Comment fonctionnent les freins pneumatiques

Imaginez que c'est votre première semaine de travail en tant que docker dans une entreprise de camionnage délabrée. Tout le monde court pour finir de charger la dernière palette de marchandises à l'arrière d'un énorme camion semi-remorque à destination de la côte opposée. Soudain, l'un des contremaîtres vous dit de déplacer l'un des camions hors du chemin pour qu'un autre chauffeur puisse remonter au quai de chargement. En supposant que vous sachiez conduire un tel véhicule, le contremaître continue, mais vous vous arrêtez - parce que vous ne le faites pas.

En essayant de plaire aux supérieurs et d'ignorer le fait que vous n'avez pas de permis de chauffeur de camion, vous montez dans la cabine, fermez la porte et tournez la clé. Avant que le moteur diesel ne démarre, vous êtes surpris par un buzzer et une lumière clignotante sur le tableau de bord. Vous allumez le moteur, mais le buzzer et la lumière continuent d'attirer votre attention.

Vous avez déjà conduit un levier de vitesse, alors vous pensez que vous avez tout couvert. Malgré la surcharge sensorielle, vous enfoncez l'embrayage, saisissez ce que vous pensez être le rapport inférieur et relâchez l'embrayage. Au lieu d'avancer comme prévu, vous êtes accueilli par un violent coup, le moteur meurt et vous êtes presque projeté à travers le pare-brise.

Vous redémarrez le moteur, en pensant que vous mettez le camion dans le mauvais rapport, et vous sélectionnez ce que vous pensez être le bon. Pourtant, le buzzer et la lumière causent des ravages à l'intérieur de la cabine. Peut-être que le frein d'urgence est toujours activé. Vous ne voyez pas de poignée ou de levier de frein que vous verriez normalement dans une voiture, vous décidez donc de simplement laisser l'embrayage et de lui donner une autre chance..

À votre grand embarras, la même chose se produit. Du coin de l'œil, vous voyez ce même contremaître crier après vous depuis le quai de chargement. Frustré, vous sautez hors de la cabine et lève les mains avec perplexité, alors que le superviseur renfrogné avance vers vous.

Bienvenue dans le monde des aérofreins. Dans cet article, vous apprendrez comment fonctionnent les freins pneumatiques et leurs composants, comment entretenir un système de freinage pneumatique et pourquoi vous ne pouvez pas déplacer ce camion. Ensuite, voyons comment George Westinghouse vous a mis dans cette situation.

1. George Westinghouse et l'histoire des freins à air
2. Comprendre les freins
3. Composants de freins pneumatiques dans les camions et les bus
4. Freins pneumatiques: entretien préventif
5. Diagramme de frein pneumatique

L'air est partout. Le fluide hydraulique ne l'est pas. Les trains, les bus et les semi-remorques utilisent des systèmes de freinage pneumatique pour ne pas avoir à se fier au fluide hydraulique des systèmes de freinage des voitures, qui peut s'épuiser en cas de fuite. Tous ces types de transport sont alourdis par de lourdes charges de passagers ou de fret, la sécurité est donc de la plus haute importance. Une locomotive à vitesse excessive qui reposait sur des freins hydrauliques se transformerait en une balle d'acier mortelle si le système de freinage cassait soudainement une fuite.

Avant les freins à air, les trains utilisaient un système de freinage primitif qui obligeait un opérateur, ou un freineur, dans chaque wagon à serrer un frein à main au signal du directeur du train ou de l'ingénieur. Ce système manuel inefficace a été remplacé par systèmes de freinage pneumatique directs, qui utilisait un compresseur d'air pour alimenter l'air à travers un tuyau de frein dans les réservoirs d'air de chaque voiture. Lorsque l'ingénieur a appliqué ces freins, le tuyau s'est rempli d'air et a serré les freins.

En 1869, un ingénieur du nom de George Westinghouse comprit l'importance de la sécurité dans l'industrie ferroviaire relativement nouvelle et inventa le premier triple valve système de freinage pneumatique pour wagons. Le système de Westinghouse fonctionnait à l'opposé d'un système de freinage pneumatique direct. Le système à trois vannes remplissait trois fonctions, d'où son nom. Jetons un coup d'œil à ces fonctions.

1. Mise en charge: Le système doit être pressurisé avec de l'air avant que les freins ne se relâchent. Au repos, les freins restent engagés. Une fois que le système atteint sa pression de fonctionnement, les freins sont libérés et prêts à l'emploi.
2. Postuler: Lorsque les freins sont appliqués, la pression d'air diminue. À mesure que la quantité d'air diminue, la valve permet à l'air de revenir dans les réservoirs, tandis que les freins se déplacent vers la position appliquée.
3. Libération: Une fois les freins serrés et l'air s'échappe après le freinage, l'augmentation de la pression libère les freins.

Au lieu d'utiliser la force ou l'air dirigé pour appliquer les freins, un peu comme le fluide hydraulique dans nos voitures, le système à trois soupapes remplit un réservoir d'alimentation et utilise la pression d'air pour desserrer les freins. En d'autres termes, les freins d'un système à trois soupapes restent complètement engagés jusqu'à ce que l'air soit pompé dans tout le système. Assez ingénieux, étant donné que si ce type de système avait une perte complète d'air, les freins s'engageraient et arrêteraient le train. Pensez-y lorsque vous faites un zoom sur l'autoroute et que vous appuyez sur la pédale de frein. Si le liquide de frein de votre voiture fuyait, vos freins ne fonctionneraient pas.

Le système à trois soupapes est le concept de base à l'œuvre dans les systèmes de freinage pneumatique actuels des trains, des bus et des semi-remorques. Passons les vitesses et apprenons comment fonctionnent les freins à air dans les véhicules routiers dans la section suivante

Le 27 juin 1988, un train de banlieue a percuté un train à l'arrêt à la gare de Lyon à Paris, en France, tuant 56 personnes et en blessant 32 autres [source: AP, National Geographic]. Le désastre s'est produit après qu'une série d'erreurs a laissé le train avec une capacité de freinage considérablement réduite. Après qu'un passager a tiré par inadvertance le frein d'urgence à sa sortie, le conducteur a fermé une valve de frein, pensant que le système avait un sas d'air. Après avoir libéré l'air du système, le train a roulé librement, mais les voitures restantes qui avaient un système chargé n'avaient pas assez de puissance d'arrêt. Pris de panique, le conducteur n'a pas activé le système de freinage électrique d'urgence et le train est entré en collision avec un train au repos à la gare. Sans un courageux conducteur du train à l'arrêt qui est resté jusqu'à la collision, aidant à l'évacuation des passagers, le nombre de morts aurait été beaucoup plus élevé [source: AP, National Geographic]

Avant d'en apprendre davantage sur les freins à air dans les véhicules routiers, examinons le fonctionnement des freins de votre voiture. Quiconque a conduit une voiture sait quand il ou elle pousse la pédale de frein vers le sol, la voiture ralentit et finit par s'arrêter. Mais comment diable notre pied peut-il arrêter une voiture de 1361 kg (3000 livres) roulant sur la route à grande vitesse??

Pour commencer, discutons des différents types de freins, puis nous pourrons explorer les différents composants. Chaque véhicule roulant, y compris les trains, les camions semi-remorques, les bus et les voitures, contient l'un des deux types de systèmes. Hydraulique freins, trouvés dans les camions légers et les voitures particulières, utilisent du liquide hydraulique ou de l'huile pour actionner leurs freins. Les freins à air, que nous décomposerons dans la section suivante, utilisent de l'air pour actionner leurs freins. Regardons les différences.

Dans un système hydraulique, le fluide est stocké dans un réservoir communément appelé maître cylindre. Lorsque vous appuyez sur la pédale de frein, le liquide est pompé à travers les flexibles ou conduites de frein dans les pistons montés sur chaque roue. Ces pistons de frein poussent soit contre deux mâchoires de frein, qui se dilatent et provoquent des frottements à l'intérieur d'un tambour de frein, ou contre un plaquette de frein, qui serre sur un rotor de frein. Voici les composants d'un système de frein à disque hydraulique.

• Réservoir de frein: Contient du liquide de frein hydraulique
• Maître cylindre: Dispositif qui pompe le liquide du réservoir vers les conduites de frein qui circulent dans tout le véhicule
• Conduites de frein: Flexibles tressés en caoutchouc ou en acier allant du maître-cylindre à chaque étrier de frein
• Etrier de frein: Un boîtier en acier qui se monte sur un point fixe du disque de frein qui contient un piston et des plaquettes de frein
• Piston de frein: Une tige ronde qui s'étend et pousse contre une plaquette de frein lorsque le fluide hydraulique est alimenté par le maître-cylindre
• Plaquette de frein: Un support en métal avec un revêtement semi-métallique qui saisit le rotor en acier
• Disque de frein: Un disque en acier monté sur chaque roue et moyeu que les plaquettes saisissent pour empêcher les roues de tourner

[source: Freins]

Voici un aperçu de la façon dont certaines des pièces s'intègrent dans un frein à disque.

Avant les freins à disque, les voitures utilisaient des freins à tambour. La mécanique principale était la même, mais les freins à tambour utilisaient des mâchoires de frein placées à l'intérieur d'un tambour monté sur le moyeu, par opposition à un rotor. Les freins à disque augmentent la puissance de freinage, car ils sont plus facilement refroidis et ont plus de surface à saisir. De plus, la poussière de frein, qui se forme à mesure que les plaquettes de frein s'usent et diminue la capacité de freinage, est évacuée plus facilement avec les freins à disque qu'avec les freins à tambour. Pour plus d'informations sur les freins à disque et les freins à tambour, lisez Fonctionnement des freins à disque et Fonctionnement des freins à tambour.

Maintenant que nous comprenons les fondamentaux des freins dans les trains et les voitures, parlons des gros gréements et des bus.

Fondation Les freins sont les systèmes de freinage pneumatique les plus courants que l'on trouve dans les camions et les bus et fonctionnent de la même manière que dans les wagons. En utilisant le principe de la triple valve, l'air s'accumule à l'intérieur des tuyaux de frein ou des conduites d'air, libérant les freins. Pratiquement tous les véhicules routiers équipés de freins pneumatiques ont un système de libération graduelle où une augmentation partielle de la pression dicte un relâchement proportionnel des freins.

Les composants suivants sont exclusifs à un système de freinage pneumatique de base dans un camion ou un bus:

• Compresseur d'air: Pompe l'air dans les réservoirs de stockage à utiliser dans le système de freinage
• Régulateur de compresseur d'air: Contrôle le point d'enclenchement et de coupure du compresseur d'air pour maintenir une quantité définie d'air dans le ou les réservoirs
• Réservoirs de réservoir d'air: Maintenez l'air comprimé ou sous pression devant être utilisé par le système de freinage
• Vannes de vidange: Soupapes de décharge dans les réservoirs d'air utilisées pour vidanger l'air lorsque le véhicule n'est pas utilisé
• Clapet de pied (pédale de frein): Lorsqu'il est enfoncé, de l'air est libéré des réservoirs
• Chambres de frein: Récipient cylindrique qui abrite un dispositif de réglage du jeu qui déplace un diaphragme ou un mécanisme à came
• Poussoir: Une tige en acier semblable à un piston qui relie la chambre de frein au régleur de jeu. Lorsqu'ils sont enfoncés, les freins sont relâchés. S'il est étendu, les freins sont appliqués.
• Ajusteurs de jeu: Un bras relie la tige de poussée à la came en S de frein pour régler la distance entre les mâchoires de frein
• Frein S-cam: Une came en forme de S qui pousse les mâchoires de frein à l'écart et contre le tambour de frein
• Mâchoire de frein: Mécanisme en acier avec une garniture qui provoque des frottements contre le tambour de frein
• Ressort de rappel: Un ressort rigide relié à chacun des patins de frein qui ramène les patins en position ouverte lorsqu'ils ne sont pas écartés par la came en S ou le diaphragme.

Au ralenti (pied sur le frein et système pneumatique du véhicule chargé), la pression d'air dépasse la membrane ou la came en S est en position fermée, ce qui entraîne un système de freinage desserré. Dès que vous enfoncez la pédale de frein, la pression d'air diminue, ce qui fait tourner la came en S et répand les mâchoires de frein contre le tambour. Le compresseur remplit les réservoirs du réservoir et lorsque vous laissez la pédale se rétracter, la pression de l'air revient à son état d'origine.

Urgence frein pneumatiques complètent les systèmes de freinage pneumatique standard et peuvent être activés en tirant sur un bouton sur le tableau de bord (près de celui avec la lumière que nous avons vu dans l'introduction). Avant de pouvoir conduire un véhicule avec des freins pneumatiques, vous devez appuyer sur le bouton de frein d'urgence pour remplir le système d'air. Tant que le système d'urgence est sous pression, le frein d'urgence restera libre. Si le système présente une fuite, la pression peut diminuer suffisamment pour engager le frein d'urgence. De plus, les camions lourds sont souvent équipés d'un frein d'échappement qui facilite le processus de freinage, mais cela dépend du moteur et non du système de freinage pneumatique.

Nous avons appris comment fonctionnent les freins à air. Voyons maintenant comment la maintenance peut éviter une défaillance des freins dans la section suivante.

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les camions et les bus émettent ces drôles de grincements et de sifflements? Le grincement est l'air qui s'échappe après le freinage et le son ppssss est l'automatique soupapes de sécurité de dérivation au travail, en veillant à ce que la pression d'air reste au niveau correct. Étant donné que l'un des principaux avantages des systèmes de freinage pneumatique est leur capacité à utiliser l'air pour fonctionner, le compresseur se met constamment en marche et se déclenche pour remplir les réservoirs d'air sous pression. Lorsque le compresseur produit trop d'air, les vannes s'ouvrent, produisant ce fort sifflement.

Chaque État des États-Unis a des directives spécifiques pour l'utilisation d'un véhicule avec freins à air. Les tests pour obtenir un permis de conduire commercial sont exigeants, tout comme les étapes d'entretien d'un tel véhicule. Voici quelques étapes à suivre avant de prendre la route:

• Assurez-vous que la pression de fonctionnement minimale pour les systèmes de freinage pneumatique d'un véhicule n'est pas inférieure à 85 psi (livres par pouce carré) pour un bus et à 100 psi pour un camion.
• Vérifiez qu'il ne faut pas plus de deux minutes pour que la pression de l'air passe de 85 psi à 100 psi de 600 à 900 tr / min. (C'est ce qu'on appelle le taux d'accumulation de pression d'air.)
• Vérifiez que la pression correcte du régulateur de coupure pour le compresseur d'air est comprise entre 120 psi et 135 psi. La pression d'enclenchement est de 20 psi à 25 psi en dessous de la pression de coupure.

Vous voudrez également surveiller la présence d'eau dans le système de freinage pneumatique, un sous-produit de l'air condensé. Les conduites de frein à air n'aiment pas l'eau, en particulier dans les climats plus froids où la glace peut empêcher l'air d'atteindre le mécanisme de frein et provoquer le blocage de la roue. Pour éviter ce problème, de nombreux systèmes modernes ont des vannes de vidange automatiques installées dans chaque réservoir d'air.

Les coupleurs pneumatiques peuvent également poser un problème. Des joints en caoutchouc usés feront s'échapper de l'air. Alors que le compresseur peut surmonter une petite fuite, faire fonctionner les compresseurs trop fort peut entraîner une panne. Encore une fois, comme nous l'avons appris, la perte d'air n'est pas nécessairement une mauvaise chose, mais cela signifie que vous êtes coincé. Pour les chauffeurs de camion, se retrouver coincé au milieu d'un col de montagne ne fait probablement pas partie de l'itinéraire.

La sensibilité des freins, un autre sous-produit des freins à air, peut entraîner des accidents, en particulier pour les conducteurs inexpérimentés. Les systèmes de freinage pneumatique sont conçus pour fonctionner sur des véhicules transportant de lourdes charges. Vous êtes-vous déjà demandé d'où venaient toutes ces marques de double dérapage sur l'autoroute? C'est un produit de remorques légères ou vides bloquant leurs roues arrière. La pire crainte pour un chauffeur de camion est probablement le jackknifing. Ce n'est jamais bon lorsque l'arrière de la remorque se glisse le long de la cabine. Les camions voyageant sous la pluie et la neige peuvent facilement faire un jackknife si trop de frein est appliqué.

La plupart des véhicules modernes équipés de freins pneumatiques utilisent un double système. En substance, ces véhicules équipés ont deux systèmes en cas de panne. Les freins antiblocage se trouvent désormais dans les plates-formes de semi-remorques et fonctionnent de la même manière que les systèmes ABS des voitures particulières.

Fondamentalement, les aérofreins sont efficaces et fiables. Cependant, ne retenez pas votre souffle si vous espérez les retrouver dans votre voiture de sitôt. Les systèmes de freins à air occupent trop d'espace et d'attention pour être considérés comme pratiques dans les voitures. Il suffit de regarder un camion Peterbilt qui déambule sur l’autoroute. Avez-vous vu les gros réservoirs cachés derrière les réservoirs de carburant? Essayez de trouver une place pour ceux qui se trouvent sous le capot d'une Honda Civic.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les aérofreins et lire des articles connexes, explorez les liens sur la page suivante.

Le 25 avril 1996, un camion de ciment Mack de 1988 est entré en collision avec une petite berline Subaru à Plymouth Meeting, en Pennsylvanie. l'intersection, heurtant la Subaru et tuant son conducteur. Le National Transportation Safety Board a enquêté sur l'incident et a découvert plusieurs problèmes avec le camion, notamment des conduites de frein inversées et une défaillance du système secondaire. Ces deux problèmes ont laissé le camion avec seulement 17% à 21% de sa capacité de freinage totale. Malheureusement, le conducteur n'avait aucune idée qu'il avait une panne de frein. Un mauvais entretien a entraîné une mort insensée qui aurait pu être évitée. [source: NTSB]

Maintenant, rassemblons les pièces pour voir comment les freins à air fonctionnent dans leur ensemble. Ce diagramme fournit à la fois une vue rapprochée et un exemple de l'emplacement des freins dans votre véhicule.

Articles Liés

• Comment fonctionnent les freins
• Comment fonctionnent les freins antiblocage
• Comment fonctionnent les freins à disque
• Comment fonctionnent les freins à tambour.
• Comment fonctionnent les freins électriques
• Quels sont les différents types de liquide de frein?
• Quand je mets ma voiture dans le parc ce qui l'empêche vraiment de bouger?

Plus de liens intéressants

• Le National Transportation Safety Board des États-Unis
• Le Département américain des transports (DOT)

Sources

• Presse associée. "Un autre accident mortel de train parisien." Le New York Times. 7 août 1988 (20 mai 2008) http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=940DEFDA1638F934A3575BC0A96E948260
• Département des véhicules automobiles de Californie. "California Commercial Driver Handbook Section 5: Air Brakes." 1 janvier 2006. (21 mai 2008) http://www.dmv.ca.gov/pubs/cdl_htm/sec5_a.htm
• Carly, Larry. "Frein (appareil)." MSN Encarta. 2008. (17 mai 2008) http://encarta.msn.com/text_761555435___3/Brake_(device).html
• CDX Online eTextbook. «Systèmes de freinage». (24 mai 2008) http://www.cdxetextbook.com/brakes/brakes.html
• CDX Online eTextbook. «Freins d'échappement». (24 mai 2008) http://www.cdxetextbook.com/brakes/brake/systems/exhaustbrake.html
• Connor, Piers R. Railroad.net. "Frein pneumatiques." (18 mai 2008) http://www.railroad.net/articles/railfanning/airbrakes/index.php
• La chaîne National Geographic. "Seconds from Disaster; Runaway Train." (21 mai 2008) http://channel.nationalgeographic.com/series/seconds-from-disaster/2389/Overview
• Bureau national de la sécurité des transports. «Highway Accident Report PB97-916202». 17 octobre 1997. (19 mai 2008) http://ntl.bts.gov/lib/9000/9700/9762/HAR9702S.pdf
• Musée du chemin de fer de San Diego. «Description et histoire des freins à air du train». (18 mai 2008) http://www.sdrm.org/faqs/brakes.html
• Thomson, Clive. Underwriter canadien. "Mettre les freins sur une panne de frein pneumatique." Mai 2007. (20 mai 2008) http://www.canadianunderwriter.ca/Issues/ISarticle.asp?id=187245&story_id=25097143856&issue=05012007&PC=