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Die
Erfindung betrifft eine Ansteuerung eines Wischermotors für
ein Kraftfahrzeug zum Antrieb wenigstens eines Wischerarmes mit
zwei Umkehrlagen, wobei der Wischermotor eine endlose oder reversierende
Drehung über einen bestimmten Winkelbereich vollführt
und zur Bewegungskopplung von Wischermotor und dem wenigstens einen
Wischerarm wenigstens ein Getriebe vorgesehen ist.
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Wischeranlagen
stellen bei Kraftfahrzeugen für den Fahrkomfort unverzichtbare
Komponenten dar. Sie werden insbesondere zur Reinigung der Frontscheibe
von Kraftfahrzeugen eingesetzt, finden aber auch bei Heckscheiben
von Kraftfahrzeugen Anwendung. Ihre Hauptaufgabe besteht in der
Beseitigung von Wasser, Schnee und Schmutz.
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Für
die Frontscheibe finden in der Regel Zweihebelsysteme (also mit
zwei Wischerarmen) Anwendung, es gibt aber auch Einhebelsysteme
(nur ein Wischerarm). Bei den Zweihebelsystemen wiederum können
die Wischerarme im Gleichlauf oder auch im Gegenlauf bewegt werden,
wobei zur Kopplung der Bewegung des Wischermotors mit den Wischerarmen
bzw. den an diesen befestigten Wischerblättern im allgemeinen
Gelenkgetriebe in Reihen- oder Parallelschaltung eingesetzt werden.
Derartige Gelenkgetriebe umfassen beispielsweise eine an der Motor-Abtriebswelle
befestigte Motorkurbel, die ihrerseits über eine Schubstange
mit der Antriebskurbel einer Wischerwelle bewegungsmäßig
verbunden ist (Gestänge). Bei Wischermotoren ist der Einsatz
von so genannten Rundläufern weit verbreitet. Bei Rundläufern
dreht die Abtriebswelle des Motors immer nur in eine Richtung um
360°, wobei die Umsetzung der Motor-Drehbewegung in die
alternierende Wischbewegung der Wischerarme durch entsprechende
Auslegung des Gelenkgetriebes erfolgt.
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Bei
neueren Anlagen werden aber auch zunehmend Antriebe mit so genannten
Reversiermotoren eingesetzt, bei denen der Wischermotor in unterschiedlichen
Drehrichtungen entsprechend der Hin -und Herbewegung der Wischerarme
mit entsprechend reduziertem Drehwinkel angesteuert wird. Derartige
Reversiermotoren sind zwar einerseits aufwändiger, ermöglichen
andererseits jedoch einen flexibleren (einfacheren) mechanischen
Aufbau des Getriebes der Wischeranlage.
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Bei
abgegebenen maximalen Drehmoment des Wischermotors kommt es im Bereich
der Umkehrlagen, bedingt durch den Kniehebeleffekt in diesen Positionen
zu sehr hohen mechanischen Belastungen, insbesondere der Bauteile
des Getriebes der Wischeranlage. Bislang wurde der Anstieg der Kräfte auf
eine kritische Größe durch eine gewisse Nachgiebigkeit
der Getriebebauteile verhindert. Mit zunehmender Steifigkeit der
Getriebebauteile von Wischeranlagen kommt jedoch der Kniehebeleffekt
im Bereich der Umkehrlagen voll zum Tragen, was das Risiko von Ausfällen
bzw. Bruch von Getriebebauteilen erhöht.
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Aus
der
JP 09-272405 A ist
es bekannt, zur Reduzierung der durch die Trägheitskraft
verursachte Stoßkraft des Scheibenwischers in den Umkehrlagen
bzw. zur Minimierung der Geräuschentwicklung an diesen
Stellen, die Stromzufuhr zu den Bürsten des Wischermotors
kurz vor den Umkehrlagen des Scheibenwischers elektromechanisch
zu unterbrechen.
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In
der
JP 61-247541 A wird
eine Antriebssteuerung für eine Wischeranlage beschrieben,
bei der zur Reduzierung von Geräuschen und Schwingungen
in den Umkehrlagen die Stromzufuhr zum Wischermotor unterbrochen
und gleichzeitig eine elektromotorische Gegenkraft aufgebaut wird,
wodurch sich ein sanftes Anhalten und Wiederanfahren der Wischerblätter
in den Umkehrlagen realisieren lässt.
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Die
JP 10-044940 A beschreibt
eine Wischeranlage, bei der zur Reduzierung von Umlegegeräuschen
der Wischerblätter die Stromzufuhr zum Wischermotor im
Bereich der Umkehrlagen für eine vorbestimmte Zeit unterbrochen
wird.
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Schließlich
offenbart die
JP 59-092235
A eine Wischeranlage, bei der zur Reduzierung der Geräuschentwicklung
in den Umkehrlagen der Wischerblätter die Winkelgeschwindigkeit
des Wischermotors verringert wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Ansteuerung eines Wischermotors
bereitzustellen, durch die auf einfache Weise die mechanische Belastung
der Getriebebauteile einer mit dem Wischermotor angetriebenen Wischeranlage,
insbesondere auch in den Umkehrlagen unter ein kritisches Maß reduziert
wird.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungen beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung
sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Wischermotor
sein mögliches maximales Drehmoment im wesentlichen über
seinen gesamten Drehwinkelbereich abgibt, das maximale Drehmoment
jedoch deutlich größer ist als das für eine
einwandfreie Funktion der Wischeranlage tatsächlich benötigte
bzw. erforderliche Drehmoment. Eine einwandfreie Funktion der Wischeranlage
beinhaltet u. a. eine im Wesentlichen konstante Winkelgeschwindigkeit
bzw. Wischgeschwindigkeit.
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Die
Erfindung geht daher aus von einer Ansteuerung eines Wischermotors
für ein Kraftfahrzeug zum Antrieb wenigstens eines Wischerarmes
mit zwei Umkehrlagen, wobei der Wischermotor eine endlose oder reversierende
Drehung über einen bestimmten Winkelbereich vollführt
und zur Bewegungskopplung von Wischermotor und dem wenigstens einen
Wischerarm wenigstens ein Getriebe vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass der Wischermotor zumindest über einen
Teil seines Drehwinkels derart angesteuert wird, dass er ein wirksames
Drehmoment unterhalb seines maximal möglichen Drehmomentes
abgibt.
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Durch
eine derartige Steuerung ist es auf einfache Weise möglich,
unabhängig von der maximal möglichen Leistung
des Wischermotors das Gestänge der Wischeranlage entsprechend
dem notwendigen Lastprofil zu gestalten. Insbesondere im Bereich
der Umkehrlagen der Wischerarme kann somit das tatsächlich
abgegebene wirksame Drehmoment unterhalb des maximal möglichen
Drehmomentes des Wischermotors reduziert und somit die auftretenden
Kräfte im Gestänge unter ein kritisches Maß gehalten
werden. Selbst bei einem deutlich überdimensionierten Wischermotor
(aufgrund des Bestrebens einer einzudämmenden Variantenvielfalt
kann ein solcher Fall durchaus öfters auftreten) könnte
somit ein dem eigentlich auftretenden Lastprofil entsprechend ”filigranes” und
damit kostengünstigeres Gestänge verwendet werden.
Selbstverständlich ist dabei vorzusehen, dass das für
den Betrieb des Scheibenwischers mindestens erforderliche Drehmoment
nicht unterschritten wird.
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Gemäß einer
ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wischermotor
zumindest über einen Teil seines Drehwinkels derart angesteuert
wird, dass sein tatsächlich abgegebenes Drehmoment dem
für den Betrieb des Scheibenwischers mindestens erforderlichen
Drehmoment in etwa entspricht. Dabei ist vorzusehen, dass das Drehmoment
nicht unterhalb des mindestens erforderlichen Drehmomentes Merf fällt. Dies ermöglicht
im entsprechenden Drehwinkelbereich eine optimale Anpassung des
Drehmomentes vom Wischermotor an das gegebene Lastprofil. Es wird
in diesem Drehwinkelbereich also gerade nur soviel Drehmoment abgegeben,
wie zum einwandfreien Betrieb der Wischeranlage (Einhaltung einer
konstanten Wischgeschwindigkeit während einer Wischbewegung)
notwendig ist, wobei die auftretenden Kräfte deutlich unter
den für das Gestänge kritischen Kräften
gehalten werden können.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens sieht vor,
dass das vom Wischermotor tatsächlich abgegebene Drehmoment über eine
zeitliche und/oder größenmäßige
Veränderung des dem Wischermotor zugeführten Stroms
eingestellt wird. Die Veränderung des Drehmomentes über den
dem Wischermotor zugeführten Strom ist vergleichsweise
einfach und kostengünstig zu realisieren, beispielsweise
kann dies mithilfe so genannter Pulsmodulation (Pulsweitenmodulation,
Pulsfrequenzmodulation oder Pulsamplitudenmodulation) bewerkstelligt
werden. Solch eine Pulsmodulation ermöglichende elektronische
Bauteile sind beispielsweise so genannte H-Brückenschaltungen.
Da Pulsmodulation und H-Brückenschaltungen an sich bekannt
sind, soll an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen
werden.
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Wenn
zweckmäßigerweise die besagte Ansteuerung im wesentlichen über
den gesamten Drehwinkelbereich des Wischermotors erfolgt, so ermöglicht
dies die bestmögliche Anpassung an die bestehenden Lastverhältnisse über
den gesamten Wischzyklus.
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Schließlich
sieht eine weitere, zweckmäßige Weiterbildung
der Erfindung vor, dass die besagte Ansteuerung in Abhängigkeit
eines erzeugten Mess-Signals erfolgt, welches einer Auswerteeinheit zugeführt
wird, die ein Ausgangssignal an eine Steuereinheit weitergibt, in
dessen Abhängigkeit ein Steuersignal an den Wischermotor
abgegeben wird.
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Durch
einen derartigen Regelkreis ist es auf vergleichsweise einfache
Weise möglich, den tatsächlichen Betriebszustand
der Wischeranlage im Betrieb aufzunehmen und beispielsweise in Abhängigkeit
von in einer Wertetabelle (Speichereinheit) hinterlegten Betriebskenngrößen
(beispielsweise zulässige Maximalkräfte in bestimmten
Bauteilen des Gestänges) das tatsächlich abzugebende
Drehmoment des Wischermotors zeitnah zu steuern. Das erforderliche
Mess-Signal kann beispielsweise über geeignete Sensoren
aufgenommen werden.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der Erläuterung
der beiliegenden Figuren deutlich. Dabei bedeuten
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1 den
Aufbau einer bekannten Wischeranlage in perspektivischer Ansicht,
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2 Detailansichten einer anderen bekannten
Wischeranlage, mit unterschiedlichen Drehwinkel-Stellungen des Wischermotors,
wobei die auftretenden Kräfteverhältnisse prinziphaft
dargestellt sind
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3 eine
Darstellung des möglichen Momentenverlaufs eines Wischermotors,
wobei auch die erfindungsgemäße Ansteuerung des
Wischermotors deutlich wird und
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4 ein
prinziphaftes Blockschaltbild eines Regelkreises zur Ansteuerung
des Wischermotors.
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In 1 ist
eine bekannte, als Zweihebelsystem ausgelegte und mit parallel geschaltetem
Gelenkgetriebe ausgestattete Wischeranlage 1 ersichtlich.
Die Wischeranlage 1 weist einen Wischermotor 2 auf,
mit dessen Abtriebswelle eine Antriebskurbel 3 verbunden
ist. Mit der Antriebskurbel 3 sind zwei Schubstangen 4 bewegungsmäßig
gekoppelt. Jede Schubstange 4 wiederum ist bewegungsmäßig
mit einer Schwinge 5 bewegungsmäßig gekoppelt,
die eine Wischerwelle 6 antreibt, mit der ein nicht näher dargestellter
Wischerarm und ein daran befestigtes Wischerblatt bewegungsmäßig
gekoppelt sind. Zu deren Lagerung und zur Befestigung der Wischeranlage 1 an
einem Kraftfahrzeug sind die Wischerwellen 6 mit Wischerlagern 7 verbunden.
Ferner ist zur Befestigung des Wischermotors 2 und zur
Erhöhung der Stabilität der Wischeranlage 1 ein
Trägerrohr 8 mit einer Befestigungsplatte 9 vorgesehen.
Der Wischermotor 2 ist als Rundläufer ausgebildet,
kann aber auch ein Reversiermotor sein.
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Die 2a zeigt
nun eine Wischeranlage 10, wobei in dem gezeigten Ausschnitt
eine Befestigungsplatte 90, ein daran befestigter Wischermotor 20,
sowie ein Trägerrohr 80 ersichtlich sind. Mit
der Abtriebswelle des Wischermotors 20 ist eine Antriebskurbel 30 mit
einem Radius r verbunden, an die wiederum eine Schubstange 40 angelenkt
ist. Der Wischermotor 20 ist als Rundläufer ausgebildet
(kann aber auch ein Reversiermotor sein) und treibt die Antriebskurbel 30 in
Pfeilrichtung an. Aufgrund eines von dem Wischermotor 20 erzeugten
Drehmomentes M (vgl. 3) ergeben sich in einem Verbindungspunkt 31 von
Antriebskurbel 30 und Schubstange 40 folgende
Kräfteverhältnisse:
Eine Tangentialkraft
Ft, eine Radialkraft Fr sowie eine resultierende, in der Schubstange 40 wirkende
Kraft Fs. Die Kraftvektoren Ft und Fs schließen einen Winkel α miteinander
ein, wobei die geometrische Beziehung Fs = Ft/cosα gilt.
Anhand von 2b ist ohne weiteres ersichtlich,
dass sich der Winkel α aufgrund der Drehrichtung der Antriebskurbel 30 vergrößert hat
und damit auch die resultierende Kraft Fs. Diese erreicht ab einem
bestimmten Winkel α schnell eine kritische Kraft für
die Schubstange 40 bzw. Antriebskurbel 30 und
nimmt (bei angenommener idealer Steifigkeit der Getriebebauteile)
bei einem Winkel von α = 90° zumindest theoretisch
einen unendlich großen Wert ein. Ferner gelten folgende
Beziehungen: M = Ft·rund
Ft
= M/r, wobei aufgrund r = konst gilt
M ☐ Ft
Wegen
Fs = Ft/cosα gilt auch
Fs ☐ Ft
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Ferner
gelten für eine Leistung P des Wischermotors 20,
eine gegebene (i. w. konstante) Bordnetzspannung U, einen dem Wischermotor 20 zugeführten
Strom 1 sowie eine (i. w. konstante) Winkelgeschwindigkeit ω der
Wischermotor-Abtriebswelle folgende Beziehungen:
P = U·I
P
= M·ω
M·ω = U·I,
aufgrund von ω = konst. und U = konst. folgt
M ☐ I
und somit auch Ft und Fs ☐ I.
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Um
die resultierende Kraft Fs in der Schubstange 40 unter
einen bestimmten Wert zu begrenzen kann nun erfindungsgemäß ein
vom Wischermotor 20 tatsächlich abgegebenes Drehmoment
Mist, wie im folgenden anhand von 3 erläutert,
beispielsweise durch Veränderung des dem Wischermotor 20 zugeführten
wirksamen Stroms an die tatsächlich auftretende Belastungssituation
angepasst werden. Ein vom Wischermotor 20 maximal mögliches
abgebbares Drehmoment ist mit Mmax bezeichnet.
Das Drehmoment Mmax wird nach Beaufschlagung
des Wischermotors 20 mit einem Strom nahezu sofort abgegeben
und liegt insbesondere im Bereich der Umkehrlagen der Wischerarme,
welche jeweils im Abstand von einem Motordrehwinkel φ von
etwa 180° auftreten, weit über einem für
den Betrieb der Wischeranlage jeweils erforderlichen Drehmoment Merf. Um diese „unnütze
Energieverschwendung”, welche aufgrund der auftretenden
hohen Kräfte auch eine entsprechend aufwändige
Dimensionierung des Wischergestänges zur Folge hat, zu
vermeiden, wird nun der Wischermotor 20 derart angesteuert,
dass sein tatsächlich abgegebenes Drehmoment Mist unterhalb
seines maximal möglichen abgebbaren Drehmomentes Mmax liegt, aber dennoch nicht kleiner ist, als
das jeweils mindestens erforderliche Drehmoment Merf.
Es kann somit beispielsweise ein Momentenverlauf Mist eingestellt
werden, wie er in 3 ersichtlich ist. Der Momentenverlauf
Mist kann innerhalb des Bereichs zwischen
den Momentenkurven Mmax und Merf auch
anders eingestellt werden, beispielsweise im Bereich der Umkehrlagen
in etwa bis auf den Wert Null heruntergefahren werden (gestrichelt angedeutet).
Eine optimale Anpassung über den gesamten Wischzyklus ergibt
sich, wenn das abgegebene Moment Mist über
den gesamten Drehwinkelbereich φ dem erforderlichen Drehmoment
Merf in etwa entspricht, dabei dieses jedoch
nicht unterschreitet. Die Veränderung bzw. Anpassung des
durch den Wischermotor 20 abgegebenen Drehmoments Mist kann dabei sehr einfach und wirkungsvoll über
eine zeitliche und/oder größenmäßige
Veränderung bzw. Anpassung eines dem Wischermotor 20 wirksam
zugeführten Stroms I erfolgen.
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4 zeigt
mit einem prinziphaften Blockschaltbild vereinfacht den möglichen
Aufbau eines Regelkreises. Im Betrieb wird eine an der Wischeranlage 10 auftretendes
Messgröße 29 (bspw. an der Schubstange 40 auftretende
Kraft Fs bzw. Spannung) mittels eines geeigneten Messwertaufnehmers 21 (bspw.
Kraftsensor) erfasst und von diesem ein entsprechendes Mess-Signal 25 generiert.
Dieses wird einer Auswerteeinheit 22 zugeführt,
die das Mess-Signal 25 mit einem in einer Speichereinheit 23 abgelegten
Vergleichsgröße 26 (bspw. kritische Kraft bzw.
Spannung) vergleicht und in Abhängigkeit davon ein Auswertesignal 27 erzeugt
und einer Steuereinheit 24 zuführt. In Abhängigkeit
des Auswertesignals 27 erzeugt die Steuereinheit 24 ein
Steuersignal 28, welches dem Wischermotor 20 zugeführt
wird. In diesem Fall beinhaltet die Steuereinheit 24 zumindest
eine H-Brückenschaltung, welche als Steuersignal 28 ein
pulsmoduliertes Stromsignal an den Wischermotor 20 abgeben
und damit die dem Wischermotor 20 zugeführte,
wirksame Stromgröße entsprechend den vorliegenden
Lastverhältnissen steuern (herabsetzen) kann, damit die
kritische Kraft bzw. Spannung im konkreten Drehwinkelbereich φ nicht erreicht
wird.
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Natürlich
wäre z. B. auch denkbar als Messwert-Aufnehmer 21 einen
Drehwinkelsensor einzusetzen, der lediglich den vom Wischermotor 20 durchfahrenen
Drehwinkel φ misst und das entsprechende Mess-Signal 25 mit
in der Speichereinheit 23 hinterlegten, tabellenartig hinterlegten,
systemimmanenten Größen (φ 1, Fs1; φ 2,
Fs2; ...; φ n, Fsn) vergleicht und wiederum eine entsprechende
Ansteuerung des Wischermotors 20 durchführt.
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- 1
- Wischeranlage
- 10
- Wischeranlage
- 2
- Wischermotor
- 20
- Wischermotor
- 21
- Messwertaufnehmer
- 22
- Auswerteeinheit
- 23
- Speichereinheit
- 24
- Steuereinheit
- 25
- Mess-Signal
- 26
- Vergleichsgröße
- 27
- Auswertesignal
- 28
- Steuersignal
- 29
- Messgröße
- 3
- Antriebskurbel
- 30
- Antriebskurbel
- 31
- Verbindungspunkt
von Antriebskurbel 30 und Schubstange 40
- 4
- Schubstangen
- 40
- Schubstange
- 5
- Schwingen
- 6
- Wischerwelle
- 7
- Wischerlagern
- 8
- Trägerrohr
- 80
- Trägerrohr
- 9
- Befestigungsplatte
- 90
- Befestigungsplatte
- Ft
- Tangentialkraft
- Fr
- Radialkraft
- Fs
- resultierende
Kraft in der Schubstange
- I
- dem
Wischermotor zugeführter Strom
- M
- Drehmoment
des Wischermotors 20
- Merf
- erforderliches
Drehmoment des Wischermotors 20
- Mist
- vom
Wischermotor 20 tatsächlich abgegebenes Drehmoment
- Mmax
- vom
Wischermotor 20 maximal mögliches abgebbares Drehmoment
- P
- Leistung
des Wischermotors 20
- r
- Radius
der Antriebskurbel 30
- U
- Bordnetzspannung
- α
- Winkel
zwischen Kraft Fs und Kraft Ft
- ω
- Winkelgeschwindigkeit
der Wischermotor-Abtriebswelle
- φ
- Drehwinkel
der Wischermotor-Abtriebswelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 09-272405
A [0006]
- - JP 61-247541 A [0007]
- - JP 10-044940 A [0008]
- - JP 59-092235 A [0009]