趙康杰　呂功來(lái)　邵正卿　王睿智　張牧笛　王為凱

摘 要：為方便陰雨天氣時(shí)乘車人進(jìn)出車輛，同時(shí)有效避免車內(nèi)設(shè)施在開關(guān)車門期間被淋濕，設(shè)計(jì)了一款車載卷軸式遮雨器。本設(shè)計(jì)采用扇形卷軸及骨架支撐結(jié)構(gòu)，通過蓄電池為裝置中的電磁鐵供電，同時(shí)結(jié)合雨量傳感器對(duì)電磁鐵進(jìn)行開關(guān)控制。用戶在打開車門時(shí)對(duì)裝置施加初始拉力，安裝在車頂及車門間的遮雨布通過電磁鐵間吸力帶動(dòng)展開，在車門及車頂間隙形成扇形遮雨區(qū)域，為用戶進(jìn)一步打開隨身攜帶的雨傘提供執(zhí)行空間的同時(shí)，有效規(guī)避車輛內(nèi)飾被淋濕。通過多方面的可行性分析，該設(shè)計(jì)能夠滿足安全使用的條件并達(dá)到預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞：遮雨 扇形卷軸 電磁鐵 可行性分析

1 引言

當(dāng)下，隨著社會(huì)的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于生活質(zhì)量的需求不斷提高，在汽車及相關(guān)行業(yè)，相關(guān)配件的實(shí)用性、便捷性備受關(guān)注。日常生活中，每逢陰雨天，人們?cè)谶M(jìn)出車輛打開隨身攜帶雨具的過程中，總會(huì)面臨雨水淋濕衣物、打濕汽車內(nèi)飾、更嚴(yán)重時(shí)甚至造成車內(nèi)設(shè)施損壞的困擾。對(duì)于手腳不便的中老年用戶等特殊群體，包括對(duì)于細(xì)節(jié)要求較高的客戶，解決此問題具有必要性?；谠搯栴}，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一款車載卷軸式遮雨器，在雨天時(shí)車門頂端固定的電磁鐵接收到控制信號(hào)通電開啟，電磁鐵作用于遮雨布邊緣處磁體產(chǎn)生吸力。此時(shí)，用戶打開車門的拉力通過電磁鐵的連接，帶動(dòng)收納于固定在車頂或行李架上卷軸收納卡槽中的柔性遮雨布，隨車門的開合而開合，在車門和車頂上方空間形成一個(gè)具有弧度、可有效排水的扇形遮雨棚，從而為用戶提供遮雨功能，為打開、收合雨傘的操作增加預(yù)留空間。

車載卷軸式遮雨器在工作時(shí)符合人體工學(xué)原則，具有人性化的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，將會(huì)從細(xì)節(jié)處改進(jìn)用戶的乘車體驗(yàn)，能夠?yàn)槲磥?lái)人們的出行帶來(lái)便利，具有普適的受眾、廣闊的外部車載配件市場(chǎng)和良好的銷售前景。

2 功能實(shí)現(xiàn)策略概述

本設(shè)計(jì)主要由控制芯片、傳感器、電磁鐵、卷軸伸縮裝置、遮雨布、雨棚骨架和卷軸收納卡槽等部分相互配合組成。其中，AT89C51單片機(jī)控制芯片通過雨水傳感器的信號(hào)來(lái)控制電磁鐵電源開關(guān)的開啟或關(guān)閉，在傳感器檢測(cè)到下雨時(shí)，車門頂端的電磁鐵電路接收到指令信號(hào)完成通電、產(chǎn)生磁性，隨之作用于遮雨布邊緣處固定的磁體產(chǎn)生吸引。此狀態(tài)下，用戶打開車門能夠隨之帶動(dòng)安裝在車門及車頂（行李架）間的卷軸機(jī)械部分進(jìn)行伸展，形成遮雨棚。裝載于遮雨布尾部的發(fā)條彈簧能夠持續(xù)對(duì)其施加合適的回拉力，使得扇形遮雨布可以在乘客關(guān)閉車門時(shí)自然且平整地回收至卷軸收納卡槽。反之，當(dāng)天氣晴朗時(shí)，傳感器未檢測(cè)到雨水，將不會(huì)觸發(fā)對(duì)電磁鐵通電電路的通斷控制，遮雨布由于發(fā)條彈簧常態(tài)拉力收緊于收納卡槽內(nèi)，將不會(huì)伴隨用戶開關(guān)車門而進(jìn)行展開、收合運(yùn)動(dòng)。

綜上，本裝置能夠由最簡(jiǎn)單的控制邏輯（如圖1），在兼顧運(yùn)行穩(wěn)定、可靠特點(diǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)晴、雨?duì)顟B(tài)下的自適應(yīng)診斷及狀態(tài)區(qū)分和控制。

3 裝置的硬件設(shè)計(jì)

3.1 遮雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 遮雨棚伸縮機(jī)構(gòu)

伸縮機(jī)構(gòu)是一種能夠在一定范圍內(nèi)改變自身長(zhǎng)度或形狀的機(jī)械裝置，它廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中。伸縮機(jī)構(gòu)類型眾多，常見有剪叉式、推桿式、卷軸式等。卷軸式伸縮機(jī)構(gòu)由卷筒和一塊柔性材料組成，能夠?qū)⑷嵝圆牧显诰硗餐獠窟M(jìn)行卷繞或展開；推桿式伸縮機(jī)構(gòu)由若干個(gè)相互連接的桿件組成，能夠在固定方向上進(jìn)行伸縮。

本設(shè)計(jì)是一種基于卷軸式伸縮機(jī)構(gòu)和推桿式伸縮機(jī)構(gòu)為汽車設(shè)計(jì)的外部遮雨配件，它可以在車門開合時(shí)為乘車人員提供一個(gè)遮擋雨水的空間?？紤]到車輛配件的安全性與裝置使用的便捷性，本設(shè)計(jì)采用了扇形活動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）收納時(shí)節(jié)省空間：遮雨器可以收納在安裝于車頂或行李架上的錐形收納槽內(nèi)，且不會(huì)影響行李架的正常使用；

（2）排水性良好：遮雨器展開時(shí)由于伸縮機(jī)構(gòu)和骨架的共同作用，可使扇形表面形成一定弧度，令該裝置運(yùn)行時(shí)不會(huì)積水，且排水路徑不會(huì)影響乘客使用；

（3）操作簡(jiǎn)便：遮雨器可以利用車門開關(guān)時(shí)用戶對(duì)其施加的力帶動(dòng)進(jìn)行展開和收回；

（4）適用性強(qiáng)：遮雨器可以根據(jù)不同型號(hào)汽車的尺寸和參數(shù)進(jìn)行微量活動(dòng)調(diào)整或產(chǎn)前訂制。

對(duì)于車頂裝有行李架的汽車，遮雨器可優(yōu)先安裝于兩側(cè)行李桿上。當(dāng)需要使用該裝置時(shí)，只需打開裝置總開關(guān)（控制芯片端電源開關(guān)），此時(shí)傳感器檢測(cè)到雨水，發(fā)布通斷信號(hào)，打開車門即可帶動(dòng)卷軸拉伸，在車門與車體間形成遮雨空間。不需要使用遮雨器時(shí)，可選擇關(guān)閉總電源，遮雨器不會(huì)隨車門打開。這種設(shè)計(jì)既方便用戶操作又形成了傳感器控制和使用者手動(dòng)開關(guān)的雙重保險(xiǎn)，安全可靠。

經(jīng)市場(chǎng)需求調(diào)研及項(xiàng)目組成員討論設(shè)計(jì)，遮雨棚尺寸可根據(jù)不同汽車尺寸而改變，常見的SUV車頂行李架長(zhǎng)度為2.15m、1.90m、1.77m等不同規(guī)格[1]。本設(shè)計(jì)選取適中尺寸作為參考標(biāo)準(zhǔn)，確定了遮雨棚常規(guī)狀態(tài)尺寸：伸展半徑為0.85米。這樣既保證了裝置覆蓋面積足夠，又能保證產(chǎn)品的美觀性。

晴朗天氣時(shí)，遮雨棚收納于卷軸收納槽中，雨棚骨架處于收合狀態(tài)；陰雨天氣時(shí)，在電磁鐵接收到雨水傳感器的信號(hào)后，乘客開門能帶動(dòng)骨架伸展支撐和遮雨布的打開。能滿足該功用的機(jī)械裝置易于收納和安裝，且制造工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)論證符合生產(chǎn)需求。

3.1.2 雨棚及骨架材料選擇

考慮到扇形卷軸在伸展時(shí)應(yīng)能承受相應(yīng)雨載荷和一定程度的彎曲應(yīng)力，卷軸式遮雨器的雨布及骨架部分初步設(shè)計(jì)如圖2所示。

該遮雨器雨棚部分利用收納卡槽將具有防水性能的柔性布收納在行李架縱桿一端，并通過微型電磁鐵控制其與車門頂端的鎖定與解鎖。為了保證系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性，項(xiàng)目組最終決定該部分采用高強(qiáng)滌綸絲作為卷軸裝置防水布的基布成分，并在其雙面噴涂PVC涂層。高強(qiáng)滌綸絲具有良好的耐磨性、耐撕裂性和抗紫外線性能，能夠有效地規(guī)避風(fēng)雨等惡劣天氣對(duì)車輛及乘客的影響；PVC涂層能使卷軸防水布具有柔軟、韌性、防水、防霉等特點(diǎn)，有效延長(zhǎng)其使用壽命并提高使用舒適度[2]。骨架部分采用玻璃纖維材質(zhì)，該材料絕緣性好、機(jī)械強(qiáng)度高且耐腐蝕。

雨棚收納卡槽的整體形態(tài)為一錐形空心外殼，既保證了其平面展開圖與扇形遮雨布幾何形狀相符，又可以有效減少汽車行駛時(shí)遮雨器對(duì)車輛整體的阻力影響。當(dāng)不需要使用遮雨棚時(shí)，還可以通過裝置自帶蓋板將卷軸整體密封起來(lái)，減少設(shè)備老化速度，增加其使用壽命。

考慮到該裝置涉及的電磁鐵供電電源為鋰離子電池，具有高能量密度、低自放電率、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，含有預(yù)留卡槽的雨棚骨架應(yīng)可確保收納卡槽具有足夠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以承受其重量和外力。本設(shè)計(jì)采用鋁合金作為收納卡槽的材料。鋁合金具有質(zhì)輕、耐用、抗腐蝕等特點(diǎn)，可在確保符合強(qiáng)度要求的同時(shí)有效減少裝置質(zhì)量，從側(cè)面減少該裝置對(duì)裝配汽車行駛阻力的影響。收納卡槽通過支撐點(diǎn)固定于行李架的縱軸上，使其與行李架形成相對(duì)穩(wěn)定的整體，增加了穩(wěn)定性和安全性。

3.2 傳感器的選擇

現(xiàn)如今的汽車市場(chǎng)中，越來(lái)越多的傳感器得到了應(yīng)用，以用于增加車輛的主動(dòng)和被動(dòng)安全性。經(jīng)調(diào)研，一種具有極高的市場(chǎng)滲透性的傳感器——雨水傳感器與本項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)品的需求相符合。

本項(xiàng)目需設(shè)置能夠檢測(cè)雨水的傳感器，相關(guān)傳感器的種類有三種[3]：

（1）壓電振子傳感器：能夠根據(jù)雨滴沖擊能量的變化進(jìn)行檢測(cè)并形成反饋；

（2）靜電電容傳感器：基于靜電電容量變化進(jìn)行檢測(cè)并形成反饋；

（3）光強(qiáng)變化傳感器：利用光亮變化進(jìn)行檢測(cè)。

其中，壓電振子傳感器和靜電電容傳感器可根據(jù)壓電振子的壓電效應(yīng)，將機(jī)械位移（振動(dòng)）變成電信號(hào)，然后根據(jù)雨滴沖擊能量轉(zhuǎn)變的電壓波形對(duì)其他元件進(jìn)行控制。它們安裝在汽車的外部，易與雨水產(chǎn)生直接接觸，應(yīng)配備獨(dú)立的防水措施。光強(qiáng)變化傳感器則安裝在汽車內(nèi)部的擋風(fēng)玻璃處，通過雨水滴落在玻璃上引起反射光強(qiáng)變化形成對(duì)應(yīng)電信號(hào)。

因考慮到本設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先選用易與雨水產(chǎn)生直接接觸的傳感器（即安裝在汽車外部），故采用壓電式雨滴傳感器，為電磁鐵提供開啟與關(guān)閉的信號(hào)。

3.3 電磁鐵的選擇

為實(shí)現(xiàn)卷軸的開合時(shí)的固定功能，車載卷軸式遮雨器在車門頂端共三個(gè)位點(diǎn)分別加裝了微型電磁鐵，電磁鐵所在電路通斷決定其是否產(chǎn)生磁性，與卷軸柔性材料尾部邊緣相對(duì)應(yīng)的三個(gè)磁點(diǎn)相配合，可實(shí)現(xiàn)卷軸與車門頂端是否鎖定的控制。

電磁鐵是一種利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)從而產(chǎn)生吸引的裝置，主要分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類。其中，直流式吸盤電磁鐵工作原理為：通過直流電流在線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而使鐵芯內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)吸盤與磁鐵的鐵芯之間有物體時(shí)，物體受到磁力吸附在磁鐵上。

車載卷軸式遮雨器中電磁鐵所吸附物體質(zhì)量較輕，且卷軸發(fā)條彈簧回拉力相對(duì)較小，故無(wú)需具有過大電磁吸力，因此采用微型直流式吸盤電磁鐵。直流式吸盤電磁鐵具有功耗小、工作熱轉(zhuǎn)化升溫低、斷電后磁余量少等諸多優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目采用電磁鐵尺寸為D=13mm，d=5mm，H=13 mm，L=330mm，形態(tài)如圖3所示。

3.4 微型電池的選擇

微型電池是一種特殊的電池，其體積很小，但能量密度很高。微型電池能在小空間內(nèi)存儲(chǔ)更多的電能，常用于一些小型化、便攜化、低功耗的設(shè)備或傳感器領(lǐng)域，例如智能手表、無(wú)線耳機(jī)等。微型電池根據(jù)使用材料和制作結(jié)構(gòu)可以分為不同的類型，如鋰離子電池、鉛酸電池等。不同類型的微型電池有各自的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）鋰離子電池是一種常見的微型電池，適合用于需要持續(xù)工作或充放電次數(shù)多的設(shè)備。常見鋰電池采用磷酸鐵鋰作為正極材料，具有高能量密度、低自放電率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)[4]和易發(fā)生短路或過熱、成本高昂、難以回收利用等缺點(diǎn)。

（2）鉛酸電池是一種較早出現(xiàn)的微型電池，適合用于需要大功率輸出或穩(wěn)定供電的設(shè)備。它使用鉛和硫酸作為主要材料，具有成本低廉、技術(shù)成熟、回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)和重量大、相對(duì)于體積容量小、易老化等缺點(diǎn)。

鑒于本項(xiàng)目是一種基于微控制器和傳感器的智能裝置，需具備長(zhǎng)期處于通電狀態(tài)以監(jiān)測(cè)和控制汽車門窗的開關(guān)狀態(tài)的能力。若使用汽車自帶的蓄電池來(lái)供給其所需的電力，不僅會(huì)增加電路設(shè)計(jì)難度，也不便于后期維護(hù)和更換。因此，項(xiàng)目組使用獨(dú)立微型電池來(lái)作為本設(shè)計(jì)供電電源。車載卷軸式遮雨器的主要負(fù)荷來(lái)源是電磁鐵，它需要在接收到傳感器感應(yīng)雨水后發(fā)出的電信號(hào)時(shí)通電，從而產(chǎn)生一定吸力以完成遮雨布與車門頂端的鎖定或解鎖。結(jié)合電磁鐵的工作原理，需要一個(gè)穩(wěn)定、足夠高且符合安全的電壓來(lái)激發(fā)線圈中的磁場(chǎng)。因此，項(xiàng)目組選擇采用4V的微型鋰離子電池作為本裝置的供電電源，它能夠滿足電磁鐵的工作要求，同時(shí)具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 未來(lái)展望

隨著汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，汽車廠商需要不斷創(chuàng)新優(yōu)化配件，以滿足消費(fèi)者的多樣化需求和個(gè)性化喜好。車載卷軸式遮雨器作為一種突破傳統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用卷軸伸縮機(jī)構(gòu)將遮雨布在幾乎不影響行駛阻力的情況下完成收納，且使用時(shí)具有半自動(dòng)化的便捷，提高了惡劣天氣時(shí)乘客的乘車體驗(yàn)舒適度。該設(shè)計(jì)不僅實(shí)用性強(qiáng)、滿足人性化要求，且外觀新穎、具有個(gè)性化。對(duì)于手腳不便的中老年用戶等特殊群體，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與研究針對(duì)了目前市場(chǎng)的痛點(diǎn)，彌補(bǔ)了該領(lǐng)域空缺。此外，廣大新生代汽車消費(fèi)者注重汽車的個(gè)性化性和美觀性，且追求便利快捷的生活方式，本設(shè)計(jì)能夠吸引該群體的眼球。

與該領(lǐng)域其他類型的遮雨器相比，車載卷軸式遮雨器安裝成本低、不需要對(duì)原有車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅改造，也不會(huì)增加額外的重量或占用過多空間。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而緊湊，且易于維護(hù)保養(yǎng)和迭代優(yōu)化。同時(shí)，車載卷軸式遮雨器預(yù)留有未來(lái)迭代空間，例如加裝“防冰雹安全氣囊”等配件，具有很強(qiáng)的發(fā)展前景和較明確的優(yōu)化路徑及方案。

5 結(jié)語(yǔ)

如今，汽車及車載配件不單單只是一種工具，更是人們生活的一部分，成為了一種體現(xiàn)個(gè)性和品味的符號(hào)。采用上述設(shè)計(jì)方案的車載卷軸式遮雨器可以為汽車使用外部配件市場(chǎng)提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、操作便捷的遮雨裝置，它能且不限于滿足特定群體的車輛乘坐體驗(yàn)，具有對(duì)于受眾的普適性。此設(shè)計(jì)作為一款實(shí)用、美觀的創(chuàng)新產(chǎn)品，能夠滿足人們對(duì)于生活質(zhì)量和出行便利性的需求，并提升人們對(duì)于汽車文化和品牌形象的認(rèn)同感，它使車輛整體更加人性化，為用戶的生活帶來(lái)更多便捷。

項(xiàng)目基金：市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目基金

項(xiàng)目編號(hào)：202210066113。

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