thumb|x300px|Control de freno del maquinista en una locomotora Black 5
El freno de vacío es un sistema empleado en los trenes para controlar su velocidad, introducido a mediados de la década de 1860. Una variante, el sistema de freno de vacío automático, se volvió casi universal en el equipo de los trenes británicos y en los de los países influidos por la práctica británica. Los frenos de vacío también disfrutaron de un breve período de utilización en los Estados Unidos, principalmente en los ferrocarriles de vía estrecha. Sus limitaciones hicieron que fueran reemplazados progresivamente en el Reino Unido por los sistemas de aire comprimido a partir de la década de 1870. El sistema de frenos de vacío ha quedado obsoleto, y no se usa a gran escala en ninguna parte del mundo, siendo Sudáfrica el último país en el que se han ido sustituyendo por frenos de aire comprimido.
Introducción En los primeros días de los ferrocarriles, los trenes reducían su velocidad o se detenían mediante la aplicación de frenos operados manualmente en la locomotora y en los furgones de frenado que formaban parte de los trenes, y más adelante mediante los frenos de vapor incorporados en las locomotoras. Este procedimiento era claramente insatisfactorio, dados los tiempos de respuesta lentos y la poca fiabilidad del sistema (cada freno lo aplicaba un miembro de la tripulación del tren por separado en respuesta a las señales del maquinista, que podían ser pasadas por alto por varias razones, y necesariamente debían accionarse los frenos secuencialmente -en lugar de todos a la vez- cuando había más frenos que miembros de la tripulación, lo que hacía que el frenado de emergencia fuera extremadamente impredecible). Además, la potencia de frenado disponible estaba extremadamente limitada, debido a que la mayoría de los vehículos de un tren no tenían frenos en absoluto y la eficacia de todos los frenos -excepto los de la locomotora- debía fiarse a la fuerza de los brazos de los miembros de la tripulación aplicada sobre dispositivos de accionamiento manual. Para intentar solventar estos problemas, se desarrolló un sistema de frenado mediante una cadena tendida a lo largo del conjunto de vagones, pero debido a las holguras del sistema mecánico, era imposible disponer el mismo esfuerzo de frenado en todo el tren.
Un gran avance fue la adopción del sistema de frenado por vacío, en el que se conectaban tubos flexibles entre todos los vehículos del tren y los frenos de cada vehículo podían controlarse desde la locomotora. El primer diseño consistía en un freno de vacío simple, en el que se creaba vacío mediante la aplicación del flujo del vapor de la caldera sobre una válvula instalada al efecto en la locomotora. Los pistones de freno eran accionados en cada vehículo valiéndose de la diferencia de presión entre el vacío generado y el aire de la atmósfera, y el maquinista podía aumentar o disminuir el grado de frenado. Se prefirió el vacío, en lugar del aire comprimido, porque las locomotoras de vapor podían equiparse con inyectores, unos dispositivos basados en el efecto Venturi que generan un vacío sin necesidad de partes móviles.
El sistema de vacío simple tenía el gran defecto de que en caso de que una de las mangueras que conectaban los vehículos se soltase (por la división accidental del tren, o por un acoplamiento descuidado de las mangueras o por cualquier otro motivo) el freno de vacío quedaba inutilizado en todo el tren.
En respuesta a este defecto evidente, se desarrolló posteriormente el freno de vacío automático. Estaba diseñado para detener por completo el tren si este se dividía o si una manguera se desconectaba. El freno de vacío automático era un poco más costoso de fabricar e instalar que el sistema simple debido a que requería una mayor cantidad de piezas mecanizadas e incurría en costos de funcionamiento más altos, ya que el eyector funcionaba continuamente (con un mayor gasto de vapor y, por lo tanto, de combustible y agua) para mantener el vacío cuando el tren estaba en marcha, en lugar de usarlo solo al frenar como en caso del sistema simple.
La oposición a la instalación del tipo de freno automático por motivos de coste (particularmente por parte del Ferrocarril de Londres y del Noroeste y su presidente Richard Moon -como una de las mayores empresas británicas, la negativa del LNWR a adoptar el freno automático fue un fuerte factor en contra de la ampliación de su uso por parte de otras compañías, especialmente aquellas que intercambian tráfico con la compañía del Noroeste), significó que en 1889 se produjera un grave siniestro en Armagh, antes de que la legislación obligara a la adopción del sistema automático. En este accidente, una parte de un tren se desprendió de la locomotora en una pendiente pronunciada, matando a 80 personas. El tren estaba equipado con el freno de vacío simple, que era inútil en la parte desconectada del tren. Estaba claro que si los vehículos hubieran estado equipados con un freno continuo automático, es casi seguro que el accidente no habría ocurrido, y la preocupación del público por la magnitud del accidente llevó a la legislación a exigir el uso del freno automático continuo en todos los trenes de pasajeros.
En Europa continental, el freno de vacío a veces se llamaba freno Hardy, en honor a John George Hardy de la Vacuum Brake Co, 7 Hohenstaufengasse, Viena.
Operación thumb|Cilindro de freno de vacío en posición de marcha: el vacío es el mismo por encima y por debajo del pistón thumb|El aire a presión atmosférica procedente de la tubería del tren entra por debajo del pistón, que es empujado hacia arriba accionando el freno
En su forma más simple, el freno de vacío automático consta de una tubería continua que se extiende a lo largo de todo el tren. En funcionamiento normal, se mantiene un vacío parcial en la tubería del tren y se liberan los frenos. Cuando se admite aire en la tubería del tren, el aire a presión atmosférica actúa contra los pistones de los cilindros de cada vehículo. Se mantiene un vacío en la otra cara de los pistones, de modo que se aplica una fuerza neta. Un enlace mecánico transmite esta fuerza a las zapatas de freno, que actúan sobre las bandas de rodadura de las ruedas.
Intervienen los siguientes elementos mecánicos:
El tubo del tren: un tubo de acero que recorre cada vehículo, con mangueras de vacío flexibles en cada extremo para acoplarse entre los vehículos adyacentes; en la parte trasera del tren, el final de la manguera final queda bloqueado con un tapón cerrado herméticamente. Un eyector en la locomotora, para crear vacío en la tubería del tren. Los controles para que el maquinista ponga en acción el eyector y admita aire en la tubería del tren; estos pueden ser controles separados o una válvula de freno combinada. Un cilindro de freno en cada vehículo que contenga un pistón, conectado mediante un sistema mecánico a las zapatas de freno del vehículo. Un indicador de vacío (presión) en la locomotora para indicar al maquinista el grado de vacío en la tubería del tren.
El cilindro de freno está contenido en una carcasa más grande, lo que proporciona una reserva de vacío cuando funciona el pistón. El cilindro se balancea ligeramente durante el funcionamiento para mantener la alineación con las manivelas de los frenos, por lo que se apoya en cojinetes de muñón y la conexión de la tubería de vacío es flexible. El pistón del cilindro de freno tiene un anillo flexible que permite que el aire pase de la parte superior del cilindro a la parte inferior si es necesario.
Cuando los vehículos han estado en reposo, los pistones de freno habrán bajado a su posición inferior en ausencia de presión diferencial (ya que el aire se habrá filtrado lentamente en la parte superior del cilindro, destruyendo el vacío), evitando que queden bloqueados.
Cuando se acopla la locomotora a un tren, el maquinista mueve el control del freno a la posición de "liberación" y se succiona el aire contenido en la tubería del tren, creando un vacío parcial. El aire en la parte superior de los cilindros de freno también sale a través de la tubería del tren mediante una válvula antirretorno.
Si el maquinista mueve su control a la posición de "freno", se admite aire en la tubería del tren. Según el manejo que se haga de la manivela de control, parte o la totalidad del vacío se destruirá en el proceso. La válvula de bola se cierra y se genera una presión de aire más alta debajo de los pistones de freno que por encima. La diferencia de presión fuerza al pistón hacia arriba, aplicando los frenos. El maquinista puede graduar el esfuerzo de frenado admitiendo más o menos aire en la tubería del tren.
Consideraciones prácticas El freno de vacío automático descrito representó un avance técnico considerable en el frenado de trenes. En la práctica, las locomotoras de vapor tenían dos eyectores, un eyector pequeño para el funcionamiento (para mantener el vacío parcial en el nivel correcto contra las inevitables fugas de aire leves en la tubería del tren y sus conexiones) y un eyector grande para liberar los frenos. El eyector pequeño usaba mucho menos vapor que el eyector grande, pero no podía generar vacío en la tubería del tren lo suficientemente rápido para fines operativos, especialmente en un tren largo. La práctica posterior del Great Western Railway fue usar una bomba de vacío en lugar del eyector pequeño. Esta bomba era accionada por una de las crucetas de la máquina y, por lo tanto, no usaba vapor, con la desventaja de que solo funcionaba cuando la locomotora estaba en movimiento. El GWR favoreció este diseño debido al uso de sistemas de frenado que funcionaban en un nivel de vacío más alto que otros ferrocarriles (véase más abajo), lo que habría requerido un eyector "pequeño" relativamente grande y con un gasto de vapor más elevado.
thumb|Válvula de freno graduable (derecha) y las llaves de los eyectores pequeño (superior) y grande de una locomotora del GWR
La mayoría de las locomotoras de vapor de la época usaban frenos de vapor vivos sencillos en sus propias ruedas (donde se empleaba la presión del vapor en los cilindros de freno), y el freno de vacío se usaba únicamente en el tren. En tal caso, los dos sistemas generalmente eran operados proporcionalmente por un solo control, por lo que la reducción del vacío en el sistema de frenos del tren abría la válvula que alimentaba de vapor al freno de la locomotora. Era inusual que se dispusiera de un elemento de control dedicado únicamente para el freno de vapor: incluso cuando una locomotora circulaba sin remolcar un tren, el maquinista controlaba los frenos de vapor ajustando el sistema de freno de vacío usando los eyectores en el motor y el "extremo de cabeza" de la tubería del tren. Esto permitía al maquinista de la locomotora principal controlar directamente los frenos de cualquier locomotora acoplada (así como el del propio tren) cuando se trabajaba con tracción múltiple.