Спидометр, часть первая
Спидометр изобрели гораздо позже одометра. И на автомобилях он появился тоже далеко не в первую очередь.
Первоначально практическая потребность в определении скорости возникла, надо полагать, у моряков: в открытом море, имея в распоряжении лишь не самые совершенные приборы и звездное небо, определить местоположение довольно сложно. Зная скорость, можно вычислить пройденный за определенное время путь, а следом — соответственно, и местоположение. Пусть весьма приблизительно, но другого выбора ведь нет. Все ранние лаги были относительными, то есть показывали скорость движения относительно воды. Более точные абсолютные, измеряющие скорость относительно дна, изобрели гораздо позже. Равно как и хронографы. Вообще за изобретения в часовой сфере зачастую полагалась отдельная королевская премия: по мере развития навигации (и военного дела) вопрос точного измерения времени встал довольно остро.
На суше достаточно было иметь при себе часы, а при длительных переходах и вовсе вести суточный счет: средняя скорость движения каравана была невысокой и примерно постоянной, расстояния между населенными пунктами тоже заведомо известны. Ну, то есть рассчитать время прибытия в место назначения, если вообще возникала такая необходимость, можно было с достаточной по тем временам точностью. В основном цивилизация никуда не спешила, это сейчас времени перманентно не хватает. Время узнавали по колокольному звону монастырских башенных часов: циферблат на городских башенных часах впервые появился только в XV веке и с одной — часовой — стрелкой, а минутная появилась лишь в конце XVII века. Секундная — еще через столетие.
300 с лишним лет назад время стало «личным»: в 1675 году Христиан Гюйгенс зарегистрировал патент на карманные часы. Строго говоря, персональные часы использовались и до изобретения Гюйгенса, но это были довольно громоздкие и исключительно дорогие устройства…
В общем, не было задачи — и с решением никто не торопился.
Техническая возможность довольно точного измерения средней скорости появилась с изобретением одометров для повозок, а это уже XIX век, как мы помним из предыдущей записи. Принцип простой: одометр показывает пройденное расстояние, а часы позволяют измерить время, в течение которого мы преодолели это расстояние. Делим одно на другое — получаем скорость. А вот с мгновенной скоростью было немного сложнее.
Первые спидометры появились на паровозах где-то в середине XIX века, потому что самым распространенным и совершенным видом транспорта тогда был именно железнодорожный. Я встречал цифры 1853 и 1858. И даже 1835. Впрочем, в контексте постов моего блога это вряд ли важно, все-таки я пишу про автомобильные приборы, да и ход инженерной мысли интереснее, чем даты. Важно то, что примерно в это время возникла явная потребность контроля скорости поездов. А также положения их во времени и пространстве: основные принципы железнодорожной автоматики, сигнализации, блокировки и связи примерно в те годы и были заложены.
Возьмем, например, локомотивный индикатор скорости Уильяма Страудли. Конструктивно это стеклянная трубка с размещенной позади нее латунной шкалой. Шкала логарифмическая.
По всей видимости, это обусловлено особенностями привода. Так, разные источники сообщают, что в трубке был размещен металлический шарик, который по мере роста скорости поднимался вверх давлением воздуха или смеси воды с глицерином. А давление создавалось насосом с приводом от крыльчатки, которую в свою очередь вращал набегающий поток воздуха. Чем выше скорость, тем выше и давление воздуха. Я не специалист в аэро- и гидродинамике, но возможно давление росло нелинейно, а компенсировать этот эффект Страудли не смог, поэтому и шкалу пришлось делать логарифмической. Подобный принцип — измерение давления напора — был ранее использован в трубке Пито.
А привод спидометра Страудли, я предполагаю, был реализован примерно похожим образом:
Но зачем вообще знать мгновенную скорость поезда? Дело в том, что прогресс зачастую бывает весьма неравномерным. Вот и паровозы совершенствовались куда быстрее, чем пути для них. Очевидно инциденты, связанные с превышением скорости, стали не единичными, а визуальная оценка скорости машинистом — слишком неточной. В общем, это крамольная для большинства водителей мысль, но то, что скорость убивает, знали достаточно хорошо еще несколько столетий назад. Да и мир все больше привыкал жить по расписанию, а не просто сменой суточных ритмов. Как составить расписание, если машинист не придерживается требуемой скорости и поезд приходит на станцию то раньше, то позже?
Одну из самых известных железнодорожных катастроф — крушение императорского поезда в 1888 году — не в последнюю очередь связывают с превышением скорости и разрушением пути вследствие чрезмерных нагрузок.
А редактор лондонской газеты The Times в статье, посвященной железнодорожной катастрофе 1853 года, прямо призывал к оснащению всех локомотивов регистраторами скорости.
Таким образом, требовался прибор контроля именно мгновенной, текущей скорости: на разных участках пути допустимая скорость могла существенно различаться. И если в середине XIX века регистрация скорости на поездах еще не была массовой, то уже в конце XIX — начале XX века локомотивы многих государств оснащались скоростемерами штатно.
Раскочегарить многотонное чудовище до 100 миль в час, пусть и в 1934 году — это вам не шутки. Хотя и скоростемер Страудли ограничен цифрой 55 миль в час: для начала XX века тоже весьма приличная скорость. Серийные автомобили к тому моменту едва осилили значение 50, причем в километрах.
Устройство, разработанное в 1878 году русским механиком-железнодорожником Осипом Графтио, уже было не просто скоростемером, а прообразом тахографов: кроме скорости прибор фиксировал и остановки. Оно приводилось в движение ременной передачей от оси паровоза. За отклонение рычага с грифелем отвечал центробежный регулятор — широко используемое аж с XVII устройство, преобразующее вращательное движение в поступательное: отклонение рычага с грузом от оси под действием центробежной силы.
Через год инженер Виктор Залман усовершенствовал устройство Графтио. Стали меньше габариты, заодно появилась сигнализация: звонок или свисток сообщали о превышении скорости. А в дальнейшем к прибору подключили и автоматические тормоза.
Француз Николя Фламан в 1901 году запатентовал свой вариант регистратора. Уже через десятилетие подавляющее большинство локомотивов Франции (да и других государств) были оснащены индикатором Фламана. В устройстве было два часовых механизма: один отвечал за собственно время (с его помощью двигалась бумажная лента регистратора), а второй приводился в движение от кривошипного механизма на шатуне парового двигателя и отображал текущую скорость, а также управлял грифелем самописца.
Как и ожидалось, в результате широкого внедрения скоростемеров и регистраторов аварийность уменьшилась кратно.
Собственно, перед всеми разработчиками устройств измерения мгновенной скорости транспорта стояла интересная физическая задача: нужно было преобразовать вращение колес в форму, удобную для визуального восприятия. Контролировать скорость по вращению колес невозможно, движение слишком быстрое. Конечно скорость их вращения можно передать в салон через понижающий редуктор, но для оценки скорости все равно необходимы дополнительные действия: подсчет количества оборотов за определенный промежуток времени. Куда удобнее был бы наглядный маркер, движущийся по шкале, уже градуированной в нужных единицах измерения.
Как это сделать? Напрашивается очевидный вывод. Необходимо стремиться уравновесить силы, действующие на индикатор: шарик, стрелку, маркер на ленте и т.д. Чем сильнее воздействует на него та или иная сила, непосредственно связанная с движением транспорта, а значит, чем больше скорость — тем сильнее отклоняется от ноля индикатор. А пружина или сила тяжести нормирует усилие и возвращает индикатор на ноль при отсутствии движения.
Страудли для этого применил давление воздуха или воды и гравитацию. Графтио — центробежные силы и пружину. В дальнейшем, судя по многочисленным патентам начала прошлого века, этот принцип использовался довольно широко.
Тесла запатентовал две версии спидометра, использующие для отклонения стрелки вязкость среды (воздуха или жидкости) между двумя близко расположенными вращающимися дисками: один был прикреплен к стрелке, а другой приводился в движение от колеса.
Хорватский изобретатель Йосип Белушич в 1889 году патентует устройство под названием «велосиметр». Это был первый электронный спидометр.
В одном из патентов есть похожее предложение: использовать для отображения скорости динамомашину и вольтметр. Действительно, чем выше скорость вращения вала простейшего генератора — тем больше и ЭДС, действующая на катушку индуктивности в спидометре-вольтметре.
Широко применялись также хронометрические спидометры, подобные скоростемеру Фламана: часовой механизм «боролся» с противодействием пружины. К слову, и в тахометрах начала прошлого века использовался этот принцип.
Но самым распространенным стало устройство на основе индукции: отклонение стрелки осуществлялось магнитом, создающим при вращении приводного вала вихревые токи в алюминиевом кольце, а противодействовала вращению опять же пружина. Считается, что именно это и был первый автомобильный спидометр. Его запатентовал 7 октября 1902 года немец Отто Шульце. Такой механический спидометр и использовали автопроизводители в течение целого столетия, пока ему на смену не пришли электронные спидометры.
Интернет утверждает, что уже в 1901 году Oldsmobile Curved Dash Runabout был оснащен механическим спидометром. Но я старательно прошелся по сайтам аукционов автоклассики (а это отличный источник преподробнейших фотографий предков современного автомобиля) и не нашел никаких спидометров ни непосредственно на «curved dash» творения Рэнсома Олдса, ни за пределами салона. Может, это была единичная установка? Но в целом примерно так и есть: именно автомобильным спидометр стал как раз в начале прошлого века, а где-то с 1910 года спидометры стали устанавливать как опцию. Уже к 20-м годам едва ли нашелся бы серийный автомобиль без спидометра. История примерно та же, что и с локомотивами: максимальная скорость к этому времени выросла в два раза по сравнению с началом века, до 50–70 км/ч, а отдельные автомобили преодолевали порог 100 км/ч. То есть скорость стала калечить и убивать достаточно массово, чтобы появилась необходимость в размещении на щитке приборов отдельного инструмента ее контроля.
Посмотрите, какая прелесть: патент на огромный спидометр, размещенный спереди на радиаторе. Понятно, что его назначение — сообщать о скорости не водителю, а тому, кто находится перед автомобилем. Для кого эта информация была бы исключительно полезной кроме полицейских? Это далекий предок радаров контроля скорости. Разве что я ни разу не встречал практической реализации такого устройства. А вы?
Не менее интересный вызов при конструировании спидометра, но уже скорее для дизайнера, а не инженера — отображение информации.
В этом плане все аналоговые спидометры делятся на три вида:
1. барабанный. Один из самых распространенных индикаторов на автомобилях начала прошлого века, а также Ситроенах 70–80-х: это вообще отдельная ветвь автомобилестроения, если вы понимаете, о чем я. Но о них позже. Надо полагать, прообразом таких спидометров был барабан с делениями как в одометре. Практически всегда цифры на барабане располагались горизонтально…
… но мне попался и вот такой, вертикальный вариант.
А это разновидность барабанного спидометра: деления нанесены на неподвижную шкалу, а на вращающемся цилиндре есть цветной сектор.
2. ленточный. Массово устанавливался на американские и европейские автомобили шестидесятых. И, например, на ГАЗ-24 до 1975 года.
На фото интересный вариант в правом нижнем углу: вместо ленты вдоль шкалы движется стрелка.
Я нарисовал иллюстрацию о том, как были устроены ленточные и барабанные спидометры, взгляните.
3. стрелочный. Самый распространенный индикатор. Инженеры по эргономике в результате многочисленных экспериментов все же пришли к выводу, что это наиболее удобный для визуального восприятия вариант прибора. Ничего лучше до сих пор не придумали. Разве что многие стрелочные спидометры прошлого были с линейной шкалой…
… а прижился в итоге вариант с круглой: и компактнее, и показания считываются надежнее. Да и во времена барабанных спидометров не менее часто встречались именно круглые стрелочные.
Отдельное направление это цифровые спидометры на ЭЛТ-экранах, а также на ВЛИ или электро-вакуумных индикаторах. Вам они хорошо знакомы и по бытовой электронике конца прошлого века.
Такие использовались во времена бурного расцвета микроэлектронной промышленности, то есть начиная с конца 70-х, но это все же эволюционно тупиковый вариант: несмотря на различные попытки заменить цифрой аналоговую стрелку, цифровые спидометры в серийных автомобилях обычно являются только дополнением к традиционной шкале. В основном цифровое представление скорости распространено на суперкарах, где главный прибор на щитке — тахометр. А еще, как я выше писал, история спидометра именно с таких цифровых индикаторов начиналась. И те тоже не прижились, история циклична.
Впрочем, как дополнение к стрелочному прибору отображение текущей скорости цифрой — это прекрасный тренд. Так информацию представляют практически все современные приборки, где вместо физических стрелочных приборов установлен ЖК-экран. Это хорошо и правильно, разве что дизайнерам работы еще на годы вперед. В первую очередь над собой: пока еще слишком много ненужной графики и избыточной для водителя информации. Особенно избыточной в движении: принцип, заложенный шведами в night panel, о которой в одном из прошлых постов я уже писал, должен стать трендом на мой взгляд. Современный человек перегружен информацией, и если на парковке водитель может поиграться с экранами приборной панели и мультимедиасистемы, то в движении важнее дорожная обстановка. Но я отвлекся, на эту тему будут отдельные посты.
А репутацию первым цифровым приборкам основательно подмочила ненадежность тогдашней электроники. Привет, Лагонда!
Олды, вы уже вспомнили сцену про piece of junk из третьей части прекрасного «Назад в будущее»?
Что касается собственно оформления спидометров…
Самые первые просто прекрасны. Отдельный латунный корпус, молочно-белый циферблат, шкала с черными рисками и цифрами, черная же стрелка.
Обратите внимание: на фотографиях встречается дисковый одометр, а не барабанный. Как в паскалине. Помните, я рассказывал об этом в записи про одометры? Поклонники стимпанка, к коим и я себя отношу, надо полагать, оценят такой стиль.
Позже, между 1910 и 1920 годами, Генри Форд ввел моду на черный цвет. Это нижний ряд на иллюстрации.
Зачастую спидометр ставили за пределами салона, так проще было подключить: дело в том, что приводной вал поначалу вращался через редуктор, размещенный на ступице переднего колеса, и лишь в дальнейшем спидометр подключили к выходному валу коробки передач.
Спидометры пред- и послевоенных автомобилей все еще довольно сдержанны, хотя появляется больше хрома, никеля и форма становится смелее, а шрифты зачастую слишком декоративными.
А вот начиная с середины прошлого века творческие порывы дизайнеров похоже вообще никто не ограничивал. Полагаю, в оправившемся от второй мировой войны обществе царили и настроения соответствующие: если Европа, обремененная многосотлетней историей становления стиля, по-прежнему придерживалась довольно скромного оформления приборок, то молодые янки… Впрочем, смотрите сами:
Освоение космоса, ядерное оружие, расцвет научной фантастики (помните, я рассказывал о противостоянии синего и оранжевого?) — соответствующие тренды и в заокеанском дизайне.
Начиная с 70–80-х приборки, а вслед за ними и спидометры вновь стали сдержанными, если не скучными: эргономика… Да, эргономика: обилие хромированных свистоперделок значительно усложняло задачу считывания информации на тесных оживленных дорогах, ведь автомобиль стал популярным и массовым.
Ярким исключением среди серийных автомобилей, как вы помните, был Ситроен, а точнее несколько моделей или их отдельных версий: BX, CX, GS и GSA. Возможно, какие-то модели я упустил из виду. Поправьте в комментариях, если не сложно.
Современные спидометры достойны отдельного поста. Так что на этом моменте прошу меня извинить, но я заканчиваю первую часть про спидометры: объем информации довольно большой, приходится делить. В следующей расскажу об интересных находках и завершу обзор тахометрами.