Mała rzecz, a czyści

O wycieraczkach samochodowych. Szczegółowo i po inżyniersku, ale w ciekawej erudycyjnej oprawie.

W związku z budową 35 pociągów Siemensa dla drugiej linii metra w Warszawie byłem ostatnio we Wiedniu, gdzie w dzielnicy Arsenal znajduje się największe i najlepiej wyposażone w Europie laboratorium pogodowe RTA do testowania zachowań pojazdów w eksploatacji, głównie kolejowych i transportu miejskiego. Świadczy ono autoryzowane usługi testowe dla firm z całego świata. Drugim takim centrum testowym na świecie jest amerykańskie Doriot Climatic Chambers, w wojskowym ośrodku SSC w Natick w stanie Massachusetts. 

        Arsenal to właściwie też dawny kompleks budynków wojskowych (stąd nazwa) stanowiący część III Dzielnicy Wiednia (3.Bezirk, Landstrasse), bardzo ciekawej i pełnej historycznych pamiątek, a zbudowanej po roku 1200 przynajmniej w części za pieniądze uzyskane …z okupu za Ryszarda Lwie Serce, schwytanego w 1192 roku w pobliskim Erdberg przez księcia Austrii Leopolda V, gdy wracał z nieudanej Trzeciej Wyprawy Krzyżowej. Wiekszość uzyskanego wtedy okupu posłużyła do budowy Wiener Neustadt. Zanadto kocham ciekawostki i dygresje, abym mógł pominąć i tę właśnie, gdy Ryszard I, ów przereklamowany, a bardzo kontrowersyjny król Anglii, wiarołomca, raptus, narcyz i pedał zaprzepaszczony, próbował się przemknąć śpiesznie w przebraniu mnicha wraz z dwoma towarzyszami przez wrogie sobie terytorium. Wpadł przez własną pychę i jaśniepaństwo, bowiem w przydrożnej gospodzie, gdzie niedość, że zwracał na siebie uwagę władczym zachowaniem, biżuterią z herbami i wyglądem (jak zapewnia kronikarz miał dwa metry wzrostu, bardzo jasną cerę, błękitne oczy, długie złote włosy oraz piękną sylwetkę), to jeszcze kazał sobie podać pieczonego kurczaka, co w tamtym czasie, gdy zwykły lud jadał głównie dziczyznę, uchodziło za danie godne wyłącznie ust królewskich. Dziś jest raczej odwrotnie, ale wtedy króla to zdradziło definitywnie. Doliczając więc do rachunku za obiad okup w wysokości 65.000 funtów srebra, który za jego uwolnienie musiała uzbierać wtedy Anglia (trzyletni dochód ze wszystkich podatków!), była to bardzo kosztowna zachcianka. Ale czego można się spodziewać po królu, który pochodził z matecznika Plantagenetów znanego później jako wylęgarnia mafii? Zamek i położone w środku Sycylii miasteczko Corleone, z którego wywodził się ród Ryszarda, to przecież właśnie Lwie Serce: Cor Leone! Ten dziwnie ukochany do dziś przez Anglików król, Anglią w gruncie rzeczy gardził, uważał ją za zimne, ponure i barbarzyńskie zadupie, i po angielsku nie znał ani jednego słowa. Dlatego w jego herbie, który do dziś pozostaje godłem państwowym Wielkiej Brytanii, pyszałkowate motto „Bóg i moje prawo” widnieje …po francusku: Dieu et mon droit!

         Wróćmy jednak do laboratorium w Arsenalu. Zupełnie przypadkowo byłem tam świadkiem bardzo ciekawych prób w tunelu wiatrowym, gdzie inż. Joerg Beyer z ośrodka doświadczalnego Mercedesa testował nowe typy wycieraczek do kilku modeli, zarówno już sprzedawanych jak i mających wkrótce zejść z taśmy. Było to bardzo ciekawe i pouczające doświadczenie, zwłaszcza z wnętrza samochodu. Oczy wpatrzone w szybę, na zewnątrz szaleje śnieżna zamieć. Silny wiatr, jedenastka, wciska poziomo kłaki śniegu, gęstą ścianę miliardów kryształków błyszczących w świetle ksenonowego reflektora. O takie właśnie warunki chodziło w teście: drobny lepki śnieg, bijący w szybę przy pięciu stopniach mrozu i przy szybkości 110 km/godz. Beyer zamówił je z katalogu laboratorium, które oferuje swe usługi do testów różnego rodzaju firm, głównie producentów pojazdów. W ciągu kilku minut można tam mieć na życzenie wszystkie możliwe temperatury, od arktycznych minus 50, aż po roztapiający wszystko żar plus 60 stopni Celsjusza. Problemu nie stanowią też sztuczna mgła, deszcz o różnym natężeniu, grad i dziesięć różnych rodzajów śniegu. Miasteczku z trzema tysiącami mieszkańców wystarczyłoby na wszystkie potrzeby 15 megawatów energii pobieranych przez ponad sześciometrowej wysokości wieże mieszczące dmuchawy, kompresory i nagrzewnice w zainstalowanych tam dwóch tunelach aerodynamicznych.

          Cały ten ogromny i kosztowny sprzęt funkcjonuje tam „tylko” po to, aby testować na nim groszowy artykuł (bo w Austrii do niedawna szyling dzielił się też na grosze) – wycieraczki do szyb, których koszt wynosi promile ogólnej wartości auta. Wynalazek ten przypisuje sobie wielu ojców, ale najprawdopodobniej tym prawdziwym był w 1908 roku książę Henryk, brat cesarza Wilhelma II, który je opatentował pod numerem DRP 204.343 jako „handbetaetigtes Abstreiflineal” (ręczna linijka ściągająca), ponieważ rzeczywiście na początku obsługiwano je ręką. Pierwsze elektryczne wycieraczki w pojeździe zamontował Robert Bosch 18 lat później. Dopiero w 1930 po raz pierwszy zastosowano dodatkowe spryskiwanie szyby wodą pod ciśnieniem dla poprawy widoczności. Dziś przeciętne pióro samochodowej wycieraczki w czasie swego około dwuletniego życia pokonuje odległość 800 km i omiata w sumie powierzchnię 78 boisk piłki nożnej.

           Główne oczekiwania użytkowników pod adresem wycieraczek, to żeby czyniły szybę przeźroczystą, wycierały do czysta, a przede wszystkim robiły to lekko i bez denerwujących odgłosów. Najlepsze wyniki wycierania uzyskuje się wtedy, gdy guma suwa się po szkle z dużym rozmachem, ale lekkim ruchem falistym, mniej więcej tak jak można to obserwować u wprawionych czyścicieli okien na ścianach biurowców. Jeszcze lepsze wyniki daje zastosowanie tzw. wycieraczek podnoszonych, które w czasie ruchu obrotowego dodatkowo podnoszą się o 2-3 cm. Ważne jest, aby wycieraczki pracowały ciągnąc, a nie pchając, bo to zapobiega nie tylko temu, aby nie piszczały trąc o szybę, ale też, aby ich guma nie uległa uszkodzeniu. Narażenie na zniszczenie jest oczywiście szczególnie duże, gdy wycieraczki muszą czyścić suchą szybę z zaschłych insektów lub ptasich odchodów. W idealnym przypadku pióra wycieraczki są przeciągane po szybie pod kątem 45 stopni dotykając szkła szerokością zaledwie 10-15 tysięcznych milimetra. W ten sposób bowiem wycieraczka ściąga przed sobą za każdym razem tylko 20 mililitrów (kieliszek) wody. Jako że wymaga to i tak przyłożenia odpowiedniego nacisku, wycieraczka osiąga wtedy optymalne wyniki. Jest to jednak tym trudniejsze, im szybciej samochód jedzie.

            Nacisk wiatru, turbulencje oraz inne aerodynamiczne efekty uboczne zmieniają przyłożenie i siły, z jakimi muszą walczyć wycieraczki. W stojącym samochodzie podczas deszczu wystarczy wycieraczkom siła 0,2 niutona, ale przy szybkiej jeździe 180 km/godz. potrzeba już 2,3, czyli ponad dziesięć razy więcej. Aby wycieraczki przy szybkiej jeździe ponad 120 km/godz. nie były podrywane przez wiry powietrzne od dawna musiały być wyposażone w spoilery. Dzisiejsze ramię wycieraczki – konstrukcyjnie rzecz biorąc – samo jest spoilerem. W systemie dla mercedesa CLS jaki widziałem w kanale laboratorium we Wiedniu jest to specjalnie ukształtowany pałąk w całości pokryty czarnym płaszczem gumowym. Wytrzymuje on na całej długości nacisk 15-18 niutonów na metr. Elastyczna szyna ze szlachetnej stali SD 47, objęta gumowym płaszczem optymalnie dostosowuje się do kształtu szyby stanowiąc jakby giętki kręgosłup tej nowej wycieraczki.

         Oprócz nacisku ważne jest też kryterium samego tarcia o szybę. Jeśli tarcie to jest za duże, wycieraczka piszczy. Efekt jest taki sam, jak przy suchej szybie. Pióro wycieraczki musi się ślizgać i dlatego na powierzchni szyby potrzebne jest zawsze trochę wilgoci. Przeciąganie gumy wycieraczki po szybie może powodować na jej końcach ten sam problem, który występuje podczas deszczu na oponach, czyli tzw. akwaplaning. Ten efekt, przy którym nie cała woda spływa sprzed wycieraczki, lecz część jej zostaje pod nią, nie wiąże się z żadnym niebezpieczeństwem, ale jest wyraźnie widoczny dla kierowcy. Obraz za wycieraczką staje się na szybie przez chwilę leciutko zamglony. Warstewka wilgoci ma zaledwie 20-200 nanometrów grubości, czyli jest sto razy cieńsza od włosa, ale sprawia to, że w jej mikrokropelkach załamuje się światło. Stąd to zamglenie obrazu, ale na szczęście warstwa ta szybko i bez śladu wyparowuje

            Dlaczego jednak, zamiast stale wycierać, głównie przy silnych zamgleniach nie poprzestać na samym odprowadzaniu wody z przedniej szyby? Szyba jest przecież hydrofobna, co oznacza, że napięcie jej powierzchni jest tak wysokie, iż wilgoć sama zbiega się w ściekające strużki i formuje krople. Te krople trzymają się szyby tak lekko, że projektant może tylko ten efekt wzmocnić, a nawet zaprojektować szybę samoczyszczącą. Wiadomo, że przy szybkości 60 km/godz. krople takie szybko same znikają uchodząc na boki i potem w czasie jazdy nawet ich się nie zauważa. Jednakże wszystkie poszukiwania w tym kierunku jak dotąd przyniosły rozczarowania. Szyba nie jest dość spadzista, aby przy mniejszej szybkości krople chciały ściekać z niej same. W ruchu miejskim natomiast, nawet gdy szybkość jest dostateczna, może brakować należytego pędu powietrza. Mimo to producenci szkła nie ustają w wysiłkach, aby opracować szybę o wzmocnionej hydrofobii, co by pozwoliło lepiej wykorzystać efekt silnego skraplania i samoczynnego strącania wilgoci.

              W Japonii i w Europie pracuje się nad tzw. techniką płatków lotosu. Nazwa pochodzi stąd, że w naturze, płatki kwiatu lotosu natychmiast sperlają w grube krople padającą nań drobną wilgoć. Tacy producenci samochodów jak Mazda, Ssangyong i Daewoo już dawno zaoferowali oszklenie tego typu. Niemieccy eksperci sądzą jednak, że to wystarcza tylko dla szyb bocznych, gdyż na przedniej szybie zbytnie gromadzenie się kropli zanim by się zsunęły powoduje, zwłaszcza w sztucznym oświetleniu, i tak za dużo mylących, a więc i niebezpiecznych odblasków. Dlatego BMW w swojej Z8-Luxus Coupe zastosował to tylko do szyb bocznych, chociaż Volkswagen nadal eksperymentuje z tą techniką w szybach przednich.

             Skoro efekt lotosu nie pomaga, dlaczego nie spróbować od drugiego końca? Czarodziejska formuła nazywa się hydrofilią, czyli jest odwrotnością hydrofobii. Chodzi tu o przyleganie wody cienką a pełną warstwą równolegle na całej powierzchni szyby. Warstwa taka jest przeźroczysta, światła uliczne przenikają ja bez załamywania i nie dochodzi do niebezpiecznych zakłóceń doznań wzrokowych. Efekt hydrofilności wspomagają nawet najprostsze sposoby: wystarczy potrzeć szybę przekrojonym jabłkiem lub kartoflem, pociągnąć odrobiną Coca-Coli albo innego lekko kwaśnego płynu i łatwo można zobaczyć jak to funkcjonuje. Oznacza to, że kwaśne deszcze też tu nie zaszkodzą. Szczególnie skuteczne są nadtlenki, ot, np. zwykła woda utleniona. Co ważne, również i mechaniczna wycieraczka doczyszcza potem taką powierzchnię hydrofilną łatwiej niż normalną.

            Kierunkiem niektórych badań i doświadczeń w przemyśle samochodowym jest wreszcie poszukiwanie alternatywy dla samych wycieraczek. Jednym z pomysłów są dmuchawy, owszem, nawet dość skuteczne, ale zbyt hałaśliwe, a ponadto zbyt energochłonne. Innym kierunkiem eksperymentowania były też ultradźwięki, które są przecież szczególnie skuteczne przy czyszczeniu metali, ale szybko okazało się, że to nie to samo co strącanie wody ze szkła. Samo zapotrzebowanie na energię byłoby tu również rzędu 14 kW.

              Duże prędkości, zagęszczenie ruchu i zaostrzone wymogi bezpieczeństwa stanowią dodatkowe wyzwania przy projektowaniu ulepszonych wersji tradycyjnych wycieraczek.Najprawdopodobniej rację ma Jan Dietrich, szef zespołu projektowego systemów wycieraczek szyb u Boscha, który uważa, że rozwiązanie optymalne będzie po prostu sumą drobnych ulepszeń we wszystkich dziedzinach, które system obejmuje.

             Przykład: najwcześniejsze wycieraczki napędzano silniczkami, które zawsze były okrągłe, a same wycieraczki kręciły się 360 stopni. Dziś można je elektronicznie tak wyprofilować, że zmieniają nawet kierunek obrotu, kiedy wycieraczka dochodzi do końca pola na szybie. Przestawia się wtedy sama i wraca w przeciwnym kierunku. Postęp dokonał się także w tym, że w niektórych modelach po wyłączeniu wycieraczki jej ramię chowa się pod maskę, co optymizuje aerodynamikę całego pojazdu. Znacznemu ulepszeniu ulegają też stale gatunki używanej gumy. Alternatywy kauczuku poszukiwali producenci już od dawna i dziś mają już do dyspozycji syntetyczne elastomery, czyli takie tworzywa ropopochodne, które w połączeniu ze specjalnymi składnikami zmiękczającymi mają o wiele lepsze parametry w niskich temperaturach, gdzie naturalna guma staje się krucha i spękliwa. Laicy nawet nie zauważają różnicy obu gatunków gumy. Obie są czarne jak sadza, co ma uchronić gumę od skutków działania agresywnych promieni ultrafioletowych. Promienie takie przechodząc przez materiał mechanicznie uszkadzają bowiem połączenia w łańcuchach polimeru sprawiając, że staje się on kruchy. Różnicę obu tworzyw można łatwo wykryć po zapachu. Ponieważ w syntetycznym elastomerze zastosowane są niemile pachnące połączenia chlorowe, producenci zagłuszyli ich woń dodając sztuczne aromaty np. brzoskwiniowe, morelowe lub malinowe. Wycieraczki przed zakupieniem należy zatem wąchać! Jeśli chodzi o kolory to można także, rzecz jasna, produkować gumy białe, czerwone albo niebieskie, gdy przyjdzie taka moda, ale takie wycieraczki wytrzymają tylko jedno lato. Wszystkie obecne gumy do wycieraczek mają dodatek sproszkowanego grafitu, co wzmacnia ich elastyczność i odporność na pękanie, a w dotyku nadaje im tłustawo-mazistą fakturę.

            Pozostaje jeszcze problem wyeliminowania monotonnego i denerwującego dla wielu odgłosu „chlap, chlap”, z jakim wycieraczka przegarnia wodę z szyby. Kiedy w samochodzie hałasują już nie tylko koła, silnik i przekładnia, staje się ważne, aby eliminować każdy dodatkowy składnik hałasu. Wycieraczka powoduje go najwięcej, kiedy zmienia kierunek. Ten monotonny szum już tak się zadomowił na karoserii, że brany bywa za dźwięk niemal naturalny. Właściwie wszystko, co lepi się do szyby bezpośrednio przekłada się na szum, bo wyeliminowano gumowy zderzak ze starych konstrukcji, który to izolował. Dalsze wyciszanie szumów w całej karoserii wymagać będzie jednak ogromnej dokładności w badaniach i jeszcze wielu żmudnych godzin testowania w tunelu aerodynamicznym.

                                Bogusław Jeznach