Tachowagen zur Geschwindigkeitsmessung

Als Kinder haben wir die Eisenbahn immer volle Pulle fahren lassen - alles, was der Trafo hergab. Und bei den damals üblichen engen Bogenradien sauste der Zug dann also immer mit umgerechnet rund 400 km/h um den Tellerrand...
Wer es etwas realistischer haben möchte, beschränkt die Geschwindigkeit der Lokomotiven auf ein realistisches Maß. Doch dazu muss man erst mal wissen, welche Fahrregler-Einstellung welcher maßstäblichen Geschwindigkeit entsprechen würde.
Moderne digitale Systeme ab einer gehobenen Preisklasse nehmen diese Arbeit ab. Aber es schadet auch da nicht, es selbst zu überprüfen und einem System nie einfach blind zu vertrauen . Außerdem gibt es ja auch noch Leute, die analog fahren.
Sicher braucht man einen Tachowagen sehr selten. Daher wollten wir unseren gleich so bauen, dass er auf allen möglichen Anlagen bei Verwandschaft und Bakanntschaft eingesetzt werden kann, sprich dass er auf verschiedensten (H0-)Anlagen, sowohl auf Mittelleitersystemen (Märklin) als auch Zweigleisleitersystemen läuft.

Vorüberlegungen

Ein Tachowagen, also ein Waggon, der die Geschwindigkeit misst und anzeigt, wird unter anderem von Fleischmann und Märklin angeboten. Der von Fleischmann (Artikel 5555) sieht jedoch aus wie Füße, und der von Märklin (Artikel 49960) ist deutlich zu teuer, zumal er ggf. noch auf isolierte Achsen umgerüstet werden muss.





Also gilt es mal wieder, etwas Eigenes zu bauen .

Funktionsprinzip des Fahrradtachos

Der übliche Fahrradtacho erhält sein Signal sehr simpel. An einer Speiche des Fahrradreifens wird ein Magnet befestigt. Einmal pro Umdrehung kommt der Magnet einem an der Fahrradgabel befestigten Reed-Relais sehr nahe, also einem Schalter, der einen elektrischen Kontakt schließt, wenn er sich in einem starken Magnetfeld befindet. Typischerweise muss ein in solchen Fällen verwendeter Magnet weniger als 5mm entfernt sein, damit das Relais schaltet.
Das Reed-Relais besteht aus einem Glaszylinder, an dessen Enden zwei Drähte herausgeführt sind. Diese werden einfach mit den beiden Kontakten des Tachos verbunden. Der Magnet liegt mit seiner Ausrichtung (vom Nord- zum Südpol) parallel zum Reed-Relais. Nähert sich der Magnet den Kontakten, so magnetisiert er sie, und sie ziehen sich an, so dass sie sich berühren und den elektrischen Kreis schließen.
Ein Microcontroller wertet die Impulse aus: jeder Impuls bedeutet eine Umdrehung des Reifens. Wenn dem Microcontroller der Umfang des Reifens vorher eingegeben wurde, entspricht jeder Impuls diesem Umfang als auf der Straße zurückgelegte Strecke. Intern hat der Tacho zusätzlich eine Uhr, so dass er aus der zurückgelegten Strecke pro Zeit die Geschwindigkeit errechnen kann.

Planung und Materialbeschaffung

Die erste Entscheidung ist: soll der komplette Aufbau in den Wagen eingebaut werden oder der Anwender das Display in der Hand halten können. Letzteres ist sicher die bequemere Variante und prinzipiell kein Problem, da es sich um ein für elektronische Datenübertragung komfortabel langsames digitales Signal handelt.
Anbieten würde sich entweder die Übertragung über die Schienen. Dann wird es schwierig, den Tachowagen so zu bauen, dass er auf beliebigen Anlagen eingesetzt werden kann. Oder der Impuls wird per FM-Funksignal übertragen. Ein dafür erforderliches Sende- und dazu passendes Empfangsmodul kann fertig gekauft werden und bewegt sich preislich im zweistelligen Euro-Bereich.



Jedoch ist für eine sichere Signalübertragung erforderlich, das langsame Signal in einem Taktsignal einzubetten, das eine Repetitionsrate von mindestens 50Hz hat. Nur dann kann der Empfänger zuverlässig darauf einrasten. Das Signal vom Reed-Relais käme so selten, dass Störsignale zu leicht dazwischenfunken (je nach örtlichen Gegebenheiten).
Der Kauf eines drahtlosen Tachos war für uns keine wirkliche Alternative, da die Reichweite in der Größenordnung von einem Meter liegt. Wem das reicht, kann es damit versuchen.

Beide Lösungen (Signalübertragung via Schiene oder per Funk) erfordern also einige weitere Überlegungen, für die wir in diesem Projekt keine Zeit hatten. Wir mussten aus akutem Anlass von der Planung über das Beschaffen bis zur Einsatzbereitschaft innerhalb zweier Wochen fertig werden - und wir haben ja noch einen normalen Beruf nebenbei . Für eine nächste Version würden wir aber sicher eine Variante mit Fernübertragung machen.

Modellwaggon wählen

Als nächsten Schritt suchten wir einen geeigneten Wagen. Da der Tachowagen sehr selten gebraucht wird, soll er unauffällig aussehen, so dass er die meiste Zeit als "normaler" Waggon in einem der Güterzüge mitfahren kann. Märklin bietet seit Ewigkeiten die Teleskophaubenwagen in einer Form an, dass sie tatsächlich geöffnet werden können. Bei den anderen Anbietern handelt es sich fast immer um fixierte Attrappen ohne Innenleben oder um sehr teure Funktionsmodelle.
Die Wahl fiel für uns auf den dunkelblauen Märklin-Magazin-Wagen von 1992. Der Wagen ist heute (fast 20 Jahre später) gebraucht preiswert zu bekommen und aus robustem Plastik, so dass beim Bearbeiten wenig Gefahr besteht, etwas abzubrechen. Außerdem mögen wir die Teleskophaubenwagen in poppigen Farben ohnehin lieber als die bräh-braunen der Epoche III.







An die zweite Achse von vorne haben wir schon mal testweise den Magneten geheftet. Dank der Ausbuchtung im Plastik läuft der Magnet völlig frei und problemlos. Das Fahrwerk dieses Wagens ist wirklich wie gemacht für den Umbau. Die schwarze Stange hinten eignet sich hervorragend, um daran das Reed-Relais zu befestigen. Und der blaue Klipp, auf den das schwarze Fahrwerk aufgesteckt ist, ist innen hohl, so dass hier das Kabel ins Innere das Wagens geführt werden kann.

Weitere Vorteile des Wagens sind die bereits vorhandenen Kurzkupplungen samt Kulisse. Dank der NEM-Schächte kann auch auf andere Kupplungstypen getauscht werden.
Und schließlich ist das Verbauen des Tachos im Inneren eines Wagens ein doppelter Vorteil: es sieht nicht nur besser aus, wenn der Tacho bei Nichtbenutzen unter der Haube verschwindet, sondern der ganze Wagen, selbst mit angebautem Tacho passt wieder in die Originalverpackung (praktisch, da wir den Wagen ja zu verschiedenen Anlagen schleppen werden).

Fahrradtacho wählen

Als nächstes geht es in den Fahrradladen unseres Vertrauens zum Kauf eines Fahrradtachos. Der Fahrradtacho reagiert wie gesagt auf einen Impuls, der pro Umdrehung des Reifens einmal ausgelöst wird. Da ein Fahrradreifen änlich groß ist wie das Rad eines echten Waggons, wird der Tacho am Modell direkt die Geschwindigkeit anzeigen, die der Wagen maßstäblich in Originalgröße haben würde.
Beim Kauf des Tachos ist aber auf drei Dinge zu achten (abgesehen von Vorlieben, was der Tacho noch alles an Durchschnittsgeschwindigkeit, Tagesspitzengeschwindigkeit, etc. errechnen können soll):

• Der Tacho soll insgesamt möglichst klein sein, während die Anzeige der Geschwindigkeit möglichst groß sein soll.
• Der Tacho soll eine Maximalgeschwindigkeit von 199 km/h anzeigen können (viele gehen nur bis 99 km/h). 199 km/h ist zwar für einen ICE auch noch nicht ausreichend, aber wir persönlich haben eh keine Strecke, auf der der ICE voll ausgefahren werden könnte .
• Je nach verwendetem Modellwagen muss der Reifenumfang, den man beim Tacho eingeben kann, 3999mm betragen (viele gehen nur bis 2999mm).

Umbau

Zerlegen des Tachos

Jetzt geht es dem Tacho an den Kragen. Zunächst wird die Batterie aus dem Fach geholt. Wir haben uns entschlossen, sie im Wagen weiterzuverwenden. Man könnte sich die Betriebsspannung auch vom Gleis holen, aber lohnt der Aufwand? So eine Batterie hält gewöhnlich weit mehr als zwei Jahre in einem Fahrradtacho.
In diesem Fall handelte es sich um eine Batterie des Typs CR 2032. Das wird noch mal wichtig, wenn wir einen Batteriehalter dafür bestellen wollen.



Mit einer Kleinbohrmaschine und eingespanntem Kreissägeblatt kann das Gehäuse vorsichtig an den Kanten zerschnitten und dann mit einer Zange weggebrochen werden. Übrig bleibt die Platine mit dem daraufgeschraubten Display.



Der schwarze Rahmen des Displays ist mit vier kleinen Schrauben an die Platine geschraubt. Der Rahmen macht das Ding zwar größer, aber er kann nicht ohne Probleme entfernt werden, da er das Display bzw. dessen elektrische Kontakte gegen die Platine drückt.




Auf der Rückseite zwacken wir mit einem Seitenschneider die vier Federkontakte ab. Dann entfernen wir mit einem Lötkolben und Entlötlitze den blauen Taster unten an der Stirnseite des Tachos.

Zerlegen des Wagens

Zunächst wird der Wagen entkernt.



Die Platte mit den Mulden ist eingeklippt und lässt sich einfach herausziehen. Die Papierrollen brauchen wir auch nicht mehr - obwohl: man könnte ja auch noch irgendwo auf der Anlage eine Großdruckerei platzieren ? Na, mal schau'n...

Das Fahrwerk ist erfreulich simpel aufgebaut und macht unser Vorhaben einfach. Alle Teile lassen sich mit schlichten Handgriffen abnehmen.



Die beiden kleinen Spannfedern für die Kurzkupplungskulisse, die sich bei Kurvenfahrten in den dreieckigen Ausschnitten gewegen, sind im oberen Foto nicht mit abgebildet. Wir müssen sie erst mal auf unserem Flokati wiederfinden .
Da unser Tachowagen nicht nur auf Mittelleitersystemen (Märklin) funktionieren soll, tauschen wir die Achsen erst mal gegen isolierte. Bei unserem Modell sind das Radsätze mit Spitzenlagern (im Gegensatz zu Zapfenlagern), einer Achslänge von 24,6mm und einem Laufkranzdurchmesser von 10,4mm. Da unsere Zielgruppen komplett Schienen mit 2,1mm Höhe oder mehr haben, verwenden wir Radsätze mit einer Spurkranzhöhe von 1mm. So eine Standard-Tauschachse ist bei vielen Anbietern für deutlich unter einem Euro zu bekommen.

Sehen wir uns das Innere des Wagens an. Was müssen wir hier noch tun, damit der Tacho auch unter die Haube kommt?
Die drei Hauben laufen auf T-Schienen aus Plastik. Alle drei Hauben können auf der vollen Länge verschoben werden. Jede Haube ist an allen vier Ecken auf die T-Schienen geklippt und kann nach oben davon abgezogen werden, ohne dass die Führungen abbrechen. Ansich ist das gar nicht nötig, um den Wagen zu bearbeiten, aber wenn Plastikspäne dazwischen geraten, muss zur Reinigung doch die Haube entfernt werden.
Die Schienen sind leicht geschmiert. Diese Schmierung sollte auch nicht entfernt werden bzw. hinterher wieder ergänzt, da die Hauben dadurch gut gleiten.

Bearbeiten des Wagens

Passt der Tacho überhaupt unter die Haube? Nur, wenn wir von den Schienen einen Teil entfernen.
Wir wollen den Tacho unter die größte Haube montieren. Die äußere Schiene muss demzufolge auf der vollen Länge erhalten bleiben (Vorsicht bei den weiteren Arbeiten - das Profil der Schiene soll nicht durch Werkzeugschäfte beschädigt werden, weil sonst die Haube nicht mehr leichtgängig gleitet).
Die inneren beiden Schienen bestehen aus einem extra Spritzling, der in die Grundplatte eingelassen ist. An mehreren Stellen ragen Pins in die Grundplatte, und leider ist der Spritzling zusätzlich mit der Grundplatte an den Pins verklebt. Hier müssen wir recht beherzt zur Sache gehen.
Mit einem Skalpell oder schmalen Cutter ritzen wir zunächst an der Grundplatte so lange von innen in die Seite ein, bis wir die schmale Wand entfernen können. Jetzt liegt der Spritzling der beiden inneren Schienen seitlich offen, und wir können mit einem schmalen Schraubendreher vorsichtig hebeln, bis der Spritzling an den Verklebungen von der Grundplatte wegbricht.
Vorher sollten wir noch den Spritzling dort durchtrennen, wo wir die beiden inneren Schienen erhalten wollen. Das ist grob gesagt dort, wo die mittlere Haube bei geschlossenem Zustand endet. Besser ist, etwas mehr Schiene stehenzulassen, aber viel mehr geht nicht, weil der Tacho sehr breit ist. Also erst mal den Tacho vermessen:





Fertig sieht das ganze dann wie im folgenden Foto aus. Die erste Passprobe des Tachos zeigt: in der Breite sind ca. 3mm Platz, viel Spiel hat man also nicht, damit der Tacho reingeht und trotzdem die mittlere Haube auf der Schiene in ihre Position rutschen kann. In der Höhe passt der Tacho gerade so eben in gekippter Lage. Wenn die Rundung oben an der Platine noch etwas weggefeilt wird, sind hier vielleicht 2mm Spiel unter der großen Haube.

Zusammenfügen

Zunächst wird der Sockel für den Tacho verklebt. Wir haben uns für eine abnehmbare Konstruktion mit Stiftsteckern/-buchsen entschieden, weil wir uns überlegt haben, so kann man den Tacho später um 180° drehen, wenn man ihn von der anderen Seite betreiben/ablesen will. Dazu im Fazit unten mehr.
Der Sockel soll möglichst tief liegen, damit der Tacho oben schräg eingebaut werden kann. Aber der Sockel muss ca. 1mm Abstand zur Bodenplatte haben, damit er die Mechanik der Kurzkupplungskulisse nicht behindert. Wir haben zwei Stücke eines Zahnstochers unterlegt und dann den fertig verlöteten Sockel an die Grundplatte geklebt.





Die beiden braunen Kabel für das Reed-Relais sind schon einmal durch den Zapfen am gegenüberliegenden Fahrzeugende herausgeführt.

Überhaupt haben wir bisher ein bisschen unterschlagen, was an Elektronik verkabelt werden muss. Konkret sind das nur vier Paare:

• die Verbindung zum Reed-Relais - haben wir mit braunem Kabel gemacht;
• die Spannungsversorgung durch die Batterie - haben wir mit einem roten und schwarzen Kabel gemacht;
• die Verbindung zum Bedienknopf - haben wir mit einem grauen Kabel gemacht;
• die Verbindung zum Reset-Knopf - haben wir mit einem weissen Kabel gemacht.

Im letzten Schritt müssen wir noch den Signalgeber, also das Reed-Relais und den Magneten anbauen.
Der Magnet kommt an die Achse. Zwar sind unsere Tauschachsen aus Messing und somit unmagnetisch. Aber sie sind vernickelt, also haftet der Magnet schon mal selbst, wenn auch nicht sehr stark.
Wie im Abschnitt über das Funktionsprinzip des Fahrradtachos bereits beschrieben sollte der Magnet parallel zum Relais und zur Achse ausgerichtet werden. Wenn man den Magneten einfach an die Achse haften lässt, richtet er sich aber so aus, dass entweder Nord- oder Südpol zur Achse weisen. Der Magnet muss also gegen seine Tendenz befestigt werden.

Unser Magnet (ein Quader mit 2mm Kantenlänge) ragt bei der Rotation nicht nennenswert nach unten in den Gleisbereich. Wer größere Magnete verwenden will, sollte ein Auge darauf halten, dass der Magnet nicht so weit herausragt, dass er an Weichen etc. mit dem Schienensystem kollidiert (insbesondere bei Mittelleitersystemen mit den Punktkontakten ragen die PuKos an den Weichen besonders hoch). Das gleiche gilt beim Befestigen des Reed-Relais'. Wenn man es aber wie in unserem Foto zu sehen oberhalb der Fahrgestellstange befestigt, ist man in jedem Fall auf der sicheren Seite.



Den Abstand des Reed-Relais zum Magneten muss jeder experimentell ermitteln. In unserem Fall ist er minimal, d.h. der Magnet berührt gerade so eben nicht das Relais (Spiel der Achse beachten). Es kann aber sein, dass man einen größeren Abstand benötigt, denn wenn die Achse um 180° rotiert und damit der Abstand größer ist, kann das noch ausreichen, um das Relais zu schalten.
Es muss also ein Abstand ermittelt werden, der so gering ist, dass bei dichtester Position das Relais sicher schaltet, bei entferntester aber mit Sicherheit nicht. Beim Fahrrad ist das kein Problem, weil wir dort über mehr als 40cm Entfernung reden, aber bei der kleinen Modellwagenachse kann das schon schwierig sein.
Sowohl der Magnet als auch das Relais werden wieder mit Kleber fixiert, nachdem die Verbindungskabel an das Relais gelötet wurden.
Übrigens zieht der Magnet das Relais ja an, was es schwierig machen kann, das Relais in seiner Wunschposition zu verkleben. Wir sind so vorgegangen, dass wir zunächst den Magnet verklebt haben, dann das Relais ausgerichtet und mit einem dünnen Pappstreifen auf Abstand zum Magneten gehalten haben, und das Relais dann verklebten.

Testlauf und Fehlersuche

Nachdem nun alles zusammengebaut war, wollten wir auch das Ergebnis sehen. Und es geschah: nix . Der Tacho reagiert nicht auf die Bewegung des Wagens. Schnell wurde der Fehler gefunden. Auf der Rückseite der Platine gab es eine verdächtige Stelle, an der offensichtlich mal ein SMD-Bauteil saß, jetzt aber gähnende Leere herrschte. Was mag da gewesen sein. Gut, dass wir vorher Fotos der Platine gemacht hatten - schlecht, dass das Bauteil auch da schon fehlt...



Vermutlich wurde es weggerissen, als wir das Gehäuse drum herum zerschnitten und abgeknabbert haben.
Kurz die Platine angeschaut und nachgedacht, dann war klar, was da fehlte. Die beiden Kontakte zum Reed-Relais werden zunächst über je einen Widerstand geführt. Dieser schützt die dahinterliegenden Bauteile auf der Platine vor Überspannungen beim Aufstecken des Tachos auf die Halterung. Der Widerstand R1, der hier offensichtlich fehlt, wird also mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit ein 1kΩ-Widerstand wie R2 auch gewesen sein.



Einen 1kΩ-Widerstand hatten wir gerade nicht griffbereit. Aber da das Reed-Relais nichts weiter macht als einen Pull-down, spielt der Wert des Widerstandes keine große Rolle (auf Details gehen wir hier mal besser nicht ein, sonst wird dieser Text noch ähnlich lang wie "Krieg und Frieden"). Wir haben kurzerhand einen 100Ω-Widerstand aus unserer Grabbelbox eingelötet, und schon lief die Kiste .

Ergebnis und Nachbetrachtung

Der Wagen funktioniert einwandfrei. Das Umstecken des Tachos um 180° verwenden wir nie, da danach der Radumfang erneut eingegeben werden muss. Es ist viel einfacher, eben den ganzen Wagen zu drehen, wenn man von der anderen Seite ablesen muss. Daher haben wir auf der Rückseite des Tachos eine dünne Platte aus Kunststoff über die Kabel geklebt und schwarz angemalt. Dadurch sieht der Wagen total unauffällig im Güterzug aus, selbst wenn er offen von der Seite zu sehen ist.
Die Arbeit mit den zweireihigen Stiftleisten würden wir also nicht noch mal machen, das ist überflüssig.



Ach so, ja: der korrekte Radumfang muss ja noch eingegeben werden. Er wird bei diesem Tacho in Millimetern eingegeben. Mit einer Mikrometerschraube haben wir den Laufkranzdurchmesser nahe dem Spurkranz und an davon entferntester Stelle gemessen. Die beiden Messwerte betrugen 10,50mm und 10,30mm. Die Herstellerangabe von 10,4mm stimmt also gut.
Maßstäblich entspricht der Durchmesser 10,4mm·87=904,8mm. Dieser Durchmesser, multipliziert mit Faktor π ergibt einen Umfang von 904,8mm·π=2842,5mm.
Wir geben also in den Tacho einen Umfang von 2843mm ein. Weil die Batterie irgendwann alle sein wird und wir den Wert erneut eingeben müssen, kleben wir noch einen Merkzettel in den Wagen mit jener Zahl.



Die seitliche Werbeaufschrift haben wir mit Schleifpapier (1000er Körnung) entfernt. Das geht sicher auch anders, besser und ohne dass die Oberfläche dort matt wird, aber das war uns egal, da der Wagen irgendwann mal eh zusammen mit anderen gealtert wird. Dann wird man den Unterschied zwischen der mittleren und den beiden äußeren Hauben gar nicht mehr erkennen.
Vorerst haben wir nur ein paar vorhandene Details wie Griffstangen, Trittbretter, Hebel usw. mit ein bisschen Farbe hervorgehoben und das Fahrwerk verrosten lassen .