王子陽 郭以勛 胡婷 尚杰 宋云龍 司儀豪

吉林大學交通學院 吉林省長春市 130022

1 研究背景

每年11月份至次年2月份，北半球中高緯度地區(qū)都會迎來一定時間跨度的降雪天氣。此時，停在露天環(huán)境下汽車的前擋風玻璃往往會被一層較厚的積雪覆蓋，隨著溫度的進一步降低以及受汽車內(nèi)部溫度的影響，少部分擋風玻璃表層積雪融化后凝結成冰凍在玻璃上，導致車主清雪除冰、用車出行的效率大大降低。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 國外典型研究

根據(jù)“removing frost and snow”檢索中國知網(wǎng)外文文獻數(shù)據(jù)庫，共得到有效檢索數(shù)目9條，現(xiàn)階段全部采用電加熱的方式清除擋風玻璃外部冰雪。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

截止到2017年10月底，僅分別以“擋風玻璃清雪除冰”和“玻璃快速除冰雪”為全文關鍵詞檢索中國知網(wǎng)專利數(shù)據(jù)庫 ，交叉重復的專利條目只計入關鍵詞重合度高的組別中，分別得到9條和21條有效檢索，累計涵蓋2007—2017十年時間。綜合分析，裝置研究雖起步較晚（2007年 ），但類型豐富，具體可細分為以下六大角度：

（1）以預防為主輔助清雪除冰的護罩（防雪篷、清雪毯）；

（2）基于擋風玻璃自身被加熱從而融化冰雪；

（3）改進雨刮器以增強其清雪除冰功能；

（4）在普通清雪鏟基礎上增加更有利于其清雪除冰的機械設計；

（5）設計發(fā)明非清雪鏟式、依靠車載電源加熱的擋風玻璃清雪除冰裝置；

（6）利用除冰劑清除擋風玻璃表面冰雪。

在以預防為主的護罩（防雪篷、清雪毯）設計中，一種簡單思路是如歐陽宇雄、安景誠等設計的防曬防冰雪兩用篷、防曬防冰雪護罩[12，5]，操作簡單、收折容易，車主只需在預知天氣的情況下提前做好預防即可。南昌大學熊鵬文等人在此基礎上，考慮到大雪環(huán)境下，護罩自身存在被凍住的可能，提出設計除雪防冰凍節(jié)能保護罩[2]。該護罩利用內(nèi)嵌電路，通過壓力傳感器收集積雪量情況，在主體護罩達到臨界壓力條件下觸發(fā)加熱開關使外層受熱融化冰雪，并受溫度傳感器調(diào)節(jié)避免過分加熱。

在對雨刮器改進方面，讓其發(fā)出“熱風”成為所有設計者的共同考量，創(chuàng)意點的唯一突破便在于具體細節(jié)的布置上。浙江大學魏鑫、徐秋月、陳利共同設計的一種汽車雨刮器用智能除冰雪系統(tǒng)[11]，包括集熱罩、導熱管路和抽風裝置，該系統(tǒng)依靠發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱器排放的熱量預熱周圍空氣，再將這些“熱空氣”通過導氣管輸送到雨刮器上，最后經(jīng)雨刮器上的排氣孔以一定的壓力和速度吹出，達到融化冰雪的目的。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于通過巧妙的引入“三通磁流閥”，避免抽風裝置持續(xù)開啟，減少了能源消耗，并使車主無需在非降雪季節(jié)拆除整個系統(tǒng)。同樣由該種思路出發(fā)，黃山正旭科技有限公司的孫順水等人變利用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱器排放散發(fā)出熱量為直接在雨刮體空腔內(nèi)安裝導熱板和加熱絲[1]，雖一定程度上降低了能量利用率，但大大減少了系統(tǒng)的空間占用。同時，該設計在加熱絲的另一端連接可拆卸的雨刮片，并在空腔兩側設有與雨刮器延伸方向一致的毛刷，做到除塵、清雪、除冰的有機結合。并且由于條狀導熱板安裝雨刮片的一側設置有T形通槽，在雨刮片上設置有與T形通槽對應吻合配合的T形鍵，使得車主方便更換損壞的雨刮片，節(jié)約了車主的成本。

清雪鏟方面，因其外在構型簡單小巧，仍然為絕大多數(shù)車主當下首選的清雪除冰工具，改進空間相對有限。從清雪鏟外在設計角度出發(fā)，秦樂娟改進設計的多功能清雪鏟[3]，在三角形槽內(nèi)布置刀片，涵蓋除冰齒、刮水條、鏟雪刃、胎紋尺等功能，外形獨特，功能齊全，不足之處在于該裝置依然依賴人力操作，施力不當使得刀片劃傷擋風玻璃的可能依然存在。

其基礎上的改進設計便如蘇州市職業(yè)大學王靜娟提出的一種電熱風除雪鏟[10]。該鏟面內(nèi)部裝有電熱絲、風扇、馬達、蓄電池和溫控開關等元件，在清除擋風玻璃上的積雪時，先用前鏟將表層積雪鏟除，然后打開溫控開關，把手內(nèi)蓄電池通過加熱電路給電阻絲供電，吹風孔中吹出熱風使冰雪融化，再用彈性橡膠制成的前鏟將雪水刮除，達到清雪除冰效果。該裝置大大降低了人力消耗，但考慮到加熱功率，如能配合高比能量和低溫工作電池，車主使用滿意度會大大增加。

在設計專用清雪除冰裝置方面，由于不受車本身結構限制，留給設計者的發(fā)揮空間大大增加。十年來知網(wǎng)專利數(shù)據(jù)庫中依如上關鍵詞共有6種不同檢索。除周淑淑在設計中外接移動式電加熱水箱[4]，通過耐熱軟管向擋風玻璃噴灑熱水，因取水困難，水箱占用空間較大，稍顯笨重外，其余設計均小巧可收縮，能隨車置放。山東理工大學楊立霞將單片機、控制ECU、溫度傳感器和電熱毯層等有機結合到裝置外殼內(nèi)[6]，根據(jù)溫度信號自動控制電熱毯層的溫度，使其在合適的溫度范圍內(nèi)高效快速的除去擋風玻璃上冰凍。

夏麗能和胡興軍等人的設計則更進一步[13，9]，利用限位銷釘和強磁體將裝置固定在車頂前部中間位置，徹底將人解放出來。車主只需要連接車內(nèi)點煙器，開啟電源按鈕，電機便會自動工作，通過加熱電阻絲發(fā)出熱風（圖1）或利用發(fā)熱套管左右擺動（圖2）達到清雪除冰效果。

其他方面，謝偉杰設計的一種汽車玻璃除冰劑[8]，由22種化學原料配方組成，可針對不同溫度改變原料比例，配合雨刮器能夠?qū)崿F(xiàn)強力除冰。同時除冰劑對人體皮膚無刺激、毒性很低。該種方案雖有一定的應用可行性，但原料難于獲得，缺乏相關播撒裝置，非化學專業(yè)人士在使用時難免心存疑慮。

圖1 夏麗能設計裝置

圖2 胡興軍等人設計裝置

圖3 擋風玻璃清雪除冰專利各角度數(shù)目及變化趨勢

3 發(fā)展趨勢

結合圖3可以清楚的看出2013年以后各角度設計在數(shù)目中呈現(xiàn)較大突破，其中基于擋風玻璃加熱和雨刮器基礎上的改進設計與創(chuàng)新發(fā)明呈現(xiàn)穩(wěn)健發(fā)展趨勢。考慮到國內(nèi)外設計者普遍選用電加熱融化前風擋玻璃冰雪的方法，角度較為單一，如能多角度結合，在電加熱基礎上結合機電系統(tǒng)，通過ECU協(xié)調(diào)電熱、風扇、盤狀尼龍刷的自動運行，并合理布置各元件位置，設計精巧外觀，使裝置達到智能化、小型化、高效率境界，一定能真正幫助車主雪天快捷高效地清除擋風玻璃外部冰雪，解決車主雪天用車出行的煩惱。