Hur hastighetsmätare fungerar

En modern hastighetsmätare. Foto med tillstånd av Dreamstime

Instrumentpanelen på instrumentpanelen i din bil organiserar en mängd sensorer och mätare, inklusive oljetrycksmätare, kylvätsketemperaturmätare, bränslenivåmätare, varvräknare och mer. Men den mest framträdande mätaren - och kanske den viktigaste, åtminstone när det gäller hur många gånger du tittar på den medan du kör - är hastighetsmätare. Hastighetsmätarens uppgift är att ange hastigheten på din bil i miles per timme, kilometer per timme eller båda. Även i bilar med sen modell är det en analog enhet som använder en nål för att peka på en specifik hastighet, som föraren läser som ett nummer tryckt på en urtavla.

Som med alla nya tekniker var de första hastighetsmätarna dyra och endast tillgängliga som alternativ. Det var inte förrän 1910 som biltillverkare började inkludera hastighetsmätaren som standardutrustning. En av de första leverantörerna av hastighetsmätare var Otto Schulze Autometer (OSA), ett äldre företag från Siemens VDO Automotive AG, en av de ledande utvecklarna av moderna instrumentkluster. Den första OSA-hastighetsmätaren byggdes 1923 och dess grundläggande design förändrades inte avsevärt under 60 år. I den här artikeln ska vi titta på hastighetsmätarens historia, hur de fungerar och vad framtiden kan hålla för hastighetsmätare design.

Hastighetsmätaren har gått igenom många förändringar under förra seklet. Foto med tillstånd av Siemens VDO Automotive

-

-

-Det finns två typer av hastighetsmätare: elektroniska och mekaniska. Eftersom det elektronisk hastighetsmätare är faktiskt en relativt ny uppfinning - den första allelektroniska hastighetsmätaren visades inte förrän 1993 - den här artikeln kommer främst att fokusera på mekanisk hastighetsmätare, eller den virvelström hastighetsmätare.

Otto Schulze, en uppfinnare från Strasbourg, lämnade in det första patentet på virvelströmhastighetsmätaren 1902. Schulze tänkte sig den revolutionära anordningen som en lösning på ett växande problem. Bilar blev inte bara mer populära, de åkte också snabbare. Den genomsnittliga bilens topphastighet strax efter 1900-talets början var 30 mil per timme, långsam med dagens standard men svimlande snabbt i en tid då en stor del av världen fortfarande rörde sig i en lugn takt i en hästvagn. Som ett resultat började allvarliga olyckor öka dramatiskt.

Schulzes uppfinningen gjorde det möjligt för förarna att se exakt hur snabbt de åkte och att göra justeringar i enlighet därmed. Samtidigt fastställde många länder hastighetsgränser och använde poliser för att verkställa dem. Tidiga lösningar krävde att bilar skulle ha hastighetsmätare med två urtavlor - en liten urtavla för föraren och en mycket större urtavla monterad så att polisen kunde läsa den på avstånd.

I nästa avsnitt tittar vi på denna design för att förstå delarna av en virvelströmshastighetsmätare.

-

Nålen på en hastighetsmätare Foto som används under Creative Commons License 2.0

Innan vi tittar in i en hastighetsmätare kommer det att vara till hjälp att granska hur en bil fungerar i första hand. Den grundläggande processen beskrivs nedan:

1. Kolvmotorer använder energi från en brinnande bränsle-luftblandning för att flytta en kolv upp och ner i en cylinder.
2. Denna fram- och återgående rörelse hos kolvarna omvandlas till rotationsrörelse med en vevaxel.
3. Vevaxeln vrider ett svänghjul.
4. Växeln överför kraft från svänghjulet och leder den, via en drivaxel, till hjulen.
5. Växellådan har olika växlar - eller hastigheter - för att kontrollera hur snabbt hjulen vrider.
6. När hjulen vrider får de bilen att röra sig.

För att mäta hastigheten på en bil måste man kunna mäta rotationshastigheten för antingen hjulen eller växeln och skicka informationen till någon form av mätare. I de flesta bilar sker mätning i växellådan. Och jobbet med att mäta rotationshastigheten som genereras av transmissionen faller till något som kallas en drivkabel.

-

-De drivkabel består av ett antal överlagrade, tätt lindade, spiralformade spiralfjädrar lindade runt en centrumtråd eller dorn. På grund av dess konstruktion är drivkabeln mycket flexibel och kan böjas, utan brott, till en mycket liten radie. Detta är praktiskt eftersom kabeln måste släpa sig från överföringen till instrumentklustret, som innehåller hastighetsmätaren. Den är ansluten till en uppsättning växlar i växellådan, så att när fordonet rör sig, vänder växlarna dornen inuti den flexibla axeln. Dornet kommunicerar sedan överföringshastigheten för transmissionen ner längden på kabeln till hastighetsmätarens "affärsände" - där hastighetsmätningen faktiskt äger rum.

Hastighetsmätaren har också andra viktiga delar. Drivkabeln fästs via en spiralväxel på en permanent magnet. Magneten sitter i en koppformad metallbit som kallas speedcup. Speedcupen är fäst vid en nål, som hålls på plats av en hårsprång. Nålen syns i bilens cockpit, liksom hastighetsmätareytan, som visar ett intervall med nummer från noll till en övre gräns som kan variera beroende på märke och modell.

Låt oss nu titta på hur denna relativt enkla enhet faktiskt mäter fordonets hastighet.

Meter, Meter Everywhere

Hastighetsmätare kombineras ofta med kilometerteller och trippmätare. En kilometerteller registrerar det totala avståndet som körts av ett fordon. Tripmätare mäter också kört avstånd, men de kan återställas till noll av föraren. Tillverkarna konstruerar vanligtvis mekaniska hastighetsmätare så att 1 000 varv av den flexibla axeln registrerar en mil på kilometern. Mer information om kilometerteller finns i Hur kilometerteller fungerar. Växelmätare liknar hastighetsmätare genom att de mäter vinkelhastigheten hos en roterande axel. Varvmätare återspeglar motorvarvtalet, vilket innebär att de mäter vevaxelns varvtal. De indikerar motorvarvtalet i varv per minut eller varv / minut.-

En virvelströmshastighetsmätare Foto med tillstånd av Dreamstime

Låt oss säga att en bil reser längs motorvägen med konstant hastighet. Det betyder att växellådan och drivaxeln roterar med en hastighet som motsvarar fordonets hastighet. Det betyder också att dornen i hastighetsmätarens drivkabel - eftersom den är ansluten till växellådan via en uppsättning växlar - också roterar med samma hastighet. Och slutligen roterar permanentmagneten i den andra änden av drivkabeln.

När magneten snurrar, sätter den upp ett roterande magnetfält, vilket skapar krafter som verkar på speedcupen. Dessa krafter gör att elektrisk ström flyter i koppen i små roterande virvel, känd som virvelströmmar. I vissa applikationer representerar virvelströmmar förlorad kraft och är därför oönskade. Men i fallet med en hastighetsmätare skapar virvelströmmarna ett dragmoment som fungerar på speedcupen. Koppen och dess bifogade nål vrider sig i samma riktning som magnetfältet vrider sig - men bara så långt som hårsprånet tillåter det. Nålen på speedcupen vilar till vila där den motsatta kraften hos hårsprången balanserar kraften som skapas av den roterande magneten. 

Tänk om bilen ökar eller minskar hastigheten? Om bilen kör snabbare kommer den permanenta magneten inuti speedcupen att rotera snabbare, vilket skapar ett starkare magnetfält, större virvelströmmar och en större avböjning av hastighetsmäternålen. Om bilen bromsar, roterar magneten inuti koppen långsammare, vilket reducerar magnetfältets styrka, vilket resulterar i mindre virvelströmmar och mindre avböjning av nålen. När en bil stoppas håller hårsprånet nålen vid noll.

Den elektroniska hastighetsmätaren

En elektronisk hastighetsmätare får sina uppgifter från en hastighetsmätare (VSS), inte en drivkabel. VSS är monterad på växellådans axel eller på vevaxeln och består av en tandad metallskiva och en stationär detektor som täcker en magnetisk spole. När tänderna rör sig förbi spolen "avbryter" de magnetfältet och skapar en serie pulser som skickas till en dator. För varje 40 000 pulser från VSS ökar resan och de totala kilometertellerna med en mil. Hastigheten bestäms också från ingångspulsfrekvensen. Kretselektronik i bilen är utformad för att visa hastigheten antingen på en digital skärm eller på ett typiskt analogt system med en nål och urtavla.

Alla hastighetsmätare måste kalibreras för att se till att vridmomentet som skapas av magnetfältet reflekterar bilens hastighet. Denna kalibrering måste ta hänsyn till flera faktorer, inklusive kugghjulens förhållanden i drivkabeln, det slutliga drivförhållandet i differentieringen och däckens diameter. Alla dessa faktorer påverkar fordonets totala hastighet. Ta till exempel däckstorlek. När en axel gör en fullständig varv gör däcket det är anslutet till en komplett revolution. Men ett däck med större diameter går längre än ett hjul med en mindre diameter. Det beror på att avståndet ett däck täcker i en varv är lika med dess omkrets. Så ett däck med en diameter på 20 tum kommer att täcka cirka 62,8 tum mark under en varv. Ett däck med en diameter på 30 tum täcker mer mark - cirka 94,2 tum.

Kalibrering justeras för dessa avvikelser och görs av tillverkaren, som ställer in hastighetsmätare för att motsvara den fabriksinstallerade ringen och kugghjulsförhållandet och däckstorleken. En bilejare kan behöva kalibrera om sin hastighetsmätare om han gör ändringar som gör att hans fordon faller ur fabriksspecifikationerna (se sidofältet nedan). Omkalibrering av en hastighetsmätare kan göras genom att manipulera hårsprången, permanentmagneten eller båda. Generellt är magnetfältets styrka den enklaste variabeln att ändra. Detta kräver en kraftfull elektromagnet, som kan användas för att justera styrkan hos permanentmagneten i hastighetsmätaren tills nålen matchar ingången från den roterande drivkabeln.

Hastighetsmätare noggrannhet

Ingen hastighetsmätare kan vara 100 procent korrekt. De flesta tillverkare bygger faktiskt hastighetsmätare så att de faller inom ett ganska smalt toleransområde, inte mer än 1 till 5 procent för långsamt eller för snabbt. Så länge en bil upprätthålls på fabriksspecifikationer, bör dess hastighetsmätare fortsätta att registrera fordonets hastighet inom detta område. Men om en bil är modifierad kan dess hastighetsmätare behöva kalibreras.

Att byta däckstorlek är en av de vanligaste sakerna som bilägare gör som kan påverka hastighetsmätarens noggrannhet. Det beror på att större däck täcker mer mark i en komplett revolution. Tänk på exemplet nedan.

Din bil har fabriksinstallerade däck med en diameter på 21,8 tum. Det betyder att varje däck har en omkrets på 68,5 tum. Låt oss nu säga att du vill ersätta lagerdäcken med nya däck med en diameter på 24,6 tum. Varje nytt däck har en omkrets på 77,3 tum, vilket innebär att det reser nästan 10 tum längre med varje fullständig revolution. Detta har en enorm inverkan på din hastighetsmätare, vilket nu indikerar en hastighet som är för långsam med nästan 13 procent. När din hastighetsmätare läser 60 miles per timme kommer din bil faktiskt att resa 67,7 miles per timme!

En head-up hastighetsmätare Foto med tillstånd av Siemens VDO Automotive

-En av de stora nackdelarna med ett instrumentkluster är dess plats. En förare måste titta ner för att se rattarna, vilket innebär att hans ögon är av vägen i minst en sekund. På den ena sekunden kör bilen cirka 46 fot om den rör sig 30 miles per timme.

Siemens VDO tar upp detta problem med en head-up display som projiceras på vindrutan med speglar. För föraren verkar displayen sväva över motorhuven, cirka sex meter bort. Fordonshastighet är ett av skärmens nyckelelement, men det kan innehålla alla element som finns i ett normalt instrumentkluster. Det kan också integrera orienteringshjälpmedel som använder bilder från infraröda kameror för att upptäcka och visa en kontur av vägen framåt. För en teknik som går nästan 100 år tillbaka är det en betydande förändring till det bättre.

För mer information om hastighetsmätare, bilar och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

-

-Relaterade artiklar

• Hur kilometerteller fungerar
• Hur bränslemätare fungerar
• Hur Gear Ratios fungerar
• Hur bildatorer fungerar
• Hur fungerar en hastighetsmätare i ett flygplan?
• Hur magneter fungerar

Fler bra länkar

• Siemens VDO Automotive
• Visteon Corporation
• Speedometers.com
• Hastighetsmätare och mätare
• Speedometer Plus

källor

• "100 års hastighetsmätare - historien om förarinformation", 7 november 2002. Hittade 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 och S.R. Anand. Utvärderingsteknik. Hittade online på http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "virvelström." CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Flexibel axel." CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. ”Varvräknare.” CD-ROM, 2005.
• Erjavec, Jack. "Automotive Technology: A Systems Approach." New York: Thomson Delmar Learning. 2005.
• ”Från hastighetsmätare till moderna instrumentkluster” av Gerhard Wesner. Automotive Engineering International, januari 2005. PDF nedladdning på www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
• Webbplats för inre bildelar: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
• Miata.net Däckstorlekskalkylator http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
• National Watch and Clock Museum http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
• Siemens VDO Automotive webbplats http://www.siemensvdo.com