Frein ferroviaire à air comprimé

Le frein ferroviaire à air comprimé permet au mécanicien de freiner à la fois tous les véhicules d’un train depuis la locomotive. Une pompe à vapeur comprime l’air dans un réservoir, et une conduite qui court sur toute la longueur du train le porte jusqu’au cylindre de frein de chaque voiture. Dans sa forme automatique, chaque véhicule garde son propre réservoir et une triple valve qui serre les freins dès que la pression baisse dans la conduite, même si un boyau éclate ou si le train se coupe en deux. Samuel Cunliffe Lister fit breveter en Angleterre un frein ferroviaire à air comprimé en 1848. Le brevet de George Westinghouse du 13 avril 1869 rendit le frein à air utilisable en pratique, et son frein automatique suivit quelques années plus tard.

Ce que c’est

Un train est lourd et ses roues adhèrent peu aux rails, si bien qu’il lui faut une longue distance pour s’arrêter. Jusqu’aux années 1870, la plupart des trains d’Amérique du Nord étaient freinés à la main : des serre-freins tournaient un volant au bout de chaque voiture pour appliquer les sabots contre les roues, aux coups de sifflet du mécanicien, et sur les trains de marchandises ils le faisaient depuis le toit des wagons en marche. Un frein continu fait le même travail sur tous les véhicules à la fois, commandé d’un seul endroit.

Le frein à air utilise pour cela l’air comprimé. Sur la locomotive, une pompe mue par la vapeur remplit un réservoir principal, et le mécanicien commande les freins avec un robinet. Une conduite générale passe sous chaque véhicule d’un bout à l’autre du train, raccordée entre les voitures par des boyaux souples en caoutchouc. Chaque véhicule porte un cylindre de frein dont le piston, par une timonerie de leviers et de tringles, applique des sabots en fonte sur la table de roulement des roues. Dans le frein automatique en usage aujourd’hui, chaque véhicule a aussi sa propre réserve d’air, le réservoir auxiliaire, et une triple valve qui relie la conduite, le réservoir et le cylindre.

Comment ça marche

Le premier frein de Westinghouse, appelé plus tard frein direct, envoyait l’air pour serrer. Quand le mécanicien ouvrait son robinet, l’air du réservoir principal refluait le long de la conduite dans tous les cylindres de frein et poussait les pistons. Pour desserrer, il fermait le réservoir et laissait s’échapper l’air de la conduite, et des ressorts ramenaient les pistons. L’air mettait du temps à atteindre les dernières voitures d’un long train, et un boyau éclaté le laissait fuir : le train n’avait plus de frein. Les têtes d’accouplement des boyaux portaient des clapets qui se fermaient d’eux-mêmes si les voitures se séparaient, de sorte que des freins déjà serrés le restaient. Si le train se coupait freins desserrés, les voitures détachées de la locomotive n’avaient pas d’air pour freiner.

L’air qui entre derrière le piston pousse la tige ; quand on le laisse sortir, le ressort la ramène.

Le frein automatique fonctionne à l’inverse : c’est l’air qui tient les freins desserrés. Pendant la marche, la conduite et tous les réservoirs auxiliaires restent chargés à la pression de service. La triple valve de chaque véhicule a un piston qui reçoit d’un côté la pression de la conduite, de l’autre celle du réservoir auxiliaire. Tant que les deux pressions sont égales, la valve laisse passer lentement l’air de la conduite vers le réservoir pour le compléter et garde le cylindre de frein ouvert à l’air libre : les freins restent desserrés.

Pour freiner, le mécanicien laisse sortir un peu d’air de la conduite. Du côté conduite, la pression de chaque triple valve tombe au-dessous de celle du réservoir, et le piston se déplace vers la conduite. Ce faisant, il ferme le passage venant de la conduite, ferme l’échappement du cylindre et ouvre un passage du réservoir vers le cylindre. L’air stocké sur le véhicule entre dans son propre cylindre de frein et les sabots serrent les roues. Une petite baisse de pression donne un serrage léger, une baisse plus forte un freinage plus énergique. Pour desserrer, le mécanicien remplit de nouveau la conduite. La pression du côté conduite dépasse celle du réservoir, le piston revient, le cylindre se vide à l’air libre et le réservoir se recharge.

Comme les freins se serrent par une baisse de pression, tout ce qui laisse échapper l’air de la conduite arrête le train : le robinet du mécanicien, un boyau éclaté ou les deux moitiés d’un train qui se séparent.

Comment faire

Une maquette avec un ballon de baudruche et un élastique montre le principe du frein automatique : la pression de l’air tient le frein desserré, et sa perte le serre. Dans la maquette, c’est un élastique qui serre le frein ; dans un vrai train, c’est l’air stocké sur chaque véhicule. Il faut une boîte à chaussures, un couvercle de bocal d’environ 8 cm de diamètre, un crayon, un bâtonnet de bois, une petite cale de bois, une punaise, une gomme, un élastique solide, un petit ballon de baudruche, environ 50 cm de tuyau plastique fin, une seringue en plastique de 60 ml, une pince à dessin, quelques morceaux de carton, de la colle et du ruban adhésif.

En gonflant le ballon, on soulève le frein ; en laissant sortir l’air, on laisse l’élastique le remettre.

Collez un petit poteau de carton plié au fond de la boîte, près d’une extrémité. Passez le crayon à travers une petite paroi de la boîte, par le centre du couvercle et jusque dans le poteau, pour que le couvercle tourne librement à l’intérieur. Collez la cale au fond de la boîte à côté du couvercle et fixez le bâtonnet sur le dessus de la cale avec la punaise, pour qu’il puisse basculer. Collez la gomme sous une extrémité du bâtonnet de façon qu’elle repose sur le bord du couvercle, et accrochez l’élastique entre cette extrémité et le fond de la boîte pour qu’il tire la gomme sur le bord. Fixez solidement le tuyau dans le col du ballon avec du ruban adhésif, placez le ballon sous le bâtonnet entre la punaise et la gomme, sur une petite pile de carton, pour qu’il touche tout juste le bâtonnet quand il est vide, et faites sortir le tuyau de la boîte jusqu’à la seringue. Lancez le couvercle du doigt : le frein l’arrête. Poussez la seringue pour que le ballon gonfle et soulève la gomme, puis fermez le tuyau avec la pince. Le couvercle tourne alors librement. Retirez la seringue du bout du tuyau pincé, puis ouvrez la pince, comme si un boyau éclatait : le ballon se vide et l’élastique freine le couvercle.

Histoire et évolution

Avant le frein à air, des serre-freins postés sur les toits tournaient un volant sur chaque wagon pour serrer ses freins.

En Angleterre, Samuel Cunliffe Lister, de Bradford, fit breveter en 1848 un frein ferroviaire mû par l’air comprimé. Des pompes entraînées par les essieux d’une voiture comprimaient l’air dans une chambre placée sous le châssis, et le chef de train, en manœuvrant des clapets, laissait cet air pousser un piston dont la tige appliquait les sabots contre les roues. Le brevet de George Westinghouse pour le frein direct, numéro 88 929, fut accordé le 13 avril 1869, et c’est son frein que les chemins de fer adoptèrent. Le Pennsylvania Railroad essaya le frein et décida en 1870 d’en équiper ses trains de voyageurs, et d’autres compagnies suivirent. Westinghouse donna ensuite à chaque véhicule sa propre réserve d’air : son frein automatique du début des années 1870 ajoutait à chacun un réservoir auxiliaire et une triple valve, si bien qu’un train qui se coupait se freinait de lui-même.

Les trains de voyageurs adoptèrent le frein les premiers, les trains de marchandises bien plus tard. Aux États-Unis, le Safety Appliance Act du 2 mars 1893 obligea les chemins de fer entre États à faire rouler, à partir du 1er janvier 1898, des locomotives à frein assisté sur les roues motrices et des trains comptant assez de véhicules freinés pour que le mécanicien règle leur vitesse sans que des serre-freins manœuvrent les freins à main. Ce délai fut ensuite prolongé de deux ans, jusqu’en 1900. La même loi imposait des attelages automatiques sur les véhicules circulant entre États.