Der induktive Drehzahlgeber im Kfz

Der induktive Drehzahlgeber ist einer der ältesten elektronischen Sensoren im Fahrzeug. Er ist einfach, robust und braucht keine Stromversorgung. Deshalb findet man ihn bis heute an vielen Motoren, auch wenn er an manchen Stellen vom Hallgeber abgelöst wurde. Tippe auf eine Karte, um mehr zu erfahren.

Grundlage ist die elektromagnetische Induktion, die Michael Faraday 1831 entdeckte: Ändert sich das Magnetfeld, das eine Spule durchsetzt, entsteht in der Spule eine Spannung. Entscheidend ist dabei nicht, wie stark das Feld ist, sondern wie schnell es sich ändert.

Im Drehzahlgeber sorgt das Geberrad für diese Änderung. Steht ein Zahn aus Eisen vor dem Sensor, kann das Magnetfeld leicht durch ihn hindurch, der magnetische Fluss in der Spule ist groß. Steht eine Lücke davor, muss das Feld durch Luft, und der Fluss wird kleiner. Während sich das Rad dreht, schwankt der Fluss ständig, und genau dabei wird Spannung induziert.

Achte im Simulator auf zwei Dinge. Die Spannung ist genau dann null, wenn der Fluss gerade am größten oder am kleinsten ist, also wenn ein Zahn oder eine Lücke mittig vor dem Sensor steht. Am größten ist sie an den Zahnflanken, wo sich der Fluss am schnellsten ändert. Und je schneller das Rad dreht, desto höher wird die Spannung.

Ein induktiver Drehzahlgeber enthält keine Elektronik. Er besteht aus wenigen Teilen, die in ein Kunststoff- oder Metallgehäuse eingegossen sind:

• Dauermagnet: erzeugt das Magnetfeld, das durch Sensor und Geberrad verläuft.
• Weicheisenkern (Polstift): leitet das Feld bis an die Sensorspitze und bündelt es dort.
• Spule: eine Wicklung aus sehr dünnem Kupferdraht mit vielen Windungen um den Kern. In ihr wird die Spannung induziert.
• Anschlussleitung: meist zwei Adern, häufig mit Abschirmung gegen Störungen.

Der Sensor sitzt mit einem kleinen Luftspalt vor dem Geberrad. Das Geberrad besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, meist Stahl, damit die Zähne das Magnetfeld führen können. Am Kurbeltrieb ist es oft am Schwungrad oder direkt an der Kurbelwelle angebracht.

Am Kurbeltrieb wird meist ein Geberrad mit 60-2-Teilung verwendet: 60 gleichmäßige Zahnteilungen, von denen zwei Zähne fehlen. Jeder Zahn erzeugt eine Schwingung der Wechselspannung. An der Zahnlücke bleibt das Signal kurz aus, danach folgt ein etwas größerer Ausschlag. Daran erkennt das Steuergerät die Stellung der Kurbelwelle.

Probiere im Simulator verschiedene Drehzahlen und Luftspalte aus und vertausche zum Schluss die Anschlüsse.

Die wichtigsten Zusammenhänge:

1. Die Frequenz steigt mit der Drehzahl. Beim 60-2-Rad entspricht die Frequenz in Hertz ungefähr der Drehzahl in min⁻¹.
2. Auch die Amplitude steigt mit der Drehzahl, von wenigen hundert Millivolt beim Starten bis zu vielen Volt bei hoher Drehzahl.
3. Ein größerer Luftspalt macht das Signal kleiner. Beim Starten kann es dann für das Steuergerät zu schwach werden.
4. Bei vertauschten Anschlüssen steht das Signal auf dem Kopf. Das Steuergerät wertet dann die falsche Flanke aus.

Beide Sensoren messen Drehzahlen, unterscheiden sich aber grundlegend. Die Tabelle zeigt die Unterschiede, die in Werkstatt und Prüfung immer wieder gefragt werden.

Weil im induktiven Geber nur eine Spule steckt, lässt er sich mit einfachen Mitteln gut prüfen. Die Reihenfolge unten hat sich bewährt.

1. Fehlerspeicher und IstwerteZeigt das Diagnosegerät beim Starten eine Drehzahl an? Welcher Fehlercode ist abgelegt, und ist er aktuell oder sporadisch?
2. SichtprüfungSensorkopf auf Metallspäne und Beschädigung prüfen, Stecker auf Korrosion und Öl, Leitung auf Scheuerstellen. Metallabrieb haftet am Magneten und schwächt das Signal.
3. Spulenwiderstand messenStecker abziehen und zwischen den beiden Signalpins messen. Typisch sind einige hundert bis etwa 1.500 Ω, maßgeblich ist der Herstellerwert. Unendlich heißt Unterbrechung, nahe null heißt Windungsschluss.
4. Isolation gegen Masse prüfenVon jedem Pin gegen Gehäuse bzw. Fahrzeugmasse muss der Widerstand sehr hoch sein. Ein niedriger Wert deutet auf einen Masseschluss.
5. Signal messenMultimeter auf Wechselspannung, Motor starten lassen: Es sollte eine Wechselspannung angezeigt werden, die mit der Drehzahl steigt. Aussagekräftiger ist das Oszilloskop, das auch einzelne fehlende Zähne und die Lücke zeigt.
6. Luftspalt und Einbau prüfenSitzt der Sensor richtig und fest? Bei einstellbaren Sensoren den Luftspalt nach Herstellerangabe prüfen.

Fünf Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Das Induktionsgesetz

Für eine Spule mit N Windungen, die vom magnetischen Fluss Φ durchsetzt wird, gilt das Induktionsgesetz nach Faraday:

Beim Drehzahlgeber hängt der Fluss von der Stellung des Rades ab, also vom Drehwinkel φ. Über die Kettenregel lässt sich die Zeitableitung aufteilen:

Der magnetische Kreis

Warum ändert ein Zahn überhaupt den Fluss? Magnet, Kern, Luftspalt und Geberrad bilden einen magnetischen Kreis. Ähnlich wie beim ohmschen Gesetz gilt:

Eisen leitet das Feld mehrere tausendmal besser als Luft. Der magnetische Widerstand des Kreises wird deshalb fast nur von der Luftstrecke bestimmt. Steht ein Zahn vor dem Sensor, ist die Luftstrecke kurz und der Fluss groß. Steht eine Lücke davor, ist sie lang und der Fluss klein. Weil δ im Zähler steht, wirkt sich schon ein halber Millimeter mehr Luftspalt deutlich auf die Flussänderung und damit auf die Signalhöhe aus.

Frequenz des Signals

Die Amplitude des induktiven Signals ist keine feste Größe. Für Diagnose und Auslegung muss man die Einflussgrößen kennen.

Das Steuergerät muss aus einer Wechselspannung, deren Höhe zwischen einigen hundert Millivolt und vielen Volt schwankt, zuverlässig jeden einzelnen Zahn erkennen. Dafür nutzt es eine Auswerteschaltung mit mehreren Tricks.

Nulldurchgang als Zeitpunkt

Würde man den Zahn beim Überschreiten einer festen Spannung erkennen, verschöbe sich dieser Zeitpunkt mit der Amplitude: Bei großem Signal wird die Schwelle früher erreicht als bei kleinem. Der Nulldurchgang dagegen liegt immer an derselben Stelle, genau mittig vor dem Zahn. Deshalb dient er als exakter Zeitpunkt für die Winkelberechnung.

Schwelle zum Scharfschalten

Allein auf Nulldurchgänge zu achten wäre gefährlich, denn auch Rauschen kreuzt ständig die Nulllinie. Die Auswertung wird daher erst „scharfgeschaltet“, wenn das Signal eine Schwelle überschritten hat. Moderne Schaltungen führen diese Schwelle adaptiv nach, zum Beispiel als Bruchteil des letzten Spitzenwerts. So bleibt sie beim Starten niedrig genug für das kleine Signal und bei hoher Drehzahl hoch genug, um Störungen auszublenden.

Lückenerkennung

Das Steuergerät misst laufend die Zeit zwischen zwei Zähnen. An der Lücke des 60-2-Rads liegen zwischen zwei erkannten Nulldurchgängen drei Teilungen statt einer. Ist eine Periode etwa dreimal so lang wie die vorherige, ist die Lücke gefunden und die Winkelzählung wird synchronisiert.

Mehr als nur Drehzahl: Laufunruhe

Aus den Zeiten der einzelnen Zahnsegmente berechnet das Steuergerät die momentane Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle. Jeder Verbrennungstakt beschleunigt die Kurbelwelle kurz. Fällt eine Verbrennung aus, fehlt diese Beschleunigung, das Segment dauert messbar länger. So funktioniert die gesetzlich vorgeschriebene Aussetzererkennung der On-Board-Diagnose. Damit das klappt, lernt das Steuergerät kleine Fertigungstoleranzen des Geberrads im Schubbetrieb an.

Das Signal ist gerade beim Starten klein, während im Motorraum starke Störquellen arbeiten: Zündung, Einspritzventile, Generator und Starter. Die Leitungsführung ist deshalb Teil des Sensorsystems.

Differenzielle Auswertung

Beide Signalleitungen laufen bis ins Steuergerät, keine ist am Sensor mit Masse verbunden. Das Steuergerät wertet die Spannung zwischen den beiden Leitungen aus. Eine Störung, die auf beide Adern gleich einkoppelt, hebt sich dabei auf. Verdrillte Adern verstärken diesen Effekt.

Abschirmung

Viele Sensorleitungen sind zusätzlich von einem Schirm umgeben. Er wird in der Regel nur an einer Seite, meist am Steuergerät, auf Masse gelegt. Wäre er an beiden Enden mit Masse verbunden, könnte über den Schirm ein Ausgleichsstrom fließen, eine sogenannte Masseschleife, die selbst Störungen einkoppelt.

Polarität

Werden die Anschlüsse vertauscht, kehrt sich das Signal um. Das Steuergerät erkennt dann einen Nulldurchgang in die falsche Richtung, die Zahnerkennung verschiebt sich um etwa eine halbe Teilung, am 60-2-Rad also um rund 3° Kurbelwinkel. Je nach Steuergerät führt das zu verschobenen Zünd- und Einspritzzeitpunkten, zu Synchronisationsfehlern oder zu einem Motor, der nicht anspringt.

Mit Oszilloskop und Widerstandsmessung lassen sich die meisten Fehler eindeutig zuordnen. Die Übersicht verbindet Beobachtungen mit ihren wahrscheinlichen Ursachen.

Häufige OBD-II-Fehlercodes

P0335 bis P0339 betreffen den Kurbelwellen-Positionssensor A, zum Beispiel Stromkreis, Bereich oder Leistung und sporadisches Signal. P0016 und verwandte Codes beschreiben die Plausibilität zwischen Kurbel- und Nockenwelle. Auch Aussetzercodes (P0300 bis P0306) können auf ein gestörtes Kurbelwellensignal zurückgehen, weil die Aussetzererkennung auf der Segmentzeitmessung beruht.

Profitipps

• Signal immer auch direkt am Steuergerätestecker aufnehmen. Ist es dort gestört, am Sensor aber sauber, liegt der Fehler in der Leitung.
• Beim Startversuch messen, nicht nur im Leerlauf. Viele Fehler zeigen sich nur bei der kleinen Startamplitude.
• Kurbel- und Nockenwellensignal zweikanalig aufnehmen, um die Phasenlage zu prüfen.
• Nach dem Tausch von Kurbelwellengeber oder Geberrad die Anpassung der Geberradtoleranzen durchführen, falls der Hersteller das vorsieht. Sonst kann die Aussetzererkennung Fehlalarme auslösen.

Sechs Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau.