Cómo funcionan los velocímetros

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Un velocímetro moderno. Foto cortesía de Dreamstime

El grupo de instrumentos del tablero de su automóvil organiza una variedad de sensores y medidores, incluido el medidor de presión de aceite, el medidor de temperatura del refrigerante, el medidor de nivel de combustible, el tacómetro y más. Pero el indicador más prominente, y quizás el más importante, al menos en términos de cuántas veces lo mira mientras conduce, es el velocímetro. El trabajo del velocímetro es indicar la velocidad de su automóvil en millas por hora, kilómetros por hora o ambos. Incluso en los automóviles de último modelo, es un dispositivo analógico que usa una aguja para señalar una velocidad específica, que el conductor lee como un número impreso en un dial..

Como ocurre con cualquier tecnología emergente, los primeros velocímetros eran costosos y estaban disponibles solo como opciones. No fue hasta 1910 que los fabricantes de automóviles comenzaron a incluir el velocímetro como equipo estándar. Uno de los primeros proveedores de velocímetros fue Autómetro Otto Schulze (OSA), una empresa heredada de Siemens VDO Automotive AG, uno de los principales desarrolladores de grupos de instrumentos modernos. El primer velocímetro OSA se construyó en 1923 y su diseño básico no cambió significativamente durante 60 años. En este artículo, veremos la historia de los velocímetros, cómo funcionan y qué depara el futuro para el diseño de velocímetros..

El velocímetro ha pasado muchos cambios en el último siglo. Foto cortesía de Siemens VDO Automotive

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-Hay dos tipos de velocímetros: electrónicos y mecánicos. Porque el velocímetro electrónico es en realidad un invento relativamente nuevo - el primer velocímetro totalmente electrónico no apareció hasta 1993 - este artículo se centrará principalmente en el velocímetro mecánico, o el corrientes de Foucault velocímetro.

Otto Schulze, un inventor de Estrasburgo, presentó la primera patente del velocímetro de corrientes inducidas en 1902. Schulze concibió el revolucionario dispositivo como una solución a un problema creciente. Los automóviles no solo se estaban volviendo más populares, sino que también viajaban más rápido. La velocidad máxima promedio de un automóvil justo después del comienzo del siglo XX era de 30 millas por hora, lenta para los estándares actuales pero muy rápida en un momento en que gran parte del mundo todavía se movía al ritmo pausado de un carruaje tirado por caballos. Como resultado, los accidentes graves comenzaron a aumentar drásticamente.

La invención de Schulze permitió a los conductores ver exactamente qué tan rápido viajaban y hacer los ajustes necesarios. Al mismo tiempo, muchos países establecieron límites de velocidad y utilizaron agentes de policía para hacerlos cumplir. Las primeras soluciones requerían que los automóviles tuvieran velocímetros con dos diales: un dial pequeño para el conductor y un dial mucho más grande montado para que la policía pudiera leerlo desde la distancia..

En la siguiente sección, veremos este diseño para comprender las partes de un velocímetro de corrientes parásitas.

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La aguja de un velocímetro Foto utilizada bajo la Creative Commons License 2.0

Antes de echar un vistazo dentro de un velocímetro, será útil revisar cómo funciona un automóvil en primer lugar.. El proceso básico se describe a continuación:

  1. Los motores de pistón utilizan energía de una mezcla de aire y combustible en combustión para mover un pistón hacia arriba y hacia abajo en un cilindro.
  2. Este movimiento alternativo de los pistones se convierte en movimiento giratorio mediante un cigüeñal..
  3. El cigüeñal hace girar un volante.
  4. La transmisión transmite potencia desde el volante y la dirige, a través de un eje de transmisión, a las ruedas..
  5. La transmisión tiene diferentes velocidades, o velocidades, para controlar qué tan rápido giran las ruedas.
  6. A medida que las ruedas giran, hacen que el automóvil se mueva.

Para medir la velocidad de un automóvil, uno debe poder medir la velocidad de rotación de las ruedas o de la transmisión y enviar esa información a algún tipo de indicador.. En la mayoría de los automóviles, la medición se realiza en la transmisión. Y el trabajo de medir la velocidad de rotación generada por la transmisión recae en algo llamado cable de transmisión..

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-los cable de transmisión Consiste en varios resortes helicoidales helicoidales superpuestos, enrollados firmemente alrededor de un alambre central o mandril.. Debido a su construcción, el cable de transmisión es muy flexible y puede doblarse, sin fracturarse, en un radio muy pequeño. Esto es útil porque el cable debe serpentear desde la transmisión hasta el grupo de instrumentos, que alberga el velocímetro. Está conectado a un conjunto de engranajes en la transmisión., de modo que cuando el vehículo se mueve, los engranajes hacen girar el mandril dentro del eje flexible. Luego, el mandril comunica la velocidad de rotación de la transmisión a lo largo del cable hasta el "extremo comercial" del velocímetro, donde realmente tiene lugar la medición de la velocidad..

El velocímetro también tiene otras partes importantes. El cable de transmisión se conecta, a través de un engranaje en espiral, a un imán permanente. El imán se encuentra dentro de una pieza de metal en forma de copa conocida como speedcup. El speedcup está unido a una aguja, que se mantiene en su lugar mediante un espiral.. La aguja es visible en la cabina del automóvil, al igual que la cara del velocímetro, que muestra un rango de números desde cero hasta un límite superior que puede variar según la marca y el modelo..

Ahora veamos cómo este dispositivo relativamente simple mide la velocidad del vehículo..

Metro, metro en todas partes

Los velocímetros a menudo se combinan con odómetros y odómetros de viaje. Un odómetro registra la distancia total recorrida por un vehículo. Los odómetros de viaje también miden la distancia recorrida, pero el conductor puede ponerlos a cero. Los fabricantes suelen diseñar velocímetros mecánicos para que 1000 revoluciones del eje flexible registren una milla en el odómetro. Para obtener más información sobre los odómetros, consulte Cómo funcionan los odómetros. Los tacómetros son similares a los velocímetros en que miden la velocidad angular de un eje giratorio. Los tacómetros reflejan la velocidad del motor, lo que significa que miden la velocidad de rotación del cigüeñal. Indican la velocidad del motor en revoluciones por minuto o rpm..-

Un velocímetro de corrientes parásitas Foto cortesía de Dreamstime

Digamos que un automóvil viaja por la carretera a una velocidad constante. Eso significa que su transmisión y eje de transmisión están girando a una velocidad que corresponde a la velocidad del vehículo. También significa que el mandril en el cable de transmisión del velocímetro, debido a que está conectado a la transmisión a través de un conjunto de engranajes, también gira a la misma velocidad. Y, finalmente, el imán permanente en el otro extremo del cable de transmisión está girando.

A medida que el imán gira, establece un campo magnético giratorio, creando fuerzas que actúan sobre el speedcup. Estas fuerzas hacen que la corriente eléctrica fluya en la copa en pequeños remolinos giratorios, conocidos como corrientes de Foucault. En algunas aplicaciones, las corrientes parásitas representan potencia perdida y, por lo tanto, no son deseables. Pero en el caso de un velocímetro, las corrientes parásitas crean un par de arrastre que funciona en el speedcup. La copa y su aguja adjunta giran en la misma dirección en que gira el campo magnético, pero solo hasta donde la espiral lo permite. La aguja de la speedcup se detiene donde la fuerza opuesta de la espiral equilibra la fuerza creada por el imán giratorio.. 

¿Qué pasa si el automóvil aumenta o disminuye su velocidad? Si el automóvil viaja más rápido, el imán permanente dentro del speedcup girará más rápido, lo que crea un campo magnético más fuerte, corrientes parásitas más grandes y una mayor desviación de la aguja del velocímetro. Si el automóvil disminuye la velocidad, el imán dentro de la copa gira más lentamente, lo que reduce la fuerza del campo magnético, lo que resulta en corrientes parásitas más pequeñas y una menor desviación de la aguja. Cuando un automóvil se detiene, la espiral mantiene la aguja en cero.

El velocímetro electrónico

Un velocímetro electrónico recibe sus datos de un sensor de velocidad del vehículo (VSS), no un cable de transmisión. El VSS está montado en el eje de salida de la transmisión o en el cigüeñal y consta de un disco de metal dentado y un detector estacionario que cubre una bobina magnética. A medida que los dientes pasan por la bobina, "interrumpen" el campo magnético, creando una serie de pulsos que se envían a una computadora. Por cada 40.000 pulsos del VSS, el recorrido y los odómetros totales aumentan en una milla. La velocidad también se determina a partir de la frecuencia del pulso de entrada. La electrónica del circuito en el automóvil está diseñada para mostrar la velocidad en una pantalla digital o en un sistema analógico típico con una aguja y un dial.

Todos los velocímetros deben calibrarse para asegurarse de que el par creado por el campo magnético refleje con precisión la velocidad del automóvil. Esta calibración debe tener en cuenta varios factores, incluidas las relaciones de los engranajes en el cable de transmisión, la relación de transmisión final en el diferencial y el diámetro de los neumáticos. Todos estos factores afectan la velocidad general del vehículo. Tome el tamaño de los neumáticos, por ejemplo. Cuando un eje da una vuelta completa, el neumático al que está conectado hace una revolución completa. Pero un neumático con un diámetro mayor viajará más lejos que una rueda con un diámetro menor. Eso es porque la distancia que cubre un neumático en una revolución es igual a su circunferencia. Entonces, una llanta con un diámetro de 20 pulgadas cubrirá aproximadamente 62.8 pulgadas de suelo en una revolución. Un neumático con un diámetro de 30 pulgadas cubrirá más terreno, aproximadamente 94,2 pulgadas..

La calibración se ajusta a estas variaciones y la realiza el fabricante, que configura el engranaje del velocímetro para que se corresponda con la relación de piñón y anillo instalados de fábrica y el tamaño de la llanta. El propietario de un automóvil puede tener que volver a calibrar su velocímetro si realiza cambios que hagan que su vehículo no cumpla con las especificaciones de fábrica (consulte la barra lateral a continuación). La recalibración de un velocímetro se puede hacer manipulando la espiral, el imán permanente o ambos. Generalmente, la fuerza del campo magnético es la variable más fácil de cambiar. Esto requiere un potente electroimán, que se puede utilizar para ajustar la fuerza del imán permanente en el velocímetro hasta que la aguja coincida con la entrada del cable de transmisión giratorio..

Precisión del velocímetro

Ningún velocímetro puede tener una precisión del 100 por ciento. De hecho, la mayoría de los fabricantes construyen velocímetros para que se encuentren dentro de un rango de tolerancia bastante estrecho, no más del 1 al 5 por ciento demasiado lento o demasiado rápido. Siempre que un automóvil se mantenga según las especificaciones de fábrica, su velocímetro debe seguir registrando la velocidad del vehículo dentro de este rango. Pero, si se modifica un automóvil, es posible que deba recalibrar su velocímetro.

Cambiar el tamaño de las llantas es una de las cosas más comunes que hacen los propietarios de automóviles y que puede afectar la precisión del velocímetro. Eso es porque los neumáticos más grandes cubren más terreno en una revolución completa. Considere el siguiente ejemplo.

Su automóvil viene con llantas instaladas de fábrica de 21.8 pulgadas de diámetro. Eso significa que la circunferencia de cada neumático es de 68,5 pulgadas. Ahora digamos que desea reemplazar las llantas de serie con llantas nuevas de 24,6 pulgadas de diámetro. Cada neumático nuevo tiene una circunferencia de 77,3 pulgadas, lo que significa que viaja casi 10 pulgadas más con cada revolución completa. Esto tiene un efecto tremendo en su velocímetro, que ahora indicará una velocidad que es demasiado lenta en casi un 13 por ciento. Cuando su velocímetro marca 60 millas por hora, su automóvil realmente viajará 67.7 millas por hora!

Una pantalla de velocímetro frontal Foto cortesía de Siemens VDO Automotive

-Una de las grandes desventajas de un grupo de instrumentos es su ubicación. Un conductor debe mirar hacia abajo para ver los diales, lo que significa que sus ojos están fuera de la carretera durante al menos un segundo. En ese segundo, el automóvil viaja aproximadamente 46 pies si se mueve a 30 millas por hora.

Siemens VDO está abordando este problema con una pantalla de visualización frontal que se proyecta en el parabrisas mediante espejos. Para el conductor, la pantalla parece flotar sobre el capó del motor, a unos seis pies de distancia. La velocidad del vehículo será uno de los elementos clave de la pantalla, pero puede contener cualquier elemento que se encuentre en un grupo de instrumentos normal. También puede integrar ayudas de orientación que utilizan imágenes de cámaras infrarrojas para detectar y mostrar un contorno de la carretera por delante. Para una tecnología que data de hace casi 100 años, eso es un cambio significativo para mejor.

Para obtener más información sobre velocímetros, automóviles y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente..

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Más enlaces geniales

  • Siemens VDO Automotive
  • Corporación Visteon
  • Speedometers.com
  • Velocímetros y medidores
  • Velocímetro Plus

Fuentes

  • “100 años de velocímetros: la historia de la información del conductor”, 7 de noviembre de 2002. Encontrado en línea en: http://www.siemensvdo.com/press/releases/interior/2002/SV-200211-009-e.htm.
  • "Automatización de la calibración del velocímetro", por Ganesh Devaraj, S.B. Rajnarayanan, A. Senthilnathan y S.R. Anand. Ingeniería de Evaluación. Encontrado en línea en http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
  • Enciclopedia Británica 2005, s.v. "Corrientes de Foucault". CD-ROM, 2005.
  • Enciclopedia Británica 2005, s.v. "Eje flexible". CD-ROM, 2005.
  • Enciclopedia Británica 2005, s.v. "tacómetro." CD-ROM, 2005.
  • Erjavec, Jack. "Tecnología automotriz: un enfoque de sistemas". Nueva York: Thomson Delmar Learning. 2005.
  • "Desde velocímetros hasta grupos de instrumentos modernos", por Gerhard Wesner. Automotive Engineering International, enero de 2005. Descarga del PDF en www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
  • Sitio web de Inner Auto Parts: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
  • Calculadora de tamaño de llantas Miata.net http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
  • Museo Nacional de Relojería http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
  • Sitio web de Siemens VDO Automotive http://www.siemensvdo.com



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