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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Scheibenwischersysteme
und genauer auf ein Scheibenwischersystem, das einen einzelnen Direktantriebsmotor
und eine Verbindung zur Steuerung der Scheibenwischer.
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Beim
Stand der Technik allgemein verwendete Scheibenwischersysteme weisen
schwenkbar angebrachte Wischerblätter
auf, die über
eine Windschutzscheibe zwischen einer Innenwischstellung, die sich
mit Bezug auf das Wischerblatt vor der Fahrerseite typischerweise
in der Nähe
des Windlaufs eines Kraftfahrzeugs befindet, und einer Außenwischstellung,
die üblicherweise
zu einer A-Säule
des Fahrzeugs hin weist, hin und her bewegt werden, wie dies in
diesem repräsentativen
Beispiel der Fall ist. Typischerweise ist es erwünscht, die Winkelgeschwindigkeit
der Wischerblattbaugruppen zwischen den Innen- und Außenwischstellungen,
zwischen denen die Wischerblattbaugruppe über die Windschutzscheibe vor
den Fahrzeugbenutzern bewegt wird, zu maximieren, um die Dauer jedes
Wischzyklus zu verringern. Andererseits ist es jedoch auch erwünscht, Störgeräusche und
Trägheitsbelastungen
zu begrenzen, indem die Geschwindigkeit der Wischerblattbaugruppen
verringert wird, wenn diese sich den Wischgrenzen annähern. Diese
sind zwei sich widersprechende Aufgaben, die gegeneinander ausgeglichen
werden müssen,
um erfolgreich und ökonomisch
bewerkstelligt werden zu können.
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Ein
beim Stand der Technik lange bestehender Entwurfsansatz beinhaltete
die Verwendung einer in einer Drehrichtung angetriebenen einzelnen Motorbaugruppe,
die wiederum zwei getrennte Wischerarme über die Windschutzscheibe eines
Fahrzeugs hinweg antreibt. Dieser Ansatz benötigt ein ziemlich komplexes
Verbindungssystem zur Umwandlung der singulären Winkelbewegung des Wischermotors
in die linear wechselseitige Zweiwege-Bewegung zum Antrieb der beiden
Wischerarme. In dem Bereich von Armaturenbrett und Feuerschutzwand,
in dem diese Systeme typischerweise installiert sind, erfordert
diese mechanische Verbindung eine große Menge an Platz unterhalb
der Haube. Darüber
hinaus muss der Bereich in der Nähe
der sich bewegenden Verbindung frei von Drähten und anderen Fahrzeugkomponenten
gehalten werden. Weiterhin unterliegt die sich bewegende Verbindung mit
ihren verschiedenen Schwenk- und Drehpunkten mechanischen Ungenauigkeiten
sowie Verschleiß, was
leicht zu einer übermäßigen Wischerbewegung führen kann.
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Nichtsdestotrotz
haben sich die Designer und Hersteller viele Jahre lang gesträubt, von
diesem etablierten Ansatz abzuweichen. Allerdings hat eine verbesserte
Fahrzeugaerodynamik, die Fahrzeugentwürfe mit länger abgeschrägten Stirnflächen gefördert hat,
zu Windschutzscheibenentwürfen
mit ausgeprägteren
Neigungswinkeln geführt,
die wiederum zu größeren Fensterflächen geführt haben. Ein
Wischersystem für
derartige Windschutzscheiben muss somit längere massivere Wischerarme
und Wischerblätter
aufweisen, um den notwendigen Prozentsatz der größeren Oberfläche abzuwischen.
Dies hat zu einer Anzahl von Problemen geführt. Insbesondere erhöhen die
längeren
Arme und die größere Wischoberfläche die
Größe von konventionellen
Wischersystemen bis zu einem solchen Ausmaß, dass es schwierig wird,
ein einzelnes Motorsystem in dem typischerweise dafür vorgesehenen
Platz unterhalb der Haube unterzubringen. Dieses Problem wird durch
die aerodynamisch geneigten Stirnflächen der neueren Fahrzeugentwürfe, die
den verfügbaren Platz
unterhalb der Haube verringern, weiter verschärft. Zusätzlich erfordert die von dem
Wischersystem abzuwischende größere Fläche eine
höhere Leistung
und Steuerbarkeit des Wischerarms, als dies durch ein Verbindungsgliedsystem
bewerkstelligt werden könnte.
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In
Ansprechen auf die Veränderungen
des Stirnflächenentwurfs
von Fahrzeugen und dem Verlust von verfügbarem Platz unterhalb der
Haube ist das Doppelmotor-Wischersystem entwickelt worden. Repräsentative
Beispiele für
solche Systeme finden sich in US-A-4 585 980, Gille et al.; US-A-4
665 488, Graham et al. US-A-4 900 995, Wainwright; und in US-A-5 252 897, Porter
et al.. Diese Wischersysteme werden im allgemeinen direktangetrieben.
Weiterhin wird in US-A-5 355 061, Forham, wie in weiteren darauf
folgenden Systemen ein bürstenloser
Gleichstrommotor zum Betreiben eines direktangetriebenen Scheibenwischersystems
verwendet. Die neueren direktangetriebenen Wischerblattsysteme,
die zwei Motoren benutzen, haben jeweils ein per Hard- und/oder
Software gesteuertes Schaltschema zur Steuerung jedes einzelnen
Motors mit Bezug auf den jeweils anderen verwendet, um eine Wischerblattsteuerung über die
Windschutzscheibe hinweg bereitzustellen und um einen Kontakt der
Wischerblätter
untereinander zu verhindern.
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Konventionelle
direktangetriebene Doppelwischersysteme verwenden Hochgeschwindigkeitsgleichstrommotoren.
Dies ist unerwünscht,
da diese hohe Gegendrehkräfte
erfordern, um den Wischerarm am Ende seines Wischvorgangs anzuhalten
und umzukehren. Ebenfalls sind große Stromaufnahmen notwendig,
um die Gegendrehkräfte
zu erzeugen, die wiederum sich wiederholende Stromstöße in der
zugeführten
Energie bewirken und den unmittelbar benachbarten Teilen des Fahrzeugs
größere elektromagnetische
Störbeeinflussungen
induzieren. Ebenfalls ist bei einem Hochgeschwindigkeitsgleichstrommotor die
Variierung der Wischerarmgeschwindigkeit bei einem Wischen über die
Windschutzscheibe problematisch, sollte dies als Teil eines Wischmusters
oder eines vorbestimmten Säuberungsschemas
erwünscht
sein. Diese Nachteile ergeben sich aus der konventionellen Konstruktion
von Direktantriebswischermotoren, die entweder einen Eins-zu-Eins-Direktantrieb
aufweisen oder über
eine ineffiziente Getriebebaugruppe verfügen, damit die Wischerarmgeschwindigkeit
von der Motorgeschwindigkeit abweichen kann. Daher besteht beim
Stand der Technik ein Bedarf nach einem Direktantriebsmotor für ein Scheibenwischersystem,
der effizient, bei einer niedrigeren Antriebsgeschwindigkeit steuerbar
und elektromagnetisch sauber ist.
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Ein
weiterer Nachteil von konventionellen Wischermotorsystemen hat sich
erst in jüngerer
Zeit gezeigt. Die konventionellen Direktantriebsscheibenwischersysteme
benutzen Gleichstrommotoren, die mit dem gewöhnlichen 12-Volt-Betriebsstandard
arbeiten. Dies ist zur Zeit zwar noch angemessen, aber heutige Entwurfstrends
gehen zu den effizienteren elektrischen Kraftfahrzeugsystemen mit
42 Volt hin. Der Wechsel zu elektrischen Kraftfahrzeugsystemen mit
42 Volt ist für
die vorgängigen
Direktantriebsdoppelwischersysteme äußerst problematisch und stellt einen
beträchtlichen
Nachteil dar, da die vorgängigen Systeme
nicht kompatibel sind. Somit besteht nicht nur ein Bedarf nach einer
Bereitstellung eines Doppelscheibenwischersystems, das die oben
erwähnten
Nachteile beseitigt, sondern auch nach einem System, das in dem
neu entstehenden elektrischen 42 Volt-Kraftfahrzeugsystem verwendet
werden kann.
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Weiterhin
besteht beim Stand der Technik ebenfalls ein Bedarf nach einem überlegenen
Gleichstromantriebsmotor, der in kleineren Fahrzeugapplikationen
mit kleineren Windschutzscheiben und Bereichen unter dem Windlauf
verwendet werden kann, wo der Platz begrenzt ist. Genauer besteht
beim Stand der Technik ein Bedarf nach einem einzelnen sich hin
und her bewegenden Gleichstromantriebsmotor des Typs, der die oben
erwähnten
Bedürfnisse erfüllt und
der mit einem einfachen und effizienten Wischerarm verwendet werden
kann, um die konventionelle sperrige Verbindung zu beseitigen, die
in den typischen Wischersystemen zusammen mit einem Drehmotor benutzt
wird. Daher besteht beim Stand der Technik nicht nur ein Bedarf
nach einem Direktantriebsmotor für
ein Scheibenwischersystem, der effizient, bei einer niedrigeren
Antriebsgeschwindigkeit steuerbar, elektromagnetisch sauber ist,
und der in der neu entstehenden elektrischen 42 Volt-Kraftfahrzeugsystemumgebung
verwendet werden kann, sondern es besteht beim Stand der Technik
auch ein Bedarf, dass ein derartiges System auf effiziente Weise
als ein einzelner Antriebsmotor in kleineren Wischersystemen verwendet
werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
und ihrer Vorteile
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Sämtliche
derzeit beim Stand der Technik bestehenden Nachteile, die oben erläutert wurden, werden
durch das Doppelscheibenwischersystem der vorliegenden Erfindung
beseitigt. Das Doppelscheibenwischersystem beinhaltet mindestens
einen bürstenlosen
Gleichstrommotor, der durch einen um die Längsachse des Motors drehbaren
Ausgang ein Antriebsmoment bereitstellt. Eine erste Scheibenwischerbaugruppe
mit einem ersten Wischerarm wird durch den Motor um die Längsachse
in einer wiederholten Wischbewegung über die Oberfläche einer Windschutzscheibe
hinweg angetrieben. Eine mit Abstand zu der ersten Scheibenwischerbaugruppe angeordnete
zweite Scheibenwischerbaugruppe verfügt über einen zweiten Wischerarm
und ist um eine zweite Längsachse
drehbar, um sich in einer wiederholten Wischbewegung über die
Oberfläche
der Windschutzscheibe hinweg zu bewegen. Ebenfalls ist ein Verbindungsarm
betätigbar
zwischen dem ersten und dem zweiten Wischerarm angeordnet, der dazu
ausgelegt ist, das von der ersten Scheibenwischerbaugruppe bereitgestellte
Antriebsmoment zu der zweiten Scheibenwischerbaugruppe zu übersetzen.
Der Motor beinhaltet einen Planetengetriebesatz mit einer Ausgangswelle.
Der Getriebesatz ist relativ zu dem Drehausgang und der Längsachse
des Motors koaxial angeordnet und verbindet das zu der ersten und
der zweiten Scheibenwischerbaugruppe zugeführte Antriebsmoment beweglich
miteinander. Weiterhin ist der Getriebesatz betätigbar, um die Geschwindigkeit
des Drehausgangs des Motors durch die Ausgangswelle des Getriebesatzes
zu reduzieren.
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Ein
Vorteil des Doppelscheibenwischersystems der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass es einen verbesserten bürstenlosen Direktantriebsgleichstrommotor
für die
koordinierte Steuerung der Scheibenwischer verwendet. Die vorliegende
Erfindung dient dazu, die Winkelgeschwindigkeit der Wischerblattbaugruppen
zwischen den Innen- und Außenwischstellungen
zu maximieren, wodurch die Dauer jedes Wischzyklus verringert wird,
während die
Störgeräusche und
Trägheitsbelastung
begrenzt werden, indem ein bürstenloser
Gleichstrommotor auf effektive Weise strukturiert und die Geschwindigkeit
der Wischerblattbaugruppen gesteuert wird, wenn sie sich ihren Wischgrenzen
annähern,
bei denen die Richtung der Wischerbaugruppen umgekehrt werden muss.
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Ein
weiterer Vorteil des Doppelscheibenwischersystems der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass die Wischgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit
der Wischerbaugruppen innerhalb des Wischzyklus gesteuert werden
können,
um den Zeitraum zu verringern, in dem sich die Wischerbaugruppen
in dem Fahrersichtfeld der Windschutzscheibe befinden, wodurch die
visuelle Störung
durch die Wischerbaugruppe verringert wird.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil des Doppelscheibenwischersystems der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass es die komplexen Verbindungsglieder beseitigt,
die beim Stand der Technik benutzt wurden, um eine einzelne Winkelbewegung
des Wischermotors in eine linear wechselseitige Zweiwege-Bewegung
umzuwandeln, die für
den Antrieb eines oder mehrerer Scheibenwischerarms/arme verwendet werden.
Daher benötigt
die vorliegende Erfindung eine kleinere räumliche Betriebsausdehnung
als beim Stand der Techniken verwendete Vorrichtungen.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
sie einen Positionssensor verwendet, der die Drehzahl und die Stellung
des Scheibenwischers erfasst und seine Positionsparameter auch im
Falle eines Energieverlusts nicht verliert.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie einen
Verriegelungsmechanismus benutzt, der den Motor und somit den Ausgang
des Motors in einer sich nicht drehenden Stellung absichert, wenn
der Motor ausgeschaltet ist.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
sie eine integrierte Steuerschaltung beinhaltet, die eine derartige
Positionserfassung bewerkstelligt, dass die Stellung des Wischerarms
unabhängig
von der Drehung und derart bekannt ist, dass die erfasste Stellung
des Arms auch während
eines Energie- oder Bewegungsverlusts nicht verloren geht.
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Noch
ein weiterer Vorteil des Scheibenwischersystems der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass es sowohl in einem elektrischen Standard-Kraftfahrzeugsystem
mit 12 Volt oder dem effizienteren System mit 42 Volt verwendet
werden kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, in
denen:
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1 eine
Aufbauansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eines Doppelscheibenwischersystems mit einem Direktantriebsmotor
ist;
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2 eine
auseinander gezogene Ansicht der Baugruppen ist, die den Motor der
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhalten;
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3 eine
Querschnittsansicht der Baugruppen ist, die den Motor der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhalten und die ihre physikalische
Beziehung zueinander darstellt;
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4 eine
auseinander gezogene Ansicht der Motorgehäusebaugruppe der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine
auseinander gezogene Ansicht der Rotorbaugruppe der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 eine
auseinander gezogene Ansicht der Getriebegehäusebaugruppe der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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7 eine
auseinander gezogene Ansicht des Elektronikgehäuses der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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7A eine
auseinander gezogene Detailansicht der Positionssensorbaugruppe
des Elektronikgehäuses
in der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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8 ein
Blockdiagramm der programmierbaren Steuerschaltung der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform(en)
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Nun
auf die Figuren Bezug nehmend, in denen gleiche Bezugszeichen zur
Kennzeichnung gleicher Strukturen über die Zeichnungen hinweg
verwendet werden, ist ein Doppelscheibenwischersystem der vorliegenden
Erfindung allgemein mit 10 gekennzeichnet. Wie in 1 dargestellt
beinhaltet das Doppelscheibenwischersystem 10 mindestens
einen Motor 12, der eine erste Scheibenwischerbaugruppe 14 drehbar
und direkt über
die Oberfläche
einer Windschutzscheibe 16 hinweg antreibt. Allgemein gesprochen
stellt der Motor 12 ein Antriebsmoment durch einen Ausgang
bereit, der um die Längsachse des
Motors 12 drehbar ist, sodass die erste Scheibenwischerbaugruppe 14 um
die gleiche Längsachse
in einer wiederholten Wischbewegung über die Oberfläche der
Windschutzscheibe 16 angetrieben wird. Weiterhin ist der
Motor 12 steuerbar, um in jeder Richtung gedreht zu werden,
wodurch der ersten Scheibenwischerbaugruppe 14 eine bidirektionale Drehung
verliehen wird. Das Doppelscheibenwischersystem 10 beinhaltet
zusätzlich
eine zweite Scheibenwischerbaugruppe 15, die mit Abstand
zu der ersten Scheibenwischerbaugruppe 14 vorgesehen und
auf einer zweiten Längsachse
zusammen mit der ersten Scheibenwischerbaugruppe 14 angeordnet
ist. Die zweite Scheibenwischerbaugruppe 15 ist dazu ausgelegt,
sich um die zweite Längsachse
in einer wiederholten Wischbewegung über die Oberfläche der
Windschutzscheibe 16 hinweg zu bewegen. Zu dieser Bewegung
ist die zweite Wischerbaugruppe 15 fest an einer Hauptwelle 25 montiert.
Die Hauptwelle 25 ist innerhalb einer Stützbasis 27 drehbar
gelagert, die derart an dem Fahrzeug angebracht ist, dass es die
wechselseitige Funktionsweise der Hauptwelle 25 bewirkt,
dass die zweite Scheibenwischerbaugruppe 15 die Windschutzscheibe 16 wischt.
Ebenfalls beinhaltet die erste Scheibenwischerbaugruppe 14 einen
ersten Wischerarm 29 und die zweite Scheibenwischerbaugruppe 15 beinhaltet einen
zweiten Wischerarm 31.
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Ein
Verbindungsarm 33 ist schwenkbar zwischen dem ersten und
dem zweiten Wischerarm 29 bzw. 31 angeordnet.
Genauer weist der erste Wischerarm 29 ein proximales Ende 35 und ein
distales Ende 37 auf. Das proximale Ende 35 ist
feststehend an der Ausgangswelle des Motors 12 angebracht (was
weiter unten beschrieben wird) und das distale Ende 37 ist
schwenkbar an einem Ende des Verbindungsarms 33 montiert.
Der zweite Wischerarm 31 weist auch ein proximales Ende 39 und
ein distales Ende 41 auf. Das proximale Ende 39 ist
feststehend an der Hauptwelle 25 der zweiten Wischerbaugruppe 15 angebracht
und das distale Ende 41 ist schwenkbar an dem gegenüberliegenden
Ende des Verbindungsarms 33 von dem ersten Wischerarm 29 montiert.
Auf diese Weise wird das Antriebsmoment, das der ersten Scheibenwischerbaugruppe 14 von
dem Motor 12 zugeführt
worden ist, derart zu der zweiten Scheibenwischerbaugruppe 15 übersetzt,
dass beide Scheibenwischerbaugruppen 14 und 15 die
Windschutzscheibe 16 wischen.
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Wie
am einfachsten in 2 ersichtlich beinhaltet der
Motor 12 weiterhin eine allgemein mit 20 gekennzeichnete
Motorbaugruppe, eine allgemein mit 22 gekennzeichnete Getriebesatzbaugruppe,
die an einem Ende der Motorbaugruppe 20 betätigbar abgestützt wird,
sowie eine allgemein mit 24 bezeichnete Elektronikbaugruppe,
die an der Motorbaugruppe 20 abgestützt wird, welche der Getriebesatzbaugruppe 22 gegenüberliegt.
Ebenfalls sollte sich verstehen, dass der Motor 12 ein
bürstenloser
Gleichstrommotor, ein geschalteter Reluktanzmotor oder ein Induktionsmotor
sein kann, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Aus Gründen der Erläuterung
wird der Motor in dieser Beschreibung allgemein als ein bürstenloser
Gleichstrommotor beschrieben werden, ohne sich jedoch darauf zu
begrenzen. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Getriebesatzbaugruppe 22 und
die Elektronikbaugruppe 24 wegen einer vereinfachten Konstruktion,
aus Gewichts-, Festigkeits- sowie aus Umweltgründen aus einer Kunststoffmaterialzusammensetzung
hergestellt, die durch ein Spritzgussverfahren ausgebildet wird.
Die Motorbaugruppe 20 wird aus einer Magnesiumlegierung
hergestellt, um Wärme
abzuführen
und elektromagnetische Störbeeinflussungen
zu dämpfen,
und sie kann durch ein Spritzgussverfahren ausgebildet werden. Für den Fachmann
versteht sich, dass eine Vielzahl von Materialien bei der Herstellung
dieser Teile erfolgreich verwendet werden kann.
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Wie
in den 3 und 4 dargestellt beinhaltet die
Motorbaugruppe 20 ein Gehäuse 21, das allgemein
becherförmig
ausgebildet ist und einen Stator 26 umschließt, der
innerhalb eines inneren Hohlraums 28 des Motorgehäuses 21 feststehend gestützt wird,
sowie eine Rotorbaugruppe 30, die in dem Motorgehäuse 21 drehbar
gestützt
und um den stationären
Stator 26 herum angeordnet ist. Der Stator 26 ist
in der Form eines Rings mit offenem Zentrum ausgebildet und wird über eine
hohle zylindrische zentrale Nabe 32 innerhalb des Motorgehäuses 20 angeordnet.
Der Stator 26 ist in einer bekannten Weise mit entweder
einer Mehrzahl von gestanzten aufeinander gestapelten Blechen 34 oder
einstückig aus
geformtem Pulvermetall aufgebaut. Der Stator 26 ist konventioneller
Weise bewickelt und hat eine Endplatte 36, die dazu ausgelegt
ist, die Enden der Drahtwicklungen leicht in der richtigen Position
zu halten, während
für die
Verbindung mit der Elektronikbaugruppe 24 eine Mehrzahl
von Verbindungspunkten 38 offeriert wird. Die Verbindungspunkte 38 der
Statorendplatte 36 sind durch Öffnungen 40 in der
Basis des Motorgehäuses 21 zugänglich.
Auch weist die zentrale Nabe 32 des Motorgehäuses 21 eine
Lageraufnahme 50 (4) auf,
die das Rotorlager 52 aufnimmt und hält (3). Das
Rotorlager 52 dient dazu, die Rotorbaugruppe 30 bei
ihrer Drehung abzustützen,
was nachstehend beschrieben werden wird.
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Wie
in den 3 und 5 dargestellt beinhaltet die
Rotorbaugruppe 30 ein Eisenstützring 60, einen Motormagnet 62,
der durch den Eisenstützring 60 abgestützt wird,
sowie eine Rotorkappe 64. Ein Sonnenrad 66 ist
an der Rotorkappe 64 montiert, was nachstehend ausführlicher
beschrieben werden wird. Der Eisenstützring 60 ist im Allgemeinen
als eine Hülse
mit einem Innenumfang 68 ausgeformt, auf den der Motormagnet 62 aufgebaut
wird. Wahlweise kann der Motormagnet 62 eingeklebt und
in den Eisenstützring 60 gepresst
werden. Somit sorgt der Eisenstützring 60 für eine feste
Abstützung
des Motormagneten 62. In der bevorzugten Ausführungsform
ist ein geformter Dauermagnet mit einer Zusammensetzung aus Nb-Fe-B
(Niobium, Eisen, und Bor) aus Festigkeits- und Haltbarkeitsgründen erwünscht. Ebenfalls ist
eine Massenproduktion der Nb-Fe-B-Verbindung leicht möglich und
die Verbindung erzeugt dichte kurze magnetische Feldlinien, die
ein Magnetfluss bewerkstelligen, das stärker als andere formbare magnetische
Verbindungen ist, was es ermöglicht,
dass der Magnet kleiner und leichter ausfallen kann. Allerdings
versteht sich für
den Fachmann, dass eine beliebige Zahl von magnetischen Verbindungen
oder dass auch nicht in Form hergestellte Magneten verwendet werden
können,
ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Die
scheibenförmige
Rotorkappe 64 ist fest an dem oberen Rand 72 des
Rotoreisenstützrings 60 montiert,
sodass die Rotorbaugruppe 30 eine Becherform ausbildet,
die durch das Motorgehäuse 21 aufgenommen
wird. Die Rotorkappe 64 hat eine zentrale Öffnung 74 und
eine Lagerfläche 76.
Die Lagerfläche 76 ist
an der Innenseite der Rotorkappe 64 angeordnet und wird
durch das Rotorlager 52, das innerhalb der zentralen Nabe 32 in
dem Motorgehäuse 21 angeordnet
ist, aufgenommen und tritt mit diesem in Eingriff. Die zentrale Öffnung 74 der
Rotorkappe 64 ist bei 78 keilverzahnt und dazu
ausgelegt, in Keilzahneingriff die Zähne 80 eines Sonnenrades 66 komplementär aufzunehmen.
Wahlweise kann das Sonnenrad 66 mit der Rotorkappe 64 unter
Verwendung jeder geeigneten Anordnung in Wirkverbindung verbunden
werden, die beim Stand der Technik bekannt ist. Ebenfalls verfügt das Sonnenrad 66 über eine
zentrale Öffnung 82 und
kann an einem Ende einen konischen Kopf 84 aufweisen.
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Wie
in den 3 und 6 dargestellt beinhaltet die
Getriebebaugruppe 22 ein Getriebegehäuse 23, das generell
becherförmig
ausgebildet istm und einen Planetengetriebesatz beinhaltet, der
allgemein mit 86 gekennzeichnet ist. Der Getriebesatz 86 ist
relativ zu dem Drehausgang der Rotorbaugruppe 30 koaxial
angeordnet und somit koaxial zu der Längsachse des Motors 12,
wobei er das Motorantriebsmoment und den Scheibenwischer 14 miteinander
verbindet. Mittels des Getriebesatzes 86 kann die Geschwindigkeit
des Drehausgangs des Motors 12 zu dem Scheibenwischer 14 durch
die Ausgangswelle 88 des Getriebesatzes 86 verringert
werden.
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In
der in diesen Figuren illustrierten bevorzugten Ausführungsform
beinhaltet der Getriebesatz 86 eine Ausgangswelle 88,
ein Hohlrad 90, einen Träger 92 und eine Mehrzahl
von Planetenrädern 94,
die durch den Träger 92 abgestützt werden.
Die Planetenräder 94 werden
innerhalb des aus zwei Teilen bestehenden Trägers 92 in einer Eingriffsbeziehung
mit dem Hohlrad 90 des Planetengetriebesatzes 86 und dem
Sonnenrad 66 der Rotorbaugruppe 30 gehalten. Das
Hohlrad 90 ist fest innerhalb des inneren Umfangs 96 des
Getriebegehäuses 22 angeordnet.
Die Ausgangswelle 88 weist ein Wischerende 98 und
ein Fühlerende 100 auf.
Das Fühlerende 100 bildet
einen vorbestimmten Durchmesser aus, der enger als das Wischerende 98 sein
kann.
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Das
Wischerende 98 der Ausgangswelle 88 erstreckt
sich durch eine zentrale Öffnung 102 des Getriebegehäuses 23 nach
außen.
Der freiliegende Bereich 104 des Wischerendes 98 ist
in einer Weise bearbeitet, dass das Ende des Scheibenwischers 14 aufgenommen
und gehalten wird. Für
den Fachmann sollte sich verstehen, dass der freiliegende Bereich des
Wischerendes 98 der Ausgangswelle 88 verzahnt
oder anderweitig verkeilt werden kann, um den Wischer 14 drehfest
zu sichern. Jedoch und wie im folgenden ausführlicher erläutert werden
wird, besteht keine Notwendigkeit zur Ausrichtung des Wischers 14 auf
eine bestimmte Winkelposition der Ausgangswelle 88, da
die "Park"-Stellung und die
unteren und oberen Wischgrenzen des Wischers 14 programmierbar
und per Software an dem Fahrzeug kalibriert werden können, wenn
das Doppelscheibenwischersystem 10 installiert worden ist.
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Wie
am besten in 3 ersichtlich hat die Ausgangswelle 88 auch
einen Trägergrenzflächenbereich 106,
der benachbart zu dem freiliegenden Bereich 104 liegt.
Der Trägergrenzflächenbereich 106 wird
durch eine hohle Zentralhülse 108 des
Trägers 92 aufgenommen
und ist mit dieser verbunden. Es sollte sich verstehen, dass der
Träger 92 durch Keile,
eine Keilnut, oder durch jede Vielzahl von Verbindungsverfahren
mit der Ausgangswelle 88 verbunden werden kann. Daher verfügt die zentrale Öffnung 102 des
Getriebegehäuses 23 über einen
Innendurchmesser, der ausreichend groß ist, um die kombinierte Trägerzentralhülse 108 und
die Ausgangswelle 88 aufzunehmen. Wie anhand der 3 und 6 ersichtlich
weisen eine Feder 110 und eine Federscheibe 112 einen
Innen- und einen Außendurchmesser
auf, der es ermöglicht,
dass sie von der zentralen Öffnung 102 des
Getriebegehäuses
aufgenommen werden, während
sie über
dem Wischerende 98 der Ausgangswelle über der Trägerzentralhülse 108 angeordnet
werden. Eine Pressnut 114 und eine Pressnutscheibe 116 sind
derart über
dem Wischerende 98 der Ausgangswelle 88 vorgesehen, dass
die Pressnutscheibe 116 rotierend auf der äußeren Endfläche 118 der
zentralen Öffnung 102 des Getriebegehäuses läuft, während eine
Pressvorspannkraft auf die Feder 110 und die Federscheibe 112 innerhalb
der zentralen Öffnung 102 des
Getriebegehäuses
gegen das Ende der Trägerzentralhülse 108 ausgeübt wird.
Die Pressnut 114 dient dazu, mit der Ausgangswelle 88 und
der Pressnutscheibe 116 schließend in Eingriff zu treten
und die Feder 110 sowie die Federscheibe 112 ohne
den Bedarf nach Gewinden an Ort und Stelle zu halten. Die Kompressions-
bzw. Vorspannkraft, die durch die Feder 110 ausgeübt wird,
dient zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung der Komponenten des
Planetengetriebesatzes 86 mit der Rotorbaugruppe 30 und
dem Stator 26 in Längsrichtung,
wenn der Träger 92 gegen
die abgestumpfte konische Lippe 84 des Sonnenrades 66 abstützend vorgespannt
wird. Ebenso liegt die Vorspannkraft der Feder 110 gegen
die Lippe 84 an, sodass die Planetenräder 94 die Ausrichtung
gegenüber
dem Sonnenrad 66 beibehalten, wie aus 3 ersichtlich
ist.
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Das
Sonnenrad 66 wird durch den Drehausgang des bürstenlosen
Gleichstrommotors 12 mittels einer direkten Verbindung
mit der Rotorkappe 64 der Rotorbaugruppe 30 angetrieben.
Der Träger 92 wird mit
der Ausgangswelle 88 verbunden, wobei das Hohlrad 90 in
einer feststehenden Position starr an dem Getriebesatzgehäuse 23 montiert
wird. Daher bewirkt im Betrieb eine Drehung des Sonnenrades 66 eine
Rotation der Planetenräder 94 um
das Hohlrad 66, wodurch sich der Träger 92 und die Ausgangswelle 88 des
Getriebesatzes um die Längsachse
des Motors drehen. Die Rotorbaugruppe 30, der Getriebesatz 86 und
die Ausgangswelle 88 innerhalb des Motors 12 stehen
alle in einer koaxialen Beziehung zueinander.
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Weiterhin
beinhaltet das Motorgehäuse 21 eine
Ausnehmung 42, die dazu entworfen ist, einen Teil eines
Verriegelungsmechanismus auszubilden, der allgemein mit 44 bezeichnet
ist. Der Eisenstützring 60 der
Rotorbaugruppe 30 weist eine Mehrzahl von Kerben 70 auf,
die um seinen unteren Rand herum angeordnet sind. Der Verriegelungsmechanismus 44 dient
dazu, die Rotorbaugruppe 30 und somit die Ausgangswelle 88 des
Getriebesatzes 86 in einer sich nicht drehenden Stellung
zu sichern, wenn der Motor 12 ausgeschaltet ist. Genauer
beinhaltet der Verriegelungsmechanismus 44 ein elektromagnetisches
Stellglied 45 und ein Verriegelungsbauteil 46. In
der bevorzugten Ausführungsform
ist das elektromagnetische Stellglied ein Solenoid 45,
das das Verriegelungsbauteil 46 zu einer eingezogenen Position hin
antreibt. Zusätzlich
beinhaltet der Verriegelungsmechanismus 44 ein Vorspannbauteil 48,
das eine Vorspannkraft in einer Richtung erzeugt, die entgegengesetzt
zu der von dem Solenoid 45 erzeugten Kraft ausfällt, und
zwar derart, dass das Verriegelungsbauteil 46 mit mindestens
einer der an dem Eisenstützring 60 der
Rotorbaugruppe 30 ausgebildeten Kerben 70 in Eingriff
tritt, wodurch er festgestellt wird. Andererseits reicht die von
dem Solenoid 45 erzeugte elektromagnetische Kraft aus,
die Vorspannkraft zu überwinden,
damit eine Drehung des Rotors ermöglicht wird, wodurch das Verriegelungsbauteil 46 des
Verriegelungssolenoids 44 außer Eingriff mit der Kerbe 70 kommt
und dadurch den Eisenstützring 60 freigibt,
wodurch letzterer rotieren kann. In der bevorzugten Ausführungsform
ist das Vorspannbauteil 48 eine Schraubenfeder, die normalerweise
das Verriegelungsbauteil 46 zu der in Eingriff stehenden
Stellung hin vorspannt, wodurch die Rotorbaugruppe 30 gesichert
wird und sich die Ausgangswelle 88 somit in einer sich
nicht drehenden Stellung befindet, wenn der Motor 12 ausgeschaltet
ist.
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Das
Getriebegehäuse 23 beinhaltet
weiterhin eine Mehrzahl von ausgesparten Bohrungen 120, die
in der Außenfläche ausgebildet
sind und eine gleiche Anzahl von in der Außenfläche ausgebildeten Gewindeeinsätzen 122 aufnehmen
und zurückhalten.
Die Gewindeeinsätze 122 stellen
Befestigungspunkte für
das Doppelscheibenwischersystem 10 bereit, damit die Baugruppe
innerhalb des Fahrzeugs angeordnet und gesichert werden kann. Wahlweise kann
das Doppelscheibenwischersystem 10 unter Verwendung eines
an dem Getriebegehäuse 23 angeordneten
Flansches oder unter Verwendung jeder anderen beim Stand der Technik
bekannten und geeigneten Montageanordnung montiert werden. Eine Gummimanschette 124 ist
abdichtend über
dem Wischerende 98 der Ausgangswelle und der zentralen Öffnung 102 des
Getriebegehäuses
in einer Weise vorgesehen, die einerseits verhindert, dass aus der Umgebung
stammende Elemente in die Motorbaugruppe 12 eindringen
können,
aber die andererseits ein freies Rotieren der Ausgangswelle 88 je
nach Notwendigkeit ermöglicht.
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Wie
am besten aus 3 ersichtlich wird die Ausgangswelle 88 durch
eine zentrale Öffnung
in dem Sonnenrad 66 und durch die zentrale Öffnung der
Lagerbaugruppe 52 aufgenommen und erstreckt sich nach innen
in die hohle zentrale Nabe 32 des Motorgehäuses 21.
Die Ausgangswelle 88 ist physikalisch weder mit dem Sonnenrad 66 noch
mit dem Rotorlager 52 verbunden, sondern kann frei mit
ihnen rotieren. Auf diese Weise ist das Fühlerende 100 der Ausgangswelle 88 mit
einem Positionssensor verbunden, was nachstehend erläutert werden
wird.
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Wie
in 7 illustriert beinhaltet die Elektronikbaugruppe 24 des
Motors 12 eine Positionssensorbaugruppe 126, eine
Endkappe 128 und eine programmierbare Steuerschaltung 130.
Wie ausführlich in 7A dargestellt
ist die Positionssensorbaugruppe 126 auf der Endkappe 128 angeordnet
und dazu ausgelegt, die Drehzahl sowie die Stellung der Ausgangswelle 88 zu
erfassen. Die Positionssensorbaugruppe 126 beinhaltet einen
allgemein mit 132 bezeichneten Magnetflussringhalter, der
mindestens einen Magnetflussring 134 fest abstützt, sowie
einen allgemein mit 136 bezeichneten Magnethalter, der mindestens
einen Magneten 138 in einer mit Abstand angeordneten parallelen
Beziehung bezüglich
des Magnetflussrings 134 fest abstützt. Ebenfalls beinhaltet die
Positionssensorbaugruppe 126 eine allgemein mit 140 bezeichnete
Ausgangswellenkupplung und einen allgemein mit 142 bezeichneten
Positionssensorschaltkreis Gründen
halber, die nachfolgend ausführlicher
erörtert
werden.
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Der
Magnetflussringhalter 132 ist im allgemeinen scheibenförmig beschaffen
und verfügt über eine
Stirnfläche 144.
Der Magnetflussringhalter 132 ist feststehend mit der Endkappe 128 montiert
und weist an seiner Stirnfläche 144 einen
ringförmigen Schlitz 146 auf,
um den mindestens einen Magnetflussring 134 aufzunehmen
und festzuhalten. Der Magnetflussring 134 ist aus einem
magnetisch permeablen Material ausgebildet, das elektrisch Variationen
in den Magnetflusslinien erfassen kann, wenn diese über und
durch den Ring laufen. Weiterhin weist die Stirnfläche 144 des
Magnetflussringhalters einen verlängerten zylindrischen Vorsprung 148 auf, der
sich zu dem Magnethalter 136 hin erstreckt.
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Der
Magnethalter 136 ist im allgemeinen zylinderförmig und
verfügt über eine
Stirnfläche 150, die
parallel an die Stirnfläche 144 des
Magnetflussringhalters anstößt. Die
Stirnfläche 150 des
Magnethalters hat eine Aufnahmebohrung 152, die den zylindrischen
Vorsprung 148 des Magnetflussringhalters 132 aufnimmt,
der wiederum als eine Drehachse für den Magnethalter 136 fungiert.
Weiterhin beinhaltet der Magnethalter 136 einen ringförmigen Schlitz 154 in
seiner Stirnfläche 150,
der dazu ausgelegt ist, mindestens den Magneten 138 aufzunehmen
und zu halten. An dem der Stirnfläche 150 gegenüberliegenden Ende
weist der Magnethalter 136 eine ausgesparte Vertiefung 156 auf,
welche die Ausgangswellenkupplung 140 aufnimmt und festhält. Die
Ausgangswellenkupplung 140 dient als die physikalische
Verbindung zwischen der Positionssensorbaugruppe 126 und dem
Fühlerende 100 der
Ausgangswelle und weist einen Magnethalterbereich 158 sowie
ein Ende 160 auf, das die Ausgangswelle aufnimmt.
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Der
Magnethalterbereich 158 der Ausgangswellenkupplung 140 ist
in einer Form ausgebildet, die komplementär zu derjenigen Form ausfällt, die
durch die ausgesparte Vertiefung 156 des Magnethalters 136 aufgenommen
und festgehalten werden soll, und das die Ausgangswelle aufnehmende
Ende 160 weist eine Form auf, die es erlaubt, das Fühlerende 100 der
Ausgangswelle 88 aufzunehmen und zu halten. Für eine Stoßdämpfung ist
ein Schaumeinsatz 162 innerhalb der ausgesparten Vertiefung 156 vorgesehen.
Für den
Fachmann sollte sich verstehen, das die ausgeformten Bereiche der
ausgesparten Vertiefung 156 und der Ausgangswellenkupplung 140 in
jeder geeigneten geometrischen Form ausgebildet werden können, da
es nicht notwendig ist, über eine
Ausrichtung von 0° basierend
auf einem physikalischen Referenzpunkt für die Ausgangswelle 88 zu
verfügen.
Wie im folgenden ausführlicher
erläutert werden
wird, werden die "Park"- sowie die inneren und äußeren Wischgrenzen
für den
Wischer und somit für
die Ausgangswelle 88 des Doppelscheibenwischersystems 10 in
der vorliegenden Erfindung programmiert, nachdem das System in dem
Fahrzeug installiert worden ist.
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Der
Positionssensorschaltkreis 142 ist auf dem Magnetflussringhalter 132 abgestützt und
steht mit dem Magnetflussring 134, von dem er elektromagnetische
Signale empfängt,
in elektri scher Verbindung. Genauer misst der Positionssensorschaltkreis 142 die
innerhalb des Magnetflussrings 134 erzeugten Magnetflussvariationen.
Ebenfalls steht der Positionssensorschaltkreis 142 mit
der programmierbaren Steuerschaltung 130 in elektrischer
Verbindung. Die Magnetflussvariationen von dem Magnetflussring 134 werden
als zwei elektrische Quadratursignale erfasst, wenn der innerhalb
des Magnethalters 136 gehaltene Magnet 138 um
den stationären
Magnetflussring 134 herum gedreht wird, indem die Ausgangswelle 88 rotiert
wird. In der bevorzugten Ausführungsform
bilden eine Mehrzahl von Magnetflusssektoren 135 den Magnetflussring 134 aus
und sie sind exzentrisch von einem einzelnen Magneten 138 versetzt
vorgesehen. Der Magnetflussring 134 wird derart angeordnet,
dass das innerhalb des Magnetflussrings 134 induzierte
Magnetfeld für
sämtliche Winkelverlagerungen
bei der Drehung der Ausgangswelle 88 auf einzigartige Weise
variiert. Auf diese Weise erzeugt der Positionssensorschaltkreis 142 ein
Momentansignal, das eine jeweilige Winkelverlagerung der Ausgangswelle 88 repräsentiert,
wodurch der Positionssensor 126 als ein absoluter Positionssensor
für die
Erfassung der Winkelposition der Ausgangswelle 88 fungieren
kann. Zusätzlich
erzeugt der Positionssensorschaltkreis 142, wenn sich die
Ausgangswelle 88 dreht, kontinuierlich Positionssignale.
Diese Reihe von Signalen ermöglicht
eine dynamische Bestimmung der Richtung und Drehzahl der Ausgangswelle 88.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Magnet 138 bipolar, jedoch versteht sich ebenso,
dass der Magnet 138 um seinen Umfang herum auch mehrere
Pole aufweisen kann.
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In
einer weiteren nicht eingrenzenden Ausführungsform ist mindestens ein
ringförmiger
Magnet 138 exzentrisch von einem einzelnen Magnetflussring 134 versetzt.
In jedem Fall benötigt
die Positionssensorbaugruppe 126 zum Folgen der Position
der Ausgangswelle keine Energie, da die Stellung des Magnets 138 den
Magnetfluss variiert. Wenn daher die der Scheibenwischerbaugruppe 10 zugeführte Energie
ausfällt
bzw. wenn die Energie für
das Fahrzeug unterbrochen wird, verliert die Scheibenwischerbaugruppe 10 nicht
ihre Ausrichtung und kann nach Wiederherstellung der Energiezufuhr
sofort ihre Positionsinformationen wieder herstellen. Somit interpretiert
der Positionssensorschaltkreis 142 die Magnetflusssignale
und erzeugt einen Ausgang, der die absolute Stellung der Ausgangswelle 88 angibt und
dieses Signal der programmierbaren Steuerschaltung 130 zuführt.
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Wahlweise
kann die Positionssensorbaugruppe 126 durch eine Parkierungserfassungsbaugruppe
ersetzt werden. Die Parkierungserfassungsbaugruppe beinhaltet eine
an der Ausgangswelle angeordnete magnetische "Parkplattform" und einen innerhalb des Motors vorgesehenen "Park"-Hallsensor, um die
Parkplattform zu erfassen. Wenn die Wischerbaugruppe 10 an
einem Fahrzeug angebracht wird, wird sie derart ausgerichtet, dass
während
der ersten Hälfte
der Wischfläche
die Parkplattform derart angeordnet wird, dass sie den Parksensor
abdeckt. Wenn die Wischerbaugruppe 10 arbeitet und sollte
die Energie verloren gehen und wiederhergestellt werden, wird sich
der Parkhallsensor in einer relativen Position befinden, um die
Parkplattform entweder zu erfassen oder nicht. Wenn der Parksensor
die Parkplattform erfasst, befindet sich die Ausgangswelle in der ersten
Hälfte
der Wischfläche
und es ist für
den Mikroprozessor ein sicherer Vorgang, ein Wischen nach außen durchzuführen. Sollte
der Parkhallsensor die Plattform nicht erfassen, muss sich die Ausgangswelle
auf der zweiten Hälfte
der Wischfläche befinden
und das Wischen nach innen ist für
den Mikroprozessor ein sicherer Arbeitsgang. In jedem Fall erfasst
der Parksensor den Plattformrand, der als die Positionsreferenz
entlang des Wischweges benutzt wird. Diese Plattformüberquerung
bietet dem Mikroprozessor die Möglichkeit
des Erhalts der korrekten Position. Es sei darauf hingewiesen, dass
diese Ausführungsform
gemeinsam mit zusätzlichen
physikalischen Sensoren verwendet werden muss, die um die Motorwicklungen
angeordnet werden und für
eine genaue Bestimmung der Wischerarmposition eine "Impulsfolge" von Positionssignalen
abgeben müssten.
Diese Impulsfolge wäre
mit dem nachstehend erläuterten "erfassten" Kommutierungsschema
verfügbar.
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Die
programmierbare Steuerschaltung 130, die allgemein in 7 dargestellt
ist, ist in Blockdiagrammform in 8 wiedergegeben.
Die Steuerschaltung 130 besteht aus einer Gruppe von Schaltungen,
die auf einer Leiterplatte 164 montiert sind, welche innerhalb
des Elektronikgehäuses 24 angeordnet
ist und die für
die Betriebsteuerung des Motors 12 notwendigen elektrischen
und elektronischen Schaltungen bereitstellt, um die Positionierung
und Geschwindigkeit des Scheibenwischers 14 zu bewerkstelligen.
Die programmierbare Steuerschaltung 130 beinhaltet eine
3-(drei)-phasige Motorantriebsschaltung 166, einen Stromfühler 168,
einen Sensor 169 für
die elektromotorische Gegenspannung (BEMF), einen Spannungsregler 170,
eine Solenoidantriebseinheit 172, einen Mikroprozessor 174,
und mindestens eine serielle Kommunikationsschnittstelle 176.
Ebenfalls beinhaltet die Leiterplatte 164 ein 6-Stift-Verbindungsglied 178 und
ein 8-Stift-Verbindungsglied 180, um eine elektrische Verbindung
mit den anderen Komponenten des Systems herstellen zu können.
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Zum
Antrieb des Motors stellt die dreiphasige Motorantriebsschaltung 166 eine
Quellenspannung bereit. Die dreiphasige Motorantriebsschaltung 166 ist
eine Brückenschaltung,
die 6 (sechs) N-Kanal-Strom-MOSFET-Halbleitervorrichtungen in drei Halbbrücken zwischen
der Eingangspannung und der Erde bzw. Masse verwendet. Der Mikroprozessor 174 führt der
dreiphasigen Brückenantriebsschaltung 166 pulsbreitenmodulierte
(PWM) Trigger- oder Vorspannsignale zu. Diese Signale treiben die
MOSFETs an und erzeugen drei getrennte Spannungen, die an die Statorwicklungen
angelegt werden. Die 3 Halbbrücken
erzeugen die drei Ausgangsspannungen in drei separaten Phasen, die
den Wicklungen des Stators 26 in einer Sägezahnsequenz
zugeführt werden,
sodass die sukzessiven Magnetfelder in den Wicklungen des Stators 26 erzeugt
und variiert werden. Die Erzeugung von sukzessiven Magnetfeldern in den
Statorwicklungen dient dazu, die Magnetfelder der Rotorbaugruppe 30 winkelig
abzustoßen,
wodurch der Rotor 30, der Planetengetriebesatz 22 und letztendlich
die Ausgangswelle 88 angetrieben werden. Die Modulierung
der PWM-Signale erfolgt in einer bekannten Weise, um den Arbeitszyklus
der in die MOSFETs eingespeisten Signale zu steuern. Dies steuert
die Zeitdauer der Phasen des dreiphasigen Spannungsausgangs, wodurch
die Drehzahl des Rotors 30 gesteuert wird.
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Bei
der Erzeugung der variierenden Magnetfelder innerhalb der Statorwicklungen
und der dadurch erzeugten Rotordrehung kann die Sägezahnspannungswellenform
entweder sinusförmig
oder trapezförmig
sein. Somit kann die Erzeugung der drei Phasenspannungen von der
dreiphasigen Motorantriebsschaltung 166 entweder als sinusförmige oder als
trapezförmige
Kommutierung bezeichnet werden. Für eine genaue Steuerung und
Taktung der Kommutierung zum Antrieb des Rotors 30 in der
erwünschten
Weise muss die Rotorstellung während
seiner Drehung genau bestimmt oder erfasst werden. Diese Positionserfassung
des Rotors 30 wird als Rückmeldung für den Mikroprozessor 174 verwendet.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird die Rotorstellung in einer "sensorlosen" Weise abgeleitet,
was bedeutet dass die Rotorstellung elektronisch und indirekt abgeleitet
wird, um dem Mikroprozessor 174 die notwendigen Rückmeldungen
zuzuführen,
und zwar ohne dass zusätzliche
physikalische Sensoren um den Motor herum verwendet werden. In sensorlosen Kommutierungskonfigurationen
wird entweder ein BEMF-Sensor 169 für die Erfassung der elektromotorischen
Gegenspannung (der aus einem ohmschen Spannungsteiler und einem
Tiefpassfilter besteht) verwendet oder es wird der Stromfühler 168 zur
Erfassung der Kommutierung benutzt, was jeweils von dem Typ der
verwendeten Sägezahnwellenform
abhängt.
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Das
bevorzugte Verfahren der Kommutierung (und Erfassung der Rotorstellung)
verwendet eine trapezförmige
Wellenform. Diesbezüglich
benützt
die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein sensorloses trapezförmiges Kommutierungsschema,
das einen BEMF-Sensor 169 aufweist, um die Kommutierung
elektrisch und indirekt aus den Statorwicklungen zu erfassen, damit Rückmeldungen
für den
Mikroprozessor 174 erzeugt werden können. Im Einzelnen ist der
BEMF-Sensor 169 der vorliegenden Erfindung, obwohl er als
ein Sensor bezeichnet wird, da er ein Signal elektronisch und indirekt
erfasst, kein Sensor im üblichen
Wortsinn. Tatsächlich
erfasst der BEMF-Sensor 169 ein induziertes Magnetflusssignal
innerhalb eines Bereichs der Statorwicklungen und der Mikroprozessor 174 verwendet
diese Flusssignalrückmeldung
zur Berechnung der Rotorstellung, indem er einen "erweiterten Kalmanschätzfunktion"-Algorithmus verwendet.
Anschließend
benutzt der Mikroprozessor 174 die berechnete Rotorstellung
zur Erzeugung der notwendigen PWM-Signale (die in die dreiphasige Brückenantriebsschaltung 166 eingespeist
werden), um die trapezförmige
Kommutierung geeignet zu takten. In diesem Kommutierungsschema wird
der Stromfühler 168 lediglich
zur Bereitstellung von Signalen für die Motorstromsteuerung und
die Berechnung des Ausgangsdrehmoments des Motors verwendet. Bei
der Kommutierung ist er nicht beteiligt.
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In
einer zusätzlichen
nicht eingrenzenden Ausführungsform
kann eine sensorlose sinusförmige Kommutierung
benutzt werden. In diesem Fall wird der Stromfühler 168 elektrisch
mit der Masseseite der drei Halbbrücken (6 MOSFETs) oder auf eine
derartige Weise verbunden, dass der Strom von zwei der drei Phasen
erfasst wird. Wiederum stellt dies eine sensorlose (indirekte) Art
der Bestimmung der Rotorstellung dar, da die erfassten Stromsignale
zurück
in den Mikroprozessor 174 eingespeist werden, um die Rotorstellung
unter Verwendung des "erweiterten Kalmanschätzfunktion"-Algorithmus zu berechnen. Anschließend verwendet
der Mikroprozessor 174 die berechnete Rotorstellung zur
Erzeugung und Bereitstellung der notwendigen PWM-Signale, damit
die sinusförmige
Kommutierung gesteuert und getaktet werden kann.
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In
weiteren nicht eingrenzenden Ausführungsformen können zusätzliche
Sensoren physikalisch um den Motor angeordnet werden, um eine "mit Sensoren arbeitende" Kommutierung bereitzustellen. Beispielsweise
können
drei Hallsensor-Vorrichtungen physikalisch innerhalb der Abstände der
Statorwicklungen vorgesehen werden, und zwar jeweils um 120 elektrische
Grad auseinander, um dem Mikroprozessor 174 Feedbacksignale
als direkt erfasster Feedback einzuspeisen, damit eine trapezförmige Kommutierung
gesteuert und getaktet werden kann.
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Die
Solenoidantriebseinheit 172 steht mit dem innerhalb des
Motorgehäuses 20 angeordneten Verriegelungssolenoid 44 in
elektrischer Verbindung und ist zur Steuerung des Verriegelungssolenoids 44 betätigbar.
Wenn die Solenoidantriebseinheit 172 das Verriegelungssolenoid 44 betätigt, überwindet sie
die Vorspannkraft des Vorspannbauteils 48 und zieht den
Verriegelungsarm 46 von dem Rotor 30 zurück, wodurch
sich die Rotorbaugruppe 30 drehen kann. In einer bevorzugten
Ausführungsform
kann die Solenoidantriebseinheit 172 vom "H"-Brückentyp sein.
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Es
sollte sich verstehen, dass der Mikroprozessor 174 als
eine Vorrichtung allgemein beschrieben wird und dass er komplex
ausgelegt oder ein Mikroprozessor mit weniger integrierten Schaltungen wie
z.B. ein digitaler Signalprozessor sein kann. Insofern beinhaltet
der Mikroprozessor 174 einen programmierbaren Speicher,
um mindestens ein vorbestimmtes Scheibenwischersteuerschema abzuspeichern.
Wiederum versteht sich für
den Fachmann, dass der Mikroprozessor 174 einen Speicher
aufweist, der ein gespeichertes Datenprogramm mit Instruktionen
für die
Steuerung der Wischermotorbaugruppe 12 abspeichern kann.
Somit kann der Mikroprozessor 174 entweder einen ROM-Speicher
(Nurlesespeicher) aufweisen, in dem ein Betriebsprogramm permanent
abgespeichert ist, einen veränder- bzw.
updatebaren "Flash"-Speicher oder einen
flüchtigen
RAM-Speicher (Direktzugriffsspeicher). In der bevorzugten Ausführungsform
verfügt
der Mikroprozessor 174 über
einen semipermanenten Flash-Speicher,
der durch einen externen Computer oder eine Programmiervorrichtung
geladen wird. Der Flash-Speicher behält seine gespeicherten Programmdaten
auch nach einem Abzug der Energie von der Vorrichtung bei und er
kann jederzeit während
der Nutzungsdauer des Wischermotors geupdatet oder wieder aufgefrischt
werden. Das RAM des Mikroprozessors 174 wird für eine temporäre Datenspeicherung
während
der Ausführung
des gespeicherten Programms verwendet, während der Wischermotor 12 betrieben
wird. Weiterhin beinhaltet der Mikroprozessor 174 einen
A/D-(Analog/Digital)-Konverter, eine digitale Schnittstelle und
eine Zeiterfassungsschaltung. Der A/D-Konverter ermöglicht eine
Interaktion der auf digitalen Daten basierenden Mikroprozessorvorrichtung
mit den verschiedenen analog arbeitenden Schaltungen und Vorrichtungen.
Die digitale Schnittstelle ermöglicht
eine Verbindung mit auf digitalen Daten basierenden Komponenten
und Schaltungen und die Zeiterfassungsschaltung ermöglicht eine
Taktung und Steuerung der verschiedenen Signale und Operationen
unter der Steuerung des Mikroprozessors 174.
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Die
serielle Schnittstellenleitung 176 verfügt über eine physikalische LIN-Ebene
(Local Interconnected Network). In der bevorzugten Ausführungsform
verwendet die serielle Schnittstellenleitung 176 die LIN-Ebenen-Schaltung
für die
Verbindung mit dem Fahrzeug. Für
den Fachmann versteht sich, dass die serielle Schnittstelle und
die physikalische LIN-Ebenen in den Mikroprozessor 174 eingeschlossen
werden können
und dass auch weitere bekannte Typen von Kommunikationsnetzwerken
wie z.B. ein CAN-Protokoll (Control Area Network) zusammen mit dem
Doppelscheibenwischersystem 10 verwendet werden können.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist für
einen Betrieb in einer 12 Volt-Arbeitsumgebung ausgelegt, die in
der amerikanischen Automobilindustrie derzeit der Standard ist. Allerdings
ist in einer weiteren nicht eingrenzenden Ausführungsform die vorliegende
Erfindung auch für einen
Betrieb in einer 42 Volt- oder vergleichbaren Fahrzeugbetriebsumgebung
ausgelegt, die derzeit in bzw. für
die amerikanischen und anderen Automobilmärkte entwickelt werden.
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Die
Endkappe 128 stützt
die Leiterplatte 164, den Verriegelungsmechanismus 44 und
die Positionssensorbaugruppe 126 physikalisch ab. Die Endkappe 128 ist
im Allgemeinen becherförmig
und hat einen offenen zentralen Hohlraum 182. Wie in 3 ersichtlich
ist die Leiterplatte 164 an der Unterseite der Endkappe 128 angeordnet,
wodurch der offene zentrale Hohlraum 182 von der Umgebung
abgeschlossen und abgedichtet wird, wodurch die eingeschlossenen
elektronischen Komponenten geschützt werden.
Die Endkappe 128 weist Anschlussglieder 184, Positionssensorverbindungsglieder 186 (7),
ein externes elektrisches Verbindungsglied 188 und ein
Verriegelungssolenoidgehäuse 190 auf. Die
Anschlussglieder 184 erstrecken sich durch die Basis des
Motorgehäuses 21 nach
oben und verfügen über elektrische
Statorkontakte 192, die an den Verbindungspunkten 38 der
Statorendplatte 36 angeklammert werden und mit ihnen eine
elektrische Verbindung herstellen. Ebenfalls haben die elektrischen Statorkontakte 192 Leiterplattenenden 194,
die auf eine Weise innerhalb der Endkappe 128 angeordnet sind,
die es ihnen ermöglicht,
mit bestimmten Kontakten innerhalb des 8-Stift-Verbindungsglieds 180 der Leiterplatte 164 in
Eingriff zu treten und mit ihnen Verbindungen herzustellen. Die
Positionssensorverbindungsglieder 186 erstrecken sich in
einer Weise nach oben, dass sie mit den elektrischen Kontakten des
Positionssensorschaltkreises 142 in Eingriff treten. Ähnlich wie
die elektrischen Statorkontakte 192 verfügen auch
die Positionssensorverbindungsglieder 186 über Leiterplattenenden 196,
die in einer Weise innerhalb der Endkappe 128 angeordnet
sind, die es ihnen erlaubt, mit bestimmten Kontakten innerhalb des
6-Stift-Verbindungsglieds 178 der Leiterplatte 164 in
Eingriff zu treten und mit ihnen Verbindungen herzustellen.
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Das
externe elektrische Verbindungsglied 188 weist eine Ausnehmung 198 und
einen Verschlussdorn 200 oder Ähnliches auf, die/der eine
vor der Umgebung geschützte
Verbindung mit einem (nicht dargestellten) Kabelbaumverbindungsglied des
Fahrzeugs in einer typischen Weise herstellt. Ebenfalls beinhaltet
das externe elektrische Verbindungsglied 188 eine Reihe
von elektrischen Kontakten 202, die Strom- und Massequellen
für die
Leiterplatte 164 und die physikalischen LIN-Verbindungen für die seriellen
Schnittstellenleitungen 176 bereitstellen. Das Verriegelungssolenoidgehäuse 190 ist eine
ausgesparte Abteilung, die zur Aufnahme des Körpers des Verriegelungsmechanismus 44 in
der Endkappe 128 ausgeformt ist. Elektrische Solenoidverbindungsglieder 204 erstrecken
sich von dem Verriegelungsmechanismus 44 durch die Endkappe 128 zu
dem 6-Stift-Verbindungsglied 178 auf der Leiterplatte 164.
Ein Entlüftungsloch 206 ist
in der Endkappe 128 an der Unterseite der Ausnehmung des
Verriegelungssolenoidgehäuses 190 angeordnet.
Es enthält
eine Membran 208, die einen Durchtritt von Luft, jedoch
nicht von Feuchtigkeit gestattet.
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Im
Betrieb wird wie oben erwähnt
die bevorzugte Ausführungsform
des Doppelscheibenwischersystems 10 in einem Motorfahrzeug
in einer Position relativ zu einer Windschutzscheibe 16 derart
installiert, dass die Wischer 14 und 19, wenn
sie durch die Ausgangswelle 88 des Wischermotors 12 angebracht
sind, über
einen Teil der Windschutzscheibe wischen können. Eine (nicht dargestellte)
Flash-Programmiervorrichtung wird mit dem externen elektrischen
Verbindungsglied 188 des Wischermotors 12 verbunden.
Für den
Fachmann versteht sich, dass eine Flash-Programmiervorrichtung mit
mehr als einer Wischerbaugruppe oder durch einen seriellen Fahrzeugdatenbus
bzw. ähnliches
mit der Verkabelung des Fahrzeugs verbunden werden, wenn Datenbusverbindungen
zwischen Fahrzeugsystemen verwendet werden. Anschließend wird
der Flash-Speicher des Mikroprozessors 174 mit einem vorbe stimmten
Wischersteuerprogramm "geflasht" oder geladen, das
spezifische Parameter wie z.B. die Wischfläche der Windschutzscheibe,
die vorbestimmten Innen- und Außenwischstellungen
des Wischerblatts der Windschutzscheibe, die erwünschten Wischergeschwindigkeitsprofile
sowie dynamische Steuerparameter der Motorstellung, Geschwindigkeit,
des Drehmoments und Stroms aufweist. Danach wird die Wischerbaugruppe
hinsichtlich der unteren und oberen Wischgrenzen kalibriert, indem
die Wischer in der geeigneten physikalischen Stellung angeordnet
werden und diese Position anschließend in den Speicher programmiert
wird. Es sollte sich verstehen, dass anschließend eine "Park"-Position
entweder in die Baugruppe einprogrammiert oder durch einen Programmieralgorithmus
berechnet wird, der den Wischermotor 12 zu der erwünschten
Stellung hin bewegt und ihn anschließend mit dem Verriegelungsmechanismus 44 verriegelt,
wenn dies notwendig ist. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen
physikalischen Anordnungen oder Vorrichtungen erforderlich, um den
Wischer in seiner vorbestimmten "Park"-Position zu verriegeln
und zu halten. Wenn mehr als eine Wischerbaugruppe 10 mit
dem Fahrzeug verwendet wird, können
die Mikroprozessoren 174 jeder Baugruppe in einem vorbestimmten
Scheibenwischersteuerschema unter Verwendung der seriellen Schnittstellenleitung
jeweils untereinander koordiniert werden, um das geeignete Wischprofil
bereitzustellen und ein Aufeinandertreffen der Wischer auf der Windschutzscheibe
zu verhindern.
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Während des
Wischvorgangs verwendet das Doppelscheibenwischersystem 10 die
oberen und unteren Wischgrenzen sowie das in dem Flash-Speicher
abgespeicherte Programm, um das Wischen der Wischer 14 und 15 über die
Windschutzscheibe 16 zu steuern. Es sollte sich verstehen,
dass verschiedene Steuerprogramme in der programmierbaren Steuerschaltung 130 abgespeichert
werden können,
die externe Umweltparameter berücksichtigen und
einschließen,
welche den Wischbetrieb beeinflussen können. Beispielsweise können die
Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Menge und der Typ an Niederschlag
sowie die Umgebungs- und Innentemperaturen in der Wischsteuerung
des Wischers gewichtet werden. Zusätzliche Wetterfaktoren wie z.B.
das Vorliegen von Eis an der Windschutzscheibe und/oder ein Aufbau
von Schnee an dem unteren Ende des Wischers könnten durch eine jeweilige
Veränderung
der Wischgeschwindigkeit und des Drehmoments des Wischers berücksichtigt
werden, um mit derartigen Bedingungen umzugehen, falls dies die
Programmierung so bestimmt.
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Daher
verwendet das Doppelscheibenwischersystem der vorliegenden Erfindung
einen bürstenlosen
Direktantriebsgleichstrommotor für
eine koordinierte Steuerung der Scheibenwischer. Die vorliegende
Erfindung dient dazu, die Winkelgeschwindigkeit der Wischerblattbaugruppen
zwischen den Innen- und Außenwischstellungen
zu maximieren, wodurch die Dauer jedes Wischzyklus verringert wird, während zugleich
die Störgeräusche und
die Trägheitsbelastung
begrenzt werden, indem der Gleichstrommotor auf effiziente Weise
strukturiert und die Geschwindigkeit der Wischerblattbaugruppen
gesteuert wird, wenn sie sich den Wischgrenzen annähern. Zusätzlich beseitigt
das Scheibenwischersystem der vorliegenden Erfindung die komplexen
Verbindungsglieder, die beim Stand der Technik verwendet wurden,
um die einzelne Winkelbewegung des Wischermotors in eine linear
wechselseitige Zweiwege-Bewegung umzuwandeln, die für den Antrieb zweier
Scheibenwischerarme benutzt wurden. Somit benötigt die vorliegende Erfindung
eine kleinere räumliche
Betriebsausdehnung als beim Stand der Technik verwendete Vorrichtungen.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet einen Positionssensor, der die Drehzahl
und die Stellung des Scheibenwischers erfasst und diese Parameter sogar
im Falle eines Energieverlusts nicht verliert. Ebenfalls benutzt
die vorliegende Erfindung einen Verriegelungsmechanismus, der den
Motor und somit den Ausgang des Motors in einer sich nicht drehenden
Stellung absichert, wenn der Motor ausgeschaltet ist. Darüber hinaus
beinhaltet die vorliegende Erfindung eine integrierte Steuerschaltung,
die eine Positionserfassung auf eine derartige Weise bewerkstelligt,
dass die Position des Wischerarms unabhängig von der Drehung und derart
bekannt ist, dass die erfasste Stellung des Arms während eines Energie-
oder Bewegungsverlusts nicht verloren geht.
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Schließlich kann
das Scheibenwischersystem der vorliegenden Erfindung in einem elektrischen Standard-Kraftfahrzeugsystem
mit 12 Volt oder in dem effizienteren System mit 42 Volt betrieben
werden.
-
Die
Erfindung ist auf illustrative Weise beschrieben worden. Für den Fachmann
versteht sich, dass die hierbei verwendete Terminologie lediglich Beschreibungszwecken
dient, jedoch nicht als eingrenzend verstanden werden soll. Angesichts
der obigen Beschreibungen sind viele Modifikationen und Variationen
der Erfindung möglich,
weshalb die Erfindung auch anders als oben beschrieben angewendet
werden kann, solange dies in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fällt.