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Infos zum Tacho und zum Tachogeber

Es gibt vermutlich kaum ein Thema über dass mehr geredet und gestritten wird als über die Höchstgeschwindigkeit. Ihre Wichtigkeit verändert sich zwar mit dem "Reifegrad" des Fahrers, ist aber trotzdem immer für eine Diskussion gut. Leider zeigen die wenigsten Tachos tatsächlich den korrekten Wert an weil diverse Fehler auftreten.

Die Abweichungen im Detail

Werksvoreilung:
In allen Fahrzeugen ist es gängige Praxis dass die Geschwindigkeitsanzeige eine geringe Voreilung hat, also zuviel anzeigt, um möglichen Toleranzproblemen aus dem Weg zu gehen. Die tatsächlich gefahrene Geschwindigkeit muss immer kleiner sein als die auf dem Tacho angezeigte. Geschätzt liegt die Voreilung im Bereich 3 ..5%. Der Tacho selbst mogelt also ein bischen dazu.

Skalen- und Anzeigeungenauigkeiten:
Bei den üblichen Zeiger-Tachos deren Skala bis 300Km/h geht wird es schon knapp mit der Auflösung. Auch die Nadel muss aufs Grad genau aufgesetzt werden. Hinzu kommt das häufig der Zusammenhang zwischen Zeiger-Drehwinkel und Geschwindigkeit nicht über die gesamte Skala konstant bleibt. Abweichungen von +/-5Km/h habe ich bereits selbst gemessen. Bei Digital-Tachos entfällt das Problem naturgemäss.

Tachosignale vom Vorderrad:
Das Vorderrad läuft passiv mit, es wird "geschleppt". Die unvermeidlichen Reibungsverluste bewirken dass dazu Leistung notwendig wird wodurch ein leichter negativer Schlupf von ca. 0,5% auftritt. Beim Beschleunigen sind zudem noch Trägheitsmomente zu berücksichtigen die diesen Schlupf erhöhen, ignoriere ich jetzt aber weil bei der Höchstgeschwindigkeit kaum Beschleunigung auftritt.
Weiterhin treten am Reifen Fliehkräfte auf die seine Kontur verändern und den Umfang vergrössern. Dem entgegen wirkt dass sich der Reifen im Laufe der Zeit abnutzt und sein Umfang geringer wird. Mit halbwegs realen Zahlen bekommt man folgende Ergebnisse:
Ein gängiges Reifenformat ist z.B. 120/70 auf einer 17 Zoll Felge. Der Reifenumfang in mm beträgt:
=PI*(17*25.4+2*(120*70/100)) =
1884mm

Ein stark abgenutzter Vorderreifen hat ein um 2mm geringes Profil, der Umfang verringert sich um PI*4mm= 12,5mm.
Dies entspricht einer Änderung um -0,7%. Eine Radumdrehung entspricht daher nun einer etwas kürzeren Strecke und der Tacho zeigt ca
+0,7%

zuviel an.
Durch die Fliehkräfte bei hohen Geschwindigkeiten wächst der Reifendurchmesser um 8mm, der Umfang steigt um PI*8mm=25mm. Der Tacho zeigt
-1,5%

weniger an.
Ein leichter Schlupf tritt auf weil das Vorderrad sich selbst durch Reibung und z.B. walken des Gummis abbremst. Dieser Fehler wird mit
-0,5%
angenommen.
Wenn man nun alle Einflüsse zusammenfasst ergibt sich eine geschätzte Gesamtabweichung von
-1 ... -2% für Tachosignale vom Vorderrad

Eine genaue Rechnung macht wenig Sinn weil viele Parameter, z.B. Reifenluftdruck, Verformung oder Reibung, unbekannt sind. Lieber gut geschätzt als schlecht gerechnet.

Tachosignale vom Hinterrad:
Hierbei ist der Tachogeber üblicherweise an die Getriebeausgangswelle gekoppelt. Durch die starre Kopplung über die Antriebskette (oder Kardan) sind aber beide Drehgeschwindigkeiten bis auf einen fixen Faktor identisch (allerdings wird dieser Faktor verändert sobald die Sekundärübersetzung, z.B. durch ein anderes Ritzel, geändert wird).
Die prinzipiell auftretenden Abweichungen sind ähnlich wie bei der Betrachtung des Vorderrads, allerdings ist der Schlupf wesentlich grösser und seine Wirkung zeigt in die andere Richtung. Er wird damit zum dominierenden Faktor. In Summe ergeben sich Abweichungen von

+5% ... +8% für Tachosignale vom Hinterrad bei hohen Geschwindigkeiten

Ein Motorrad mit 140PS dass lt. Tacho 250Km/h fährt wäre demnach, mit konservativ angesetzten 5% Schlupf, real nur 238Km/h schnell. Dabei ist die Werksvoreilung noch nicht einmal berücksichtigt. Bei Super-Bikes wie R1 oder Fireblade mit mehr als 180PS wird man somit die angezeigte Geschwindigkeit von 290Km/h locker um 20Km/h nach unten korrigieren dürfen. Bitter aber wahr...

Der Schlupf ist übrigens keine Erfindung von mir sondern tritt bei jeder Kraftübertragung durch Reibkontakt auf. Nur durch Formschluss (z.B. Kette, Zahnrad) kann er verhindert werden. Ein Gummireifen auf Asphalt ist davon aber weit entfernt. Da die notwendige zu übertragende Motorleistung mit steigender Geschwindigkeit extrem ansteigt gilt das auch für den Schlupf.

Wie anfangs erwähnt spreche ich vom Bereich der Höchstgeschwindigkeit. Im unteren Bereich sind die Verhältnisse weniger radikal.

Tachokonverter

Um Tachos zu korrigieren werden gerne sog. Tachokonverter benutzt (z.B. Speed-O-Healer). Sie werden zwischen Tachogeber und Tachoanzeige geschaltet und verschieben die Signale um ein paar Prozent in der Frequenz. Damit kann man alle Fehler kompensieren und den Tacho exakt mit der realen Geschwindigkeit in Deckung bringen. Leider tauchen dabei zwei Probleme auf:
1. Man kennt den genauen Korrekturfaktor nicht und muss ihn durch Vergleichen mit einem genauen Tacho (z.B. GPS/Navi) bestimmen.
2. Der Korrekturfaktor ist abhängig von der Geschwindigkeit.

Praktisch alle üblichen Tachokonverter arbeiten mit festen prozentualen Faktoren. Trotzdem erreicht man damit in weiten Bereichen eine gute Korrektur. Wenn man eine leichte Überkorrektur im unteren Bereich in Kauf nimmt dann kann auch die Genauigkeit bei Höchstgeschwindigkeit akzeptabel werden. Meist versucht man aber im wichtigen Bereich um 100Km/h möglichst genau zu werden und hat dann zwangsläufig Probleme bei der Höchstgeschwindigkeit.

Kurz noch zur Funktionsweise:
Tachokonverter lassen nicht jeden x-ten Tachoimpuls einfach weg, sondern messen ständig die Frequenz des Eingangssignals und erzeugen eine neue, verschobene Frequenz die Richtung Tacho geschickt wird.

Übrigens, meine Ganganzeige enthält, u.a., auch eine digitale Tachoanzeige. Diese wird durch einen (einstellbaren) Faktor korrigiert und zusätzlich durch eine Schlupf-Korrektur. Zusätzlich kann man einen GPS-Empfänger anschliessen und dessen Messdaten zusätzlich einblenden.

Alternativen

Die billigste Möglichkeit um eine genaue Tachoanzeige zu erhalten ist die Verwendung eines Fahrrad-Tachos am Vorderrad. Übrig bleibt nur der Fehler der Umfangszunahme durch die Fliehkräfte und ein sehr kleiner Schlupf. Trotzdem sollten -1 ... -2% machbar sein.

Mit einem GPS-System, wie es heute in jedem Navi eingebaut ist, erreicht man Genauigkeiten im Bereich von unter +/-2Km/h, die beste Methode für den Hausgebrauch!
Einige Nachteile sind natürlich auch hier zu nennen: Bei niedrigen Geschwindigkeiten können Empfangs-Reflexionen die Genauigkeit massiv beinflussen. Durch die immer eingebauten Mittellungen ist die Anzeige träge und leicht nacheilend.

Fazit

Der Tacho ist bei Höchstgeschwindigkeit häufig extrem ungenau. Eine einfache, statische Korrektur funktioniert immer nur für einen Teilbereich. Die beste und am leichtesten verfügbare Referenz ist ein GPS.

Was ist ein Tachogeber?

Ein Tachogeber liefert die elektrischen Signale für die Geschwindigkeitsanzeige und den Kilometerzähler. Im englischen Sprachraum hat der Begriff "Tacho" allerdings eine ganz andere Bedeutung, dort ist der Drehzahlmesser gemeint. Also Vorsicht beim Lesen von englischen Anleitungen. Der deutsche Tachogeber ist dort der "Speed Sensor".
Bleiben wir beim deutschen Begriff.

Wo sitzt er?

Bei den meisten neueren Motorrädern sitzt der Tachogeber am Getriebe, genauer an der Getriebeausgangswelle. Entweder ins Getriebegehäuse integriert oder in der Nähe des Ritzels. Dadurch sind seine Impulse direkt mit der Drehung des Hinterrads gekoppelt.
Früher war es üblich das Tachosignal am Vorderrad abzunehmen (ganz früher noch mechanisch mit einer Tachowelle).

Von welchem Rad die Impulse abgenommen werden ist im Prinzip egal. Das Hinterrad hat aber bei hohen Geschwindigkeiten einen erheblichen Schlupf der bei Vollgas zu einem Fehler in der Grössenordnung von +5 .. +8 Prozent führen kann. Trotzdem bringt diese Position Vorteile (für den Hersteller), man hat eine "saubere" Gabel ohne störende und exponierte Kabel.

Das Funktionsprinzip

Üblicherweise arbeiten die Tachogeber wie ein elektrischer Näherungsschalter. Durch das Fehlen mechanischer Bauteile ist dieses Prinzip extrem robust und zuverlässig und wird sehr gerne im Fahrzeugbau verwendet. Eine elektronische Schaltung reagiert auf die Nähe von Metall oder eines Magneten und gibt ein Schaltsignal aus.

Beispiel Yamaha FZS600

Ein etwas unübliches Beispiel ist an der FZS600 zu finden. Unüblich deshalb weil sich der Sensor am Vorderrad befindet und mit einem Magneten arbeitet. Der Rest, insbesondere die elektrische Beschaltung, sind aber üblich und beispielhaft.
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Der Magnet ist ringförmig und dreht sich mit dem Rad. Die 2 Nasen haben passende Gegenstücke in der Radnabe. Die Elektronik mit dem Sensor sitzt im Gehäuse. Jede Rad-Umdrehung erzeugt 4 Impulse.

Der elektrische Anschluss ist ein 3-poliger Stecker. Hier sind sich übrigens überraschenderweise viele Hersteller einig.
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Die Zuordnung der Kabelfarben Modelljahr 1998:
Weiss: Tachosignal
Rot: +12V
Schwarz: Masse

Im Gegenstecker im Kabelbaum werden andere Farben verwendet, nur weiss bleibt weiss.
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Um die Kabelfarben-Konfusion perfekt zu machen wurde beim Modelljahr2000 rot gegen hellblau getauscht:
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Der Tachogeber wird vom Cockpit mit 12V versorgt, und Masse ist einfach Masse. Der wichtige Trick ist wie das Tachosignal weitergeleitet wird: Der Tachogeber enthält nur einen elektronischen Schalter der selbst keine Spannung ausgibt. Nur in Verbindung mit dem Lastwiderstand im Cockpit ergibt sich ein Spannungssignal.
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Warum so kompliziert? Weil das Prinzip aus der Steuerungstechnik stammt und man dort grossen Wert auf Flexibilität und Signalqualität legt und lieber mit Strömen an Stelle von Spannungen arbeitet.

Beim Testen des Tachogeber muss man daher immer darauf achten dass ein Lastwiderstand vorhanden ist!

Wie man auch sieht wird der Lastwiderstand nicht mit 12V sondern nur mit 5V betrieben, das passt sowieso besser zu den 5V mit denen die Prozessoren arbeiten.



Alle Kabelfarben in der Übersicht. Die Kabelfarben wechseln meist beim 3-poligen Steckerübergang:

Signal Kabelbaum Sensor FZS600 1998 Sensor FZS600 2000 Sensor FZS1000 Industrie-Sensoren
Tacho Weiss Weiss Weiss Rosa Schwarz
+12V Hellblau/Gelb Rot Hellblau Orange/Rot Braun
Masse Schwarz/Hellblau Schwarz Schwarz Schwarz/Weiss Blau


Induktive Sensoren für Bastelprojekte

Induktive Sensoren sind sehr weit verbreitet in der Steuerungstechnik. Diese Sensoren reagieren auf die Nähe von Metall und werden üblicherweise als Endschalter in Maschinen eingesetzt. Ein typisches Besispiel ist der Typ E2A-S12KS04-WS-C1 von OMRON.
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Die elektrische Beschaltung ist praktisch identisch mit einem originalen Tachogeber. Man kann ihn hervorragend einsetzen bei Motorrad-Umbauten bei denen der originale Tachogeber entfällt. Der Sensor wird z.B. so montiert dass er auf die Befestigungsschrauben der Bremsscheibe zeigt. Der Abstand wird so eingestellt dass er Kontakt macht sobald eine der Schrauben vorbeikommt.

Es gibt ebenfalls induktive Näherungsschalter die mit nur 2 Drähten arbeiten. Die Beschaltung ist aber komplizierter. Einfacher ist es die 3-Draht Ausführungen zu verwenden.

Hall-Sensoren

Diese Sensoren schalten bei Annäherung eines Magneten. Je nach Typ reagieren sie auf einen magnetischen Nordpol, Südpol oder beide Polaritäten. Der Hall-Sensor selbst ist ein kleines IC dass üblicherweise auf einer kleinen Hilfsplatine in einem Gehäuse sitzt. Ein Beispiel von Koso. Die Markierung auf dem Gehäuse zeigt die Position des Sensors, den Bereich höchster Empfindlichkeit :

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Magnet und Sensor müssen zueinander passen und korrekt orientiert sein. Ein normaler Montageabstand ist 3mm, senkrecht zur sensitiven Fläche.

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(Tacho-)Nadel entfernen

Um eine (Tacho-)Nadel gefahrlos abzuheben gibt es einen einfachen Trick mit 2 Löffeln.
Tacho

Die Löffel werden unterhalb der schwarzen Kappe, direkt an der Achse angesetzt. Die Unterseiten liegen auf den Befestigungsschrauben auf. Durch gleichmässigen und vorsichtigen Druck auf beide Griffe kann die Nadel nach oben abgehebelt werden.

Eigentlich sollte sich dabei nur die Nadel lösen. Bei manchen Tachos zieht man aber auch die Achse mit heraus. Dann muss man beim Zusammenbau aufpassen. Beim Wiederaufstecken werden die "Innereien" an eine Seite gedrückt und könnten schleifen. Um das zu vermeiden sollte die Nadel anschliessend wieder einen Millimeter herausgezogen werden.

Tachotester

Wer mal die Tacho(Drehzahl-)scheibe gewechselt hat und dazu die Tachonadel abnehmen musste kennt das Problem: Wie setze ich den Zeiger wieder an die richtige Position ???

Eine übliche und meist brauchbare Methode ist den Zeiger VOR dem Abheben auf die Ruheposition zu drehen (rechtsherum, ca. bei 6:00) und die Position zu markieren. Beim Aufsetzen versucht man die Position möglichst genau wieder zu treffen. Viel Glück.

Wesentlich genauer ist es ins Cockpit Signale einzuspeisen die einer bekannten Geschwindigkeit bzw. Drehzahl entsprechen und den Zeiger an die entsprechende Position zu setzen.

Signale und Frequenzen

Wer einen Tongenerator besitzt kann sich die Signale zum Testen leicht selbst erzeugen:
Drehzahlmesser: 12V Rechteck, 33Hz pro 1000Umin
Tacho: 5V Rechteck, 1119Hz bei 100Km/h (für FZS1000)

Simple Tongeneratoren, die für diesen Zweck voll ausreichen, gibt es bereits für sehr kleines Geld z.B. bei ebay (Stichworte: DDS function signal generator).

Signale mit dem PC erzeugen

Mit einem PC und einer Soundkarte kann man ebenfalls die passenden Töne erzeugen. Ein brauchbares Programm ist z.B. "Audacity". Über den Lausprecherausgang kommt das Signal zum Cockpit. Da man auf mindestens ~5V Amplitude kommen muss ist der Line-Out leider nicht geeignet.

Tongenerator selbst bauen

Eine Anleitung zum Bau eines simplen Generators ist hier zu finden.
arduino
Als Basis dient ein Arduino Nano Board.

Zeiger Positionen

Die Zeiger von Tacho und Drehzahlmesser sind in einem Magnetfeld gelagert. Im stromlosen Zustand kann man sie leicht und völlig gefahrlos verdrehen, es ist keine Mechanik oder ähnliches dahinter das Schaden nehmen könnte. Den Zeiger über den Anschlag zu heben ist überflüssig und zudem gefährlich weil die orangene Nadel abbrechen könnte. Man erreicht die Ruheposition durch simples Verdrehen mit dem Finger.

Ausgangszustand ist am Anschlag. Verdreht man den Zeiger ein wenig so fällt er immer wieder zum Anschlag zurück.
Zeiger Zeiger

Es gibt jedoch eine Art Umkehrpunkt in der Nähe von "8" (beim Tacho entsprechend "160"). Dort bleibt der Zeiger in einem instabilen Ruhezustand. Ein kleiner, weiterer Impuls lässt den Zeiger im Uhrzeigersinn zur unteren Ruheposition drehen.
Zeiger Zeiger

Diese untere Position muss man sich merken/anzeichnen wenn der Zeiger demontiert werden soll und man keinen Tachotester benutzt. Bei der späteren Montage muss er in genau der gleichen Position wieder aufgedrückt werden.

In sehr seltenen Fällen (z.B. Startversuche mit alter Batterie) kann es im normalen Betrieb vorkommen dass der Zeiger versehentlich auf der unteren Ruheposition landet. In diesem Fall muss das Cockpit nicht zerlegt werden. Er reicht aus den Motor einmal über 8000 Umin zu drehen. Der Zeiger wird dann vom Magnetfeld wieder "eingefangen" und folgt danach wieder korrekt dem Sollwert.

Mechanischer Tacho mit Digitalausgang

Mechanische Tachometer werden für aktuelle Motorrad- oder Auto-Modelle praktisch nicht mehr eingesetzt. Die elektronischen Varianten haben viele Vorteile und jeder Elektronik-Bastler, der diese Signale benötigt, freut sich darüber.

Aufbau mechanischer Tacho

Ein typischer mechanischer Tacho ist der folgende aus einer Honda CBR600 SP25. Er arbeitet nach dem Wirbelstromprinzip:
mechanischer tacho
Die Tachowelle (links oben) dreht eine Scheibe mit Magneten. Diese Magnete werden umschlossen von einer Aluminium-Glocke (Bildmitte). An dieser Glocke ist der Tachozeiger befestigt und eine Feder.
Die drehenden Magnete erzeugen in der Glocke Wirbelströme wodurch sie den drehenden Magneten folgen möchte. Je schneller die Drehung der Magnete desto grösser die Verdreh-Kraft. Die Feder bewirkt eine Gegenkraft. Kurz und gut, je schneller sich die Tachowelle dreht umso stärker wird der Zeiger ausgelenkt.
Mechanische Drehzahlmesser funktionieren nach genau dem gleichen Prinzip, dann natürlich ohne Kilometer-Zählwerk.

Hall-Sensor Adapter

Die drehenden Magnete im mechanischen Tacho kann man leicht mit Hall-Sensoren detektieren und erhält ein Signal dass direkt synchron mit der Tachowelle gekoppelt ist.
Ein typischer, preiswerter und leicht erhältlicher Sensor ist z.B die Type HAL 504 UA von Micronas/Intermetall. Das folgende Bild zeigt ihn montiert auf einer kleinen Hilfsplatine:

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Der Sensor muss "nur" in die Nähe der Magnete gebracht werden. Im Honda-Beispiel ist er am Cockpit-Plastikgehäuse montiert und sitzt im montierten Zustand genau über den Magneten.

Der Sensor besitzt einen Open-Collector Ausgang, d.h. zur Funktion benötigt er nur einen Lastwiderstand. Alles sonstige ist bereits enthalten.
Zur leichteren Justage habe ich noch eine LED hinzugefügt die beim Schalten aufleuchtet.

Die finale Platine sieht so aus:
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