Sådan fungerer hastighedsmålere

Et moderne speedometer. Foto med tilladelse fra Dreamstime

Instrumentklyngen i instrumentbrættet i din bil organiserer en række sensorer og målere, herunder olietrykmåler, kølevæsketemperaturmåler, brændstofniveaumåler, turteller og mere. Men den mest fremtrædende måler - og måske den vigtigste, i det mindste med hensyn til hvor mange gange du ser på den, mens du kører - er speedometer. Hastighedsmålerens opgave er at angive hastigheden på din bil i miles i timen, kilometer i timen eller begge dele. Selv i sene modelbiler er det en analog enhed, der bruger en nål til at pege på en bestemt hastighed, som føreren læser som et nummer, der er trykt på et urskive.

Som med enhver ny teknologi var de første hastighedsmålere dyre og kun tilgængelige som optioner. Først i 1910 begyndte bilproducenterne at inkludere speedometeret som standardudstyr. En af de første leverandører af speedometer var Otto Schulze Autometer (OSA), et arv firma fra Siemens VDO Automotive AG, en af ​​de førende udviklere af moderne instrumentklynger. Det første OSA-speedometer blev bygget i 1923, og dets grundlæggende design ændrede sig ikke markant i 60 år. I denne artikel skal vi se på hastighedsmålers historie, hvordan de fungerer, og hvad fremtiden kan have for hastighedsmåler design.

Speedometeret er gået igennem mange ændringer i det forrige århundrede. Foto med tilladelse fra Siemens VDO Automotive

-

-

-Der er to typer hastighedsmålere: elektronisk og mekanisk. Fordi elektronisk-hastighedsmåler er faktisk en relativt ny opfindelse - det første altelektroniske hastighedsmåler dukkede først op i 1993 - denne artikel vil primært fokusere på mekanisk speedometer, eller den hvirvelstrømsdynamometeret speedometer.

Otto Schulze, en opfinder fra Strasbourg, indgav det første patent på hvirvelstrømshastighedsmåleren i 1902. Schulze udtænkte det revolutionerende udstyr som en løsning på et voksende problem. Biler blev ikke kun mere populære, de rejste også hurtigere. Den gennemsnitlige automobilhastighed lige efter århundredeskiftet var 30 miles i timen, langsom efter dagens standarder, men sydende hurtigt på et tidspunkt, hvor store dele af verden stadig bevægede sig i det afslappede tempo i en hestevogn. Som et resultat begyndte alvorlige ulykker at stige dramatisk.

Schulzes opfindelse gjorde det muligt for chauffører at se nøjagtigt, hvor hurtigt de kørte, og at foretage justeringer i overensstemmelse hermed. På samme tid etablerede mange lande hastighedsgrænser og brugte politibetjente til at håndhæve dem. Tidlige løsninger krævede, at biler skulle have hastighedsmålere med to drejeknapper - et lille urskive til chaufføren og et meget større urskive monteret, så politiet kunne læse det på afstand.

I det næste afsnit skal vi se på dette design for at forstå delene af et hvirvelstrømshastighedsmåler.

-

Nålen på et speedometer Foto brugt under Creative Commons License 2.0

Før vi kigger ind i et speedometer, vil det være nyttigt at gennemgå, hvordan en bil fungerer i første omgang. Den grundlæggende proces er beskrevet nedenfor:

1. Stempelmotorer bruger energi fra en brændende brændstof-luftblanding til at bevæge et stempel op og ned i en cylinder.
2. Denne frem- og tilbagegående bevægelse af stemplerne omdannes til roterende bevægelse af en krumtapaksel.
3. Crankakslen drejer et svinghjul.
4. Transmissionen overfører strøm fra svinghjulet og leder den gennem en drivaksel til hjulene.
5. Transmissionen har forskellige gear - eller hastigheder - for at kontrollere, hvor hurtigt hjulene drejer.
6. Når hjulene drejer, får de bilen til at bevæge sig.

For at måle bilens hastighed skal man være i stand til at måle rotationshastigheden på enten hjulene eller transmissionen og sende disse oplysninger til en slags måler. I de fleste biler finder måling sted i transmissionen. Og jobbet med at måle den omdrejningstal, der genereres af transmissionen, falder til noget, der kaldes et drivkabel.

-

-Det drevkabel består af et antal overlagrede, tæt viklede, spiralformede spiralfjedre pakket rundt om en centertråd eller dorn. På grund af dens konstruktion er drivkablet meget fleksibelt og kan bøjes uden brud til en meget lille radius. Dette er praktisk, fordi kablet skal slange sig fra transmission til instrumentklyngen, der indeholder hastighedsmåleren. Det er forbundet til et sæt gear i transmissionen, således at tandhjulene drejer dornen inden i den fleksible aksel, når køretøjet bevæger sig. Dorn kommunikerer derefter transmissionens omdrejningshastighed ned langs kablets længde til "forretningsmæssige ende" af hastighedsmåleren - hvor hastighedsmåling faktisk finder sted.

Speedometeret har også andre vigtige dele. Drevkablet fastgøres via et spiraludstyr til en permanent magnet. Magneten sidder inde i et kopformet metalstykke kendt som speedcup. Speedcupen er fastgjort til en nål, som holdes på plads af en hårsprøjt. Nålen er synlig i bilens cockpit, ligesom speedometerfladen, der viser et interval af tal fra nul til en øvre grænse, der kan variere efter mærke og model.

Lad os nu se, hvordan denne relativt enkle enhed faktisk måler køretøjets hastighed.

Meter, Meter Everywhere

Hastighedsmålere kombineres ofte med kilometertællere og tripometre. En kilometertæller registrerer den samlede afstand, der køres af et køretøj. Trip kilometertællere måler også tilbagelagt afstand, men de kan nulstilles til nul af føreren. Producenter design typisk mekaniske hastighedsmålere, så 1.000 omdrejninger af den fleksible skaft registrerer en kilometer på kilometertælleren. Se Sådan fungerer kilometertællere for endnu mere om kilometertællere. Takometre svarer til hastighedsmålere, idet de måler vinkelhastigheden på en roterende aksel. Takometre reflekterer motorhastigheden, hvilket betyder, at de måler rotationshastigheden på krumtapakslen. De angiver motorhastigheden i omdrejninger pr. Minut eller omdrejninger i minuttet.-

Et virvelstrømshastighedsmåler Foto med tilladelse fra Dreamstime

Lad os sige, at en bil kører langs motorvejen i konstant hastighed. Det betyder, at dens transmission og drivaksel roterer med en hastighed, der svarer til køretøjets hastighed. Det betyder også, at dornen i speedometerets drivkabel - fordi den er forbundet til transmissionen via et sæt gear - også drejer med samme hastighed. Og endelig roterer den permanente magnet i den anden ende af drivkablet.

Når magneten drejer, sætter den et roterende magnetfelt op og skaber kræfter, der virker på speedcupen. Disse kræfter får elektrisk strøm til at strømme i bægeret i små roterende hvirveler, kendt som hvirvelstrømme. I nogle applikationer repræsenterer hvirvelstrømme tabt magt og er derfor uønskede. Men i tilfælde af et speedometer skaber virvelstrømmene et trækmoment, der fungerer på speedcupen. Koppen og dens vedhæftede nål drejer i den samme retning, som magnetfeltet drejer - men kun så langt som hårsprøjten tillader det. Nålen på speedcupen hviler, hvor modstandskraften i hårsprøjten afbalancerer kraften skabt af den roterende magnet. 

Hvad hvis bilen øges eller nedsætter dens hastighed? Hvis bilen kører hurtigere, roterer den permanente magnet inden i speedcupen hurtigere, hvilket skaber et stærkere magnetfelt, større virvelstrømme og en større afbøjning af hastighedsmålernålen. Hvis bilen bremser, roterer magneten inde i koppen langsommere, hvilket reducerer magnetfeltets styrke, hvilket resulterer i mindre hvirvelstrømme og mindre afbøjning af nålen. Når en bil stoppes, holder hårspræbet nålen nul.

Det elektroniske hastighedsmåler

Et elektronisk speedometer modtager sine data fra en køretøjets hastighedsføler (VSS), ikke et drevkabel. VSS er monteret på transmissionsudgangsakslen eller på krumtapakslen og består af en tandmetallskive og en stationær detektor, der dækker en magnetisk spole. Når tænderne bevæger sig forbi spolen, "afbryder" de magnetfeltet og skaber en række pulser, der sendes til en computer. For hver 40.000 impulser fra VSS øges turen og de samlede kilometertællere med en kilometer. Hastighed bestemmes også ud fra inputpulsfrekvensen. Kredslektronik i bilen er designet til at vise hastigheden enten på en digital skærm eller på et typisk analogt system med en nål og urskive.

Alle hastighedsmålere skal kalibreres for at sikre, at det drejningsmoment, der oprettes af det magnetiske felt, nøjagtigt reflekterer bilens hastighed. Ved denne kalibrering skal der tages højde for flere faktorer, herunder forholdet mellem tandhjulene i drivkablet, det endelige drevforhold i differentieringen og dækkens diameter. Alle disse faktorer påvirker køretøjets samlede hastighed. Tag f.eks. Dækstørrelse. Når en aksel foretager en fuldstændig drejning, dækker det dæk, det er forbundet til, en komplet omdrejning. Men et dæk med en større diameter vil køre længere end et hjul med en mindre diameter. Det skyldes, at afstanden, et dæk dækker i en omdrejning, er lig dens omkreds. Så et dæk med en diameter på 20 tommer vil dække omkring 62,8 tommer jord i en omdrejning. Et dæk med en diameter på 30 tommer dækker mere jord - omkring 94,2 tommer.

Kalibrering justeres for disse afvigelser og udføres af producenten, der indstiller speedometer gearet til at svare til den fabriksinstallerede ring og pinion ratio og dækstørrelse. En bilejer kan blive nødt til at kalibrere sit speedometer igen, hvis han foretager ændringer, der får hans køretøj til at falde ud af fabriksspecifikationerne (se sidefeltet nedenfor). Genkalibrering af et speedometer kan udføres ved at manipulere hårsprøjten, den permanente magnet eller begge dele. Generelt er magnetfeltets styrke den nemmeste variabel at ændre. Dette kræver en kraftig elektromagnet, der kan bruges til at justere styrken af ​​den permanente magnet i speedometeret, indtil nålen matcher input fra det roterende drivkabel.

Hastighedsmåler nøjagtighed

Intet speedometer kan være 100 procent nøjagtigt. Faktisk bygger de fleste producenter hastighedsmålere, så de falder inden for et temmelig smalt toleranceområde, ikke mere end 1 procent til 5 procent for langsomt eller for hurtigt. Så længe en bil opretholdes ved fabriksspecifikationer, skal dens hastighedsmåler fortsat registrere køretøjets hastighed inden for dette område. Men hvis en bil er ændret, kan dets hastighedsmåler muligvis blive kalibreret.

Ændring af dækstørrelse er en af ​​de mest almindelige ting, som bilejere gør, der kan påvirke hastighedsmålerens nøjagtighed. Det skyldes, at større dæk dækker mere jord i en komplet revolution. Overvej eksemplet nedenfor.

Din bil leveres med fabriksinstallerede dæk med en diameter på 21,8 tommer. Det betyder, at hvert dæks omkreds er 68,5 inches. Lad os nu sige, at du vil udskifte lagerdæk med nye dæk, der er 24,6 tommer i diameter. Hvert nyt dæk har en omkreds på 77,3 inches, hvilket betyder, at det bevæger sig næsten 10 inches længere med hver komplette omdrejning. Dette har en enorm indflydelse på dit speedometer, som nu vil indikere en hastighed, der er for langsom med næsten 13 procent. Når dit speedometer læser 60 miles i timen, kører din bil faktisk 67,7 miles i timen!

Et head-up speedometer display Foto med tilladelse fra Siemens VDO Automotive

-En af de store ulemper ved en instrumentklynge er dens placering. En chauffør skal se ned for at se urskiverne, hvilket betyder, at hans øjne er væk fra vejen i mindst et sekund. I det ene sekund kører bilen ca. 46 meter, hvis den bevæger sig 30 miles i timen.

Siemens VDO løser dette problem med en head-up display, der projiceres på forruden ved hjælp af spejle. For føreren ser displayet ud til at flyde over motorhjelmen, cirka seks meter væk. Køretøjets hastighed er et af nøgleelementerne på displayet, men det kan indeholde ethvert element, der findes i en normal instrumentklynge. Det kan også integrere orienteringshjælpemidler, der bruger billeder fra infrarøde kameraer til at registrere og vise en kontur af vejen foran. For en teknologi, der stammer næsten 100 år tilbage, er det en betydelig ændring til det bedre.

For mere information om hastighedsmålere, biler og relaterede emner, se linkene på næste side.

-

-Relaterede artikler

• Sådan fungerer kilometertællere
• Sådan fungerer brændstofmålere
• Sådan fungerer gearforhold
• Sådan fungerer bilcomputere
• Hvordan fungerer et speedometer i et fly?
• Sådan fungerer magneter

Flere gode links

• Siemens VDO Automotive
• Visteon Corporation
• Speedometers.com
• Hastighedsmålere og målere
• Speedometer Plus

Kilder

• “100 års hastighedsmålere - Historien om førerinformation”, 7. november 2002. Fundet online på: http://www.siemensvdo.com/press/releases/interior/2002/SV-200211-009-e.htm.
• “Automating Speedometer Calibration,” af Ganesh Devaraj, S.B. Rajnarayanan, A. Senthilnathan og S.R. Anand. Evaluering Engineering. Fundet online på http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Hvirvelstrøm." CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Fleksibel skaft." CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. ”Omdrejningstæller.” CD-ROM, 2005.
• Erjavec, Jack. "Automotive Technology: A Systems Approach." New York: Thomson Delmar Learning. 2005.
• ”Fra speedometre til moderne instrumentklynger,” af Gerhard Wesner. Automotive Engineering International, januar 2005. PDF download på www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
• Websted for indre bildele: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
• Miata.net Dækstørrelsesberegner http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
• National Watch and Clock Museum http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
• Siemens VDO Automotive websted http://www.siemensvdo.com