Slik fungerer hastighetsmålere

Et moderne speedometer. Foto med tillatelse fra Dreamstime

Instrumentklyngen i instrumentbordet i bilen din organiserer en rekke sensorer og målere, inkludert oljetrykkmåler, kjølevæsketemperaturmåler, drivstoffnivåmåler, turteller og mer. Men den mest fremtredende måleren - og kanskje den viktigste, i det minste med tanke på hvor mange ganger du ser på den mens du kjører - er speedometer. Jobben med speedometeret er å indikere hastigheten på bilen din i miles per time, kilometer i timen eller begge deler. Selv i biler med sent modell er det en analog enhet som bruker en nål for å peke på en bestemt hastighet, som sjåføren leser som et nummer trykt på en urskive.

Som med all ny teknologi, var de første hastighetsmålere dyre og bare tilgjengelige som alternativer. Først i 1910 begynte bilprodusentene å inkludere speedometeret som standardutstyr. En av de første leverandørene av speedometer var Otto Schulze Autometer (OSA), et legatfirma av Siemens VDO Automotive AG, en av de ledende utviklerne av moderne instrumentklynger. Det første OSA-fartsmåleren ble bygget i 1923, og dens grunnleggende design endret seg ikke nevneverdig på 60 år. I denne artikkelen skal vi se på historikken til hastighetsmålere, hvordan de fungerer og hva fremtiden kan inneholde for hastighetsmålerdesign.

Speedometeret har gått gjennom mange forandringer i forrige århundre. Foto med tillatelse fra Siemens VDO Automotive

-

-

-Det er to typer hastighetsmålere: elektronisk og mekanisk. Fordi det elektronisk hastighetsmåler er faktisk en relativt ny oppfinnelse - det første alt-elektroniske speedometeret dukket ikke opp før i 1993 - denne artikkelen vil først og fremst fokusere på mekanisk speedometer, eller virvelstrøm speedometer.

Otto Schulze, en oppfinner fra Strasbourg, inngav det første patentet for virvelstrømshastighetsmåleren i 1902. Schulze unnfanget det revolusjonerende apparatet som en løsning på et voksende problem. Biler ble ikke bare mer populære, de reiste også raskere. Gjennomsnittsbilens toppfart like etter 1900-tallets skifte var 30 mil i timen, sakte etter dagens standarder, men susende fort på en tid da store deler av verden fremdeles beveget seg i det rolige tempoet i en hestevogn. Som et resultat begynte alvorlige ulykker å øke dramatisk.

Schulzes oppfinnelse gjorde det mulig for sjåførene å se nøyaktig hvor raskt de kjørte og å gjøre justeringer tilsvarende. Samtidig etablerte mange land fartsgrenser og brukte politifolk for å håndheve dem. Tidlige løsninger krevde at biler skulle ha hastighetsmålere med to skiver - en liten skive for sjåføren og en mye større skive montert slik at politiet kunne lese den på avstand.

I neste avsnitt skal vi se på dette designet for å forstå delene av et virvelstrømshastighetsmåler.

-

Nålen til et speedometer Foto brukt under Creative Commons License 2.0

Før vi tar en titt i et hastighetsmåler, vil det være nyttig å gjennomgå hvordan en bil fungerer i utgangspunktet. Den grunnleggende prosessen er beskrevet nedenfor:

1. Stempelmotorer bruker energi fra en brennende drivstoff-luftblanding for å flytte et stempel opp og ned i en sylinder.
2. Denne frem- og tilbakegående bevegelse av stemplene blir omdannet til roterende bevegelse av en veivaksel.
3. Veivakselen svinger et svinghjul.
4. Girkassen overfører strøm fra svinghjulet og leder den, gjennom en drivaksel, til hjulene.
5. Girkassen har forskjellige gir - eller hastigheter - for å kontrollere hvor raskt hjulene svinger.
6. Når hjulene snur, får de bilen til å bevege seg.

For å måle hastigheten på en bil må man kunne måle rotasjonshastigheten til enten hjulene eller girkassen og sende den informasjonen til en slags måler. I de fleste biler foregår måling i transmisjonen. Og jobben med å måle rotasjonshastigheten generert av transmisjonen faller til noe som kalles en drivkabel.

-

-De drivkabel består av et antall overlagre, tett sårede, spiralformede spiralfjærer pakket rundt en sentertråd eller dorn. På grunn av konstruksjonen er drivkabelen veldig fleksibel og kan bøyes, uten brudd, til en veldig liten radius. Dette er nyttig fordi kabelen må slange seg fra overføringen til instrumentklyngen, som rommer hastighetsmåleren. Den er koblet til et sett gir i transmisjonen, slik at når kjøretøyet beveger seg, dreier girene doren inne i den fleksible akselen. Doren kommuniserer deretter overføringshastigheten nedover kabelen til "forretningsenden" på hastighetsmåleren - der hastighetsmåling faktisk foregår.

Hastighetsmåleren har også andre viktige deler. Drivkabelen festes, via et spiralgir, til en permanent magnet. Magneten sitter inne i et koppformet metallstykke kjent som speedcup. Speedcupen er festet til en nål, som holdes på plass av en hårsprett. Nålen er synlig i cockpiten på bilen, og også hastighetsmålerens ansikt, som viser et antall tall fra null til en øvre grense som kan variere etter merke og modell.

La oss se på hvordan denne relativt enkle enheten faktisk måler kjøretøyets hastighet.

Meter, Meter Everywhere

Hastighetsmålere er ofte kombinert med kilometerteller og trippmåling. En kilometerteller registrerer den totale avstanden som kjøretøyet har reist. Kjøreteller måler også kjørt avstand, men de kan tilbakestilles til null av føreren. Produsenter designer typisk mekaniske hastighetsmålere slik at 1000 omdreininger av den fleksible akselen vil registrere en kilometer på kilometertelleren. Hvis du vil ha mer informasjon om kilometerteller, kan du se Slik fungerer kilometerteller. Takometre ligner hastighetsmålere ved at de måler vinkelhastigheten til en roterende aksel. Turteller reflekterer motorhastigheten, noe som betyr at de måler rotasjonshastigheten på veivakselen. De indikerer motorhastigheten i omdreininger per minutt eller omdreininger per minutt.-

Et virvelstrømshastighetsmåler Foto med tillatelse fra Dreamstime

La oss si at en bil kjører langs motorveien i konstant hastighet. Det betyr at girkassen og drivakslen roterer med en hastighet som tilsvarer kjøretøyets hastighet. Det betyr også at doren i speedometerets drivkabel - fordi den er koblet til transmisjonen via et sett tannhjul - også roterer med samme hastighet. Og til slutt roterer permanentmagneten i den andre enden av drivkabelen.

Når magneten snurrer, setter den opp et roterende magnetfelt, og skaper krefter som virker på speedcupen. Disse kreftene får elektrisk strøm til å strømme i koppen i små roterende virvler, kjent som virvelstrømmer. I noen applikasjoner representerer virvelstrømmer tapt kraft og er derfor uønsket. Men når det gjelder et hastighetsmåler, skaper virvelstrømmene et dreiemoment som fungerer på speedcupen. Koppen og den påsatte nålen svinger i samme retning som magnetfeltet snur - men bare så langt som hårsprinten vil tillate det. Nålen på speedcupen hviler der den motstående kraften til hårsprinten balanserer kraften som er skapt av den roterende magneten. 

Hva om bilen øker eller senker hastigheten? Hvis bilen kjører raskere, vil den permanente magneten inne i speedcupen rotere raskere, noe som skaper et sterkere magnetfelt, større virvelstrømmer og større avbøyning av hastighetsmålernålen. Hvis bilen bremser, roterer magneten inne i koppen saktere, noe som reduserer styrken til magnetfeltet, noe som resulterer i mindre virvelstrømmer og mindre avbøyning av nålen. Når en bil blir stoppet, holder hårsprossen nålen på null.

Det elektroniske hastighetsmåleren

Et elektronisk speedometer mottar dataene sine fra a kjøretøyets hastighetssensor (VSS), ikke en drivkabel. VSS er montert på transmisjonsutgangsakselen eller på veivakselen og består av en tannmetallskive og en stasjonær detektor som dekker en magnetisk spole. Når tennene beveger seg forbi spolen, "avbryter" de magnetfeltet, og skaper en serie pulser som blir sendt til en datamaskin. For hver 40.000 pulser fra VSS øker turen og de totale kilometertellerne med en kilometer. Hastighet bestemmes også ut fra inngangspulsfrekvensen. Kretselektronikk i bilen er designet for å vise hastigheten enten på en digital skjerm eller på et typisk analogt system med en nål og skive.

Alle hastighetsmålere må kalibreres for å sikre at dreiemomentet som er opprettet av magnetfeltet nøyaktig gjenspeiler bilens hastighet. Denne kalibreringen må ta hensyn til flere faktorer, inkludert forholdene mellom tannhjulene i drivkabelen, det endelige drivforholdet i differansen og dekkens diameter. Alle disse faktorene påvirker kjøretøyets totale hastighet. Ta for eksempel dekkstørrelse. Når en aksel gjør en komplett sving, gir dekket det er koblet til en fullstendig revolusjon. Men et dekk med større diameter vil kjøre lenger enn et hjul med en mindre diameter. Det er fordi avstanden dekk dekker i en revolusjon er lik dens omkrets. Så et dekk med en diameter på 20 tommer vil dekke omtrent 62,8 tommer bakken i en revolusjon. Et dekk med en diameter på 30 tommer vil dekke mer bakken - omtrent 94,2 tommer.

Kalibrering justeres for disse variansene og gjøres av produsenten, som setter opp hastighetsmålerutstyret for å samsvare med fabrikkinstallert ring og tannhjulforhold og dekkstørrelse. En bileier kan være nødt til å kalibrere hastighetsmåleren sin hvis han gjør endringer som gjør at kjøretøyet hans faller utenfor fabrikkens spesifikasjoner (se sidefeltet nedenfor). Kalibrering av et hastighetsmåler kan gjøres ved å manipulere hårspringen, permanentmagneten eller begge deler. Generelt er styrken til magnetfeltet den enkleste variabelen å endre. Dette krever en kraftig elektromagnet som kan brukes til å justere styrken til permanentmagneten i hastighetsmåleren til nålen matcher inngangen fra den roterende drivkabelen.

Hastighetsmåler nøyaktighet

Ingen hastighetsmåler kan være 100 prosent nøyaktig. Faktisk bygger de fleste produsenter hastighetsmålere slik at de faller innenfor et ganske smalt toleranseområde, ikke mer enn 1 prosent til 5 prosent for tregt eller for raskt. Så lenge en bil opprettholdes fra fabrikkens spesifikasjoner, bør hastighetsmåleren fortsette å registrere kjøretøyets hastighet innenfor dette området. Men hvis en bil blir modifisert, kan det hende at hastighetsmåleren må bli kalibrert.

Å endre dekkstørrelse er en av de vanligste tingene bileiere gjør som kan påvirke hastighetsmålerens nøyaktighet. Det er fordi større dekk dekker mer bakken i en komplett revolusjon. Tenk på eksemplet nedenfor.

Bilen din har fabrikkinstallerte dekk med en diameter på 21,8 tommer. Det betyr at omkretsen til hvert dekk er 68,5 tommer. La oss si at du vil bytte ut dekkene med nye dekk med en diameter på 24,6 tommer. Hvert nye dekk har en omkrets på 77,3 tommer, noe som betyr at det reiser nesten 10 centimeter lenger med hver komplette revolusjon. Dette har en enorm innvirkning på speedometeret ditt, som nå vil indikere en hastighet som er for treg med nesten 13 prosent. Når speedometeret ditt leser 60 miles per time, vil bilen faktisk reise 67,7 miles per time!

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

-En av de store ulempene med en instrumentklynge er beliggenheten. En sjåfør må se ned for å se urskiven, noe som betyr at øynene hans er utenfor veien i minst ett sekund. I løpet av det ene sekundet kjører bilen rundt 46 fot hvis den beveger seg med 30 miles per time.

Siemens VDO tar opp dette problemet med en head-up-skjerm som blir projisert på frontruten av speil. For sjåføren ser skjermen ut til å flyte over motorhetten, omtrent seks meter unna. Kjøretøyets hastighet vil være et av nøkkelelementene på displayet, men det kan inneholde ethvert element som finnes i en normal instrumentklynge. Det kan også integrere orienteringshjelpemidler som bruker bilder fra infrarøde kameraer for å oppdage og vise en kontur av veien foran. For en teknologi som kan dateres nesten 100 år tilbake, er det en betydelig endring til det bedre.

For mer informasjon om hastighetsmålere, biler og relaterte emner, sjekk ut lenkene på neste side.

-

-Relaterte artikler

• Hvordan kilometertellers fungerer
• Hvordan drivstoffmålere fungerer
• Hvordan girforhold fungerer
• Hvordan bilcomputere fungerer
• Hvordan fungerer et speedometer i et fly?
• Hvordan magneter fungerer

Flere gode lenker

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

kilder

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