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Die Erfindung des Autoscheibenwischers - eine Geschichte von technischer Brillanz
Die Erfindung des Autoscheibenwischers - eine Geschichte von technischer Brillanz
Wusstest du, dass die Technologie eines modernen Scheibenwischers, die wir alle für selbstverständlich halten, dem Geistesblitz eines Mannes zu verdanken ist?
Professor Robert Kearns, der diese effiziente Scheibenwischer-Technik erfunden hat, ließ sich vom menschlichen Auge inspirieren. Die Scheibenwischer-Technologien vor seiner Erfindung waren recht schlecht und behinderten die Sicht des Fahrers.
Die Scheibenwischer-Technologie von Herrn Kearns war so originell und genial, dass das Unternehmen Ford sogar versuchte, sie zu stehlen.
Lasst uns die Details seiner genialen Erfindung erkunden.
Zuerst müssen wir die Fehler verstehen, die die Ingenieure vor Professor Kearns bei der Entwicklung ihrer Wischer gemacht haben. Du kannst sehen, dass die Wischerblätter mit Hilfe eines Gelenk-Vierecks in einem oszillierenden Mechanismus versetzt werden. Ein Gleichstrommotor treibt die Schnecke an. Die Montage eines Schneckengetriebes wird hier für die Drehmoment-Vervielfachung verwendet.
Dieser Mechanismus sorgt für eine kontinuierliche Bewegung des Wischers. Allerdings behindern diese sich ständig bewegenden Wischer die Sicht. Selbst bei leichtem Regen beeinträchtigen die sich kontinuierlich bewegenden Scheibenwischer die Sicht erheblich.
Hier kommt das Genie von Herrn Robert Kearns ins Spiel, der die Idee des intermittierenden Wischens einführte. Er beobachtete, dass Menschen mit ihren Augenlidern blinzeln – dieses Blinzeln aber nie ihre Sicht behindert.
Der Grund dafür, dass wir das Blinzeln nicht wahrnehmen, liegt darin, dass es intermittierend, also in Intervallen erfolgt. Unsere Augenlider machen nach jedem Blinzeln eine lange Pause. Diese lange Pause an den Endpunkten ist der Grund dafür, dass das Blinzeln unserer Sicht nicht beeinträchtigt.
Wenn wir beim Autofahren das Wischerblatt nach jedem Wischvorgang für eine gewisse Zeit anhalten, wird die Sicht des Fahrers weniger beeinträchtigt. Dieser Aha-Moment war ein Geistesblitz von Professor Kearns.
Dieses intermittierende Scheibenwischer-Design können wir – wie hier gezeigt – mit einer Kurvenscheibe erreichen. Der Ausgang des Motors wird mit einer Kurvenscheibe verbunden, die den Wischer nur für eine kurze Zeitspanne bewegt und für eine Verweildauer am unteren Rand der Windschutzscheibe anhält.
Voilà! Wir haben das intermittierende Wischen erreicht... oder doch nicht?
Kannst du das Problem dieser Konstruktion erkennen?
Tatsächlich sollte die Verweildauer oder Ruhezeit der Wischer-Technologie je nach Niederschlagsmenge variieren. Bei geringem Niederschlag wird eine lange Verweildauer benötigt. Bei starkem Regen ist eine kürzere Verweildauer erforderlich.
Die Verweildauer mit einer rein mechanischen Anordnung zu variieren ist dabei nicht praktikabel. Professor Kearns war sogar so schlau, das Problem rein mechanischer Intervallwischer zu erkennen, und probierte dieses Design gar nicht erst aus.
Um einen Scheibenwischer mit variabler Verweildauer zu erreichen, kann die Lösung nicht rein mechanisch sein, sondern erfordert auch den Einsatz von Elektronik. Diese Erkenntnis war der zweite Geistesblitz von Kearns.
Zu diesem Zweck entwickelte er eine elektronische Schaltung, die all diese Funktionen enthält. Lasst uns einige grundlegende Informationen über Transistoren durchgehen, um den Schaltkreis zu verstehen.
Der Transistor schaltet sich ein, wenn seine Basis in Durchlassrichtung vorgespannt ist, und schaltet sich aus, wenn er in Sperrrichtung vorgespannt ist.
Um das Umschalten zwischen Vorwärts- und Rückwärtsspannung zu erleichtern, setzen wir einen Umschalter ein. Wenn sich der Schalter in diesem Zustand befindet, ist die Basis in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Stromkreis ist eingeschaltet. Wenn sich der Schalter im Zustand B befindet, wird die Basis in den Zustand der umgekehrten Vorspannung versetzt, und der Stromfluss im Stromkreis stoppt.
Lasst uns diese Transistor-Schaltung verwenden, um den Wischermotor zu betreiben.
Hier ist der Wischmechanismus direkt mit dem Motorausgang verbunden. Das ist offensichtlich ein Dauerwischer.
Interessanterweise kann eine Kurvenscheibe, die mit dem Motor verbunden ist, leicht den Schalter auslösen – und der Stromkreis geht aus. Der Wischer befindet sich jetzt in der Verweildauer.
Professor Robert Kearns, der diese effiziente Scheibenwischer-Technik erfunden hat, ließ sich vom menschlichen Auge inspirieren. Die Scheibenwischer-Technologien vor seiner Erfindung waren recht schlecht und behinderten die Sicht des Fahrers.
Die Scheibenwischer-Technologie von Herrn Kearns war so originell und genial, dass das Unternehmen Ford sogar versuchte, sie zu stehlen.
Lasst uns die Details seiner genialen Erfindung erkunden.
Zuerst müssen wir die Fehler verstehen, die die Ingenieure vor Professor Kearns bei der Entwicklung ihrer Wischer gemacht haben. Du kannst sehen, dass die Wischerblätter mit Hilfe eines Gelenk-Vierecks in einem oszillierenden Mechanismus versetzt werden. Ein Gleichstrommotor treibt die Schnecke an. Die Montage eines Schneckengetriebes wird hier für die Drehmoment-Vervielfachung verwendet.
Dieser Mechanismus sorgt für eine kontinuierliche Bewegung des Wischers. Allerdings behindern diese sich ständig bewegenden Wischer die Sicht. Selbst bei leichtem Regen beeinträchtigen die sich kontinuierlich bewegenden Scheibenwischer die Sicht erheblich.
Hier kommt das Genie von Herrn Robert Kearns ins Spiel, der die Idee des intermittierenden Wischens einführte. Er beobachtete, dass Menschen mit ihren Augenlidern blinzeln – dieses Blinzeln aber nie ihre Sicht behindert.
Der Grund dafür, dass wir das Blinzeln nicht wahrnehmen, liegt darin, dass es intermittierend, also in Intervallen erfolgt. Unsere Augenlider machen nach jedem Blinzeln eine lange Pause. Diese lange Pause an den Endpunkten ist der Grund dafür, dass das Blinzeln unserer Sicht nicht beeinträchtigt.
Wenn wir beim Autofahren das Wischerblatt nach jedem Wischvorgang für eine gewisse Zeit anhalten, wird die Sicht des Fahrers weniger beeinträchtigt. Dieser Aha-Moment war ein Geistesblitz von Professor Kearns.
Dieses intermittierende Scheibenwischer-Design können wir – wie hier gezeigt – mit einer Kurvenscheibe erreichen. Der Ausgang des Motors wird mit einer Kurvenscheibe verbunden, die den Wischer nur für eine kurze Zeitspanne bewegt und für eine Verweildauer am unteren Rand der Windschutzscheibe anhält.
Voilà! Wir haben das intermittierende Wischen erreicht... oder doch nicht?
Kannst du das Problem dieser Konstruktion erkennen?
Tatsächlich sollte die Verweildauer oder Ruhezeit der Wischer-Technologie je nach Niederschlagsmenge variieren. Bei geringem Niederschlag wird eine lange Verweildauer benötigt. Bei starkem Regen ist eine kürzere Verweildauer erforderlich.
Die Verweildauer mit einer rein mechanischen Anordnung zu variieren ist dabei nicht praktikabel. Professor Kearns war sogar so schlau, das Problem rein mechanischer Intervallwischer zu erkennen, und probierte dieses Design gar nicht erst aus.
Um einen Scheibenwischer mit variabler Verweildauer zu erreichen, kann die Lösung nicht rein mechanisch sein, sondern erfordert auch den Einsatz von Elektronik. Diese Erkenntnis war der zweite Geistesblitz von Kearns.
Zu diesem Zweck entwickelte er eine elektronische Schaltung, die all diese Funktionen enthält. Lasst uns einige grundlegende Informationen über Transistoren durchgehen, um den Schaltkreis zu verstehen.
Der Transistor schaltet sich ein, wenn seine Basis in Durchlassrichtung vorgespannt ist, und schaltet sich aus, wenn er in Sperrrichtung vorgespannt ist.
Um das Umschalten zwischen Vorwärts- und Rückwärtsspannung zu erleichtern, setzen wir einen Umschalter ein. Wenn sich der Schalter in diesem Zustand befindet, ist die Basis in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Stromkreis ist eingeschaltet. Wenn sich der Schalter im Zustand B befindet, wird die Basis in den Zustand der umgekehrten Vorspannung versetzt, und der Stromfluss im Stromkreis stoppt.
Lasst uns diese Transistor-Schaltung verwenden, um den Wischermotor zu betreiben.
Hier ist der Wischmechanismus direkt mit dem Motorausgang verbunden. Das ist offensichtlich ein Dauerwischer.
Interessanterweise kann eine Kurvenscheibe, die mit dem Motor verbunden ist, leicht den Schalter auslösen – und der Stromkreis geht aus. Der Wischer befindet sich jetzt in der Verweildauer.
Es handelt sich jedoch um einen Mechanismus mit unendlicher Verweildauer. Dieser Stromkreis kann den Motor nicht mehr einschalten.
Gehen wir zurück in die aktive Phase und versuchen wir, das Problem zu lösen.
Diese Schaltung befindet sich jetzt in der aktiven Phase. Wir halten die Szene an und fügen – wie hier gezeigt – einen Kondensator und Widerstand in den Stromkreis ein. Dargestellt ist die Stromflussrichtung im Widerstand.
Aufgrund des Widerstands entsteht zwischen den beiden Anschlüssen des Kondensators ein Potentialunterschied, der den Kondensator – wie gezeigt – auflädt.
Wenn die Kurvenscheibe den Schalter betätigt, wird der Stromkreis ausgeschaltet, wie wir bereits gesehen haben. Jetzt ist der geladene Kondensator ein Held – er ist bereit, sich zu entladen.
Das Potential am Punkt B ist immer gleich. Das Potential am Punkt A ändert sich jedoch während der Entladung.
Nehmen wir an, dass das Potential am Punkt A größer ist als am Punkt B, wenn der Kondensator voll aufgeladen ist. Der Transistor ist offensichtlich in Sperrrichtung geschaltet. Wenn der Kondensator jedoch beginnt, sich zu entladen, sinkt die Spannung am Punkt A.
Irgendwann wird die Spannung am Punkt A kleiner als am Punkt B – und der Transistor wird aktiv.
Die Zeitspanne von der Entladung des Stromkreises bis zur Aktivierung der Basis ist die Verweildauer des Wischers.
Das Interessante daran ist, dass wir diese Verweildauer leicht einstellen können, indem wir den Widerstandswert anpassen. Je höher der Widerstand, desto länger die Verweildauer.
Auf diese Weise hat Professor Kearns mit Hilfe cleverer Elektronik einen Wischmechanismus mit variabler Verweildauer entwickelt. Das Herzstück dieser Erfindung ist ein genialer elektronischer Schaltkreis – der von einem mechanischen Schalter angetrieben wird. Absolut genial, oder?
Bei starkem Regen brauchen wir jedoch fast keine Verweildauer. Es ist nicht praktikabel, einen Widerstand von 0 – und damit eine Verweildauer von 0 – zu erreichen.
Bei starkem Regen ist die Reibung zwischen dem Glas und dem Scheibenwischer sehr gering. Schauen wir uns an, wie sich diese geringe Reibung auf unseren Stromkreis in der Ruhephase auswirkt.
Der Stromkreis ist unterbrochen, aber die Scheibenwischer haben immer noch genügend Momentum. Da die Reibungskräfte gering sind, werden sie sich weiter nach unten bewegen.
Durch das hohe Momentum der Scheibenwischer wird der Rest des Mechanismus angetrieben – und die Kurvenscheibe dreht sich. Das führt dazu, dass der Motor wieder aktiviert wird.
Kurz gesagt: Die Trägheit der Scheibenwischer hilft dabei, die Verweildauer des Mechanismus zu überbrücken. Das ist offensichtlich eine recht primitive Methode, um ein kontinuierliches Wischen mit einem intermittierenden Mechanismus zu erreichen.
In seinem Patent hatte Professor Kearns noch raffiniertere Schaltkreise ausgearbeitet, um das kontinuierliche Wischen zu ermöglichen.
Moderne Scheibenwischer verwenden Relais anstelle von Kurvenscheiben, um den Wischermotor anzutreiben. Die Verweildauer kann mithilfe von Zeit-Schaltungen in Mikrosteuerungen genau gemessen und verändert werden.
Außerdem nehmen diese Mikrosteuerungen Eingaben von Feuchtigkeits- oder Regensensoren an der Windschutzscheibe entgegen, um die Windschutzscheibe automatisch zu wischen, wenn sie nass ist.
Nachdem er ein so geniales Wischer-Design entwickelt hatte, war das, was Professor Kearns passierte, tragisch. Er musste einen beträchtlichen Teil seines Lebens mit Gerichtsprozessen gegen die Ford Motor Company verbringen, die sein Patent verletzt hatte.
Schließlich gewann er den Rechtsstreit.
Wir hoffen, dass dich die Tatsache inspiriert hat, dass einfache Beobachtungen zu erstaunlichen Erfindungen führen können.
Bis zum nächsten Mal.
Gehen wir zurück in die aktive Phase und versuchen wir, das Problem zu lösen.
Diese Schaltung befindet sich jetzt in der aktiven Phase. Wir halten die Szene an und fügen – wie hier gezeigt – einen Kondensator und Widerstand in den Stromkreis ein. Dargestellt ist die Stromflussrichtung im Widerstand.
Aufgrund des Widerstands entsteht zwischen den beiden Anschlüssen des Kondensators ein Potentialunterschied, der den Kondensator – wie gezeigt – auflädt.
Wenn die Kurvenscheibe den Schalter betätigt, wird der Stromkreis ausgeschaltet, wie wir bereits gesehen haben. Jetzt ist der geladene Kondensator ein Held – er ist bereit, sich zu entladen.
Das Potential am Punkt B ist immer gleich. Das Potential am Punkt A ändert sich jedoch während der Entladung.
Nehmen wir an, dass das Potential am Punkt A größer ist als am Punkt B, wenn der Kondensator voll aufgeladen ist. Der Transistor ist offensichtlich in Sperrrichtung geschaltet. Wenn der Kondensator jedoch beginnt, sich zu entladen, sinkt die Spannung am Punkt A.
Irgendwann wird die Spannung am Punkt A kleiner als am Punkt B – und der Transistor wird aktiv.
Die Zeitspanne von der Entladung des Stromkreises bis zur Aktivierung der Basis ist die Verweildauer des Wischers.
Das Interessante daran ist, dass wir diese Verweildauer leicht einstellen können, indem wir den Widerstandswert anpassen. Je höher der Widerstand, desto länger die Verweildauer.
Auf diese Weise hat Professor Kearns mit Hilfe cleverer Elektronik einen Wischmechanismus mit variabler Verweildauer entwickelt. Das Herzstück dieser Erfindung ist ein genialer elektronischer Schaltkreis – der von einem mechanischen Schalter angetrieben wird. Absolut genial, oder?
Bei starkem Regen brauchen wir jedoch fast keine Verweildauer. Es ist nicht praktikabel, einen Widerstand von 0 – und damit eine Verweildauer von 0 – zu erreichen.
Bei starkem Regen ist die Reibung zwischen dem Glas und dem Scheibenwischer sehr gering. Schauen wir uns an, wie sich diese geringe Reibung auf unseren Stromkreis in der Ruhephase auswirkt.
Der Stromkreis ist unterbrochen, aber die Scheibenwischer haben immer noch genügend Momentum. Da die Reibungskräfte gering sind, werden sie sich weiter nach unten bewegen.
Durch das hohe Momentum der Scheibenwischer wird der Rest des Mechanismus angetrieben – und die Kurvenscheibe dreht sich. Das führt dazu, dass der Motor wieder aktiviert wird.
Kurz gesagt: Die Trägheit der Scheibenwischer hilft dabei, die Verweildauer des Mechanismus zu überbrücken. Das ist offensichtlich eine recht primitive Methode, um ein kontinuierliches Wischen mit einem intermittierenden Mechanismus zu erreichen.
In seinem Patent hatte Professor Kearns noch raffiniertere Schaltkreise ausgearbeitet, um das kontinuierliche Wischen zu ermöglichen.
Moderne Scheibenwischer verwenden Relais anstelle von Kurvenscheiben, um den Wischermotor anzutreiben. Die Verweildauer kann mithilfe von Zeit-Schaltungen in Mikrosteuerungen genau gemessen und verändert werden.
Außerdem nehmen diese Mikrosteuerungen Eingaben von Feuchtigkeits- oder Regensensoren an der Windschutzscheibe entgegen, um die Windschutzscheibe automatisch zu wischen, wenn sie nass ist.
Nachdem er ein so geniales Wischer-Design entwickelt hatte, war das, was Professor Kearns passierte, tragisch. Er musste einen beträchtlichen Teil seines Lebens mit Gerichtsprozessen gegen die Ford Motor Company verbringen, die sein Patent verletzt hatte.
Schließlich gewann er den Rechtsstreit.
Wir hoffen, dass dich die Tatsache inspiriert hat, dass einfache Beobachtungen zu erstaunlichen Erfindungen führen können.
Bis zum nächsten Mal.