The Next Generation Windshield Wiper

Projektbericht   „The Next Generation Windshield Wiper“   Projektteam: Eric BREUER Florian MALY Erstellt im Rahmen des „ 44. Concours Jonk Fuersche...
Author: Matthias Hertz
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Projektbericht

  „The Next Generation Windshield Wiper“  

Projektteam: Eric BREUER Florian MALY Erstellt im Rahmen des „ 44. Concours Jonk Fuerscher, 28.-29. März 2015“  

Eric BREUER & Florian MALY

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RAIN BAN

  1.

Einleitung

Im Jahr 1903 erfand die Amerikanerin Mary Anderson1 das Grundprinzip des Scheibenwischers und an diesem Prinzip hat sich bis heute, 115 Jahre später, grundsätzlich nichts geändert. Für uns alle gehört er zum Alltag und die wenigsten hinterfragen, ob man sie nicht ersetzen kann. Scheibenwischer haben einen direkten Einfluss auf die Sicht. Dieser ist meist eher negativ und es gäbe genug Gründe, das Prinzip zu ersetzen. Ein paar der Gründe wären, dass Scheibenwischer die Scheibe zerkratzen und Schlieren hinterlassen. Außerdem müssen sie in regelmäßigen Abständen ersetzt werden da sie abnutzen, was zum einen teuer ist und zum anderen umweltschädlich ist. Dies gilt weil die Wischer aus vielen verschiedenen Kunststoffarten, sowie Stahl und verschiedenen Lacken bestehen. Bei starkem Regenfall sind sie meist überfordert die Wassermengen zu beseitigen (Abb. 1), und bei normalem Regen werden große Teile der Windschutzscheibe nicht von den Scheibenwischern erreicht, da den Wischern die Reichweite fehlt. Ein weiteres Problem erzeugen die Wischer durch ihre ständige Hin- und Herbewegung, denn diese verdeckt zusätzlich zum Regen die Sicht und stört den Fahrer. Deshalb verringern die Scheibenwischer oft bei schlechtem Wetter die Sicherheit der Personen im Fahrzeug. Scheibenwischer sehen zudem unästhetisch aus und das besonders bei Sportwagen wie z.B. Pagani, Lamborghini, oder Königsegg. Wir suchten nach einer Lösung für all diese Probleme und fragten uns: Gibt es bereits ein geschlossenes Fortbewegungsmittel mit einer Frontscheibe ohne Scheibenwischer? Flugzeuge zum Beispiel: Sie brauchen beim Fliegen keine Scheibenwischer, da die Tropfen2 von der Außenluft fast vollständig weggeblasen werden. Es gibt aber noch ein anderes Gerät das Wasser mit Luft verdrängt: Händetrockner (z.B. Dyson Airblade™). Dies gab uns die Idee, die Wassertropfen mit Luft zu beseitigen und die Scheibenwischer somit durch einen Luftstrom zu ersetzen.

Abb. 1

 

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  Ziel und Idee Unsere Idee besteht darin, die Scheibenwischer beim Auto durch einen Luftstrahl zu ersetzen. Der Luftstrahl wird an dem Austrittsspalt eines Druckluftreservoirs erzeugt (Luftstrahlerzeuger), dessen Länge der Breite der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs entspricht. Der Luftstrahl sollte stark genug und so ausgerichtet sein, dass durch ihn die Fahrtwindströmung so stark abgelenkt wird, dass die darin mitgeführten Regentropfen nicht mit der Windschutzscheibe in Berührung kommen.   Dazu mussten wir mehrere Varianten untersuchen, bis wir auf eine zielführende Lösung kamen.

2.

Methode

Bei dem Versuch einen Regentropfen mit Hilfe unseres Luftstrahlerzeugers daran zu hindern mit der Windschutzscheibe des fahrenden Autos in Berührung zu kommen, muss man mehrere Einflüsse beachten die sich dabei überlagern, bzw gleichzeitig auftreten: 1) Fahrtwindströmung (Luftströmung bzw. Geschwindigkeit der Luft in Bezug auf das Fahrzeug) 2) Geschwindigkeit und Flug-Richtung der Wassertropfen in der Fahrtwindströmung Bei unseren ersten Experimenten haben wir versucht, diese beiden Einflüsse voneinander zu trennen, und bei den ersten Messungen nur die Geschwindigkeit und Flugrichtung der Wassertropfen ohne Luftströmung zu untersuchen. Am fahrenden Auto wird der von uns erzeugte Luftstrahl zusätzlich noch durch die Luftströmung (Fahrtwind) beeinflusst („verbogen“). Diesen Effekt haben wir im zweiten Teil unserer Versuche mit Hilfe des von uns gebauten Windkanals berücksichtigt. 2.1.

Messungen ohne Fahrtwind

Wenn man einen Regenschwall auf den Luftstrahl auftreffen lässt, ist es nicht möglich, die Wirkungsweise des Luftstrahls und die daraus folgende Reaktion der Wassertropfen zu analysieren. Daher haben wir versucht einzelne Tropfen unter unterschiedlichen Bedingungen zu beobachten (Variation der Fallhöhe (Geschwindigkeit) der Tropfen, Winkel des Luftstroms, sowie die Entfernung des Luftstrahlerzeugers zur Flugbahn der Tropfen) (Abb.: 2). Um das Verhalten eines Wassertropfens beobachten zu können, wenn er auf einen Luftstrahl trifft, bauten wir uns eine Messvorrichtung, die es ermöglicht, das Verhalten der abzulenkenden Wassertropfen messtechnisch festzuhalten und zu analysieren (Abb.: 2). Bei einem fahrenden Fahrzeug muss man sich diese Anordnung um 90° gedreht vorstellen. Dann entspricht die Tropfenfallrichtung (Flugbahn der Wassertropfen) den mehr oder weniger horizontal auf die Windschutzscheibe zufliegenden Regentropfen, und die Tropfenflugweite der vertikalen Ablenkung der Wassertropfen. Die genaue Flugrichtung eines Regentropfens ergibt sich aus der Fallgeschwindigkeit des Regentropfens4 (ca.29 km/h) und der Fahrzeuggeschwindigkeit: v_Regentropfen =

v_  Fall² + v_Fahrzeug²

Die Richtung des Tropfens in Bezug auf das Fahrzeug ergibt sich aus: tan x = v_Fall / v_Fahrzeug.

   

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RAIN BAN

  Erreicht die Tropfenflugweite Werte die grösser sind als die vertikale Ausdehnung der Windschutzscheibe, dann ist davon auszugehen, dass die Windschutzscheibe frei von Regentropfen bleibt und das Auto unter den abgelenkten Regentropfen durchfährt. Unser Luftstrahlerzeuger war in der Messvorrichtung so aufgehängt, dass er dreh- höhenund seitenverstellbar war. Damit konnte der ideale Winkel zwischen der Flugbahn des abzulenkenden Tropfens und dem Luftstrahlerzeuger ermittelt werden. Wir liessen einzelne Tropfen auf den Luftstrom zufallen. Die Tropfen erzeugten wir mit einer Pipette. Höhe und Abstand der Pipette gegenüber dem Luftstrom konnten verstellt werden. Mit Hilfe des Prüfstandsaufbaus und einer Kamera konnten wir die Reaktion der Tropfen unter der Einwirkung des Luftstrahlerzeugers aufzeichnen, messen und analysieren.  

Abb. 2:

2.2.

Versuchsanordnung zur Ermittlung des optimalen Winkels zwischen Tropfenflugbahn und Luftstrahlerzeuger.

Messungen mit Fahrtwind

Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Methode haben wir in einem weiteren Schritt auch den Einfluss des Fahrtwindes auf das Verhalten der abzulenkenden Wassertropfen untersucht. Dazu haben wir den in (Abb.: 3) dargestellten Windkanal³ gebaut. Er besteht aus einem Axialgebläse (Leistung: 360 W, Luft-Durchsatz = 3.900 m3/h), einem querschnittsreduzierenden Kegel aus Plexiglas, einem Strömungsgleichrichtergitter, und einem Plexiglaszylinder der als Meßstrecke dient. Die Wasserzuführung (Regentropfen) erfolgte über eine Düse die nach dem Strömungsgleichrichtergitter befestigt war. Die Windgeschwindigkeiten ermittelten wir mit einem Anemometer5.

 

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Abb. 3: selbstgebauter Windkanal mit M 1:18 Fahrzeugmodell (oberes Bild: Draufsicht; unteres Bild: Seitenansicht) Problemlösung:

Dämmung des Kompressorlärms

Als Luftverdichter setzten wir einen Kompressor (von Güde) ein. Der Nachteil an diesem ist jedoch, dass er eine Lautstärke von 97 dB erreicht. Um diesem Lärm entgegen zu wirken, bauten wir eine Kiste aus Schalldämmplatten (Abb.: 4) (diese sind aus Holz). Mit einem Schallpegelmessgerät konnten wir festhalten, dass wir die Lautstärke des Kompressors von 97 dB auf 57,8 dB senken konnten. Damit der Kompressor trotzdem eine stättige Luftzufuhr bekommt, haben wir einen Ventilator in die Rückwand der Kiste integriert (Abb.: 5).

Abb. 5: Rückseite der Schalldämmkiste mit integriertem Ventilator, der zur Luftzufuhr und Kühlung dient.

 

Abb. 4: Schalldämmende Kiste, um den Lärmpegel des Kompressors zu reduzieren.

   

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  3.

Ergebnisse

Es war nicht möglich unsere Idee im ersten Versuch erfolgreich umzusetzen. Nach einigen Rückschlägen konnten wir das System dennoch Schritt für Schritt weiter entwickeln, und zeigen, dass es damit möglich ist eine Windschutzscheibe eines fahrenden Autos von Regentropfen frei zu halten. Die einzelnen Entwicklungsschritte (Varianten) werden im folgenden beschrieben: Variante 1 Um die Realisierbarkeit unserer Idee einschätzen zu können und die Kosten gering zu halten, war für uns klar, vorerst mit einem verkleinerten Modell an Modellfahrzeugen zu experimentieren. Wir haben ein Kunststoff-Röhrchen der Länge nach aufgeschnitten (Kugelschreibermine). An dem einen Ende des Röhrchens wurde Druckluft angeschlossen, die von einem Kompressor erzeugt wurde. Bei dem ersten Versuch stellten wir fest, dass der Schlitz sich durch den hohen Druck verformte (aufweitete), da das von uns ausgewählte Material (Kunststoff) zu weich war. Wir haben den Versuch wiederholt, in dem wir in das Röhrchen kleine Löcher gestochen haben, um die Verformung zu verhindern. Das Ergebnis verbesserte sich. Es strömte nun über die ganze Breite Luft aus. Jedoch war der austretende Luftstrahl nicht stark genug um die Wassertropfen noch in der Luft abzulenken. Außerdem greifen die Luftströme nicht ineinander und es entsteht keine kontinuierliche Strömung. Variante 2 Wir starteten einen erneuten Versuch, mit einem Stahl-Röhrchen. Wir schlitzten auch dieses seitlich auf, und schlossen seitlich den Druckschlauch an (Abb.: 6). Wir beobachteten, dass sich die Druckluft am abgewendeten Ende zum Druckluftanschluss sammelte und praktisch nur dort austrat. Es zeigte sich, dass wir mit dieser Ausführung keine gleichmäßige Luft-Geschwindigkeit über die Röhrchenlänge erzeugen konnten (Abb.: 7).

v

Abb. 6: Schema und Geschwindigkeitsverlauf über der Röhrchenlänge.

 

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Abb. 7: Längs geschlitztes Stahlröhrchen als Luftstrahlerzeuger Variante 3 Um eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über die gesamte Spaltlänge zu erreichen, haben wir in einem weiteren Versuch die Druckluft zwischen zwei Metallplatten hindurch geführt. An den Enden der Metallplatten haben wir mehrere Schichten aus Alufolie übereinander gestapelt, so dass sich dazwischen ein dünner Luftspalt bildete. Der Luftstrom trat bei dieser Variante gleichmäßiger über die gesamte Luftspaltbreite aus (Abb.: 8).

Abb. 8: Luftstrahlerzeuger mit Druckanschluss

   

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  Als Kriterium für die Versuchsvariante haben wir die Flugweite des abgelenkten Wassertropfens festgelegt. (Abb.:9) zeigt die Flugweite des abgelenkten Wassertropfens gemäß den Randbedingungen in (Abb.:2) in Abhängigkeit des Winkels zwischen Tropfenflugrichtung und Luftstrahl sowie der Dicke des Luftspaltes des Luftstrahlerzeugers. Dabei stellt sich heraus, dass mit steigendem Winkel die abgelenkte Flugweite stetig grösser wird. Bei 45° bis 50° erreicht diese die größten Werte. Bei weiterer Steigerung (55°, 60° ...) nimmt die Flugweite abrupt ab. Die Versuche wurden mit einem Luftspalt, der acht Lagen Alufolie entspricht, begonnen. Um den Einfluss der Luftspaltdicke zu ermitteln, wurde die Anzahl der Alufolien Einlagen auf 9, 10, 11 und 12 variiert. Dabei konnte mit einer Anzahl von 10 Lagen die maximale Flugweite von 50cm (8Lagen) auf 65 cm erhöht werden. Im Anschluss an die Messungen mit der in (Abb.:8) dargestellten Variante wurde ein Luftstromerzeuger eingesetzt, der der Breite einer Windschutzscheibe eines M 1:18 Modellautos entspricht. Bei dieser Variante muss die Druckluft nicht durch so eine lange Luftspalt-Strecke hindurch wie bei der Variante 3 und verliert dabei weniger Energie. Man kann in (Abb.:9) deutlich erkennen, dass der angerfertigte Luftstrahlerzeuger effektiver funktioniert, da er bei einem Winkel von 45° einen Tropfen 75,3 cm weit ablenken kann.

Tropfenversuch)(Dicke)des)Lu9spaltes))

" Flugweite"des"Tropfens""(9"Lagen"Alufolie)""" Fallhöhe"des"Tropfens"="25"cm" Horizontaler"Abstand"des"Tropfens"zum"LuDaustriE"="40"mm" Flugweite"des"Tropfens(2."Versuch"mit"9" LuDdruck"(Kompressor)"vor"dem"LuDstrahlgehäuse"="2,5"bar" Einlagen"Alufolie)""" Flugweite"des"Tropfens"(12"Lagen"Alufolie)""" Flugweite"des"Tropfens"(10"Einlagen" Alufolie)""" Flugweite"des"Tropfens"(11"Einlagen" Alufolie)""" Flugweite"des"Tropfens"(2."Messung"mit"10" Einlagen"Alufolie)""" Flugweite"des"Tropfen,"gemessen"mit" angerferTgtem"LuDstromerzeuger." Ausgangsmessung:"""""""""""""""""""Flugweite"des" Tropfens"(8"Lagen"Alufolie)"""

80"

70"

Flugweite)des)Tropfens)[in)cm]))

60"

50"

40"

30"

20"

10"

0" 0"

10"

20"

30"

40"

50"

60"

70"

Winkel)des)Lu9stroms)zur)Fallrichtung)des)Wassertropfens)[in)Grad]))

Abb. 9: Flugweite des Wassertropfens in Abhängigkeit des Winkels zwischen Tropfenrichtung und Luftstrahl und der Dicke des Luftspaltes des Luftstrahlerzeugers.  

Ein weiterer Versuch sollte zeigen, wie sich die Flugweite der Tropfen mit dem Abstand ihrer Flugbahn vom Luftstrahlerzeuger Austritt verändert.

 

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  Die Ausgangsmessung wurde bei einem Abstand von 40 mm durchgeführt. (Abb.: 10) zeigt die Veränderung der Flugweite bei 40, 80, 100, 120, 140, 160 und 200 mm Entfernung. Dabei zeigt sich eine kontinuierliche Reduzierung der Flugweite von 65 cm auf weniger als die Hälfte (25 cm). (Abb.: 11) zeigt noch einmal diese Flugweiten beim optimalen Einstellwinkel (45°) des Luftstrahlerzeugers. Es ist außerdem zu beobachten, dass der Tropfen, bei einer Entfernung von 200 mm 59,7 cm weit vom angefertigte Luftstrahlerzeuger (Variante 4) abgelenkt werden kann (bei einem Einstellwinkel von 45°).   Flugweite"des"Tropfens"(10"Einlagen,"100"mm)""" Flugweite"des"Tropfens"(10"Einlagen"Alufolie," 40"mm)""" Flugweite"des"Tropfens"(10"Einlagen,"120"mm)"""

Flugweite)des)Tropfens)[in)cm]))

Flugweite"des"Tropfens"(10"Einlagen,"140"mm)""" 70"

Flugweite"des"Tropfens,"mit"angeferNgtem" LuDstrahlerzeuger"(200"mm"EnPernung)" Flugweite"des"Tropfens"(10"Einlagen,"200"mm)"""

60"

Flugweite"des"Tropfens"(2."Messung"mit"10" Einlagen"Alufolie,"80"mm)""" Flugweite"des"Tropfens"(10"Einlagen,"160"mm)"""

Tropfenversuch)(EnAernung)Tropfenflugbahn)) vom)Lu9strahlaustriD))) Spaltbreite"="8"Lagen"Alufolie" Fallhöhe"des"Tropfens"="25"cm" LuDdruck"(Kompressor)"vor"dem"LuDstrahlgehäuse"="2,5"bar"

50"

40"

30"

20"

10"

0" 0"

10"

20"

30"

40"

50"

60"

Winkel)des)Lu9stroms)zur)Fallrichtung)des)Wassertropfens)[in)Grad]))

 

Abb. 10:  Flugweite des Wassertropfens in Abhängigkeit des Winkels zwischen Tropfenrichtung und Luftstrahl sowie der Entfernung der Tropfenflugbahn vom Luftstrahlaustritt.

   

70"

 

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Flugweite)der)Tropfen)in)Abhängigkeit)der)En7ernung)der) Tropfenflugbahn)vom)Austri:)des)Lu