Wie Tachometer funktionieren

Ein moderner Tacho. Foto mit freundlicher Genehmigung von Dreamstime

Das Armaturenbrett-Kombiinstrument in Ihrem Auto organisiert eine Vielzahl von Sensoren und Anzeigen, einschließlich Öldruckanzeige, Kühlmitteltemperaturanzeige, Kraftstoffstandsanzeige, Drehzahlmesser und mehr. Aber die bekannteste Anzeige - und vielleicht die wichtigste, zumindest in Bezug darauf, wie oft Sie sie während der Fahrt betrachten - ist die Tachometer. Die Aufgabe des Geschwindigkeitsmessers besteht darin, die Geschwindigkeit Ihres Autos in Meilen pro Stunde, Kilometern pro Stunde oder beidem anzuzeigen. Selbst in neueren Autos ist es ein analoges Gerät, das mit einer Nadel auf eine bestimmte Geschwindigkeit zeigt, die der Fahrer als auf einem Zifferblatt aufgedruckte Zahl liest.

Wie bei jeder neuen Technologie waren die ersten Tachometer teuer und nur als Option erhältlich. Erst 1910 begannen die Automobilhersteller, den Tacho als Serienausstattung aufzunehmen. Einer der ersten Tacholieferanten war Otto Schulze Autometer (OSA), ein Altunternehmen der Siemens VDO Automotive AG, einem der führenden Entwickler moderner Kombiinstrumente. Der erste OSA-Tacho wurde 1923 gebaut und sein grundlegendes Design änderte sich 60 Jahre lang nicht wesentlich. In diesem Artikel werden wir uns mit der Geschichte der Tachometer befassen, wie sie funktionieren und wie die Zukunft für das Tachometerdesign aussehen könnte.

Der Tacho ist durchgegangen viele Veränderungen im letzten Jahrhundert. Foto mit freundlicher Genehmigung von Siemens VDO Automotive

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-Es gibt zwei Arten von Tachometern: elektronische und mechanische. Weil das elektronischer Tacho ist eigentlich eine relativ neue Erfindung - der erste vollelektronische Tacho erschien erst 1993 - dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die mechanischer Tacho, oder der Wirbelstrom Tachometer.

Otto Schulze, ein Erfinder aus Straßburg, meldete 1902 das erste Patent für den Wirbelstrom-Tacho an. Schulze konzipierte das revolutionäre Gerät als Lösung für ein wachsendes Problem. Autos wurden nicht nur immer beliebter, sie fuhren auch schneller. Die durchschnittliche Höchstgeschwindigkeit eines Automobils kurz nach der Wende des 20. Jahrhunderts betrug 30 Meilen pro Stunde, nach heutigen Maßstäben langsam, aber zu einer Zeit, in der sich ein Großteil der Welt noch im gemächlichen Tempo einer Pferdekutsche bewegte, schnell. Infolgedessen nahmen die schweren Unfälle dramatisch zu.

Mit der Erfindung von Schulze konnten die Fahrer genau sehen, wie schnell sie unterwegs waren, und entsprechende Anpassungen vornehmen. Gleichzeitig legten viele Länder Geschwindigkeitsbegrenzungen fest und setzten Polizeibeamte ein, um diese durchzusetzen. Frühe Lösungen erforderten, dass Autos Tachometer mit zwei Zifferblättern haben mussten - ein kleines Zifferblatt für den Fahrer und ein viel größeres Zifferblatt, damit die Polizei es aus der Ferne ablesen konnte.

Im nächsten Abschnitt werden wir uns dieses Design ansehen, um die Teile eines Wirbelstrom-Geschwindigkeitsmessers zu verstehen.

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Die Nadel eines Tachometers Foto verwendet unter der Creative Commons License 2.0

Bevor wir uns einen Tacho ansehen, ist es hilfreich zu überprüfen, wie ein Auto überhaupt funktioniert. Der grundlegende Prozess wird nachfolgend beschrieben:

1. Kolbenmotoren verwenden Energie aus einem brennenden Kraftstoff-Luft-Gemisch, um einen Kolben in einem Zylinder auf und ab zu bewegen.
2. Diese Hin- und Herbewegung der Kolben wird durch eine Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgewandelt.
3. Die Kurbelwelle dreht ein Schwungrad.
4. Das Getriebe überträgt die Kraft vom Schwungrad und leitet sie über eine Antriebswelle an die Räder.
5. Das Getriebe verfügt über verschiedene Gänge - oder Geschwindigkeiten -, um zu steuern, wie schnell sich die Räder drehen.
6. Wenn sich die Räder drehen, bewegt sich das Auto.

Um die Geschwindigkeit eines Autos zu messen, muss man in der Lage sein, die Drehzahl der Räder oder des Getriebes zu messen und diese Informationen an eine Art Messgerät zu senden. Bei den meisten Autos erfolgt die Messung im Getriebe. Die Messung der vom Getriebe erzeugten Drehzahl erfolgt über ein sogenanntes Antriebskabel.

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-Das Antriebskabel besteht aus einer Anzahl übereinanderliegender, fest gewickelter Schraubenfedern, die um einen Mitteldraht oder Dorn gewickelt sind. Aufgrund seiner Konstruktion ist das Antriebskabel sehr flexibel und kann ohne Bruch auf einen sehr kleinen Radius gebogen werden. Dies ist praktisch, da sich das Kabel vom Getriebe zum Kombiinstrument schlängeln muss, in dem sich der Tacho befindet. Es ist mit einer Reihe von Zahnrädern im Getriebe verbunden, Wenn sich das Fahrzeug bewegt, drehen die Zahnräder den Dorn in der flexiblen Welle. Der Dorn überträgt dann die Drehzahl des Getriebes über die Länge des Kabels an das "Geschäftsende" des Tachometers - wo die Geschwindigkeitsmessung tatsächlich stattfindet.

Der Tacho hat auch andere wichtige Teile. Das Antriebskabel wird über ein Spiralgetriebe an einem Permanentmagneten befestigt. Der Magnet sitzt in einem becherförmigen Metallstück, das als Speedcup. Der Speedcup ist an einer Nadel befestigt, die von einer Spirale gehalten wird. Die Nadel ist im Cockpit des Autos sichtbar, ebenso wie die Tachofläche, die einen Zahlenbereich von Null bis zu einer Obergrenze anzeigt, der je nach Marke und Modell variieren kann.

Schauen wir uns nun an, wie dieses relativ einfache Gerät die Fahrzeuggeschwindigkeit tatsächlich misst.

Meter, Meter überall

Tachometer werden häufig mit Kilometerzählern und Kilometerzählern kombiniert. Ein Kilometerzähler registriert die Gesamtstrecke eines Fahrzeugs. Kilometerzähler messen auch die zurückgelegte Strecke, können jedoch vom Fahrer auf Null zurückgesetzt werden. Hersteller konstruieren normalerweise mechanische Tachometer so, dass 1.000 Umdrehungen der flexiblen Welle eine Meile auf dem Kilometerzähler registrieren. Weitere Informationen zu Kilometerzählern finden Sie unter Funktionsweise von Kilometerzählern. Drehzahlmesser sind Tachometern insofern ähnlich, als sie die Winkelgeschwindigkeit einer rotierenden Welle messen. Drehzahlmesser spiegeln die Motordrehzahl wider, dh sie messen die Drehzahl der Kurbelwelle. Sie geben die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute oder U / min an.-

Ein Wirbelstrom-Tacho Foto mit freundlicher Genehmigung von Dreamstime

Nehmen wir an, ein Auto fährt mit konstanter Geschwindigkeit die Autobahn entlang. Das heißt, das Getriebe und die Antriebswelle drehen sich mit einer Geschwindigkeit, die der Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht. Dies bedeutet auch, dass sich der Dorn im Antriebskabel des Tachos - da er über einen Satz Zahnräder mit dem Getriebe verbunden ist - ebenfalls mit der gleichen Geschwindigkeit dreht. Und schließlich dreht sich der Permanentmagnet am anderen Ende des Antriebskabels.

Während sich der Magnet dreht, baut er ein rotierendes Magnetfeld auf und erzeugt Kräfte, die auf den Speedcup wirken. Diese Kräfte bewirken, dass elektrischer Strom in kleinen rotierenden Wirbeln im Becher fließt, bekannt als Wirbelströme. In einigen Anwendungen stellen Wirbelströme einen Leistungsverlust dar und sind daher unerwünscht. Bei einem Tacho erzeugen die Wirbelströme jedoch ein Widerstandsmoment, das auf den Tacho wirkt. Die Tasse und die daran befestigte Nadel drehen sich in die gleiche Richtung, in die sich das Magnetfeld dreht - jedoch nur so weit, wie es die Spirale zulässt. Die Nadel am Speedcup kommt zum Stillstand, wo die Gegenkraft der Spirale die vom rotierenden Magneten erzeugte Kraft ausgleicht. 

Was ist, wenn das Auto seine Geschwindigkeit erhöht oder verringert? Wenn das Auto schneller fährt, dreht sich der Permanentmagnet im Inneren des Speedcups schneller, wodurch ein stärkeres Magnetfeld, größere Wirbelströme und eine größere Auslenkung der Tachonadel erzeugt werden. Wenn das Auto langsamer wird, dreht sich der Magnet im Inneren des Bechers langsamer, wodurch die Stärke des Magnetfelds verringert wird, was zu kleineren Wirbelströmen und einer geringeren Durchbiegung der Nadel führt. Wenn ein Auto angehalten wird, hält die Spirale die Nadel auf Null.

Der elektronische Tachometer

Ein elektronischer Tacho empfängt seine Daten von a Fahrzeug-Geschwindigkeitsmesser (VSS), kein Laufwerkskabel. Das VSS ist an der Getriebeausgangswelle oder an der Kurbelwelle montiert und besteht aus einer gezahnten Metallscheibe und einem stationären Detektor, der eine Magnetspule abdeckt. Wenn sich die Zähne an der Spule vorbei bewegen, "unterbrechen" sie das Magnetfeld und erzeugen eine Reihe von Impulsen, die an einen Computer gesendet werden. Für jeweils 40.000 Impulse vom VSS erhöhen sich die Fahrt und die Gesamtkilometer um eine Meile. Die Geschwindigkeit wird auch aus der Eingangsimpulsfrequenz bestimmt. Die Schaltungselektronik im Auto ist so ausgelegt, dass die Geschwindigkeit entweder auf einem digitalen Bildschirm oder auf einem typischen analogen System mit Nadel und Zifferblatt angezeigt wird.

Alle Tachometer müssen kalibriert werden, um sicherzustellen, dass das durch das Magnetfeld erzeugte Drehmoment genau die Geschwindigkeit des Fahrzeugs widerspiegelt. Diese Kalibrierung muss verschiedene Faktoren berücksichtigen, einschließlich der Übersetzungsverhältnisse der Zahnräder im Antriebskabel, des Achsübersetzungsverhältnisses im Differential und des Reifendurchmessers. Alle diese Faktoren beeinflussen die Gesamtgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Nehmen Sie zum Beispiel die Reifengröße. Wenn eine Achse eine vollständige Umdrehung macht, macht der Reifen, mit dem sie verbunden ist, eine vollständige Umdrehung. Ein Reifen mit einem größeren Durchmesser fährt jedoch weiter als ein Rad mit einem kleineren Durchmesser. Das liegt daran, dass die Strecke, die ein Reifen in einer Umdrehung zurücklegt, seinem Umfang entspricht. Ein Reifen mit einem Durchmesser von 20 Zoll bedeckt also in einer Umdrehung etwa 62,8 Zoll Boden. Ein Reifen mit einem Durchmesser von 30 Zoll wird mehr Boden bedecken - ungefähr 94,2 Zoll.

Die Kalibrierung passt sich diesen Abweichungen an und wird vom Hersteller durchgeführt, der das Tacho-Zahnrad so einstellt, dass es dem werkseitig installierten Ring- und Ritzelverhältnis und der Reifengröße entspricht. Ein Autobesitzer muss möglicherweise seinen Tacho neu kalibrieren, wenn er Änderungen vornimmt, die dazu führen, dass sein Fahrzeug nicht mehr den Werksspezifikationen entspricht (siehe Seitenleiste unten). Die Neukalibrierung eines Tachometers kann durch Manipulieren der Spirale, des Permanentmagneten oder beider erfolgen. Im Allgemeinen ist die Stärke des Magnetfelds die am einfachsten zu ändernde Variable. Dies erfordert einen starken Elektromagneten, mit dem die Stärke des Permanentmagneten im Tachometer eingestellt werden kann, bis die Nadel mit dem Eingang des rotierenden Antriebskabels übereinstimmt.

Tachometergenauigkeit

Kein Tacho kann 100 Prozent genau sein. Tatsächlich bauen die meisten Hersteller Tachometer so, dass sie in einen ziemlich engen Toleranzbereich fallen, nicht mehr als 1 bis 5 Prozent zu langsam oder zu schnell. Solange ein Auto auf den Werksspezifikationen gehalten wird, sollte sein Tachometer weiterhin die Fahrzeuggeschwindigkeit in diesem Bereich registrieren. Wenn ein Auto geändert wird, muss sein Tacho möglicherweise neu kalibriert werden.

Das Ändern der Reifengröße ist eines der häufigsten Dinge, die Autobesitzer tun, um die Genauigkeit des Geschwindigkeitsmessers zu beeinträchtigen. Das liegt daran, dass größere Reifen in einer vollständigen Umdrehung mehr Boden abdecken. Betrachten Sie das folgende Beispiel.

Ihr Auto wird mit werkseitig montierten Reifen mit einem Durchmesser von 21,8 Zoll geliefert. Das bedeutet, dass der Umfang jedes Reifens 68,5 Zoll beträgt. Angenommen, Sie möchten die Serienreifen durch neue Reifen mit einem Durchmesser von 24,6 Zoll ersetzen. Jeder neue Reifen hat einen Umfang von 77,3 Zoll, was bedeutet, dass er mit jeder vollständigen Umdrehung fast 10 Zoll weiter fährt. Dies hat enorme Auswirkungen auf Ihren Tacho, der jetzt eine um fast 13 Prozent zu langsame Geschwindigkeit anzeigt. Wenn Ihr Tacho 60 Meilen pro Stunde anzeigt, fährt Ihr Auto tatsächlich 67,7 Meilen pro Stunde!

Ein Head-Up-Tacho-Display Foto mit freundlicher Genehmigung von Siemens VDO Automotive

-Einer der großen Nachteile eines Kombiinstruments ist seine Lage. Ein Fahrer muss nach unten schauen, um die Zifferblätter zu sehen, was bedeutet, dass seine Augen mindestens eine Sekunde lang von der Straße entfernt sind. In dieser einen Sekunde fährt das Auto ungefähr 46 Fuß, wenn es sich mit 30 Meilen pro Stunde bewegt.

Siemens VDO begegnet diesem Problem mit einem Head-up-Display, das von Spiegeln auf die Windschutzscheibe projiziert wird. Für den Fahrer scheint das Display über der Motorhaube zu schweben, etwa einen Meter entfernt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist eines der Schlüsselelemente der Anzeige, kann jedoch jedes Element enthalten, das in einem normalen Kombiinstrument enthalten ist. Es können auch Orientierungshilfen integriert werden, die Bilder von Infrarotkameras verwenden, um einen Umriss der bevorstehenden Straße zu erkennen und anzuzeigen. Für eine Technologie, die fast 100 Jahre alt ist, ist dies eine bedeutende Veränderung zum Besseren.

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Weitere großartige Links

• Siemens VDO Automotive
• Visteon Corporation
• Tachometer.com
• Tachometer und Anzeigen
• Tachometer Plus

Quellen

• „100 Jahre Tachometer - Die Geschichte der Fahrerinformationen“, 7. November 2002. Online verfügbar unter: http://www.siemensvdo.com/press/releases/interior/2002/SV-200211-009-e.htm.
• "Automating Speedometer Calibration" von Ganesh Devaraj, S.B. Rajnarayanan, A. Senthilnathan und S.R. Anand. Evaluation Engineering. Online gefunden unter http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Wirbelstrom." CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "flexibler Schaft." CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "Geschwindigkeitsmesser." CD-ROM, 2005.
• Erjavec, Jack. "Automobiltechnik: Ein Systemansatz." New York: Thomson Delmar Lernen. 2005.
• „Vom Tachometer zum modernen Kombiinstrument“ von Gerhard Wesner. Automotive Engineering International, Januar 2005. PDF-Download unter www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
• Website für innere Autoteile: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
• Miata.net Reifengrößenrechner http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
• Das Nationale Uhrenmuseum http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
• Siemens VDO Automotive-Website http://www.siemensvdo.com