Come funzionano i tachimetri

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Un moderno tachimetro. Foto per gentile concessione di Dreamstime

Il quadro strumenti del cruscotto della tua auto organizza una varietà di sensori e indicatori, tra cui il manometro dell'olio, l'indicatore della temperatura del liquido di raffreddamento, l'indicatore del livello del carburante, il contagiri e altro ancora. Ma l'indicatore più importante - e forse il più importante, almeno in termini di quante volte lo guardi mentre guidi - è il tachimetro. Il compito del tachimetro è quello di indicare la velocità della tua auto in miglia orarie, chilometri orari o entrambi. Anche negli ultimi modelli di auto, è un dispositivo analogico che utilizza un ago per indicare una velocità specifica, che il guidatore legge come un numero stampato su un quadrante.

Come con qualsiasi tecnologia emergente, i primi tachimetri erano costosi e disponibili solo come opzioni. Fu solo nel 1910 che le case automobilistiche iniziarono a includere il tachimetro come equipaggiamento standard. Uno dei primi fornitori di tachimetro è stato Otto Schulze Autometer (OSA), una società legacy di Siemens VDO Automotive AG, uno dei principali sviluppatori di quadri strumenti moderni. Il primo tachimetro OSA è stato costruito nel 1923 e il suo design di base non è cambiato in modo significativo per 60 anni. In questo articolo, esamineremo la storia dei tachimetri, come funzionano e cosa potrebbe riservare il futuro per il design del tachimetro.

Il tachimetro è passato molti cambiamenti nell'ultimo secolo. Foto per gentile concessione di Siemens VDO Automotive

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-Esistono due tipi di tachimetro: elettronico e meccanico. Perché il tachimetro elettronico è in realtà un'invenzione relativamente nuova - il primo tachimetro completamente elettronico non è apparso fino al 1993 - questo articolo si concentrerà principalmente sul tachimetro meccanico, o il correnti parassite tachimetro.

Otto Schulze, un inventore di Strasburgo, ha depositato il primo brevetto per il tachimetro a correnti parassite nel 1902. Schulze concepì il dispositivo rivoluzionario come una soluzione a un problema crescente. Le auto non stavano solo diventando più popolari, ma viaggiavano anche più velocemente. La velocità massima media di un'automobile subito dopo l'inizio del XX secolo era di 30 miglia all'ora, lenta per gli standard odierni ma sfrigolante veloce in un momento in cui gran parte del mondo si muoveva ancora al ritmo tranquillo di una carrozza trainata da cavalli. Di conseguenza, gli incidenti gravi hanno iniziato ad aumentare notevolmente.

L'invenzione di Schulze ha permesso ai conducenti di vedere esattamente quanto velocemente stavano viaggiando e di apportare le modifiche di conseguenza. Allo stesso tempo, molti paesi hanno stabilito limiti di velocità e hanno utilizzato agenti di polizia per farli rispettare. Le prime soluzioni richiedevano che le automobili avessero tachimetri con due quadranti: un quadrante piccolo per il guidatore e un quadrante molto più grande montato in modo che la polizia potesse leggerlo a distanza.

Nella sezione successiva, esamineremo questo design per comprendere le parti di un tachimetro a correnti parassite.

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L'ago di un tachimetro Foto utilizzata con licenza Creative Commons 2.0

Prima di dare un'occhiata all'interno di un tachimetro, sarà utile rivedere come funziona un'auto in primo luogo. Il processo di base è descritto di seguito:

  1. I motori a pistoni utilizzano l'energia di una miscela aria-carburante in fiamme per muovere un pistone su e giù in un cilindro.
  2. Questo movimento alternativo dei pistoni viene convertito in movimento rotatorio da un albero motore.
  3. L'albero motore fa girare un volano.
  4. La trasmissione trasmette la potenza dal volano e la dirige, tramite un albero motore, alle ruote.
  5. La trasmissione ha diverse marce - o velocità - per controllare la velocità di rotazione delle ruote.
  6. Quando le ruote girano, fanno muovere l'auto.

Per misurare la velocità di un'auto, è necessario essere in grado di misurare la velocità di rotazione delle ruote o della trasmissione e inviare tali informazioni a una sorta di indicatore. Nella maggior parte delle auto, la misurazione avviene nella trasmissione. E il compito di misurare la velocità di rotazione generata dalla trasmissione ricade su qualcosa chiamato cavo di trasmissione.

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-Il cavo di trasmissione consiste in un numero di molle elicoidali sovrapposte, avvolte strettamente, avvolte attorno a un filo centrale o mandrino. A causa della sua costruzione, il cavo di trasmissione è molto flessibile e può essere piegato, senza fratture, fino a un raggio molto piccolo. Questo è utile perché il cavo deve serpeggiare dalla trasmissione al quadro strumenti, che ospita il tachimetro. È collegato a una serie di ingranaggi nella trasmissione, in modo che quando il veicolo si muove, gli ingranaggi ruotano il mandrino all'interno dell'albero flessibile. Il mandrino quindi comunica la velocità di rotazione della trasmissione lungo la lunghezza del cavo fino alla "estremità lavorativa" del tachimetro - dove avviene effettivamente la misurazione della velocità.

Il tachimetro ha anche altre parti importanti. Il cavo di trasmissione si collega, tramite un ingranaggio a spirale, a un magnete permanente. Il magnete si trova all'interno di un pezzo di metallo a forma di coppa noto come speedcup. Lo speedcup è attaccato a un ago, che è tenuto in posizione da una spirale. La lancetta è visibile nell'abitacolo dell'auto, così come il quadrante del tachimetro, che mostra una gamma di numeri da zero a un limite superiore che può variare in base alla marca e al modello.

Ora diamo un'occhiata a come questo dispositivo relativamente semplice misura effettivamente la velocità del veicolo.

Metro, metro ovunque

I tachimetri sono spesso combinati con contachilometri e contachilometri parziale. Un contachilometri registra la distanza totale percorsa da un veicolo. Anche i contachilometri parziali misurano la distanza percorsa, ma possono essere azzerati dal conducente. I produttori in genere progettano tachimetri meccanici in modo che 1.000 giri dell'albero flessibile registrino un miglio sul contachilometri. Per ulteriori informazioni sugli odometri, vedere Come funzionano gli odometri. I tachimetri sono simili ai tachimetri in quanto misurano la velocità angolare di un albero rotante. I tachimetri riflettono la velocità del motore, il che significa che misurano la velocità di rotazione dell'albero motore. Indicano la velocità del motore in giri al minuto o rpm.-

Un tachimetro a correnti parassite Foto per gentile concessione di Dreamstime

Supponiamo che un'auto viaggi lungo l'autostrada a velocità costante. Ciò significa che la sua trasmissione e albero di trasmissione stanno ruotando a una velocità che corrisponde alla velocità del veicolo. Significa anche che il mandrino nel cavo di trasmissione del tachimetro, poiché è collegato alla trasmissione tramite una serie di ingranaggi, sta ruotando alla stessa velocità. Infine, il magnete permanente all'altra estremità del cavo di trasmissione sta ruotando.

Mentre il magnete gira, crea un campo magnetico rotante, creando forze che agiscono sullo speedcup. Queste forze fanno sì che la corrente elettrica fluisca nella tazza in piccoli vortici rotanti, noti come correnti parassite. In alcune applicazioni, le correnti parassite rappresentano la potenza persa e sono quindi indesiderabili. Ma nel caso di un tachimetro, le correnti parassite creano una coppia di trascinamento che funziona sul tachimetro. La tazza e il suo ago attaccato ruotano nella stessa direzione in cui gira il campo magnetico, ma solo fino a quando la spirale lo consente. L'ago sullo speedcup si ferma dove la forza opposta della spirale bilancia la forza creata dal magnete rotante. 

E se l'auto aumenta o diminuisce la sua velocità? Se l'auto viaggia più velocemente, il magnete permanente all'interno del tachimetro ruoterà più velocemente, creando un campo magnetico più forte, correnti parassite più grandi e una maggiore deflessione dell'ago del tachimetro. Se l'auto rallenta, il magnete all'interno della tazza ruota più lentamente, il che riduce la forza del campo magnetico, con conseguente minori correnti parassite e minore deflessione dell'ago. Quando un'auto è ferma, la spirale mantiene l'ago a zero.

Il tachimetro elettronico

Un tachimetro elettronico riceve i dati da a sensore della velocità del veicolo (VSS), non un cavo per unità. Il VSS è montato sull'albero di uscita del cambio o sull'albero motore ed è costituito da un disco metallico dentato e da un rilevatore fisso che copre una bobina magnetica. Quando i denti si muovono oltre la bobina, "interrompono" il campo magnetico, creando una serie di impulsi che vengono inviati a un computer. Per ogni 40.000 impulsi dal VSS, i contachilometri totali e di viaggio aumentano di un miglio. La velocità è determinata anche dalla frequenza degli impulsi in ingresso. L'elettronica del circuito dell'auto è progettata per visualizzare la velocità su uno schermo digitale o su un tipico sistema analogico con ago e quadrante.

Tutti i tachimetri devono essere calibrati per assicurarsi che la coppia creata dal campo magnetico rifletta accuratamente la velocità dell'auto. Questa calibrazione deve tenere conto di diversi fattori, tra cui i rapporti degli ingranaggi nel cavo di trasmissione, il rapporto di trasmissione finale nel differenziale e il diametro dei pneumatici. Tutti questi fattori influenzano la velocità complessiva del veicolo. Prendi le dimensioni dei pneumatici, ad esempio. Quando un asse fa un giro completo, il pneumatico a cui è collegato fa un giro completo. Ma uno pneumatico con un diametro maggiore viaggerà più lontano di una ruota con un diametro inferiore. Questo perché la distanza percorsa da uno pneumatico in un giro è uguale alla sua circonferenza. Quindi uno pneumatico con un diametro di 20 pollici coprirà circa 62,8 pollici di terreno in un giro. Un pneumatico con un diametro di 30 pollici coprirà più terreno - circa 94,2 pollici.

La calibrazione si adatta a queste variazioni e viene eseguita dal produttore, che imposta l'ingranaggio del tachimetro in modo che corrisponda all'anello e al pignone installati in fabbrica e alle dimensioni del pneumatico. Il proprietario di un'auto potrebbe dover ricalibrare il suo tachimetro se apporta modifiche che fanno sì che il suo veicolo non rispetti le specifiche di fabbrica (vedere la barra laterale di seguito). La ricalibrazione di un tachimetro può essere eseguita manipolando la spirale, il magnete permanente o entrambi. Generalmente, la forza del campo magnetico è la variabile più facile da cambiare. Ciò richiede un potente elettromagnete, che può essere utilizzato per regolare la forza del magnete permanente nel tachimetro fino a quando l'ago non corrisponde all'ingresso dal cavo di trasmissione rotante.

Precisione del tachimetro

Nessun tachimetro può essere preciso al 100%. In effetti, la maggior parte dei produttori costruisce tachimetri in modo che rientrino in un intervallo di tolleranza piuttosto ristretto, non più dell'1-5% in modo troppo lento o troppo veloce. Finché un'auto viene mantenuta alle specifiche di fabbrica, il suo tachimetro dovrebbe continuare a registrare la velocità del veicolo entro questo intervallo. Ma, se un'auto viene modificata, potrebbe essere necessario ricalibrare il suo tachimetro.

La modifica delle dimensioni degli pneumatici è una delle cose più comuni che fanno i proprietari di auto che possono influire sulla precisione del tachimetro. Questo perché pneumatici più grandi coprono più terreno in una rivoluzione completa. Considera l'esempio di seguito.

La tua auto viene fornita con pneumatici installati in fabbrica con un diametro di 21,8 pollici. Ciò significa che la circonferenza di ogni pneumatico è di 68,5 pollici. Supponiamo ora che tu voglia sostituire i pneumatici di serie con pneumatici nuovi di 24,6 pollici di diametro. Ogni nuovo pneumatico ha una circonferenza di 77,3 pollici, il che significa che viaggia quasi 10 pollici più lontano con ogni giro completo. Questo ha un enorme effetto sul tuo tachimetro, che ora indicherà una velocità troppo lenta di quasi il 13 percento. Quando il tuo tachimetro segna 60 miglia all'ora, la tua auto viaggerà effettivamente a 67,7 miglia all'ora!

Un display del tachimetro head-up Foto per gentile concessione di Siemens VDO Automotive

-Uno dei grandi svantaggi di un quadro strumenti è la sua posizione. Un guidatore deve guardare in basso per vedere i quadranti, il che significa che i suoi occhi sono fuori strada per almeno un secondo. In quel secondo, l'auto percorre circa 46 piedi se si muove a 30 miglia all'ora.

Siemens VDO sta affrontando questo problema con un display head-up che viene proiettato sul parabrezza dagli specchietti. Al conducente, il display sembra fluttuare sopra il cofano motore, a circa sei piedi di distanza. La velocità del veicolo sarà uno degli elementi chiave del display, ma può contenere qualsiasi elemento presente in un normale quadro strumenti. Può anche integrare aiuti per l'orientamento che utilizzano immagini di telecamere a infrarossi per rilevare e visualizzare un contorno della strada da percorrere. Per una tecnologia che risale a quasi 100 anni fa, questo è un cambiamento significativo in meglio.

Per ulteriori informazioni su tachimetri, automobili e argomenti correlati, controlla i collegamenti nella pagina successiva.

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Altri ottimi link

  • Siemens VDO Automotive
  • Visteon Corporation
  • Speedometers.com
  • Tachimetri e indicatori
  • Tachimetro Plus

fonti

  • "100 Years of Speedometers - The History of Driver Information", 7 novembre 2002. Disponibile online all'indirizzo: http://www.siemensvdo.com/press/releases/interior/2002/SV-200211-009-e.htm.
  • "Automating Speedometer Calibration", di Ganesh Devaraj, S.B. Rajnarayanan, A. Senthilnathan e S.R. Anand. Ingegneria di valutazione. Trovato online su http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
  • Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Correnti parassite." CD-ROM, 2005.
  • Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Albero flessibile". CD-ROM, 2005.
  • Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "tachimetro." CD-ROM, 2005.
  • Erjavec, Jack. "Tecnologia automobilistica: un approccio sistemico". New York: Thomson Delmar Learning. 2005.
  • "Dai tachimetri ai moderni quadri strumenti", di Gerhard Wesner. Automotive Engineering International, gennaio 2005. Download PDF da www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
  • Sito Web Inner Auto Parts: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
  • Calcolatore delle dimensioni dei pneumatici Miata.net http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
  • Museo nazionale dell'orologeria e dell'orologeria http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
  • Sito Web Siemens VDO Automotive http://www.siemensvdo.com



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