakes use a dual system . In essence, such equipped vehicles have two systems in case one should fail. Anti-lock brakes can now be found in tractor-trailer rigs and work much the same way as ABS systems found in passenger cars.
Fundamentally speaking, air brakes are efficient and reliable. However, don’t hold your breath if you’re hoping to find them in your car any time soon. Air-brakes systems occupy too much space and attention to be considered practical in cars. Just look at a Peterbilt truck as it saunters down the interstate. Have you seen the big tanks tucked behind the fuel tanks? Try finding a place for those under the hood of a Honda Civic.
If you’d like to learn more about air brakes and read some related HowStuffWorks articles, explore the links on the next page.
Poor maintenance leads to runaway truckOn April 25, 1996, a 1988 Mack cement truck collided with a small Subaru sedan in Plymouth Meeting, Pa. As the driver of the cement truck approached an intersection at the end of a downhill off ramp, his brakes failed and the truck barreled into the intersection, striking the Subaru and killing its driver. The National Transportation Safety Board investigated the incident and found several problems with the truck, notably reversed brake lines and a secondary system failure. Those two issues left the truck with only an estimated 17 percent to 21 percent of its total braking capability. Unfortunately, the driver had no idea he had a brake failure. Poor maintenance resulted in a senseless death that could have been avoided. [source:NTSB]
Now let's put the parts together to see how air brakes work as a whole. This diagram provides both a closeup view and an example of where the brakes are located in your vehicle.
Originally Published:Jun 2, 2008
