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Simulation von Scheibenwischern Simulation soll Lebensdauer von Wischeranlagen verlängern und neue Konzepte testen

| Redakteur: Thomas Kuther

Automobile und High-Tech – da denkt man an Hochleistungsmotoren, Karbon-Karosserien und elektronische Fahrhilfen; Scheibenwischer kämen in dieser Liste wohl erst sehr weit hinten. Doch bei Bosch werden sogar Computersimulationen eingesetzt, um die Belastbarkeit neuer Konzepte zu testen und die Lebensdauer von Wischeranlagen zu verlängern.

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Bild: Rainer Sturm, pixelio.de
Bild: Rainer Sturm, pixelio.de
( Archiv: Vogel Business Media )

Ein Ziel der gemeinsamen Versuche der Robert Bosch GmbH in Bühlertal und den Heidenheimer Simulationsingenieuren von Merkle & Partner ist es, die unscheinbare Wischertechnik robuster gegen Umwelteinflüsse zu machen. Häufigste Schadensursache, das zeigen die Modelle, ist ein Verbiegen der Anlage – etwa durch unsachgemäße oder achtlose Behandlung.

Jeder Autofahrer kennt das Problem: Lässt man im Winter das Auto länger draußen, hat man vor der nächsten Fahrt erstmal mit festgefrorenen Scheibenwischern zu kämpfen. Dann wird versucht, den Wischer frei zu kratzen, mit Enteiserspray zu lösen oder einfach von der Scheibe zu reißen – brachiale Gewalt gegen ein genau ausgerichtetes und hochkompliziertes Bauteil.

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„Viele machen sich nicht bewusst, dass bei einem Wischer sehr viele Disziplinen perfekt zusammenspielen müssen, damit er funktioniert“, erklärt Joachim Zimmer, Ingenieur im Bereich Wiper Systems bei Bosch. „Die Kinematik, also der Antrieb, das Design, die Umströmung im Fahrtwind, die Elektronik oder die Schwingungsstabilität, das alles muss passen, damit der Scheibenwischer seine Leistung bringen kann.“ Ist etwa das Gummi zu hart, rattert der Wischer, ist er zu weich, kann er Schmutz nicht ordentlich abheben. Hinzu kommt, dass die Wischeranlage selbst auch nach Jahren nicht versagen darf.

Verkannte Spitzentechnologie: Scheibenwischer sind Maßarbeit

Um das zu erreichen, werden die Wischer nach neusten Erkenntnissen immer weiter verbessert. Mit dem handbetriebenen Abstreiflineal vom Anfang des Jahrhunderts haben die modernen High-Tech-Geräte nicht mehr viel gemeinsam: Die unterschiedliche chemische und physikalische Zusammensetzung des Gummis innerhalb des Wischblattes sorgt für Festigkeit und garantiert gleichzeitig, dass sich das Blatt für die Rückwärtsbewegung des Wischers sanft umlegt. Eine Federschiene statt der älteren Bügelkonstruktion verbessert die Aerodynamik der Wischer, verringert die Geräusche und steigert die Reinigungsleistung. Regensensoren bestimmen selbständig die Wischstärke je nach Niederschlag. Jedem neuen Fahrzeugmodell wird sein Wischer gewissermaßen auf den Leib geschneidert. Ändert sich die Außenhaut oder die bauliche Gestaltung, muss auch die Entwicklung des Scheibenwischers daran angepasst werden.

Bis zu vier Jahre vom Entwurf zur Serienreife

Damit äußere Einflüsse den Wischersystemen trotz ihrer Komplexität möglichst wenig anhaben können, werden bei Bosch neue Typen während des gesamten Entwicklungsprozesses immer wieder in Computersimulationen geprüft. Dabei kommen Dynamikberechnungen ebenso zum Einsatz wie numerische Strömungssimulationen (CFD). „Je nach Fahrzeughersteller dauert es eineinhalb bis vier Jahre von den ersten Entwürfen bis zur Serienproduktion eines Scheibenwischers. Etwa ein Fünftel des Konstruktionsumfangs machen Simulationen aus“, berichtet Zimmer.

Den Test der Konstruktionsideen übernimmt das Ingenieurbüro Merkle & Partner, das auf Simulationen zur Produktentwicklung und Konstruktionsoptimierung spezialisiert ist. Im Computer wird der künftige Scheibenwischer nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) als nahezu naturgetreues Modell aus einer endlichen Anzahl von Berechnungsknoten aufgebaut. Um die Testbedingungen möglichst realistisch zu gestalten, greifen die Ingenieure dazu neben den Entwürfen auf eine Vielzahl unterschiedlicher Daten zurück. Die Eigenschaften des Wischers selbst hängen etwa unter anderem von den Materialkenndaten und der Beschaffenheit von Wischerarm und Gummilippe sowie der Steifigkeit der Lager ab, die konkrete Leistung wird daneben auch von der je nach Fahrzeug unterschiedlichen Geometrie der Scheibe oder der Außentemperatur beeinflusst.

Schnee, Eis oder menschliche Grobheit

Erst wenn das Modell steht, geht es an die eigentliche Prüfung. Ziel ist dabei, die Widerstandsfähigkeit der Anlage bei verschiedenen Betriebslasten und gegen falsche Behandlung zu optimieren. In fünf unterschiedlichen virtuellen Belastungsproben wird der Scheibenwischer auf sein Verhalten untersucht, wie Alexander Mühlbeyer, Ingenieur bei Merkle & Partner, am Beispiel eines neuen Scheibenwischermodells für Peugeot erklärt: „Im Blockiertest simulieren wir, dass der Wischer festgehalten wird oder festgefroren ist“.

Das Fixieren des Arms im Betrieb ist vor allem für den Wischermotor problematisch, der dabei heißlaufen kann. Einen ähnlichen Hintergrund hat der Schneelasttest. Dabei wird die Situation nachgestellt, dass sich ein Schneekeil vor dem Wischerblatt gebildet hat. Der Motor muss stärker arbeiten, um den Widerstand zu überwinden und den Wischer zu bewegen, außerdem wirkt ein deutlich höheres mechanisches Gewicht auf dem Arm. „Die Belastung ist beim Blockieren oder unter Schnee etwa zehnmal höher als beim normalen Wischen“, so Zimmer.

Miuse-Test simuliert stärkste Beanspruchungen

Beim Slamtest steht die gängige Praxis im Mittelpunkt, den Scheibenwischer beim längeren Parken hochzuklappen und dann wieder auf die Scheibe fallen zu lassen. „Dabei ist interessant, ob der Metallarm die Scheibe berührt“, berichtet Mühlbeyer, „denn der könnte das Glas beschädigen.“ Ganz ohne menschliche Einwirkung entstehen dagegen die Probleme, die beim Schütteltest geprüft werden. Da das Auto bei laufendem Motor ständig vibriert, übertragen sich die unmerklichen Bewegungen auch auf die Wischer und können sie beschädigen. Die stärkste Beanspruchung der Wischerarme simuliert der Misuse-Test. Hierbei geht es um eine seitliche Belastung des hochgeklappten Armes, etwa der Demontage des Wischarms, zum Beispiel beim Wechsel einer Wischschutzscheibe. Zwar hat Bosch spezielle Adapter und Systeme entwickelt, um den Austausch der Wischer zu erleichtern, dennoch könnte es vorkommen, dass dabei mit zu viel Kraftanwendung der Wischerarm oder das Gelenk beschädigt wird.

Versuch und Irrtum auf dem Prüfstand

„Früher mussten diese Werte durch Tests ermittelt werden“, erzählt Bosch-Ingenieur Zimmer. Heute werden die Prüfungen weitestgehend im Computer durchgeführt. Dadurch ist es möglich, dieselbe Situation mit winzigen Veränderungen der Parameter in kürzester Zeit wieder und wieder durchzuspielen, ohne jedes Mal den Versuchsaufbau ändern zu müssen. Bei realen Tests müssten für jeden Entwicklungsschritt wieder Werkzeuge zur Herstellung neuer Prototypen sowie die Prototypen selbst neu gebaut werden, nur um sie bei Versagen wieder zu verwerfen, ein Vorgehen, das nicht nur kosten- sondern auch zeitintensiv ist.

Zwar benötigen die Rechner aufgrund der ungeheuren Datenmengen sogar mit mehreren Prozessoren rund zwei bis vier Wochen, um alle relevanten Lastfälle zu simulieren, dennoch lassen sich durch die Computerberechnungen Versuche und Langzeittests, und damit auch die gesamte Entwicklungszeit, deutlich verkürzen. Der entscheidende Vorteil für Bosch liegt allerdings in der Verbesserung der Konstruktion, wie Joachim Zimmer erklärt: „Wir können dadurch Schwachstellen aufdecken und unsere Konstruktionen deutlich robuster gestalten.“

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