The Fab Four: de Wabtec-patenten die de wereld op zijn kop hebben gezet
Een special voor de ingenieursweek van 2026
Wabtec is een bedrijf waarin techniek centraal staat. Het bedrijf heeft wereldwijd meer dan 4.700 ingenieurs in dienst en bezit meer dan 6.500 actieve wereldwijde patenten (met recente overnames van Dellner Couplers, de Inspection Technologies Division van Evident en de Frauscher Sensor Technology Group die naar verwachting nog eens ~1.000 zullen toevoegen) gericht op innovaties die het goederenvervoer en het transitspoor veiliger en betrouwbaarder, efficiënter en productiever maken.
Ter gelegenheid van de 75e verjaardag van de Engineers Week en de 250ste verjaardag van de Verenigde Staten, groet Wabtec alle ingenieurs bij het terugblikken op vier van zijn grootste patenten die de spoorwegindustrie — en de wereld — permanent hebben veranderd.
Een opmerking over patenten
Maar bedenk eerst wat er nodig is om nieuwe technologie octrooieerbaar te maken. John Kramer, Senior Patent Counsel bij Wabtec, biedt deze leidende principes: „Wil een uitvinding juridisch octrooiwaardig zijn, dan moet ze voldoen aan twee primaire criteria: 'nieuwheid' en 'niet vanzelfsprekendheid'.”
Om de nieuwheidstest te doorstaan, moet een uitvinding minstens stapsgewijs verschillen van wat iemand in het verleden heeft ontwikkeld. Vervolgens moet het aantonen dat er voldoende verschil is tussen de norm en de vorige norm dat de wijziging niet duidelijk zou zijn geweest voor iemand met „gewone vaardigheden op het gebied van de techniek”. Of, zoals de Europese juridische gemeenschap het zou omschrijven, moet de innovatie een „inventieve stap” hebben betekend.
We denken dat u het ermee eens zult zijn dat de volgende vier Wabtec-uitvindingen de test meer dan doorstaan.
1. De dieselelektrische locomotief: Amerikaans octrooi nr. 1.589.182
De gedachte dat de dieselelektrische locomotief, ontwikkeld door General Electric (nu Wabtec) in samenwerking met Ingersoll-Rand en de American Locomotive Company, de afgelopen 100 jaar niet alleen de stoomlocomotief zou vervangen, maar ook de industriestandaard zou worden, werd waarschijnlijk niet verwacht.
Behalve misschien door Thomas Edison.
Edison had al in de jaren 1860 gevoeld dat elektriciteit mogelijkheden bood waar stoom alleen maar van kon dromen en begon zijn pionierswerk op het gebied van volledig elektrische treinen later in Menlo Park, NJ, in 1880. Maar pas met de opkomst van Nicolaus Otto's interne verbrandingsmotor (ICE; uitgevonden in 1876) als industriële toepassing in de late 19e en vroege 20e eeuw — een motor die de automobiel-, luchtvaart- en scheepvaartindustrie transformeerde — ontstond het idee om een ICE en een elektrisch voortstuwingssysteem in een locomotief te combineren.
De timing had niet meer toevallig kunnen zijn. Stoomlocomotieven hadden hun uitdagingen. Ze vertrouwden op steenkool, waardoor ze fundamenteel vuil werden. Ze hadden mankracht nodig om kolen van de tender in de vuurkist van de locomotief te scheppen. En de enige manier om stoomtreinen sneller te maken, was door steeds grotere locomotieven te bouwen, die op hun beurt werden beperkt door de spoorweginfrastructuur, omdat het hele systeem, niet alleen de ketel, gedwongen werd te groeien.
Edison zag een kans voor een stapsgewijze verbetering en in 1925 sprongen General Electric en zijn partners in. De diesel-elektrische motor was geboren.
„Edison was altijd al van plan geweest om de spoorwegen een schoner en goedkoper alternatief te bieden voor stoom”, zegt Steve Gerbracht, directeur Locomotive Architecture and Concept Development bij Wabtec. „Naarmate het industriële gebruik van interne verbrandingsmotoren toenam, ging bij GE letterlijk de lamp aan, zodat de locomotief, onafhankelijk van bovenleidingen en derde rails, zijn eigen energiecentrale kon huisvesten.
„Vervolgens kan met behulp van een dynamo de mechanische energie die door de ICE wordt opgewekt — in dit geval een dieselmotor — worden omgezet in elektrische energie die de tractiemotoren op de wielen van de locomotief zou kunnen aandrijven. Deze combinatie van de verbrandingsmotor met Edisons arsenaal aan elektrische componenten en voortstuwingsapparatuur heeft de geschiedenis van locomotieven letterlijk veranderd en blijft de standaard waarop we bij Wabtec, en de industrie in het algemeen, blijven innoveren.”
Eric Gebhardt, Executive Vice President en Chief Technology Officer bij Wabtec, voegt hieraan toe: „De doorbraak van Edison met de dieselelektrische motor is de belichaming van 'systeemdenken'. Hij en zijn team hebben niet alleen gekeken naar het verbeteren van de motor, ze hebben hem opnieuw ontworpen, inclusief wat hij kon aandrijven en hoe. Deze meer holistische, systeemgerichte benadering van probleemoplossing vormt de kern van de baanbrekende patenten van Wabtec en zit in het DNA van onze technische cultuur.”
2. De luchtrem: Amerikaans octrooi nr. 124.405
Vóór de luchtrem was het de stand van de techniek om een trein te stoppen dat „remmers” de lengte van de trein moesten afleggen en de remmen van elke auto afzonderlijk moesten activeren terwijl de trein reed. Deze taak was uiterst gevaarlijk werk en beperkte de mogelijkheid om de lengte van een trein te vergroten.
De oprichter van Wabtec, George Westinghouse, was de juiste man voor de job.
Geïnspireerd door een artikel waarin het gebruik van een pneumatische boormachine voor het graven van een tunnel in Frankrijk onder de aandacht werd gebracht, een proces waarbij perslucht door zo'n 3.000 voet leidingen moest worden gepompt, bedacht Westinghouse een plan om lucht te gebruiken om remmen op een trein aan te drijven.
Zijn oorspronkelijke patent voor de luchtrem, nr. 88929, uitgegeven op 13 april 1869, bevatte een door stoom aangedreven luchtcompressor op de locomotief die perslucht door een netwerk van slangen pompte die naar de remcilinders van elke auto leidden. Wanneer het systeem werd geactiveerd door de machinist van de trein, remde het effectief over de hele lengte van de trein.
Slechts drie jaar later verbeterde Westinghouse zijn ontwerp verder door een „drievoudige klep” en een „hulpreservoir” toe te voegen om het eerste grootschalige faalveilige systeem te creëren. In feite kon de ingenieur het remmen nog steeds regelen zoals gewoonlijk, maar met één belangrijk verschil: nu gebruikte het systeem luchtdruk om de remmen uit te schakelen. En als een koppeling kapot ging of een slang scheurde, zorgde het drukverlies ervoor dat alle auto's onmiddellijk werden geremd, waardoor de trein tot stilstand kwam.
„De vooruitziende blik van dit systeem is absoluut verbluffend”, merkt Gebhardt op. „Als je naar deze patenten van meer dan 150 jaar geleden kijkt, realiseer je je dat we nog steeds luchtremmen met pneumatische remmen doen, net zoals George Westinghouse het oorspronkelijk had gepland. En door dit sjabloon te maken voor hoe je een trein kunt stoppen, speelde hij ook een belangrijke rol om treinen langer en dus productiever te laten groeien.”
3. De pantograaf met één arm: Amerikaans octrooi nr. 2.935.576
Louis Faiveley, medeoprichter van Wabtec, heeft de pantograaf niet uitgevonden, hij heeft hem gewoon onherkenbaar beter gemaakt.
De dubbelarmige, ruitvormige stroomafnemers uit het begin tot het midden van de 20e eeuw pasten bij de stijfheid en spanningen van de bovenleidingen van die tijd. Toch waren hun omvang en zware massa niet bevorderlijk voor de hogere spanningen en hogere snelheden die dat wenkten.
Faiveley maakte van de gelegenheid gebruik om een nieuw en beter soort pantograaf te ontwikkelen, waarbij hij met de uitvinding van de eenarmige pantograaf (ook bekend als de halve pantograaf of Z-vormige pantograaf) volledig doorbrak. Het elegante ontwerp van Faiveley, een technisch wonder, was lichter, aerodynamischer en op ingenieuze wijze gebruikte natuurlijk voorkomende „lift” vanuit de lucht die erlangs raast om de panhead constant in contact te houden met de draad. De nieuwe pantograaf vestigde vervolgens het wereldsnelheidsrecord (331 kmh/206 mph) voor een elektrisch aangedreven trein in hetzelfde jaar dat deze werd geïntroduceerd, 1955, en is tot op de dag van vandaag de industriestandaard.
En dankzij de voortdurende innovatie van de enkelarmige pantograaf volgden nog meer recordprestaties. Dankzij de nieuwe pantograafmodellen van Wabtec, die allemaal dank verschuldigd waren aan Faiveley, konden treinen in 1990 en 2007 topsnelheden van respectievelijk 515 km/u en 320 mph en 574 km/u halen. Naast het behalen van nieuwe snelheidsrecords hebben Wabtec-pantografen in de 20e en 21e eeuw vele primeurs behaald, waaronder innovaties op het gebied van materiaalontwerp, afmetingen van de voetafdruk, integratie op het dak, armbereik en vermogensmodi, wat heeft bijgedragen aan een toename van pantografen van meer dan 150 soorten en meer dan 90.000 geïnstalleerde stroomafnemers wereldwijd.
„Het visionaire werk van Faiveley heeft een nieuw tijdperk van hogesnelheidstreinen ontketend dat de transitsector en daarmee de levens van miljoenen reizigers heeft veranderd”, bewondert Matt Atkins, Power Collection Engineering Director bij Wabtec. „In de wereld van pantografen en hogesnelheidstreinen is er een duidelijk 'voor en na', gekenmerkt door het jaar 1955.”
4. LOCOTROL ® Distributed Power: Amerikaans octrooi nr. 3.380.399
Snel vooruit naar 1965. De spoorwegindustrie was hongerig naar gedistribueerde stroom, een fenomeen dat intuïtief wordt begrepen door elk kind dat auto na auto aan elkaar heeft geregen op een modeltreinstel. Op een gegeven moment, als de trein te lang wordt, wil hij uit elkaar gaan.
De oplossing? Meer locomotieven toevoegen.
Maar waar moet je ze plaatsen?
Hoewel het misschien eenvoudiger was om ze vooraan te stapelen, zou een dergelijke configuratie van zware locomotieven te veel druk hebben gelegd op de bestaande spoorweginfrastructuur, inclusief bruggen (zie schema), en de koppelingen en dissels van de treinen. Als oplossing voor deze eerste „use case” werd LOCOTROL ® geboren.
LOCOTROL ® is de doorbraak in het besturings- en communicatiesysteem waarmee een slepende, onbemande locomotief, waar deze zich ook bevindt, de bevelen van de leidende locomotief kan volgen. Dus als de machinist de locomotief in stand vier van de tractiecontrole zet, wordt dat commando van inkeping vier overgedragen aan de locomotief (s) die zich in het midden of achter de trein bevinden.
„De vroege versies van LOCOTROL ® zijn analoog aan de begindagen van supercomputers”, merkt Danny Rush, Vice President Engineering bij Wabtec, op. „Er was een hele vrachtauto met RFID- en computerapparatuur nodig om 'op afstand'-opdrachten van de voorkant van de trein naar de achterkant uit te voeren. In de jaren negentig hadden we apparatuur ter grootte van een boekenplank, en door de voortdurende vooruitgang op het gebied van microprocessors is de voetafdruk van de oplossing gekrompen tot een doos van ongeveer een meter lang.”
Naarmate de rekenkracht en communicatienetwerken zich blijven ontwikkelen, zijn ook de ambities voor LOCOTROL ® toegenomen, waarbij spoorwegexploitanten over de hele wereld hun grenzen verleggen wat betreft het communiceren van commando's, niet alleen tussen locomotieven, waardoor steeds langere treinen mogelijk zijn, maar ook tussen locomotieven en torens, en zelfs vanaf volledig afgelegen locaties.
„Het oorspronkelijke patent voor LOCOTROL ® creëerde het besturings- en communicatiekader dat nodig is om veilig verdeeld vermogen mogelijk te maken in een trein, die is uitgegeven in een tijdperk van steeds langere treinen, en de productiviteitsstijgingen die daarmee gepaard gaan”, instrueert Bob Palanti, Senior Architect, Train Handling bij Wabtec. „Maar dit baanbrekende patent heeft ook de weg geëffend voor een revolutie in automatisering, die nu 70 jaar in de maak is, die nieuwe bedrijfsmodellen stimuleert en nieuwe efficiënties stimuleert. Wabtec en zijn klanten zijn nog niet klaar met LOCOTROL ® — nog niet eens in de buurt.”
Conclusie
Een teken van een succesvol octrooi is de hoeveelheid innovatie die het vervolgens stimuleert en inspireert. Deze vier (FAB) patenten, waarvan hun oorsprong teruggaat tot het midden van de 19e eeuw, hebben niet alleen de spoorwegindustrie in de loop van de tijd veranderd, ze zijn ook de basis geworden waarop de ingenieurs van Wabtec tot op de dag van vandaag blijven innoveren.
„Wat elk van deze patenten gemeen heeft, is niet alleen hun ongelooflijke vooruitziende blik, maar ook hun durf. Ik bedoel 150, 100 en 50 jaar later zijn we nog steeds erg gebonden aan de oorspronkelijke gedachte achter deze patenten”, besluit Gebhardt. „Edison, Westinghouse, Faiveley en anderen hebben een blauwdruk opgesteld die alle slimme en ambitieuze ingenieurs kunnen volgen: Swing for the fence. Jouw ideeën kunnen de wereld veranderen. ”