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markt.de-Fahrzeugteile-Lexikon

Geber

Glossar

Bezug zum Kraftfahrzeug

Messwert, Auswertung, Umwandlung physikalischer Größen
Verschiedene Systeme
Steuergerät, Direkte Beeinflussung eines Systems

 

Allgemeine Beschreibung

Als Geber werden in der Kratfahrzeugtechnik Bauteile bezeichnet, die Informationen jeglicher Art von einem Aktor zu einem Reaktor übergeben. Dabei ist es völlig unerheblich, ob es sich hierbei um elektrische oder mechanische Bauteile handelt.
In der Regel werden Geber dazu verwendet, um gesuchte Messgrößen an ein verarbeitendes Bauteil zu übergeben. Aber auch Kräfte können über ein Geber-Nehmerkonstrukt weitergegeben und über verschiedene Medien übertragen werden.
Unterschieden werden Geber grundsätzlich in zwei Hauptgruppen:

  • Mechanische Geber

    Mechanische Geber erfassen in der Regel keine Messwerte, sondern dienen der Kraftübertragung. So kann eine Federkraft über einen mechanischen Geber an ein hydraulisches System weitergegeben werden. Ein am anderen Ende befindlicher Nehmer kann die auf die Hydraulik wirkende Kraft wiederum an einen Hebel weitergeben.
    • Hydraulische Geber

      Ein Beispiel für einen hydraulischen Geber ist der Geberzylinder einer Kupplung. Hier wird über das Kupplungspedal Kraft auf den Kolben des Geberzylinders ausgeübt. Die Hydraulikflüssigkeit im System ist inkompressibel, so dass sich ein Druck entsprechend der ausgeübten Kraft aufbaut. Da das System bestrebt ist den Druck wieder auszugleichen kann am Ende der Hydraulikleitung der Kolben eines Nehmerzylinders den Druck wieder aufnehmen und die weitergeleitete Kraft an ein folgendes System weitergeben.
      So ist es möglich eine Kraftübertragung zu realisieren, die auch komplizierte Windungen überbrücken muss. Seilzüge haben hier den Nachteil, dass, ein Mindestradius eingehalten werden muss, der bei steigender Drahtstärke ebenfalls größer ist, durch den das Gesamtsystem an Größe zunähme.
      Starre Verbindungen über beispielsweise Zug- und Druckstangen haben den Nachteil, dass sie eine direkte Verbindung benötigen; Umlenkhebel vergrößerten das System, so dass eine Effektivität in solchen Fällen beinahe ausgeschlossen wäre.
  • Elektrische Geber

    Elektrische Geber nehmen eine physikalische Größe auf und geben sie an einen Reaktor weiter. Dies' kann in verschiedenen Weisen geschehen und je nach Verwendungszweck ein anderer Geber Verwendung finden.
    Generell können Positionen von mechanischen Bauteilen, Wechselspannungen, Widerstände, unterschiedliche Gleichspannungen oder Leitfähigkeiten ausgewertet werden.
    • Schalter

      Beispiele:
    • Impulsgeber

      Beispiele:
      • Kontaktloser Zündunterbrecher
      • Raddrehzahl
      • Kurbelwellenpositionsgeber
    • Hall-Geber

      Beispiele:
      • Kontaktloser Zündunterbrecher
      • Raddrehzahl
      • Kurbelwellenpositionsgeber
    • Reed-Kontakt

      Beispiele:
      • Drehzahlsensor
      • Türkontaktschalter
    • Potentiometer

      Beispiele:
      • Drosselklappenpotentiometer
      • Tankgeber
      • Gaspedalstellungserfassung
    • Temperaturabhängiger Geber

      Beispiele:
    • Leitfähigkeitsabhängiger Geber

      Beispiel:

 

 

Funktionsbeschreibung

Die im Kraftfahrzeugbereich als Geber bezeichneten Bauteile sind zumeist elektrische Bauteile, die einen Istzustand einer physikalisch messbaren Größe erfassen und an einen zunächst beliebigen Reaktor als elektrisches Signal weitergeben. In den meisten Fällen handelt es sich hierbei um auszuwertende Spannungen oder Widerstände, je nach Anwendungsfall. In speziellen Fällen kommt auch die Messung des Stroms zum Einsatz.
Das Funktionsprinzip der einzelnen Geberarten ist auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt, so dass sich in der Praxis eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten ergeben:

  • Schalter

    Schalter erfassen lediglich zwei Zustände; Ein und Aus. Dabei ist es völlig unerheblich mit welcher Geschwindigkeit der Schalter betätigt wird. Wichtig ist die eindeutige Zustandsbeschreibung. Daher sind Schalter mitunter sehr einfach aufgebaut und bedingen keine komplizierte Elektronik für die Auswertung. In der Regel lassen sich auswertende Elemente mit wenigen diskreten Bauteilen aufbauen.
    Ist ein Schalter eingeschaltet kann Strom fließen, ist er ausgeschaltet kann kein Strom fließen. Das Fließen von Strom kann für viele verschiedene Zwecke als Steuersignal genutzt werden.

    Beispielsweise wird der Primärkreis einer Zündspule solange aufgeladen wie der Unterbrecherkontakt geschlossen ist. Durch Drehung des Zündverteilers fährt der Nocken der Verteilerwelle an einer festgelegten Position an dem Unterbrecherkontakt vorbei und öffnet diesen. Durch das Öffnen wird der Strom ausgeschaltet, das Magnetfeld bricht zusammen und es resultiert durch die Induktion ein Zündfunke. Hierbei ist es unwichtig mit welcher Geschwindigkeit der Unterbrecherkontakt bewegt wurde. Entscheidend ist das Betätigen selbst.

  • Impulsgeber

    Impulsgeber waren die erste im Kraftfahrzeugbereich eingesetzte Möglichkeit kontaktlose Schaltungen zu realisieren. Hierzu bedient man sich eines Magnetfeldes; mindestens ein kleiner Dauermagnet wird an einer Spule vorbeigeführt. Durch die Bewegung des Magnetfeldes entsteht in der Spule durch die Induktion eine Spannung, die messbar ist. Hierbei handelt es sich um eine Wechselspannung, deren Nulldurchgänge in der Praxis die entsprechenden Schaltpunkte sind.
    Aufgebaut ist ein Impulsgeber durch einen kleinen Dauermagneten, der auf dem rotierenden Element angebracht ist, und einer elektrischen Spule, die gegenüberliegend an einem feststehenden Gegenstück montiert ist. Bewegt sich nun der Rotor und passiert der Dauermagnet die feststehende Spule, wird eine Spannung in der Spule induziert, die von einer Elektronik gemessen und somit ausgewertet werden kann.
    Bei diesem System handelt es sich um ein auf die Geschwindigkeit des Vorbeiführens des Magneten Angewiesenes. Je schneller der Magnet an der Spule vorbeigeführt wird, desto größer ist auch die messbare Amplitude, also die messbare Spannung. Da die meisten Systeme in einem Kraftfahrzeug mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten funktionieren müssen, darf hier der Amplitudenausschlag nicht maßgeblich für die Auswertung des Signals sein. Um diese Problematik zu umgehen, wird als Referenz die neutrale Spannung gegen die Fahrzeugmasse genommen, d.h. also der Wechsel von negativer zu positiver Spannung oder umgekehrt. Immer wenn die Nulllinie von der Spannung gekreuzt wird, registriert das Schaltgerät einen Steuerimpuls.
    Dieses System ist abhängig von der Systemgeschwindigkeit. D.h. wenn der Magnet nur sehr langsam an der Spule vorbeigeführt wird, kann es sein, dass die Geschwindigkeit nicht ausreichend ist, um eine genügend hohe Wechselspannung zu induzieren, um ein verwertbares Signal zu liefern. Hier liegen entscheidende Nachteile dieses Gebertyps.

    Beispielsweise rotiert die Welle des Zündverteilers in dem Zündverteilergehäuse. Auf der Welle ist eine Art Halterung aufgebracht, die nach außen zeigend gleichmäßig verteilt einen Dauermagneten für jeden Zylinder trägt. Auf der Gehäuseseite befinden sich für jeden Dauermagneten elektische Spulen, ebenso gleichmäßig verteilt. Durch die Drehung der Verteilerwelle induzieren die Dauermagneten eine Wechselspannung in den Spulen, die von dem angeschlossenen Schaltgerät gemessen und ausgewertet werden kann. Geht die Wechselspannung von negativen in positives Potential über, ist das der Zündimpuls.

  • Hall-Geber

    Ein Hall-Geber widmet sich dem Problem, dass sich durch die Verwendung von Impulsgebern ergeben hat. Bei den Impulsgebern ist die Geschwindigkeit des Vorbeiführens des Dauermagneten eine problematische Stelle im System, da die Größe der verwertbaren Signalamplitude von der Geschwindigkeit abhängig ist. Die Idee des Hall-Gebers ist es immer ein Signal zu liefern, das eine stets konstante Amplitudengröße aufweist. Ein Hall-Geber ist so konstruiert, dass er darüber hinaus ein Magnetfeld erkennen kann, auch wenn Stator und Rotor zueinander die Geschwindigkeit 0m/s haben.
    Ein Hall-Geber liefert als Ausgangsspannung immer eine rechteckig geformte Gleichspannung. In der Messtechnik wird dieses Rechtecksignal als ein „echtes“ Rechtecksignal angenommen. Dadurch lässt es sich auch einfach als digitales Signal weiterverarbeiten, da die Signalkurve in der idealisierten Betrachtungsweise nur die Zustände EIN oder AUS kennt. Der Hall-Geber hat im Automobilbau den Impulsgeber gänzlich abgelöst, da jede Anwendung des Impulsgebers auch mit Hilfe eines Hall-Gebers möglich ist. Der Hall-Geber liefert allerdings für die immer mehr digitalisierten Systeme im Kraftfahrzeug qualitativ höher wertige Signale, die keinen Grenzbereich zwischen verwertbar und nicht verwertbar aufweisen. Der erhöhte Kostenaufwand für einen Hall-Geber kann durch den vermehrten Einsatz und somit die erhöhte Nachfrage kompensiert werden. Auch ist kein aufwendig geformtes Inkrementenrad mehr notwendig, da die verwendete Blende nur Aussparungen bzw. Schlitze benötigt.

    Beispielsweise wird ein Hall-Geber als Raddrehzahlsensor für Electronic-Stability-Control (ESP)-Systeme verwendet. Bereits äußerst langsame Fahrten können nun registriert werden und der Hall-Geber liefert ein eindeutig digitalähnliches Signal an die beteiligten Steuergeräte .

  • Reed-Kontakt

    Ein Reed-Kontakt ist letzten Endes nicht anderes als ein besonderer Schalter. Auch er kennt nur die Zustände EIN und AUS. Die Besonderheit liegt in der Konstruktion dieses Schalters. In der Regel handelt es sich um zwei Metall- bzw. Schaltzungen, die zunächst gegenüberliegend voneinander getrennt in einem Vakuumbehälter oder einem mit Schutzgas gefüllten Behälter angeordnet sind. Geschaltet wird der Reed-Kontakt mit Hilfe eines von außen einwirkenden Magnetfeldes. Ist die Feldstärke des Magnetfeldes groß genug, ziehen sich die beiden Kontaktzungen zusammen und schließen den Kontakt.
    Der Reed-Kontakt ist ursprünglich eine Erfindung aus der Kommuikationstechnik und findet in Kraftfahrzeugen keine große Bedeutung. Allerdings ist die Schaltung von äußerst kleinen Signalspannungen und -strömen möglich.
    Die relativ teure Herstellung macht den Reed-Kontakt darüber hinaus für die Automobilindustrie unattraktiv, zumals sich heute mit entsprechenden Hall-Gebern ähnliche Ereignisse erzielen lassen, die allerdings weitaus höhere Frequenzen schalten können, da der Reed-Kontakt durch die mechanische Belastung der Schaltzungen eine konstruktive Grenze hat.
    Reed-Kontakte haben den Vorteil, dass sie auch Barrieren, wie zum Beispiel eine konstruktive Verstrebung, überwinden können.

    Beipsielsweise werden Reed-Kontakte in den Raddrehzahlgebern für Fahrradcomputer eingesetzt, da, zumindest bei älteren Modellen eine permanente Verbindung zwischen Felge und Gabel nicht möglich ist, so wie es für einen Impulsgeber oder Hall-Geber notwendig wäre. Der Reed-Kontakt befindet sich hierbei an der Gabel und ein kleiner Dauermagnet an der Felge. Bei jedem Vorkommen des Magneten wird der Kontakt kurz geschlossen und ein verwertbares Signal gelangt zum Computer, der aus der Schaltkontakte pro Zeit die Geschwindigkeit ermittelt.

  • Potentiometer

    Ein Potentiometer ist ein elektrischer Widerstand, der sich von außen verändern lässt. In der Regel sind Potentiometer mit einem Eingriff als Schieber- oder Drehregler ausgeführt. In Kraftfahrzeugen kommt die Variante des Drehreglers am häufigsten vor.
    Aufgebaut ist ein Potentiometer aus einem Widerstandsmaterial, das einen festen, nicht veränderbaren Widerstand zwischen den beiden Endkontakten hat. Zwischen den beiden Endkontakten greift nun ein dritter Kontakt direkt auf das Widerstandsmaterial, so dass der Widerstand in jeweils zwei Teile geteilt wird, deren Summe dem Gesamtwiderstand entsprechen. Durch den Schleifer ist nun ein veränderbarer Widerstand realisiert, dessen Größe als Messgröße des Gebers verwendet werden kann.

    Beispielsweise ist ein Potentiometer an der Welle der Drosselklappe angebracht. Durch die Veränderung der Stellung der Drosselklappe, also durch die Drehung der Welle, wird der Widerstand des Potentiometers verändert, wodurch dem Motorsteuergerät ein Wert übergeben werden kann, der jeweils einer bestimmten Stellung der Drosselklappe entspricht.

  • Temperaturabhängiger Geber

    Temperaturabhängige Geber sind Widerstände, die in Abhängigkeit zur Temperatur ihren Widerstand verändern. Ähnlich wie bei einem Potentiometer kann dieser Widerstandswert einem Steuergerät übergeben und dort weiter verarbeitet werden. In der Praxis gibt es zwei verschiedene Arten dieser Widerstände:

    • Je größer die Temperatur desto geringer der Widerstand (NTC)
    • Je geringer die Temperatur desto geringer der Widerstand (PTC)
    Sogenannte PTCs werden in der Kraftfahrzeugtechnik so gut wie gar nicht verwendet.
    Große Anwendung finden NTCs. Problematisch an deren Handhabung ist die Nicht-Linearität, so dass letzten Endes mit ungefähren Werten oder für jeden einzelnen NTC programmierten Datenbanken gearbeitet werden muss. Eine näherungsweise, aber dennoch sehr genaue Berechnung der Verlaufskurve ist jedoch auch möglich.

     

    Beispielsweise ist der Kühlmitteltemperatursensor in einem Kraftfahrzeug als NTC ausgeführt. Erwärmt sich das Kühlmittel sinkt der elektrische Widerstand des NTCs. Das Steuergerät kann den sich ändernden Widerstand als Messwert auswerten und weiterführende Operationen ausführen.

  • Leitfähigkeitsabhängiger Geber

    Bei leitfähigkeitsabhängigen Gebern geht es darum, die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes zu ermitteln, um daraus wiederum weitere Rückschlüsse ziehen zu können. Letzten Endes handelt es sich bei der Auswertung des anliegenden Messsignals um eine Spannungs- oder Widerstandsmessung des Steuergeräts.

    Beispielsweise werden leitfähigkeitsabhängige Sensoren im Bereich der Lambdasonden eingesetzt. Hier wird das Abgas auf der einen Seite einer Membran vorbeigeführt, wobei die Umgebungsluft als Referenz dient und auf der anderen Seite der Membran vorgehalten wird. Je nachdem ob sich mehr oder weniger Sauerstoff im Abgas befindet, werden mehr oder weniger Elektronen von den Platinelektroden geliefert und ionisieren die negativ geladenen durch die Zirkoniumkeramik hindurchdiffundierten Sauerstoffatome. Durch diesen Vorgang lässt sich eine Spannung an den Platinelektroden abnehmen, die als Messwert an ein Steuergerät weitergeleitet und dort verarbeitet werden kann.

 
 
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