tram e trasporto pubblico a Roma

Meccanica tramviaria e ferroviaria

Anno 1867: un servofreno elettrico, il sistema Achard

Siamo alla metà del XIX secolo, la rivoluzione industriale è in atto, macchine e meccanismi si perfezionano rapidamente; la macchina a vapore, abbandonate le arcaiche forme delle prime realizzazioni, permette lo sviluppo della ferrovia con l'aumento della composizione e della velocità dei treni. In questa prima fase si rende però subito evidente che, oltre ad un valido mezzo di trazione, al treno serve anche un valido mezzo di frenatura, un freno cioè che presenti le necessarie doti di essere rapido nell'azionamento, continuo nell'agire su tutti i rotabili del treno, automatico nell'intervenire in condizioni di emergenza. E anche se autorevoli tecnici, quali il Westinghouse in America, indicano l'aria compressa come mezzo particolarmente adatto a risolvere il problema, non mancano altri che, come spesso è avvenuto, preconizzano l'utilizzazione di altri sistemi, molti rivolgendosi all'impiego dell'elettricità, al momento molto di moda senza però tenere in conto due fatti: la difficile realizzazione di azionamenti elettrici e lo stato primitivo nel quale si trova al momento l'elettrotecnica, bastando pensare che l'unico generatore di corrente disponibile è la pila a liquidi che fornisce corrente elettrica partendo da processi chimici, l'accumulatore essendo ancora allo stato embrionale e i generatori elettromeccanici in "stile gabinetto di fisica" montati su tavolette di legno ben lucidato con molti serrafili in ottone anch'essi ben lucidi, ma con rendimento infimo.

Numerosissimi i sistemi di azionamento elettrico di freni proposti da inventori, veri o presunti tali e tra questi troviamo François August Ferdinand Achard (1813-1893), un laureato all'Accademia delle Scienze di Parigi, che ha legato il suo nome al comando elettrico di macchine e meccanismi; a partire dal 1867, l'Achard propone vari tipi di freno a comando elettrico per rotabili ferroviari, tutti egualmente geniali ma egualmente destinati al fallimento, forse per eccessive ingenuità e complicazione, ma non per questo meno meritevoli di essere menzionati.

Quale che sia il mezzo utilizzato, la funzione di un freno è di trasformare l'energia cinetica di un corpo in movimento in altra forma di energia, generalmente in calore; nella maggior parte dei casi questa trasformazione utilizza l'attrito che si ha tra il corpo mobile ed un corpo fisso portato a contatto con il primo, avendosi quindi i freni sulle ruote, quelli su rotaia ecc. Il termine servofreno è riservato a quei dispositivi che per dar luogo alla trasformazione di cui sopra si avvalgono di una forza diversa da quella che può essere direttamente esercitata da un operatore; sono servofreni, ad esempio, i freni ad aria compressa adottati sui rotabili tramviari e ferroviari, anche se il termine tende oggi ad essere impiegato solo per i sistemi nei quali l'azione ausiliaria rinforza, senza sostituirla, l'azione diretta.

Il freno Achard fu considerato, inizialmente, come un concorrente ai sistemi Smith-Hardy e Westinghouse, ma da prove comparative eseguite nel 1880 sui tre sistemi risultò nettamente la superiorità di questi ultimi.

Freno Achard 1877

Per maggiore comprensibilità dell'argomento, conviene trattare dapprima del freno Achard del 1877, mostrato nei disegni sottostanti. La forza che in frenatura applica i ceppi contro le fasce di rotolamento delle ruote è data dall'energia cinetica posseduta dal rotabile in moto, in particolare dalla rotazione di ruote e assali. Dalla sala che deve essere frenata il moto è tramesso ad un albero ausiliario A mediante la coppia di ruote di frizione B, B', mantenute a reciproco contatto da un sistema di molle; sull'albero ausiliario sono inseriti i manicotti m ai quali fa capo una catena E, fissata da un lato agli attacchi d e dall'altro alla timoneria di comando dei ceppi del freno: a rotabile sfrenato i manicotti, folli sull'albero, sono fermi e la catena non esercita alcuna azione sui freni. Per la frenatura si eccita l'elettromagnete e del giunto elettromagnetico C, alimentato attraverso le boccole dei cuscinetti H dell'albero: i dischi D, in materiale ferromagnetico, solidali ai manicotti, sono attratti dalle espansioni polari del giunto e i manicotti divengono solidali all'albero A; la catena tende ad avvolgersi sugli stessi, portando all'accostamento dei ceppi alle ruote e alla frenatura del rotabile. Per la sfrenatura, la diseccitazione di C porta al distacco dei dischi D con conseguente svincolo dei manicotti e allentamento della catena e simultanea apertura dei freni. In linea di principio, ogni rotabile del treno potrebbe essere dotato del dispositivo di frenatura, tutti i giunti elettromagnetici essendo quindi alimentati in parallelo dalla sorgente di energia elettrica Z, alcune pile di tipo Daniell, posta nel rotabile di testa; l'interruttore U comanda l'inserzione e la disinserzione del freno.

Tutto ciò in teoria: la pratica applicazione dimostrerà invece, come spesso è avvenuto, più elementi contrari che elementi favorevoli al funzionamento del sistema.

Servofreno Achard 1877.
A, albero ausiliario; B, B', coppia di rinvio; C, D, innesto elettromagnetico; E, catena di azionamento dei freni; F, conduttori di alimentazione;
G, ceppi del freno; H, supporti dell'albero ausiliario; J, leva di comando ceppi del freno; Z, pile di alimentazione; U, interruttore di inserzione.

Risultati di prove in esercizio; inconvenienti del freno Achard

Sulla stampa dell'epoca si leggono i risultati di alcune prove eseguite sul freno Achard negli anni 1877-78, tutti naturalmente pienamente soddisfacenti, quali ad esempio i seguenti.

Ferrovie del Nord, treno Paris St. Denis-Chantilly di 12 rotabili e locomotiva; freno su due assi portanti della locomotiva, sui due assi del tender e su due gruppi di 6 carrozze ognuno; tutti i freni sono azionati simultaneamente, probabilmente da diversi agenti.
Treno c.s. di 13 rotabili dei quali 11 dotati di freno, freni su locomotiva e tender come sopra; freni azionati dalla locomotiva.
Ferrovie dello Stato, rapido Paris-Avrincourt, viaggiante alla velocità di 75-80 km/h con freno agente solo sulle carrozze di estremità; improvvisa rottura del cerchio di una ruota del tender e svio dello stesso; arresto del treno senza danno grazie all'intervento del freno Achard azionato dal macchinista.

In realtà, le ottimistiche e talvolta trionfalistiche affermazioni della stampa saranno ben presto smentite dalla pratica applicazione ed in effetti il freno Achard presenta, già al semplice esame del meccanismo, una serie di difetti che ne fanno facilmente prevedere l'impossibilità di un funzionamento regolare.

1. Il freno non è automatico, ossia non interviene per rottura del convoglio. Nonostante il fatto che i progetti dell'Achard fossero stati inizialmente tendenti ad avere un freno rapido, continuo e automatico, quest'ultima proprietà sembra ora essere considerata di secondaria importanza; al contrario, alcune amministrazioni ferroviarie non intendono avere freni automatici, a parer loro fonte di inconvenienti e di ritardi dei treni per intempestivo azionamento. Il primo grave incidente dovuto a rottura di un gancio di trazione farà cambiar loro rapidamente parere.

2. Le pile utilizzate per l'alimentazione dell'impianto frenante sono assolutamente inadatte allo scopo, sia per insufficiente capacità che per ingombro, peso e onerosa manutenzione e d'altronde non si dispone al momento di altra sorgente di energia elettrica; un tentativo dell'inventore di affiancare alle pile Daniell qualche elemento di accumulatore Planté allora in via di sviluppo con l'idea di poter caricare quest'ultimo dalle pile durante la marcia e disporre poi di una corrente di sufficiente intensità in frenatura fallisce per lo scarso rendimento degli accumulatori.

   Dai dati trovati su una delle fonti consultate risulterebbe per la bobina dell'elettromagnete del giunto un avvolgimento con 350-400 m di filo da 2 mm di diametro, il che corrisponderebbe ad una resistenza di 1,8-2,2 ohm, che per una alimentazione a 6 V data dai sei elementi Daniell indicati su un disegno darebbe una corrente assorbita di 3 A in media; volendo alimentare un gruppo di sei carrozze come nella prova sopra riportata, si avrebbero in totale 18 A, valore che porterebbe a dimensioni e peso eccessivi per la pila. Del tutto impossibile, poi, l'alimentazione dei freni di 11 rotabili come sopra citato.

3. Il freno presenta una notevole difficoltà alla sfrenatura a causa del magnetismo residuo nelle masse polari del giunto elettromagnetico, che tende a mantenere i dischi aderenti anche ad alimentazione interrotta; dopo un vano tentativo di risolvere il problema per via elettrica, l'inventore tenterà di risolvere il problema dando alle catene di azionamento dei ceppi una certa inclinazione nel piano orizzontale tale da tendere ad allontanare i dischi, soluzione che non sembra risolvere il problema se, come racconta la stampa, un treno resterà immobilizzato per oltre un'ora in una stazione per l'impossibilità di allentare il freno Achard.

   L'Achard pensava di poter utilizzare l'extracorrente di apertura dell'elettromagnete, che erroneamente chiamava corrente inversa, per diseccitare lo stesso, senza rendersi conto che all'apertura di un circuito induttivo l'extracorrente ha per effetto il prolungamento della corrente e di conseguenza della magnetizzazione, cioè il contrario di quello che voleva ottenere.

Osservazione. - Il freno Achard sembra poter dar luogo a instabilità nel caso di arresto del treno su una salita: un qualsiasi piccolo spostamento in retromarcia darebbe luogo ad un allentamento della catena di azionamento dei ceppi, con conseguente riduzione dell'azione frenante, ulteriore spostamento ecc.; sarebbe quindi sempre necessaria la presenza di frenatori almeno su parte dei rotabili.

Freno Achard 1867

Il freno modello 1877 sopra descritto segue in realtà una precedente invenzione dell'Achard risalente a circa dieci anni prima; il brevetto è del 1865, ma il freno fu proposto due anni dopo circa, nel 1867. Contrariamente al modello 1877, il primo freno Achard era automatico, oltre che rapido e continuo, a costo però di una notevole complicazione meccanica; il suo funzionamento si basava sempre sul giunto elettromagnetico e le catene di azionamento dei ceppi con la disposizione prima vista, ma l'alimentazione dell'elettromagnete si aveva per interruzione di un circuito ausiliario corrente lungo tutto il treno, interruzione che poteva conseguire al comando di frenatura o alla rottura del convoglio. Si ritrova quindi, nel primo freno Achard, la disposizione tipica di ogni freno automatico, caratterizzata da qualcosa, tubazione pneumatica o circuito elettrico, che interrompendosi comanda i freni.

Ma i tempi non erano maturi, soprattutto non si disponeva di una sorgente semplice, affidabile e sufficientemente potente di elettricità, che doveva qui alimentare sia il circuito locale per l'alimentazione del giunto su ogni rotabile, sia il circuito di controllo dotato di un attuatore perennemente alimentato. Questa ed altre complicazioni di carattere meccanico spinsero i gestori di qualche compagnia ferroviaria ad affermare che "mai e poi mai avrebbero consentito ad avere apparati elettrici sui loro treni"; il primo freno Achard non trovò mai applicazione, nemmeno in via sperimentale.

Un ultimo tentativo

L'Achard era evidentemente un tipo tenace, visto che nel 1891 proponeva una ulteriore variante del suo freno, nella quale la parte meccanica, salvo modifiche non essenziali, restava quella del modello 1877; variava invece l'alimentazione elettrica, data da una dinamo azionata da un motore a vapore, il tutto montato sulla locomotiva e alimentato dalla caldaia. L'inventore assicurava che variando l'ammissione nel motore a vapore si poteva graduare l'azione frenante esercitata sulle ruote del convoglio, il che appare fortemente dubbio. Achard morirà due anni dopo, senza averci potuto dare una quarta versione del suo freno.

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Fonti.
Bulletin de la société d'éncouragement pour l'industrie nationale, II serie, vol. XIV, luglio 1867 e III serie, vol. VI, aprile 1879.
J. Lefèvre, Dictionnaire d'électricité, Paris 1895.
E. Vicaire, Compte rendu des expériences entreprises au chemin de fer du nord pour l'essai comparatif du frein à embrayage électrique de M. Achard et du frein pneumatique de M. Smith, Paris 1880.

rev. B3 11/09/21