Hoe snelheidsmeters werken

Een moderne snelheidsmeter. Foto met dank aan Dreamstime

Het instrumentenpaneel op het dashboard in uw auto bevat een verscheidenheid aan sensoren en meters, waaronder de oliedrukmeter, koelvloeistoftemperatuurmeter, brandstofpeilmeter, toerenteller en meer. Maar de meest prominente graadmeter - en misschien wel de belangrijkste, althans in termen van hoe vaak u ernaar kijkt tijdens het rijden - is de snelheidsmeter. De taak van de snelheidsmeter is om de snelheid van uw auto aan te geven in mijlen per uur, kilometers per uur of beide. Zelfs in laatmodellen is het een analoog apparaat dat een naald gebruikt om naar een specifieke snelheid te wijzen, die de bestuurder leest als een nummer dat op een wijzerplaat is gedrukt.

Zoals bij elke opkomende technologie, waren de eerste snelheidsmeters duur en alleen als optie verkrijgbaar. Pas in 1910 begonnen autofabrikanten de snelheidsmeter als standaarduitrusting op te nemen. Een van de eerste leveranciers van snelheidsmeters was Otto Schulze Autometer (OSA), een legacy bedrijf van Siemens VDO Automotive AG, een van de toonaangevende ontwikkelaars van moderne instrumentenclusters. De eerste OSA-snelheidsmeter werd gebouwd in 1923 en het basisontwerp veranderde gedurende 60 jaar niet significant. In dit artikel gaan we kijken naar de geschiedenis van snelheidsmeters, hoe ze werken en wat de toekomst kan brengen voor het ontwerpen van snelheidsmeters.

De snelheidsmeter is doorgelopen veel veranderingen in de afgelopen eeuw. Foto met dank aan Siemens VDO Automotive

-

-

-Er zijn twee soorten snelheidsmeters: elektronisch en mechanisch. Omdat de elektronische snelheidsmeter is eigenlijk een relatief nieuwe uitvinding - de eerste volledig elektronische snelheidsmeter verscheen pas in 1993 - dit artikel zal zich voornamelijk richten op de mechanische snelheidsmeter, of de wervelstroom snelheidsmeter.

Otto Schulze, een uitvinder uit Straatsburg, diende in 1902 het eerste patent in voor de wervelstroom-snelheidsmeter. Schulze bedacht het revolutionaire apparaat als een oplossing voor een groeiend probleem. Auto's werden niet alleen populairder, ze reden ook sneller. De gemiddelde topsnelheid van de auto vlak na de eeuwwisseling was 30 mijl per uur, traag volgens de huidige maatstaven maar sissend snel in een tijd dat een groot deel van de wereld zich nog steeds voortbewoog in het rustige tempo van een paardenkoets. Als gevolg hiervan begonnen ernstige ongevallen dramatisch toe te nemen.

Dankzij de uitvinding van Schulze konden chauffeurs precies zien hoe snel ze reden en dienovereenkomstig aanpassingen maken. Tegelijkertijd hebben veel landen snelheidsbeperkingen ingesteld en politieagenten gebruikt om deze te handhaven. Vroege oplossingen vereisten dat auto's snelheidsmeters met twee wijzerplaten hadden - een kleine wijzerplaat voor de bestuurder en een veel grotere wijzerplaat gemonteerd zodat de politie deze van een afstand kon lezen.

In de volgende sectie zullen we dit ontwerp bekijken om de onderdelen van een wervelstroom snelheidsmeter te begrijpen.

-

De naald van een snelheidsmeter Foto gebruikt onder de Creative Commons-licentie 2.0

Voordat we een kijkje nemen in een snelheidsmeter, is het handig om eerst te kijken hoe een auto werkt. Het basisproces wordt hieronder beschreven:

1. Zuigermotoren gebruiken energie uit een brandend brandstof-luchtmengsel om een ​​zuiger in een cilinder op en neer te bewegen.
2. Deze heen en weer gaande beweging van de zuigers wordt door een krukas omgezet in een draaiende beweging.
3. De krukas draait een vliegwiel.
4. De transmissie brengt kracht over van het vliegwiel en stuurt het via een aandrijfas naar de wielen.
5. De transmissie heeft verschillende versnellingen - of snelheden - om te bepalen hoe snel de wielen draaien.
6. Terwijl de wielen draaien, zorgen ze ervoor dat de auto beweegt.

Om de snelheid van een auto te meten, moet men de rotatiesnelheid van de wielen of de transmissie kunnen meten en die informatie naar een soort meter kunnen sturen. Bij de meeste auto's vindt de meting plaats in de transmissie. En het meten van de rotatiesnelheid die door de transmissie wordt gegenereerd, valt onder iets dat een aandrijfkabel wordt genoemd.

-

-De aandrijfkabel bestaat uit een aantal op elkaar geplaatste, strak gewikkelde, spiraalvormige spiraalveren die rond een centrale draad of doorn zijn gewikkeld. Door zijn constructie is de aandrijfkabel zeer flexibel en kan hij breukvrij tot een zeer kleine radius worden gebogen. Dit is handig omdat de kabel zich een weg moet slingeren van de transmissie naar het instrumentenpaneel, waarin de snelheidsmeter is ondergebracht. Het is verbonden met een set versnellingen in de transmissie, zodat wanneer het voertuig beweegt, de tandwielen de doorn in de flexibele as draaien. De doorn communiceert vervolgens de rotatiesnelheid van de transmissie over de lengte van de kabel naar het "zakelijke uiteinde" van de snelheidsmeter - waar de snelheidsmeting daadwerkelijk plaatsvindt..

De snelheidsmeter heeft ook andere belangrijke onderdelen. De aandrijfkabel wordt via een spiraalvormig tandwiel bevestigd aan een permanente magneet. De magneet zit in een komvormig metalen stuk dat bekend staat als de speedcup. De speedcup is bevestigd aan een naald, die op zijn plaats wordt gehouden door een spiraalveer. De naald is zichtbaar in de cockpit van de auto, evenals de wijzerplaat van de snelheidsmeter, die een reeks getallen weergeeft van nul tot een bovengrens die kan variëren per merk en model..

Laten we nu eens kijken hoe dit relatief eenvoudige apparaat de voertuigsnelheid daadwerkelijk meet.

Meter, meter overal

Snelheidsmeters worden vaak gecombineerd met kilometertellers en dagtellers. Een kilometerteller registreert de totale afstand die een voertuig heeft afgelegd. Dagtellers meten ook de afgelegde afstand, maar deze kunnen door de bestuurder op nul worden gereset. Fabrikanten ontwerpen mechanische snelheidsmeters meestal zo dat 1.000 omwentelingen van de flexibele as één mijl op de kilometerteller registreren. Zie Hoe kilometertellers werken voor nog meer informatie over kilometertellers. Tachometers zijn vergelijkbaar met snelheidsmeters omdat ze de hoeksnelheid van een roterende as meten. Tachometers geven het motortoerental weer, wat betekent dat ze de rotatiesnelheid van de krukas meten. Ze geven het motortoerental aan in omwentelingen per minuut of rpm.-

Een wervelstroom snelheidsmeter Foto met dank aan Dreamstime

Stel dat een auto met constante snelheid over de snelweg rijdt. Dat betekent dat de transmissie en aandrijfas draaien met een snelheid die overeenkomt met de voertuigsnelheid. Het betekent ook dat de doorn in de aandrijfkabel van de snelheidsmeter - omdat deze via een set tandwielen met de transmissie is verbonden - ook met dezelfde snelheid draait. En tot slot draait de permanente magneet aan het andere uiteinde van de aandrijfkabel.

Terwijl de magneet draait, zet hij een roterend magnetisch veld op, waardoor krachten worden opgewekt die op de speedcup inwerken. Deze krachten zorgen ervoor dat elektrische stroom in de beker stroomt in kleine roterende wervelingen, ook wel bekend als wervelstromen. In sommige toepassingen vertegenwoordigen wervelstromen verloren vermogen en zijn daarom ongewenst. Maar in het geval van een snelheidsmeter zorgen de wervelstromen voor een sleepkoppel dat wel werkt op de snelheidsmeter. De kom en de bevestigde naald draaien in dezelfde richting als het magnetische veld draait, maar alleen zo ver als de spiraalveer het toelaat. De naald op de speedcup komt tot stilstand waar de tegengestelde kracht van de spiraalveer de kracht compenseert die wordt gecreëerd door de draaiende magneet. 

Wat als de auto sneller of langzamer gaat rijden? Als de auto sneller rijdt, gaat de permanente magneet in de speedcup sneller draaien, wat zorgt voor een sterker magnetisch veld, grotere wervelstromen en een grotere afbuiging van de snelheidsmeternaald. Als de auto langzamer gaat, draait de magneet in de beker langzamer, waardoor de sterkte van het magnetische veld afneemt, wat resulteert in kleinere wervelstromen en minder afbuiging van de naald. Als een auto stilstaat, houdt de spiraalveer de naald op nul.

De elektronische snelheidsmeter

Een elektronische snelheidsmeter ontvangt zijn gegevens van een snelheidsmeter (VSS), geen aandrijfkabel. De VSS is gemonteerd op de uitgaande as van de transmissie of op de krukas en bestaat uit een getande metalen schijf en een stationaire detector die een magneetspoel bedekt. Als de tanden langs de spoel bewegen, 'onderbreken' ze het magnetische veld, waardoor een reeks pulsen wordt gegenereerd die naar een computer worden gestuurd. Voor elke 40.000 pulsen van de VSS nemen de rit- en totale kilometerteller met één mijl toe. De snelheid wordt ook bepaald op basis van de ingangspulsfrequentie. Circuitelektronica in de auto is ontworpen om de snelheid weer te geven op een digitaal scherm of op een typisch analoog systeem met een naald en wijzerplaat.

Alle snelheidsmeters moeten worden gekalibreerd om ervoor te zorgen dat het koppel dat wordt gecreëerd door het magnetische veld nauwkeurig de snelheid van de auto weerspiegelt. Bij deze kalibratie moet rekening worden gehouden met verschillende factoren, waaronder de verhoudingen van de versnellingen in de aandrijfkabel, de eindoverbrengingsverhouding in het differentieel en de diameter van de banden. Al deze factoren zijn van invloed op de algehele snelheid van het voertuig. Neem bijvoorbeeld de bandenmaat. Als een as een volledige omwenteling maakt, maakt de band waarmee hij is verbonden een volledige omwenteling. Maar een band met een grotere diameter zal verder reizen dan een wiel met een kleinere diameter. Dat komt doordat de afstand die een band in één omwenteling aflegt, gelijk is aan zijn omtrek. Dus een band met een diameter van 20 inch zal in één omwenteling ongeveer 62,8 inch grond bedekken. Een band met een diameter van 30 inch zal meer grond bedekken - ongeveer 94,2 inch.

De kalibratie past zich aan voor deze variaties en wordt uitgevoerd door de fabrikant, die het snelheidsmetertandwiel zo instelt dat het overeenkomt met de in de fabriek geïnstalleerde ring- en rondselverhouding en bandenmaat. Een autobezitter moet zijn snelheidsmeter mogelijk opnieuw kalibreren als hij wijzigingen aanbrengt waardoor zijn voertuig niet meer voldoet aan de fabrieksspecificaties (zie de zijbalk hieronder). Het opnieuw kalibreren van een snelheidsmeter kan worden gedaan door de spiraalveer, de permanente magneet of beide te manipuleren. Over het algemeen is de sterkte van het magnetische veld de gemakkelijkste variabele om te veranderen. Dit vereist een krachtige elektromagneet, die kan worden gebruikt om de sterkte van de permanente magneet in de snelheidsmeter aan te passen totdat de naald overeenkomt met de invoer van de roterende aandrijfkabel.

Nauwkeurigheid snelheidsmeter

Geen enkele snelheidsmeter kan 100 procent nauwkeurig zijn. In feite bouwen de meeste fabrikanten snelheidsmeters zodat ze binnen een vrij smal tolerantiebereik vallen, niet meer dan 1 procent tot 5 procent te langzaam of te snel. Zolang een auto wordt onderhouden volgens de fabrieksspecificaties, moet de snelheidsmeter de voertuigsnelheid binnen dit bereik blijven registreren. Maar als een auto wordt aangepast, moet de snelheidsmeter mogelijk opnieuw worden gekalibreerd.

Het veranderen van de bandenmaat is een van de meest voorkomende dingen die autobezitters doen en die de nauwkeurigheid van de snelheidsmeter kunnen beïnvloeden. Dat komt doordat grotere banden in één volledige omwenteling meer terrein bestrijken. Beschouw het onderstaande voorbeeld.

Uw auto wordt geleverd met in de fabriek geïnstalleerde banden met een diameter van 21,8 inch. Dat betekent dat de omtrek van elke band 68,5 inch is. Laten we nu zeggen dat u de standaardbanden wilt vervangen door nieuwe banden met een diameter van 24,6 inch. Elke nieuwe band heeft een omtrek van 77,3 inch, wat betekent dat hij bij elke volledige omwenteling bijna 10 inch verder reist. Dit heeft een enorm effect op uw snelheidsmeter, die nu een snelheid aangeeft die bijna 13 procent te laag is. Wanneer uw snelheidsmeter 60 mijl per uur aangeeft, rijdt uw auto in feite 67,7 mijl per uur!

Een head-up snelheidsmeter display Foto met dank aan Siemens VDO Automotive

-Een van de grote nadelen van een instrumentenpaneel is de locatie. Een bestuurder moet naar beneden kijken om de wijzerplaten te zien, wat betekent dat zijn ogen minstens een seconde van de weg af zijn. In die ene seconde reist de auto ongeveer 14 meter als hij met een snelheid van 30 mijl per uur rijdt.

Siemens VDO pakt dit probleem aan met een head-updisplay dat door spiegels op de voorruit wordt geprojecteerd. Voor de bestuurder lijkt het scherm boven de motorkap te zweven, ongeveer twee meter verderop. De voertuigsnelheid is een van de belangrijkste elementen van het display, maar het kan elk element uit een normaal instrumentenpaneel bevatten. Het kan ook oriëntatiehulpmiddelen integreren die afbeeldingen van infraroodcamera's gebruiken om een ​​omtrek van de weg voor u te detecteren en weer te geven. Voor een technologie die bijna 100 jaar oud is, is dat een belangrijke verandering ten goede.

Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over snelheidsmeters, auto's en aanverwante onderwerpen.

-

-Gerelateerde artikelen

• Hoe kilometertellers werken
• Hoe brandstofmeters werken
• Hoe overbrengingsverhoudingen werken
• Hoe autocomputers werken
• Hoe werkt een snelheidsmeter in een vliegtuig??
• Hoe magneten werken

Meer geweldige links

• Siemens VDO Automotive
• Visteon Corporation
• Snelheidsmeters.com
• Snelheidsmeters en meters
• Snelheidsmeter Plus

Bronnen

• "100 Years of Speedometers - The History of Driver Information", 7 november 2002. Online te vinden op: http://www.siemensvdo.com/press/releases/interior/2002/SV-200211-009-e.htm.
• "Automating Speedometer Calibration", door Ganesh Devaraj, S.B. Rajnarayanan, A. Senthilnathan en S.R. Anand. Evaluatie-engineering. Online gevonden op http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "wervelstroom." Cd-rom, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Flexibele as." Cd-rom, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Toerenteller." Cd-rom, 2005.
• Erjavec, Jack. "Automobieltechnologie: een systeembenadering." New York: Thomson Delmar Learning. 2005.
• "Van snelheidsmeters tot moderne instrumentenclusters", door Gerhard Wesner. Automotive Engineering International, januari 2005. PDF-download op www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
• Inner Auto Parts-website: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
• Miata.net Bandenmaatcalculator http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
• Het National Watch and Clock Museum http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
• Siemens VDO Automotive-website http://www.siemensvdo.com