-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dimensionieren einer Wischeranlage mithilfe einer Simulation von mindestens einem Wischerarm.
-
Die
US 4 969 227 A und die Druckschrift von Chin et. Al. Von 1991 im International Journal of Vehicle Design, Vol. 12, Nr. 2, Seite 175–182 befinden sich auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung.
-
Beim Auslegen einer Wischeranlage zum Einbau in einen vorgegebenen Kraftfahrzeugtyp müssen eine Vielzahl von Konstruktionsparametern festgelegt werden, die aufgrund ihres statischen und dynamischen Verhaltens einen Wischfeldbereich von bislang nicht voraussehbarer Größe bestimmen. Zwar kann mithilfe einer kinematischen Simulation ein Wischfeldbereich für die Wischeranlage in einem statischen Zustand bestimmt werden, damit kann jedoch eine nur sehr ungenaue Annäherung an die tatsächliche Größe des Wischfeldbereichs ermittelt werden. Ausgehend von der kinematischen Beschreibung (Kinematik) der Wischeranlage kann eine dynamische Simulation bislang nicht durchgeführt werden. Das Auslegen der Wischeranlage erfolgt deshalb heutzutage üblicherweise durch Ausprobieren, wodurch die optimale Auslegung der Wischeranlage nur durch Zufall nach einer größeren Anzahl von Durchgängen erreicht wird.
-
Grundsätzlich ist eine dynamische Simulation der gesamten Wischeranlage mithilfe einer Finite-Elemente-Methode möglich, diese ist jedoch für diese Aufgabenstellung sehr zeitintensiv und damit in der Praxis nicht brauchbar.
-
Für die kinematische Simulation einer Wischeranlage steht bereits ein Simulationstool zur Verfügung, das jedoch dynamische Parameter der Wischeranlage nicht berücksichtigen kann.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Dimensionieren einer Wischeranlage zur Verfügung zu stellen.
-
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Dimensionieren einer Wischeranlage mithilfe einer Simulation von mindestens einem Wischerarm vorgesehen. Dabei wird zunächst eine Konstruktion einer Wischeranlage vorgegeben, und daraus eine Kinematik für die Wischeranlage erstellt. Dies dient dazu, die Mechanik des beweglichen Wischerarms zu beschreiben. Anschließend werden zusätzlich dynamische Parameter der Wischeranlage für die Kinematik bereitgestellt. Die Kinematik, sowie die dynamischen Parameter werden an ein Simulationsprogramm zum Simulieren des dynamischen Verhaltens des Wischerarm übergeben, indem das dynamische Verhalten bei mindestens zwei verschiedenen Werten eines Betriebsparameters simuliert wird, um ein Simulationsergebnis über den Einfluss des Betriebsparameters auf den Wischfeldbereich zu erhalten. Anschließend wird abhängig von dem simulierten Wischfeldbereich die Wischeranlage dimensioniert.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es durch das Übergeben der Kinematik, die in einem bislang üblichen Beschreibungsformat vorliegt, und durch das zur Verfügung stellen von dynamischen Parametern an ein Simulationsprogramm zum Simulieren des dynamischen Verhaltens möglich ist, den Wischfeldbereich genauer zu bestimmen. Insbesondere ist es möglich, den Einfluss von Änderungen bei der Kinematik bzw. bei den dynamischen Parametern auf den Wischfeldbereich festzustellen, und so beim Dimensionieren der Wischeranlage schneller zu einem optimalen Ergebnis zu gelangen.
-
Das dynamische Verhalten kann bei einem Bewegen des Wischerarms auf einer nassen und einer trockenen Scheibe, bei mindestens zwei verschiedenen Wischgeschwindigkeiten und bei einem starren und flexiblen Wischerarm simuliert werden. Auf diese Weise erhält man die maximale Größe des Wischfeldbereichs bei den in der Realität auftretenden Bedingungen, so dass es möglich ist, schnell zu entscheiden, ob die betrachtete Wischeranlage in den entsprechenden Fahrzeugtyp eingebaut werden kann oder nicht.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Dimensionieren der Wischeranlage durchgeführt wird, indem die kinematischen und/oder dynamischen Parameter so lange geändert und anschließend das dynamische Verhalten simuliert werden, bis eine vorgegebene optimale Auslegung der Wischeranlage erreicht worden ist. Auf diese Weise kann iterativ die optimale Auslegung der Wischeranlage erreicht werden, indem ausgehend von einem zuletzt erreichten Simulationsergebnis einer der zugehörigen Parameter entsprechend angepasst wird.
-
Es kann vorgesehen sein, dass beim Dimensionieren der Wischeranlage die Systemparameter, die Wischarmsteifigkeit, die Wischarmlänge, die Wischblattlänge, Profil von Wischarm und/oder Wischblatt, Elastizität von Wischarm und/oder Wischblatt, Drehmoment und Geschwindigkeit des Wischerantriebs abhängig von dem simulierten Wischfeldbereich angepasst werden.
-
Es kann zum Erstellen der Kinematik ein erstes Computerprogramm und für die Simulation des dynamischen Verhaltens ein zweites Computerprogramm vorgesehen sein, wobei dynamische Parameter der erstellten Kinematik dem zweiten Computerprogramm zur Simulation zur Verfügung gestellt wird.
-
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Bei der Auslegung von Wischeranlagen sind vielfältige Parameter frei wählbar, die letzten Endes über die Größe des Wischfeldes entscheiden. So können der Wischwinkelbereich, die Länge des Wischarms und des Wischers, der Aufbau von Wischarm und Wischer, insbesondere hinsichtlich ihrer Elastizität, und nicht zuletzt die Anzahl der Wischarme in großen Bereichen frei gewählt werden. Um Anhaltspunkte bei der Auslegung der Wischeranlage zu bekommen, wird bislang eine kinematische Analyse durchgeführt, mit deren Hilfe der Wischfeldbereich in einer groben Näherung bestimmt werden kann. Da die kinematische Analyse nur zu groben Näherungswerten für den Wischfeldbereich führt, wird auf Grundlage dieser Analyse in Verbindung mit Erfahrungswerten der tatsächliche Wischfeldbereich abgeschätzt. Dies ist jedoch fehlerbehaftet und sehr ungenau, da eine solche Abschätzung auf Erfahrungswerten bekannter Wischeranlagen erfolgt, die nicht oder nur eingeschränkt auf andere Wischeranlagen übertragbar sind.
-
Deshalb wird die Kinematik, d. h. die Konstruktionsbeschreibung der Wischeranlage mithilfe von CAD-Daten, deren Wischfeldbereich überprüft werden soll, mit dynamischen Parametern verbunden und an ein Simulationssystem übergeben. Dieses Simulationssystem ermöglicht dann das Simulieren des dynamischen Verhaltens der Wischeranlage. Insbesondere werden verschiedene Lastfälle simuliert, so dass die Wischwinkeldifferenz zwischen geringer Last und hoher Last des Wischerarms ermittelt werden kann. Während die Wischwinkeldifferenz bei verschiedenen Lastbedingungen möglichst gering sein soll, ist es wünschenswert, dass der Wischfeldbereich möglichst genau bestimmt werden kann, um möglichst die gesamte Windschutzscheibe beim Wischen mit den Wischerarmen zu überstreichen.
-
Dem Anwender des Verfahrens ist es möglich, anhand der verschiedenen Simulationsergebnisse zu erkennen, welche Parameter bzw. welche Elemente der Wischeranlage wie angepasst werden müssen, um den gewünschten Wischfeldbereich mit einer möglichst geringen Wischwinkeldifferenz zwischen verschiedenen Lastbedingungen zu erhalten.
-
Im dargestellten Diagramm der einzigen Figur ist die Menüstruktur eines Programms zur Simulation des dynamischen Verhaltens einer Wischeranlage dargestellt. Die Menüstruktur umfasst Menüpunkte. Ein Benutzer kann durch Anwählen der Menüpunkte einen bestimmten Simulationsablauf durchführen. Die Menüstruktur umfasst neben anderen nicht näher bezeichneten Menüpunkten im Wesentlichen die drei Kernschritte Modulierung (S1), Analyse (S2) und Anzeige der Ergebnisse (S3). Ausgehend von der zugrunde liegenden Kinematik, die aus der Konstruktion, d. h. den CAD-Dateien, der zugrunde liegenden Wischeranlage erhalten wird, werden bei der Modulierung zunächst die Randbedingungen des Systems definiert, sowie starre Verbindungselemente in der Kinematik durch elastische Balkenelemente ausgetauscht. Damit ist in dem Simulationssystem die Wischeranlage so beschrieben, dass abhängig von den vorgegebenen Parametern eine dynamische Simulation durchgeführt werden kann. Die Übergabe erfolgt durch eine Konvertierung in das von dem Simulationssystem zur dynamischen Simulation verstandene Datenformat.
-
Der Analysebereich dient dazu, verschiedene Analysen des dynamischen Systems durchzuführen, durch die Menüunterpunkte Referenzlauf (S21), Standardanalysen (S22), Blockierfallanalyse (S23), sowie Wischwinkeldifferenz (S24) können verschiedene Simulationen, die individuell von dem Anwender ausgewählt werden können, durchgeführt werden.
-
Die Durchführung des Referenzlaufs gemäß Schritt S21 muss vor dem Einfügen elastischer Verbindungselemente in das System erfolgen, da der Referenzlauf ursächlich eine kinematische Simulation darstellt. Der Referenzlauf dient dazu, die Nennstellungen der Wischerblätter für Park- und Umkehrlage zu ermitteln und die Wischblattpositionen zu Kurbelwinkeln zuzuordnen. Die Simulation wird über einen Kurbelwinkel von 180° oder für eine Zeitdauer von z. B. 2 Sekunden durchgeführt und anschließend beendet. Die Zuordnung von Wischblattposition zu Kurbelwinkel ist notwendig, um bei der Blockadeanalyse die Blockierungen an der richtigen Position der Windschutzscheibe definieren zu können.
-
Die Differenzanalyse dient dazu, die Kinematik ohne dynamische Parameter zu berechnen und Abhängigkeiten zwischen Kurbelwinkel und Wischblattposition zu ermitteln. Wie diese Berechnung ausgeführt wird, liegt im Wissen des Fachmanns und es wird hierin nicht weiter darauf eingegangen.
-
Bei der „Standardanalyse” ist es möglich, beliebige Simulationen durchzuführen, insbesondere Simulationen unter Berücksichtigung des Antriebsmoments, der Antriebsdrehzahl, der Reibung, sowie unter Vorgabe vorab festgelegter sowie automatisch generierter Blockierpositionen durchzuführen.
-
Die Standardanalyse simuliert die Bewegung der Wischerarme abhängig von Parametern wie Antriebszahl, Drehmoment, Reibung zwischen Scheibe und Wischerblatt, Grad des Kurbelwinkels, bei dem der Anschlag erfolgen soll, durchgeführt.
-
Im Menüpunkt „Blockierfallanalyse” (S23) ist es dem Nutzer möglich, eine Blockierung der Wischeranlage bei verschiedenen Kurbelwinkeleinstellungen zu simulieren, um Reaktionskraftverläufe in den Gelenken über dem Kurbelwinkel zu erhalten.
-
Die Blockierfallanalyse ist eine automatisch gesteuerte Simulation. Dabei werden in vorbestimmten Kurbelwinkelschritten Blockierungen auf der Scheibe aufgebracht und diese sequentiell angefahren. Dort erfolgt dann eine statische Analyse der Wischeranlage.
-
Der Menüpunkt „Wischwinkeldifferenz” S24 ist mit einer Funktion verbunden, um die Abweichung im Wischfeld zwischen den Lastfällen, hohes Antriebsmoment bei nasser Scheibe und niedriges Antriebsmoment bei trockener Scheibe, zu ermitteln.
-
In dem Menüpunkt „Ergebnisse” S3 hat der Benutzer die Möglichkeit, die Berechnungsergebnisse darzustellen. Der Menüpunkt „Plots Dimensionslos” (S31) dient dazu, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf in den Gelenken der Wischeranlage antriebsbezogen darzustellen.
-
Die Ermittlung der Wischwinkeldifferenz gemäß dem Menüpunkt S24 erlaubt die graphische Ausgabe der Wischwinkeldifferenz gemäß dem Menüpunkt (S32) als Linienchart bzw. als Tabelle der Größen auszugeben.
-
Der in der Figur dargestellte Menübaum erleichtert die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, da es ausgehend von einer Kinematik, die eine Wischeranlage mithilfe von CAD-Daten beschreibt, einem Benutzer ermöglicht, Schritt für Schritt die Dimensionierung einer Wischeranlage durchzuführen, indem er unter Berücksichtigung von dynamischen Parametern Simulationen des dynamischen Verhaltens der Wischeranlage durchführt und durch Veränderung der kinematischen und/oder dynamischen Parameter die Dimensionierung der Wischeranlage so lange ändert, bis die Wischeranlage für den gewünschten Fahrzeugtyp (Größe der Windschutzscheibe) optimiert ist.
-
Das Anpassen der Wischeranlage erfolgt also iterativ, indem sich durch Änderung von einem oder mehreren Parametern und nachträglicher Simulation mit den geänderten Parametern für die Auslegung der Wischeranlage hilfreiche Angaben ermitteln lassen, wie beispielsweise die Wischwinkeldifferenz zwischen Lastfällen mit maximaler und minimaler Last, den Reaktionskraftverlauf in den Gelenken über dem Kurbelwinkel und andere.
-
Der Designer einer Wischeranlage kann so mithilfe der Simulation realitätsnah Angaben über das Verhalten der gewählten Wischeranlage ermitteln, ohne die Wischeranlage im konkreten Fall aufbauen zu müssen. Während üblicherweise das Dimensionieren der Wischeranlage auf Grundlage der kinematischen Parameter, d. h. ohne Berücksichtigung der Reibungen, Elastizitäten und ähnlichem, durchgeführt wird, wobei auf Grundlage der Ergebnisse der kinematischen Analyse die Größe des Wischfeldbereichs abgeschätzt wird, ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, schon vor dem physikalischen Aufbau der Wischeranlage deren Verhalten in Bezug auf den Wischfeldbereich und den Reaktionskraftverlauf zu ermitteln.
