汽車擋風玻璃清雪除冰裝置發展綜述

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都會迎來一定時間跨度的降雪天氣。此時，停在露天環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 研究現狀

2.1 國外典型研究

根據“removing frost and snow”檢索中國知網外文文獻數據庫，共得到有效檢索數目9條，現階段全部采用電加熱的方式清除擋風玻璃外部冰雪。

2.2 國內研究現狀

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專利數據庫 ，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，考慮到大雪環境下，護罩自身存在被凍住的可能，提出設計除雪防冰凍節能保護罩[2]。該護罩利用內嵌電路，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加熱開關使外層受熱融化冰雪，并受溫度傳感器調節避免過分加熱。

在對雨刮器改進方面，讓其發出“熱風”成為所有設計者的共同考量，創意點的唯一突破便在于具體細節的布置上。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[11]，包括集熱罩、導熱管路和抽風裝置，該系統依靠發動機冷卻系統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。該系統的優點在于通過巧妙的引入“三通磁流閥”，避免抽風裝置持續開啟，減少了能源消耗，并使車主無需在非降雪季節拆除整個系統。同樣由該種思路出發，黃山正旭科技有限公司的孫順水等人變利用發動機冷卻系統散熱器排放散發出熱量為直接在雨刮體空腔內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，秦樂娟改進設計的多功能清雪鏟[3]，在三角形槽內布置刀片，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大學王靜娟提出的一種電熱風除雪鏟[10]。該鏟面內部裝有電熱絲、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，留給設計者的發揮空間大大增加。十年來知網專利數據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[6]，根據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，通過加熱電阻絲發出熱風（圖1）或利用發熱套管左右擺動（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，配合雨刮器能夠實現強力除冰。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目及變化趨勢

3 發展趨勢

結合圖3可以清楚的看出2013年以后各角度設計在數目中呈現較大突破，其中基于擋風玻璃加熱和雨刮器基礎上的改進設計與創新發明呈現穩健發展趨勢?？紤]到國內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，通過ECU協調電熱、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。