Systemsimulationsmodell zur Analyse und Optimierung eines Scheibenwischer-Antriebs

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit wird das dynamische Systemverhalten eines elektropneumatischen Scheibenwischer-Antriebs modelliert und untersucht. Es handelt sich dabei um einen Scheibenwischer-Antrieb für Schienenfahrzeuge im mittleren bis hohen Geschwindigkeitsbereich, welcher mit Druckluft betrieben und über Magnetventile angesteuert wird. Ziele der angestellten Untersuchungen sind einerseits die dynamischen Abläufe des betrachteten Systems besser zu verstehen, um somit eine Grundlage zur Optimierung des Antriebs anstellen zu können, und andererseits ein Modell zu erhalten, welches zukünftig für die Entwicklung neuer Antriebe/Regelungen herangezogen werden kann, um das Systemverhalten bereits in einem frühen Entwicklungs-Stadium berechnen zu können. Für diesen Zweck wird ein Simulationsmodell entwickelt, welches in der Lage ist die Bewegung des betrachteten Wischer-Antriebs unter Einbeziehung der verwendeten Regelung aus dem Stillstand zu simulieren. Die Belastung des Wischer-Antriebs wird in dieser Arbeit vereinfacht über eine mit dem Wischer-Arm mitbewegte Masse berücksichtigt, wobei für zukünftige Untersuchungen bereits eine Möglichkeit vorgesehen ist, Kräfte infolge des Kontakts an der Scheibe sowie aerodynamische Kräfte zu berücksichtigen. Zur Simulation des Systemverhaltens wird der Scheibenwischer-Antrieb im Zuge der mathematischen Modellierung in fünf Subsysteme unterteilt, um die Flexibilität eines modularen Systems zu erhalten. Jedes einzelne System wird anschließend für sich betrachtet und in ein mathematisches Modell überführt, welches in seiner Komplexität übersichtlich bleibt. Bei der Formulierung der mechanischen Bewegung werden die Elastomer-Endanschläge miteinbezogen, wobei die komplexen mechanischen Eigenschaften vereinfacht abgebildet und experimentell bestimmt werden. Zur Beschreibung der Druckluft in den Kolbenkammern wird eine polytrope Zustandsänderung mit konstanten Polytropenexponenten für jede Bewegungsphase verwendet, welche durch einen Vergleich von Simulation und Messung bestimmt werden. Die sich einstellenden Massenströme der Luft in und aus den Kolbenkammern werden mittels eines Modells in Anlehnung an ISO 6358 berechnet und die dafür notwendigen Parameter am Gesamtsystem für unterschiedliche Ventilstellungen, an einem dafür angefertigten Versuchsaufbau, ermittelt. Das erhaltene Differential-algebraische Gleichungssystem wird anschließend in der Softwareumgebung MATLAB implementiert und mithilfe numerischer Integration die definierten Zustandsgrößen zu jedem Zeitschritt berechnet. Die Ergebnisse des Simulationsmodells werden durch einen durchgeführten Versuch validiert. Schließlich werden der Einfluss einzelner Parameter sowie die Zusammenhänge der einzelnen Zustandsgrößen, bezogen auf die berechnete Bewegung, diskutiert und Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung sowie Eingrenzungen des Modells aufgezeigt. Zum Abschluss werden weitere Anwendungsmöglichkeiten des entwickelten Simulationsmodells vorgestellt und etwaige notwendige Vertiefungen angeführt.

In this diploma thesis, the dynamical system behavior of a electropneumatic windscreen wiping drive is modeled and analyzed. The investigated wiping drive, which is powered by compressed air and controlled via magnetic valves, finds application in railway vehicles with medium to high operational speed. The aims of this investigations are gaining a better understanding of the system dynamics, in order to provide a basis for optimizing the drive, and to obtain a simulation model which is able to calculate the system dynamics of the windscreen wiper in an early stage of development of new wiping drives or respective controls. For this purpose, a simulation model is developed to simulate the wiping motion from standstill, taking into account the control used. The load on the wiper drive is considered in this work in a simplified way via a pendulum mass which is mounted on the wiping-arm. However, a possibility for more detailed modeling of forces due to contact on the windscreen and aerodynamic forces is provided for future studies. To simulate the system behavior, the windscreen wiper drive is divided into five subsystems in the course of the mathematical modeling in order to obtain the flexibility of a modular system. Each individual system is then considered separately to derive a mathematical model, which remains clear in its complexity. The elastomer end stops are included in the formulation of the mechanical motion, whereby the complex material properties are represented in a simplified way and determined experimentally. To describe the compressed air in the piston chambers, a polytropic change of states with constant polytropic exponents for each movement phase is used, which is determined by a comparison of simulation and measurement. The resulting air mass flows in and out of the piston chambers are calculated by means of a model based on \textit{ISO 6358} and the necessary parameters are determined for the entire system for different valve positions using a test rig made for this purpose. The obtained system of differential-algebraic equations is then implemented in the software environment MATLAB and the defined state variables are calculated for each time step using numerical integration. The results of the simulation model are validated by a laboratory test. Finally, the influence of individual parameters as well as the correlations of the individual state variables, related to the calculated movement, are discussed and possibilities for further improvement as well as limitations of the model are shown. At the end, further application possibilities of the developed simulation model are presented.