Comment fonctionnent les compteurs de vitesse

Un compteur de vitesse moderne. Photo gracieuseté de Dreamstime

Le tableau de bord du tableau de bord de votre voiture organise une variété de capteurs et de jauges, y compris la jauge de pression d'huile, la jauge de température du liquide de refroidissement, la jauge de niveau de carburant, le tachymètre et plus encore. Mais la jauge la plus importante - et peut-être la plus importante, du moins en termes de combien de fois vous la regardez pendant que vous conduisez - est la compteur de vitesse. Le travail du compteur de vitesse est d'indiquer la vitesse de votre voiture en miles par heure, en kilomètres par heure ou les deux. Même dans les voitures de modèle récent, c'est un appareil analogique qui utilise une aiguille pour indiquer une vitesse spécifique, que le conducteur lit comme un numéro imprimé sur un cadran.

Comme pour toute technologie émergente, les premiers compteurs de vitesse étaient chers et disponibles uniquement en option. Ce n'est qu'en 1910 que les constructeurs automobiles ont commencé à inclure le compteur de vitesse comme équipement standard. L'un des premiers fournisseurs d'indicateurs de vitesse a été Automètre Otto Schulze (OSA), une société héritée de Siemens VDO Automotive AG, l'un des principaux développeurs de groupes d'instruments modernes. Le premier compteur de vitesse OSA a été construit en 1923 et sa conception de base n'a pas changé de manière significative pendant 60 ans. Dans cet article, nous allons examiner l'histoire des compteurs de vitesse, leur fonctionnement et ce que l'avenir peut réserver à la conception des compteurs de vitesse..

Le compteur de vitesse a traversé de nombreux changements au siècle dernier. Photo gracieuseté de Siemens VDO Automotive

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-Il existe deux types de compteurs de vitesse: électroniques et mécaniques. Parce que le compteur de vitesse électronique est en fait une invention relativement nouvelle - le premier compteur de vitesse entièrement électronique n'est apparu qu'en 1993 - cet article se concentrera principalement sur le compteur de vitesse mécanique, ou la courant de Foucault compteur de vitesse.

Otto Schulze, un inventeur strasbourgeois, a déposé le premier brevet pour le compteur de vitesse à courants de Foucault en 1902. Schulze a conçu l'appareil révolutionnaire comme une solution à un problème croissant. Les voitures ne sont pas seulement devenues plus populaires, elles voyagent aussi plus vite. La vitesse de pointe moyenne de l'automobile juste après le début du 20e siècle était de 30 miles par heure, lente par rapport aux normes d'aujourd'hui, mais grésillant rapidement à une époque où une grande partie du monde se déplaçait encore au rythme tranquille d'une calèche. En conséquence, les accidents graves ont commencé à augmenter considérablement.

L'invention de Schulze a permis aux conducteurs de voir exactement à quelle vitesse ils roulaient et de faire des ajustements en conséquence. Dans le même temps, de nombreux pays ont établi des limites de vitesse et ont fait appel à des policiers pour les faire respecter. Les premières solutions exigeaient que les automobiles aient des compteurs de vitesse avec deux cadrans - un petit cadran pour le conducteur et un cadran beaucoup plus grand pour que la police puisse le lire à distance.

Dans la section suivante, nous examinerons cette conception pour comprendre les parties d'un compteur de vitesse à courants de Foucault.

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L'aiguille d'un compteur de vitesse Photo utilisée sous la licence Creative Commons 2.0

Avant de jeter un œil à l'intérieur d'un compteur de vitesse, il sera utile de revoir le fonctionnement d'une voiture en premier lieu.. Le processus de base est décrit ci-dessous:

1. Les moteurs à piston utilisent l'énergie d'un mélange air-carburant brûlant pour déplacer un piston de haut en bas dans un cylindre.
2. Ce mouvement alternatif des pistons est converti en mouvement rotatif par un vilebrequin.
3. Le vilebrequin fait tourner un volant.
4. La transmission transmet la puissance du volant et la dirige, à travers un arbre de transmission, vers les roues.
5. La transmission a différents rapports - ou vitesses - pour contrôler la vitesse de rotation des roues.
6. Lorsque les roues tournent, elles font bouger la voiture.

Pour mesurer la vitesse d'une voiture, il faut être capable de mesurer la vitesse de rotation des roues ou de la transmission et envoyer cette information à une sorte de jauge. Dans la plupart des voitures, la mesure a lieu dans la transmission. Et le travail de mesure de la vitesse de rotation générée par la transmission revient à ce qu'on appelle un câble d'entraînement.

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-le câble d'entraînement se compose d'un certain nombre de ressorts hélicoïdaux superposés, étroitement enroulés, enroulés autour d'un fil central ou d'un mandrin. En raison de sa construction, le câble d'entraînement est très flexible et peut être plié, sans fracture, à un très petit rayon. Ceci est pratique car le câble doit serpenter de la transmission au tableau de bord, qui abrite le compteur de vitesse. Il est connecté à un ensemble d'engrenages dans la transmission, de sorte que lorsque le véhicule se déplace, les engrenages font tourner le mandrin à l'intérieur de l'arbre flexible. Le mandrin communique ensuite la vitesse de rotation de la transmission sur toute la longueur du câble à «l'extrémité commerciale» du compteur de vitesse - où la mesure de la vitesse a réellement lieu.

Le compteur de vitesse a également d'autres pièces importantes. Le câble d'entraînement se fixe, via un engrenage en spirale, à un aimant permanent. L'aimant se trouve à l'intérieur d'une pièce métallique en forme de coupe connue sous le nom de speedcup. Le speedcup est attaché à une aiguille, qui est maintenue en place par un spiral. L'aiguille est visible dans le cockpit de la voiture, tout comme la face du compteur de vitesse, qui affiche une plage de chiffres allant de zéro à une limite supérieure pouvant varier selon la marque et le modèle.

Voyons maintenant comment cet appareil relativement simple mesure réellement la vitesse du véhicule.

Mètre, mètre partout

Les compteurs de vitesse sont souvent combinés avec des odomètres et des totalisateurs journaliers. Un odomètre enregistre la distance totale parcourue par un véhicule. Les odomètres de trajet mesurent également la distance parcourue, mais ils peuvent être remis à zéro par le conducteur. Les fabricants conçoivent généralement des compteurs de vitesse mécaniques de sorte que 1000 tours de l'arbre flexible enregistrent un mile sur l'odomètre. Pour en savoir plus sur les odomètres, consultez Comment fonctionnent les odomètres. Les tachymètres sont similaires aux compteurs de vitesse en ce qu'ils mesurent la vitesse angulaire d'un arbre en rotation. Les tachymètres reflètent la vitesse du moteur, ce qui signifie qu'ils mesurent la vitesse de rotation du vilebrequin. Ils indiquent le régime du moteur en tours par minute, ou tr / min.-

Un compteur de vitesse à courants de Foucault Photo gracieuseté de Dreamstime

Disons qu'une voiture circule sur l'autoroute à une vitesse constante. Cela signifie que sa transmission et son arbre de transmission tournent à une vitesse qui correspond à la vitesse du véhicule. Cela signifie également que le mandrin du câble d'entraînement du compteur de vitesse - car il est connecté à la transmission via un ensemble d'engrenages - tourne également à la même vitesse. Et, enfin, l'aimant permanent à l'autre extrémité du câble d'entraînement tourne.

Lorsque l'aimant tourne, il crée un champ magnétique rotatif, créant des forces qui agissent sur le speedcup. Ces forces font circuler le courant électrique dans la coupelle en petits tourbillons rotatifs, appelés courants de Foucault. Dans certaines applications, les courants de Foucault représentent une perte de puissance et ne sont donc pas souhaitables. Mais dans le cas d'un compteur de vitesse, les courants de Foucault créent un couple de traînée qui fonctionne sur le speedcup. La coupe et l'aiguille attachée tournent dans le même sens que le champ magnétique tourne - mais seulement dans la mesure où le spiral le permet. L'aiguille sur le speedcup s'arrête où la force opposée du spiral équilibre la force créée par l'aimant tournant. 

Et si la voiture augmente ou diminue sa vitesse? Si la voiture se déplace plus vite, l'aimant permanent à l'intérieur du speedcup tournera plus rapidement, ce qui crée un champ magnétique plus fort, des courants de Foucault plus importants et une plus grande déviation de l'aiguille du compteur de vitesse. Si la voiture ralentit, l'aimant à l'intérieur de la coupelle tourne plus lentement, ce qui réduit la force du champ magnétique, ce qui entraîne des courants de Foucault plus petits et moins de déviation de l'aiguille. Lorsqu'une voiture est arrêtée, le spiral maintient l'aiguille à zéro.

Le compteur de vitesse électronique

Un compteur de vitesse électronique reçoit ses données d'un capteur de vitesse du véhicule (VSS), pas un câble de lecteur. Le VSS est monté sur l'arbre de sortie de la transmission ou sur le vilebrequin et se compose d'un disque métallique denté et d'un détecteur stationnaire qui recouvre une bobine magnétique. Lorsque les dents passent devant la bobine, elles «interrompent» le champ magnétique, créant une série d'impulsions qui sont envoyées à un ordinateur. Pour chaque tranche de 40 000 impulsions du VSS, le trajet et le total des odomètres augmentent d'un mille. La vitesse est également déterminée à partir de la fréquence d'impulsion d'entrée. Les circuits électroniques de la voiture sont conçus pour afficher la vitesse sur un écran numérique ou sur un système analogique typique avec une aiguille et un cadran.

Tous les compteurs de vitesse doivent être étalonnés pour s'assurer que le couple créé par le champ magnétique reflète précisément la vitesse de la voiture. Cet étalonnage doit prendre en compte plusieurs facteurs, dont les rapports des engrenages dans le câble d'entraînement, le rapport d'entraînement final dans le différentiel et le diamètre des pneus. Tous ces facteurs affectent la vitesse globale du véhicule. Prenons la dimension des pneus, par exemple. Lorsqu'un essieu effectue un tour complet, le pneu auquel il est connecté effectue un tour complet. Mais un pneu avec un diamètre plus grand voyagera plus loin qu'une roue avec un diamètre plus petit. C'est parce que la distance parcourue par un pneu en un tour est égale à sa circonférence. Ainsi, un pneu d'un diamètre de 20 pouces couvrira environ 62,8 pouces de sol en une révolution. Un pneu d'un diamètre de 30 pouces couvrira plus de terrain - environ 94,2 pouces.

L'étalonnage s'adapte à ces écarts et est effectué par le fabricant, qui configure l'engrenage du compteur de vitesse pour qu'il corresponde au rapport de bague et de pignon installé en usine et à la taille du pneu. Un propriétaire de voiture peut devoir recalibrer son compteur de vitesse s'il apporte des modifications qui font que son véhicule ne respecte pas les spécifications d'usine (voir l'encadré ci-dessous). Le recalibrage d'un compteur de vitesse peut être effectué en manipulant le spiral, l'aimant permanent ou les deux. Généralement, la force du champ magnétique est la variable la plus facile à changer. Cela nécessite un électroaimant puissant, qui peut être utilisé pour régler la force de l'aimant permanent dans le compteur de vitesse jusqu'à ce que l'aiguille corresponde à l'entrée du câble d'entraînement rotatif.

Précision du compteur de vitesse

Aucun indicateur de vitesse ne peut être précis à 100%. En fait, la plupart des fabricants construisent des compteurs de vitesse de sorte qu'ils tombent dans une plage de tolérance assez étroite, pas plus de 1 à 5 pour cent trop lent ou trop rapide. Tant qu'une voiture est maintenue aux spécifications d'usine, son indicateur de vitesse doit continuer à enregistrer la vitesse du véhicule dans cette plage. Mais, si une voiture est modifiée, son indicateur de vitesse devra peut-être être recalibré.

Changer la taille des pneus est l'une des choses les plus courantes que font les propriétaires de voitures qui peuvent affecter la précision du compteur de vitesse. C'est parce que les pneus plus gros couvrent plus de terrain en une seule révolution. Prenons l'exemple ci-dessous.

Votre voiture est livrée avec des pneus installés en usine d'un diamètre de 21,8 pouces. Cela signifie que la circonférence de chaque pneu est de 68,5 pouces. Supposons maintenant que vous souhaitiez remplacer les pneus d'origine par de nouveaux pneus de 24,6 pouces de diamètre. Chaque nouveau pneu a une circonférence de 77,3 pouces, ce qui signifie qu'il parcourt près de 10 pouces plus loin à chaque révolution complète. Cela a un effet énorme sur votre compteur de vitesse, qui indiquera désormais une vitesse trop lente de près de 13%. Lorsque votre compteur de vitesse indique 60 miles par heure, votre voiture parcourra en fait 67,7 miles par heure!

Un affichage du compteur de vitesse tête haute Photo gracieuseté de Siemens VDO Automotive

-L'un des gros inconvénients d'un tableau de bord est son emplacement. Un conducteur doit regarder vers le bas pour voir les cadrans, ce qui signifie que ses yeux sont hors de la route pendant au moins une seconde. Dans cette seconde, la voiture parcourt environ 46 pieds si elle se déplace à 30 miles par heure.

Siemens VDO résout ce problème avec un affichage tête haute projeté sur le pare-brise par des miroirs. Pour le conducteur, l'écran semble flotter au-dessus du capot moteur, à environ six pieds de distance. La vitesse du véhicule sera l'un des éléments clés de l'affichage, mais elle peut contenir n'importe quel élément trouvé dans un tableau de bord normal. Il peut également intégrer des aides à l'orientation qui utilisent des images de caméras infrarouges pour détecter et afficher un contour de la route à venir. Pour une technologie qui remonte à près de 100 ans, c'est un changement important pour le mieux.

Pour plus d'informations sur les compteurs de vitesse, les voitures et des sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.

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Plus de liens intéressants

• Siemens VDO Automotive
• Visteon Corporation
• Speedometer.com
• Indicateurs de vitesse et jauges
• Compteur de vitesse Plus

Sources

• «100 ans de compteurs de vitesse - L'histoire des informations sur les conducteurs», 7 novembre 2002. Disponible en ligne à: http://www.siemensvdo.com/press/releases/interior/2002/SV-200211-009-e.htm.
• «Automating Speedometer Calibration», par Ganesh Devaraj, S.B. Rajnarayanan, A. Senthilnathan et S.R. Anand. Ingénierie d'évaluation. Disponible en ligne à http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
• Encyclopédie Britannica 2005, s.v. «Courant de Foucault.» CD-ROM, 2005.
• Encyclopédie Britannica 2005, s.v. «Arbre flexible». CD-ROM, 2005.
• Encyclopédie Britannica 2005, s.v. "tachymètre." CD-ROM, 2005.
• Erjavec, Jack. «Technologie automobile: une approche systémique». New York: Thomson Delmar Learning. 2005.
• «Des compteurs de vitesse aux groupes d'instruments modernes», par Gerhard Wesner. Automotive Engineering International, janvier 2005. Téléchargement PDF sur www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
• Site Web de l'Inner Auto Parts: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
• Calculateur de taille de pneu Miata.net http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
• Musée national de l'horlogerie et de la montre http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
• Site Web de Siemens VDO Automotive http://www.siemensvdo.com