JP2006519723A - 弾性的な構成部材の未加工素材形状を規定するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも所定の第１の力（Ｆ_１）の作用下において弾性的な構成部材の最終的な目標形状を予め設定しながら、弾性的な構成部材特にヒンジのないワイパアーム（１０）の未加工素材形状を規定するための方法に関する。弾性的な構成部材の作業モジュール（１２）のモデル未加工素材形状を前記目標形状に少なくともほぼ類似させておき、この作業モジュール（１２）に所定の第１の力（Ｆ_１）に対して少なくともほぼ逆方向の対抗力（Ｆ_Ｇ）を加えることが提案されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、弾性的な構成部材の未加工素材形状を規定するための方法に関する。

少なくとも所定の第１の変形力の作用下において弾性的な構成部材の最終的な目標形状を予め設定しながら、一定な横断面を有する板ばねとして構成された、ヒンジのない弾性的なワイパアームの未加工素材形状を規定するために、未加工素材形状を次のように規定して湾曲させる方法が公知である。つまり、一方側が緊締された弾性的な曲げバーの湾曲形状に相当する湾曲形状を有し、かつ、湾曲の大きさが押し付け力によって規定されていて、公知の式を用いて計算可能であるように規定して、未加工素材形状を湾曲させる方法が公知である（Dubbel, Taschenbuch fuer den Maschinenbau, 19, Auflage Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1997：デューベル著、機械工学ハンドブック、第１９巻、シュプリンガー出版社、ベルリン、ハイデルベルグ、１９９７年参照）。

発明の利点
本発明は、少なくとも第１の所定の力の作用下における弾性的な構成部材の最終的な目標形状を予め設定しながら、弾性的な構成部材特にヒンジのないワイパアームの未加工素材形状を規定するための方法に関する。

所定の第１の力に少なくともほぼ抗する対抗力を、弾性的な構成部材の作業モジュール（この作業モジュールのモデル未加工素材形状が目標形状に少なくとも類似している）に加えることが提案されている。これによって、多くの実験及び数学的な費用をかけることなしに、未加工素材形状を目標形状に近づけることができる。目標形状のデザインに相当するプリセット（予設定）も、また弾性的な構成部材の機能に相当するプリセットも満たす未加工素材形状が算出される。ヒンジのないワイパアームにおいては、自動車に組み付けられた状態で空気力学及びデザインによって決定されたワイパアームの目標形状において、拭い取り性能及び拭い取り快適性に関連した最適な押し付け力を得ることができる。ワイパアームの空気力学的な特性に関連して、特に、目標形状におけるワイパアームと、ワイパアームに組み付けられた、自動車のウインドシールドガラス上に押し付けられるワイパブレードとの間の中間スペースの形状が、非常に重要である。

未加工素材形状とは、ほぼ力がかからない配置状態において弾性的な構成部材が成す形状である。モデル未加工素材形状とは、特に第１の方法段階で少なくともほぼゼロであるが、中間段階で最終的な値を得ることができる管力（Rohkraft）の作用を受けて、作業モジュールが成す形状のことである。適当な力が、作業モデルのモデル未加工素材形状を弾性的な構成部材の目標形状に移行させる、同様の類似性変形及び目盛り変形にさらされる限り、幾何学形状が少なくともほぼ作業モジュールに類図する作業モデルを用いて方法を実施することも考えられる。同様に、適当な力が相応の弾性モジュールの比に乗算される限り、弾性的な構成部材の材料とは異なる、作業モジュールの弾性的な材料を用いて方法を実施することも考えられる。フックの法則に従って、弾性的な材料は、この弾性的な材料に所定の力が作用した場合、この所定の力に常に比例して変形する。従って、弾性的な構成部材が所定の力の作用を受けて成す形状の、外挿（extrapolative：補外）する規定の多くの可能性が得られる。従って、所定の力特に対抗力を加えるということは、この力を物理的に実施する以外に、力の部分的な又は完全な数学的シミュレーション、及び外挿段階及び／又は目盛り段階を含む方法ということである。

本発明の実施態様によれば、前記対抗力を複数の中間段階で上昇させことが提案されている。中間段階で適合を行う可能性によって、変形運動を良好にコントロールすることができる。中間段階に関する情報は、有利な形式で検出することができる。

少なくとも１回の中間段階後に実際の対抗力が、少なくとも部分的に作業モジュールの変形に関連して調整されると、非線上の作用が十分に避けられ、弾性的な構成部材（以上のような形式でこの構成部材の形状が規定されている）の変形プロセスが、各中間段階でほぼ逆転され得る。

作業モデルが実際の変形される方法の実施態様として、作業モデルを未加工素材形状で加熱及び冷却によって固定することが提案されている。この場合、作業モデルの未加工素材形状での加熱は、作業モデルの内部材料応力を解消するための作業モデルの材料の溶融点をぎりぎりで下回る温度範囲まで行えば有利である。特に有利には、この方法の実施態様は、プロトタイプ（原型）を製作するために使用できる。

しかも、対抗力を作用させることによる作業モデル変形をシミュレートすることが提案されている。材料及び形状は、簡単かつ安価に、シミュレーションプログラムのパラメータを変えることによって変化させることができ、テスト済みの多くの方法を用いることができる。特に有利には、数値的なシミュレーションで有限要素法を使用することができる。この場合、線状の有限要素法も、また非線状の有限要素法も考えられる。この場合、
弾性的な構成部材の形状は、簡単な３次元的なモジュール（その変形が簡単な力の場の影響によってその限界値において分析的に計算可能である）によって概算される。有限要素法の概要は、教科書「" Finate-Elemente-Methoden " von Klaus-Juergen Bath, erschienen im Springe - Verlag Berlin-Heidelberug Im Dezember 2001 （クラウス・ユルゲン・バース著の”有限要素法”、シュプリンガー出版社、ベルリン−ハイデルベルグ、２００１年１２月」に記載されている。

少なくとも複数の有限要素を、隣接し合う有限要素を備えた少なくとも２つの分離面に分割する有限要素法を利用すれば、有利な形式でコストを削減することができる。有利な形式で、各要素の変形の特に簡単なシーケンス（逐次）処理が可能である。特に要素の変形の方程式のための線状の近似において、未加工素材形状の計算の問題を、帯行列（Bandmatrix）の対角線化（Diagonalisieren）に限定させることができ、迅速に数値的な方法を用いることができる。これによって、例えばヒンジのないワイパアーム等の特に長い構成部材においては、少ない構成部品及び計算段階で高い精度が得られる。

本発明のその他の利点は以下の図面に記載されている。図面には本発明の実施例が示されている。図面、発明の詳細な説明及び請求項は、多くの特徴の組み合わせを有している。これの特徴は、当業者によって有利な形式で個別のものと見なされ、また有利には別の組み合わせも考えられる。

図１は、ヒンジのないワイパアームの未加工素材形状を規定するための方法を示すフローチャート、
図２は、ワイパアームの作業モジュールの平面図、
図３は、図２に示したモデル未加工素材形状の作業モジュールに対抗力を加えた状態の概略図、 図４は、ヒンジのないワイパアームの未加工素材形状に押し付け力を作用させた状態を示す概略図、
図５は、本発明による方法のテスト段階を示す概略図、
図６は、作業モジュールを有限要素に分割する状態を示す概略図、
図７は、長手方向力の作用下で有限要素を変形する状態を示す概略図、
図８は、横方向力の作用下で有限要素を変形する状態を示す概略図、
図９は、曲げモーメントの作用下で有限要素を変形する状態を示す概略図、
図１０は、図１〜図９に示した作業モジュールの有限要素の変形全体の領域を示す概略図である。

図１は、目標形状を予め設定しながら、ヒンジのないワイパアーム１０として構成された弾性的な構成部材の未加工素材形状を規定するための方法のフローチャートを示している。この目標形状は、自動車のウインドシールドガラス上におけるワイパアーム１０の押し付け力に対する対抗力を成す所定の第１の力Ｆ１の作用を受けて、ヒンジのないワイパアーム１０が最終的に得る形状である（図４）。確定段階１８において、所望の目標形状のパラメータがコンピュータユニットの記憶装置にメモリーされ、この目標形状は、有限要素方法によって、加えられた第１の力Ｆ_１が対抗する対抗力Ｆ_Ｇにおいて、ヒンジのないワイパアーム１０のシミュレートされた作業モジュール１２の変形をシミュレートする（図３）。力がかかっていない状態において作業モジュール１２が成すモデル未加工素材形状が、図３に実線で示されている。このモデル未加工素材形状は、図４に破線で示されたヒンジのないワイパアーム１０の目標形状と同じである。シミュレーション又は変形のための周辺条件は、作業モジュール１２の固定面１４′が固定された状態に維持されるように選定される。固定平面１４′は、ワイパアームの固定平面１４に相当する。このワイパアームの固定平面１４の領域内でワイパアームは、駆動軸を挿入して螺合させるための開口１６を有している。変形段階２０において、対抗力Ｆ_Ｇはその最高値が得られるまで複数の中間段階で上昇し、この場合、各中間段階において、実際の対抗力Ｆ_Ｇは、駆動モジュール１２の変形に応じて、駆動モジュール１２の表面に対して垂直に整列される。駆動モジュール１２が対抗圧力Ｆ_Ｇの作用を受けてこの対抗圧力の最高値において成す形状のパラメータは、読み取り段階２２で読み取られ、ヒンジのないワイパアーム１０の未加工素材形状に関する所望の情報を表す。

これらの情報は、テスト段階２４において、算出された未加工素材形状を有するワイパアーム１０の弾性特性をシミュレートするために使用される。このために、第１の方法段階１８，２０，２２において算出された未加工素材形状を有するワイパアーム１０に作用するテスト力Ｆ_Ｔの作用がシミュレートされる（図５参照）。テスト力Ｆ_Ｔがゼロから第１の力Ｆ_１の値に上昇して、テスト力Ｆ_Ｔが各中間段階でワイパアーム１０の表面に対して垂直に整列されると、ワイパアーム１０は未加工素材形状から目標形状に変形する。ストローク運動２６中の、ウインドシールドガラスに対する押し付け力の変化を算出するために、テスト力Ｆ_Ｔは簡単に第１の力Ｆ_１だけ変化し、テスト力Ｆ_Ｔの関数としての変位、つまりワイパアーム１０の、反転したばね特性曲線が検出される。押し付け力の範囲内のばね特性曲線がフラットであれば、有利である。何故ならばこの場合、ストローク運動２６が、小さい押し付け力変化だけを生ぜしめ、それによってワイパの拭い取り性能に殆ど影響を与えることはないからである。

図１０には、作業モジュール１２の有限要素Ｅ_ｉの変形をシミュレートするための概略図が示されている。このシミュレーションアルゴリズムは、作業モジュール１２の固定平面１４′における堅固な緊締から出発している。この場合、撓み及び角度変化は常にゼロである。作業モジュール１２は、長手方向に沿って有限要素Ｅ_１−Ｅ_Ｎに分割され、これらの分割された有限要素の変形が個別に算出され、加算される（図６）。各有限要素Ｅ_２−Ｅ_Ｎ−１は、隣接し合う有限要素Ｅ_１−Ｅ_Ｎと２つの分離面を分け合っており、これに対して１つの縁部で接している有限要素Ｅ_１及びＥ_Ｎはそれぞれ１つの隣接し合う有限要素だけを有している。大きい横断面変化又は負荷変化を有する領域では、ほぼ同じ横断面及び負荷を有する領域におけるよりも、細かく分割されている。モデル製作時に、有限要素Ｅ_ｉがその全長ｌ_ｉに亘って同じ横断面を有するようにすることで、段階形状としての作業モジュール１２のモデル未加工素材形状によって、ワイパアーム１０の目標形状に近づけられる。

各有限要素Ｅ_１−Ｅ_Ｎの長さは、重心座標Ｘ_１−Ｘ_Ｎ，Ｙ_１−Ｙ_Ｎを有する重心点Ｖ_１−Ｖ_Ｎで、及び角度φ_１−φ_Ｎでメモリーされる。境界面において、各有限要素Ｅ_ｉに、長手方向力Ｆ_ｌｉ（図７）、横方向力Ｆ_ｑｉ（図８）及び曲げモーメントＭ_ｉ（図９）が作用する。曲げモーメントＭ_ｉは、式Ｍ_ｉ＝Σ_ｊＦ_ｊ＊Ｓ_ｉｊに従って、すべての有限要素Ｅ_ｊ（ｊ＝１ … Ｎ）に作用する力Ｆ_ｊ＝Ｆ_ｌｊ＋Ｆ_ｇｊ及び、有限素子ｉとｊとの間の間隔ベクトルＳ_ｉｊ＝Ｖ_ｉ−Ｖ_ｊから、トルクとして算出される。記号「＊」によって、ベクトルの積が表されている。δＸ_ｉ−１、δＹ_ｉ−１から出発して、第１段階で、有限要素Ｅｉの重心点Ｖｉが同じシフトベクトルだけシフトされ、重心点Ｖｉに移行する（図１０）。次いで重心点Ｖ_ｉが、隣接する有限要素Ｅ_ｉ−１の旋回点Ｖ_ｉ−１を中心にして角度変化δφ_ｉ−１だけ回転せしめられ、重心点Ｖ_ｉ″に移行する。横方向力Ｆ_ｑｉ、長手方向力Ｆ_ｌｉ及び外部のモーメントＭ_ｉの作用を受けて変形する、一定の横断面を有する有限要素Ｅ_ｉの変形は、有限要素Ｅ_ｉの長さｌ_ｉ、有限要素Ｅ_ｉの横方向力Ａ_ｉの面モーメントＩ_ｉ、及び材料に関連した弾性モジュールＥに基づいている。特に次の式が得られる。

δφ_ｉ＝Ｆ_ｑｉｌ_ｉ ^２／（２Ｉ_ｉＥ）＋Ｍ_ｉｌ_ｉ／（Ｉ_ｉＥ）
δＹ_ｉ＝Ｆ_ｑｉｌ_ｉ ^３／（３Ｉ_ｉＥ）＋Ｍ_ｉｌ_ｉ ^２／（２Ｉ_ｉＥ）
δＸ_ｉ＝Ｆ_ｌｉｌ_ｉ／（Ａ_ｉＥ）
この場合、シフトδＸ_ｉ及びδＹ_ｉは、横軸が、箇所Ｖ_ｉにおける作業モジュール１２の曲げ曲線の延在方向に対して接線方向に延びている座標系に関連している。以上の式から、新たな角度φ_ｉ＝φ_ｉ−１＋δφ_ｉと、次の座標を有する新たな重心点Ｖ_ｉ″′が得られる。

Ｘ_ｉ″′＝Ｘ_ｉ″＋ｃｏｓ（φ_ｉ）δＸ_ｉ′＋ｓｉｎ（φ_ｉ）δＹ_ｉ′
及び
Ｙ_ｉ″＝Ｙ_ｉ″＋ｃｏｓ（φ_ｉ）δＹ_ｉ′−ｓｉｎ（φ_ｉ）δＸ_ｉ′
誘導段階を終了させるために、角度変化δφ_ｉと弾性的なシフトδＸ_ｉ＝Ｘ_ｉ″′−Ｘ_ｉ、及びδＹ_ｉ＝Ｙ_ｉ″′−Ｙ_ｉが、次の有限要素Ｅ_ｉ＋１に対する角度の計算並びに座標の計算に利用される。

すべてのＮ有限要素Ｅ_１−Ｅ_Ｎが終了すると、角度φ_１−φ_Ｎ及び重心点Ｖ_１″′−Ｖ_Ｎ″′が、ワイパアーム１０の未加工素材形状のための情報として記憶される。

テスト段階２４において、上記有限要素法に対応してワイパアーム１０がシミュレートされ、このワイパアーム１０は、力が作用しない状態で、重心点Ｖ_１″′−Ｖ_Ｎ″′を有する有限要素によって描かれる。

ヒンジのないワイパアームの未加工素材形状を規定するための方法を示すフローチャートである。 ワイパアームの作業モジュールの平面図である。 図２に示したモデル未加工素材形状の作業モジュールに対抗力を加えた状態の概略図である。 ヒンジのないワイパアームの未加工素材形状に支持力を作用させた状態を示す概略図である。 本発明による方法のテスト段階を示す概略図である。 作業モジュールを有限要素に分割する状態を示す概略図である。 長手方向力の作用下で有限要素を変形する状態を示す概略図である。 横方向力の作用下で有限要素を変形する状態を示す概略図である。 曲げモーメントの作用下で有限要素を変形する状態を示す概略図である。 図１〜図９に示した作業モジュールの有限要素の変形全体の領域を示す概略図である。

符号の説明

１０ ワイパアーム、 １２ 作業モジュール、 １４ 固定平面、 １６ 開口、 １８ 確定段階、 ２０ 変形段階、 ２２ 読み取り段階、 ２４ テスト段階、 ２６ ストローク運動、 Ｅ_ｉ エレメント番号ｉ、 Ｓ_ｉｊ ギャップベクトル、 Ｆ_１ 力、 Ｆ_Ｇ 対抗力、 Ｆ_Ｔ テスト力、 Ｍ_ｉ Ｅ_ｉにかかる曲げモーメント、 Ｆ_ｑｉ Ｅ_ｉにかかる横方向力、 Ｆ_ｌｉ Ｅ_ｉにかかる長手方向力、 ｌ_ｉ Ｅ_ｉの長さ、 Ａ_ｉ Ｅ_ｉの横断面、 Ｖ_ｉ Ｅ_ｉの重心、 Ｘ_ｉ 座標、 Ｙ_ｉ 座標、 δ_Ｘｉ 座標の変化、 δ_Ｙｉ 座標の変化、 _φｉ 角度、 δ_φｉ 角度の変化

Claims (7)

1. 少なくとも所定の第１の力（Ｆ_１）の作用下において弾性的な構成部材の最終的な目標形状を予め設定しながら、弾性的な構成部材特にヒンジのないワイパアーム（１０）の未加工素材形状を規定するための方法において、
   弾性的な構成部材の作業モジュール（１２）のモデル未加工素材形状を前記目標形状に少なくともほぼ類似させておき、この作業モジュール（１２）に所定の第１の力（Ｆ_１）に対して少なくともほぼ逆方向の対抗力（Ｆ_Ｇ）を加えることを特徴とする、弾性的な構成部材の未加工素材形状を規定するための方法。
2. 前記対抗力（Ｆ_Ｇ）を複数の中間段階で高くする、請求項１記載の方法。
3. 少なくとも１回の中間段階後に、実際の対抗力（Ｆ_Ｇ）の方向を、少なくとも部分的に作業モジュール（１２）の変形に関連して調整する、請求項２記載の方法。
4. 対抗力（Ｆ_Ｇ）の作用下における作業モジュール（１２）の変形をシミュレートする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. シミュレーションにおいて有限要素法を用いる、請求項４記載の方法。
6. 少なくとも複数の有限要素を、多くとも、隣接し合う有限要素を備えた２つの分離面に分割することによって、有限要素を分割する、請求項５記載の方法。
7. ヒンジのないワイパアーム（１０）において、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法に従って規定された未加工素材形状を有していることを特徴とする、ヒンジのないワイパアーム。

Images