Đồng hồ công-tơ-mét trên ôtô được phát minh như thế nào?

Trong bảng đồng hồ của các xe hiện đại ngày nay, không còn đơn giản chỉ hiển thị tốc độ, mà còn hiển thị áp suất dầu, nhiệt độ dầu mát, đồng hồ xăng, và rất nhiều thông số khác. Nhưng cơ bản nhất, lâu đời nhất, có lẽ cũng là quan trọng nhất, chính là đồng hồ tốc độ hay còn gọi là công-tơ-mét. Như tên gọi, đồng hồ tốc độ cho biết tốc độ của xe, với đơn vị dặm/h hoặc km/h.

Phát minh của người Đức

Hơn 100 năm trước đây, kỹ sư Otto Schulze (người Đức) đã được cấp bằng sáng chế đồng hồ công-tơ-mét dòng xoáy trên ôtô tại cơ quan cấp bằng sáng chế Imperial Patent Office ở Berlin. Phát minh quan trọng này đã báo trước sự hình thành và phát triển các dụng cụ đo lường và thông tin khác trên ôtô.

Otto Schulze đăng ký bằng sáng chế chiếc công-tơ-mét cơ học hay còn gọi là công-tơ analog đầu tiên vào năm 1902. Vào những năm đó, ôtô không những đã trở nên phổ biến, mà tốc độ của nó cũng luôn được cải thiện. Tốc độ cao nhất thời bấy giờ là 50 km/h, bình thường so với hiện nay, nhưng so với thời kỳ mà những chiếc xe ngựa vẫn đang là phổ biến thì đó là một con số ấn tượng. Như một hệ quả tất yếu, những vụ tai nạn nghiêm trọng bắt đầu gia tăng chóng mặt.

Do vậy, phát minh của Otto Schulze đã giúp người lái nắm chính xác tốc độ thực sự của chiếc xe, từ đó tự điều chỉnh cho phù hợp. Cùng thời gian, các nước bắt đầu ra các quyết định về giới hạn tốc độ. Từ đó, trong bảng điều khiển của ôtô, công-tơ-mét thường có 2 vòng quay, một vòng bé cho người lái và một vòng lớn hơn đủ để cảnh sát có thể theo dõi từ một khoảng cách nhất định, để đảm bảo an toàn giao thông.

Cũng như nhiều công nghệ khác, khi mới ra đời, chiếc công-tơ-mét đầu tiên có giá rất đắt đỏ. Chỉ cho đến tận năm 1910, các nhà sản xuất ôtô mới chính thức trang bị công-tơ-mét cho các mẫu xe của mình như một thành phần không thể thiếu.

Một trong những nhà cung cấp công-tơ-mét đầu tiên là Otto Schulze Autometer (OSA), một công ty được thành lập từ Siemens VDO Automotive AG, tập đoàn hàng đầu về phát triển công nghệ. Chiếc công-tơ-mét đầu tiên của OSA được sản xuất năm 1923 và thiết kế cơ bản của nó không hề thay đổi trong 60 năm sau đó.

Nguyên lý hoạt động của công-tơ-mét

Muốn đo được tốc độ của xe điều quan trọng nhất là phải đo được tốc độ vòng quay của bánh hoặc của hộp số. Trong hầu hết các xe hiện nay, tốc độ xe được tính theo tốc độ vòng quay của hộp số thông qua cáp chủ động.

Cáp chủ động gồm nhiều cuộn lò xo xoắn chặt theo dạng xoắn ốc xung quanh một trục trung tâm. Nhờ thiết kế của mình, cáp chủ động có thể dễ dàng được uốn cong mà không sợ gẫy, tạo thành một góc rất nhỏ. Điều này cực kỳ quan trọng, bởi sợi cáp phải vòng vèo để nối từ hộp số đến các bộ xử lý của đồng hồ đo tốc độ. Khi xe chuyển động, mỗi khi thay đổi số, cũng làm thay đổi trục trung tâm bên trong. Trục trung tâm khi đó kết nối tốc độ quay của hộp số với cáp chủ động, từ đó truyền về đồng hồ đo tốc độ.

Đồng hồ đo tốc độ còn một thành phần quan trọng khác, đó là một nam châm vĩnh cửu. Cục nam châm này được đặt bên trong một hộp kim loại có dạng hình chén, được gọi là speedcup. Speedcub được gắn một kim chỉ số, được giữ bởi dây tóc đồng hồ. Người lái có thể nhìn thấy kim chỉ tốc độ, trên mặt đồng hồ đo tốc độ với giải số từ 0 đến tốc độ lớn nhất, thay đổi tùy theo model.

Giả sử xe chạy với một vận tốc không đổi. Khi đó, hộp số và trục chủ động quay với một tốc độ tương ứng với tốc độ chuyển động của xe. Vì lõi hay trục trung tâm bên trong cáp chủ động của đồng hồ đo tốc độ nối với hộp số qua các bộ gài số, do vậy trục trung tâm cũng sẽ quay với một tốc độ đúng bằng tốc độ của hộp số. Từ đó dẫn đến, cuộn nam châm vĩnh cửu ở đầu kia của cáp chủ động cũng sẽ quay.

Khi nam châm quay, sinh ra một từ trường xoáy, tạo ra một lực tác dụng lên speedcup. Những lực này làm sinh ra dòng điện trong speedcup với một chuyển động quay nhỏ, do đó nó còn được biết đến với tên gọi eddy currents (dòng điện xoáy). Trong một số ứng dụng khác, eddy current chính là năng lượng bị tổn hao. Nhưng trong trường hợp của công tơ mét, eddy- current sinh ra một momen trượt. Hộp đồng hồ Speedcup được gắn một kim chỉ số có thể chỉ đúng hướng theo từ trường. Kim chỉ số sẽ dừng lại khi phản lực của sợi tóc đồng hồ cân bằng, phản lực được sinh ra bởi nam châm quay.

Trong trường hợp xe tăng hay giảm tốc độ. Nếu xe tăng tốc độ, nam châm vĩnh cửu bên trong hộp đồng hồ speedcup sẽ quay nhanh hơn, tạo ra một từ trường mạnh hơn, dẫn đến dòng điện xoáy eddy- current lớn hơn và tương ứng, kim chỉ số quay với góc thay đổi lớn hơn. Tương tự đối với trường hợp xe chạy chậm lại. Khi xe dừng hẳn, sợi tóc đồng hồ sẽ giữ cho kim về mức 0.

Theo Thảo Anh (Autodaily.vn)