Jak działają prędkościomierze

Nowoczesny prędkościomierz. Zdjęcie dzięki uprzejmości Dreamstime

Zestaw wskaźników na desce rozdzielczej w samochodzie zawiera różne czujniki i wskaźniki, w tym wskaźnik ciśnienia oleju, wskaźnik temperatury płynu chłodzącego, wskaźnik poziomu paliwa, obrotomierz i inne. Ale najbardziej widocznym miernikiem - i być może najważniejszym, przynajmniej jeśli chodzi o to, ile razy patrzysz na niego podczas jazdy - jest prędkościomierz. Zadaniem prędkościomierza jest wskazywanie prędkości samochodu w milach na godzinę, kilometrach na godzinę lub w obu. Nawet w późnych modelach samochodów jest to urządzenie analogowe, które używa igły do ​​wskazania określonej prędkości, którą kierowca odczytuje jako liczbę wydrukowaną na tarczy.

Jak w przypadku każdej nowej technologii, pierwsze prędkościomierze były drogie i dostępne tylko jako opcja. Dopiero w 1910 roku producenci samochodów zaczęli włączać prędkościomierz do standardowego wyposażenia. Jednym z pierwszych dostawców prędkościomierzy był Autometr Otto Schulze (OSA), firma będąca dziedzictwem Siemens VDO Automotive AG, jednego z wiodących twórców nowoczesnych zestawów wskaźników. Pierwszy prędkościomierz OSA został zbudowany w 1923 roku, a jego podstawowa konstrukcja nie zmieniła się znacząco przez 60 lat. W tym artykule przyjrzymy się historii prędkościomierzy, ich działaniu i przyszłości w projektowaniu prędkościomierzy.

Prędkościomierz przeszedł wiele zmian w ostatnim stuleciu. Zdjęcie dzięki uprzejmości Siemens VDO Automotive

-

-

-Istnieją dwa rodzaje prędkościomierzy: elektroniczne i mechaniczne. Ponieważ elektroniczny prędkościomierz to właściwie stosunkowo nowy wynalazek - pierwszy w pełni elektroniczny prędkościomierz pojawił się dopiero w 1993 roku - w tym artykule skupimy się przede wszystkim na mechaniczny prędkościomierz, albo prąd wirowy prędkościomierz.

Otto Schulze, wynalazca ze Strasburga, złożył pierwszy patent na prędkościomierz wiroprądowy w 1902 roku. Schulze wymyślił rewolucyjne urządzenie jako rozwiązanie narastającego problemu. Samochody nie tylko stawały się coraz bardziej popularne, ale także podróżowały szybciej. Przeciętna prędkość maksymalna samochodu tuż po przełomie XIX i XX wieku wynosiła 30 mil na godzinę, wolna jak na dzisiejsze standardy, ale szybko skwiercząca w czasie, gdy znaczna część świata nadal poruszała się w spokojnym tempie zaprzęgu konnego. W rezultacie liczba poważnych wypadków zaczęła gwałtownie wzrastać.

Wynalazek Schulze pozwolił kierowcom dokładnie zobaczyć, jak szybko się poruszają, i dokonać odpowiednich zmian. Jednocześnie wiele krajów ustanowiło ograniczenia prędkości i korzystało z usług policjantów, aby je egzekwować. Wczesne rozwiązania wymagały, aby samochody miały prędkościomierze z dwoma tarczami - małą tarczą dla kierowcy i znacznie większą tarczą zamontowaną, aby policja mogła odczytać ją z dużej odległości.

W następnej sekcji przyjrzymy się temu projektowi, aby zrozumieć części prędkościomierza wiroprądowego.

-

Igła prędkościomierza Zdjęcie wykorzystane na licencji Creative Commons License 2.0

Zanim zajrzymy do prędkościomierza, warto najpierw sprawdzić, jak działa samochód. Podstawowy proces opisano poniżej:

1. Silniki tłokowe wykorzystują energię ze spalającej się mieszanki paliwowo-powietrznej do poruszania tłokiem w górę iw dół w cylindrze.
2. Ten ruch posuwisto-zwrotny tłoków jest zamieniany przez wał korbowy na ruch obrotowy.
3. Wał korbowy obraca kołem zamachowym.
4. Przekładnia przekazuje moc z koła zamachowego i kieruje ją przez wał napędowy na koła.
5. Przekładnia ma różne biegi - lub prędkości - aby kontrolować prędkość obracania się kół.
6. Gdy koła się obracają, powodują ruch samochodu.

Aby zmierzyć prędkość samochodu, trzeba umieć zmierzyć prędkość obrotową kół lub przekładni i przesłać tę informację do jakiegoś miernika. W większości samochodów pomiar odbywa się w skrzyni biegów. A zadanie pomiaru prędkości obrotowej generowanej przez przekładnię spada na coś, co nazywa się kablem napędowym.

-

-Plik kabel napędowy składa się z szeregu nałożonych na siebie, ciasno nawiniętych, spiralnych sprężyn śrubowych owiniętych wokół drutu środkowego lub trzpienia. Ze względu na swoją konstrukcję kabel napędowy jest bardzo elastyczny i można go zginać bez złamań do bardzo małego promienia. Jest to przydatne, ponieważ kabel musi przechodzić od skrzyni biegów do zestawu wskaźników, w którym znajduje się prędkościomierz. Jest połączony z zestawem kół zębatych w skrzyni biegów, tak, że gdy pojazd się porusza, koła zębate obracają trzpień wewnątrz elastycznego wałka. Trzpień następnie przekazuje prędkość obrotową przekładni wzdłuż kabla do „biznesowego końca” prędkościomierza - gdzie faktycznie ma miejsce pomiar prędkości.

Prędkościomierz ma również inne ważne części. Kabel napędowy jest mocowany za pomocą spiralnej przekładni do magnesu trwałego. Magnes znajduje się wewnątrz metalowego elementu w kształcie kubka, znanego jako speedcup. Speedcup jest przymocowany do igły, która jest utrzymywana na miejscu za pomocą sprężyny włosowej. Igła jest widoczna w kokpicie samochodu, podobnie jak tarcza prędkościomierza, która wyświetla zakres liczb od zera do górnej granicy, która może się różnić w zależności od marki i modelu.

Przyjrzyjmy się teraz, jak to stosunkowo proste urządzenie mierzy prędkość pojazdu.

Miernik, miernik wszędzie

Prędkościomierze są często łączone z drogomierzami i drogomierzami. Licznik kilometrów rejestruje całkowitą odległość przebytą przez pojazd. Liczniki przebiegu dziennego również mierzą przebytą odległość, ale kierowca może je wyzerować. Producenci zazwyczaj projektują mechaniczne prędkościomierze w taki sposób, aby 1000 obrotów elastycznego wału rejestrowało jedną milę na liczniku kilometrów. Aby uzyskać więcej informacji na temat liczników kilometrów, zobacz Jak działają liczniki kilometrów. Tachometry są podobne do prędkościomierzy, ponieważ mierzą prędkość kątową obracającego się wału. Obrotomierze odzwierciedlają prędkość obrotową silnika, co oznacza, że ​​mierzą prędkość obrotową wału korbowego. Wskazują prędkość obrotową silnika w obrotach na minutę lub obr./min.-

Prędkościomierz prądu wirowego Zdjęcie dzięki uprzejmości Dreamstime

Powiedzmy, że samochód jedzie autostradą ze stałą prędkością. Oznacza to, że jego przekładnia i wał napędowy obracają się z prędkością odpowiadającą prędkości pojazdu. Oznacza to również, że trzpień w kablu napędowym prędkościomierza - ponieważ jest połączony z przekładnią poprzez zestaw kół zębatych - również obraca się z tą samą prędkością. I wreszcie, magnes trwały na drugim końcu kabla napędowego obraca się.

Gdy magnes się obraca, tworzy obracające się pole magnetyczne, wytwarzając siły, które działają na przyśpieszenie. Siły te powodują przepływ prądu elektrycznego w kubku w postaci małych wirujących wirów, znanych jako prądy wirowe. W niektórych zastosowaniach prądy wirowe stanowią utratę mocy i dlatego są niepożądane. Ale w przypadku prędkościomierza prądy wirowe tworzą moment oporu, który działa na przyspieszaczu. Kubek i przymocowana do niego igła obracają się w tym samym kierunku, w którym obraca się pole magnetyczne - ale tylko na tyle, na ile pozwala na to sprężyna włosa. Igła na kubku zatrzymuje się, gdzie przeciwna siła sprężyny włosowej równoważy siłę wytwarzaną przez obracający się magnes. 

Co się stanie, jeśli samochód zwiększy lub zmniejszy prędkość? Jeśli samochód jedzie szybciej, magnes trwały wewnątrz speedcup będzie się szybciej obracał, co wytworzy silniejsze pole magnetyczne, większe prądy wirowe i większe odchylenie wskazówki prędkościomierza. Jeśli samochód zwalnia, magnes wewnątrz kubka obraca się wolniej, co zmniejsza siłę pola magnetycznego, co skutkuje mniejszymi prądami wirowymi i mniejszym wychyleniem igły. Kiedy samochód jest zatrzymany, sprężyna włosa trzyma igłę na zero.

Elektroniczny prędkościomierz

Elektroniczny prędkościomierz otrzymuje dane z pliku czujnik prędkości pojazdu (VSS), a nie kabel napędowy. VSS jest zamontowany na wale wyjściowym skrzyni biegów lub na wale korbowym i składa się z zębatej metalowej tarczy i stacjonarnego detektora, który zakrywa cewkę magnetyczną. Gdy zęby przesuwają się obok cewki, „przerywają” pole magnetyczne, tworząc serię impulsów wysyłanych do komputera. Na każde 40000 impulsów z VSS podróż i całkowity licznik kilometrów zwiększają się o jedną milę. Prędkość jest również określana na podstawie częstotliwości impulsów wejściowych. Elektronika obwodu w samochodzie jest zaprojektowana do wyświetlania prędkości na cyfrowym ekranie lub w typowym układzie analogowym z igłą i tarczą.

Wszystkie prędkościomierze muszą być skalibrowane, aby mieć pewność, że moment obrotowy wytwarzany przez pole magnetyczne dokładnie odzwierciedla prędkość samochodu. Kalibracja ta musi uwzględniać kilka czynników, w tym przełożenie biegów w kablu napędowym, przełożenie końcowe w mechanizmie różnicowym i średnicę opon. Wszystkie te czynniki wpływają na ogólną prędkość pojazdu. Weźmy na przykład rozmiar opon. Kiedy oś wykonuje jeden pełny obrót, opona, do której jest podłączona, wykonuje jeden pełny obrót. Ale opona o większej średnicy będzie jechała dalej niż koło o mniejszej średnicy. Dzieje się tak, ponieważ odległość, jaką opona pokonuje w jednym obrocie, jest równa jej obwodowi. Tak więc opona o średnicy 20 cali pokryje około 62,8 cala podłoża podczas jednego obrotu. Opona o średnicy 30 cali pokryje więcej terenu - około 94,2 cala.

Kalibracja dostosowuje się do tych odchyleń i jest wykonywana przez producenta, który ustawia bieg prędkościomierza tak, aby odpowiadał fabrycznie zamontowanemu przełożeniu pierścienia i koła zębatego oraz rozmiarowi opon. Właściciel samochodu może być zmuszony do ponownej kalibracji prędkościomierza, jeśli wprowadzi zmiany, które spowodują, że jego pojazd będzie niezgodny ze specyfikacjami fabrycznymi (patrz pasek boczny poniżej). Rekalibrację prędkościomierza można przeprowadzić, manipulując sprężyną włosową, magnesem trwałym lub jednym i drugim. Ogólnie rzecz biorąc, natężenie pola magnetycznego jest zmienną najłatwiejszą do zmiany. Wymaga to silnego elektromagnesu, którego można użyć do regulacji siły magnesu trwałego w prędkościomierzu, aż igła dopasuje się do wejścia obracającego się kabla napędowego.

Dokładność prędkościomierza

Żaden prędkościomierz nie może być w 100% dokładny. W rzeczywistości większość producentów buduje prędkościomierze, więc mieszczą się one w dość wąskim zakresie tolerancji, nie więcej niż 1% do 5% za wolno lub za szybko. Dopóki samochód jest utrzymywany zgodnie ze specyfikacjami fabrycznymi, jego prędkościomierz powinien nadal rejestrować prędkość pojazdu w tym zakresie. Ale jeśli samochód zostanie zmodyfikowany, jego prędkościomierz może wymagać ponownej kalibracji.

Zmiana rozmiaru opon jest jedną z najczęściej wykonywanych przez właścicieli samochodów czynności, która może wpływać na dokładność prędkościomierza. Dzieje się tak, ponieważ większe opony pokonują więcej terenu podczas jednej pełnej rewolucji. Rozważ poniższy przykład.

Twój samochód jest wyposażony w fabrycznie zamontowane opony o średnicy 21,8 cala. Oznacza to, że obwód każdej opony wynosi 68,5 cala. Teraz załóżmy, że chcesz wymienić standardowe opony na nowe opony o średnicy 24,6 cala. Każda nowa opona ma obwód 77,3 cala, co oznacza, że ​​przesuwa się o prawie 10 cali dalej przy każdym pełnym obrocie. Ma to ogromny wpływ na prędkościomierz, który będzie teraz wskazywać zbyt małą prędkość o prawie 13 procent. Kiedy prędkościomierz wskazuje 60 mil na godzinę, Twój samochód będzie jechał 67,7 mil na godzinę!

Wyświetlacz prędkościomierza typu head-up Zdjęcie dzięki uprzejmości Siemens VDO Automotive

-Jedną z dużych wad zestawu wskaźników jest jego lokalizacja. Kierowca musi spojrzeć w dół, aby zobaczyć tarcze, co oznacza, że ​​jego oczy są poza drogą przez co najmniej jedną sekundę. W ciągu tej jednej sekundy samochód pokonuje około 46 stóp, jeśli porusza się z prędkością 30 mil na godzinę.

Siemens VDO rozwiązuje ten problem za pomocą wyświetlacza head-up, który jest rzutowany na przednią szybę przez lusterka. Dla kierowcy wyświetlacz wydaje się unosić nad maską silnika, około sześciu stóp dalej. Prędkość pojazdu będzie jednym z kluczowych elementów wyświetlacza, ale może zawierać dowolny element znajdujący się w normalnym zestawie wskaźników. Może również zintegrować pomoce orientacyjne, które wykorzystują obrazy z kamer na podczerwień do wykrywania i wyświetlania konturów drogi przed Tobą. Dla technologii, która sięga prawie 100 lat wstecz, jest to znacząca zmiana na lepsze.

Aby uzyskać więcej informacji na temat prędkościomierzy, samochodów i powiązanych tematów, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.

-

-Powiązane artykuły

• Jak działają liczniki kilometrów
• Jak działają wskaźniki paliwa
• Jak działają przełożenia
• Jak działają komputery samochodowe
• Jak działa prędkościomierz w samolocie?
• Jak działają magnesy

Więcej świetnych linków

• Siemens VDO Automotive
• Visteon Corporation
• Speedometers.com
• Prędkościomierze i wskaźniki
• Prędkościomierz Plus

Źródła

• „100 Years of Speedometers - The History of Driver Information”, 7 listopada 2002 r. Znalezione w Internecie pod adresem: http://www.siemensvdo.com/press/releases/interior/2002/SV-200211-009-e.htm.
• „Automating Speedometer Calibration”, Ganesh Devaraj, S.B. Rajnarayanan, A. Senthilnathan i S.R. Anand. Inżynieria oceny. Znalezione w Internecie pod adresem http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. „Prąd wirowy”. CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. „Elastyczny wałek”. CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "tachometr." CD-ROM, 2005.
• Erjavec, Jack. „Technologia motoryzacyjna: podejście systemowe”. Nowy Jork: Thomson Delmar Learning. 2005.
• Gerhard Wesner „Od prędkościomierzy po nowoczesne zestawy wskaźników”. Automotive Engineering International, styczeń 2005. Plik PDF do pobrania ze strony www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
• Wewnętrzna witryna części samochodowych: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
• Kalkulator rozmiaru opon Miata.net http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
• Narodowe Muzeum Zegarków i Zegarów http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
• Witryna internetowa Siemens VDO Automotive http://www.siemensvdo.com