車載卷軸式遮雨器的設計與研究

趙康杰　呂功來　邵正卿　王睿智　張牧笛　王為凱

摘 要：為方便陰雨天氣時乘車人進出車輛，同時有效避免車內設施在開關車門期間被淋濕，設計了一款車載卷軸式遮雨器。本設計采用扇形卷軸及骨架支撐結構，通過蓄電池為裝置中的電磁鐵供電，同時結合雨量傳感器對電磁鐵進行開關控制。用戶在打開車門時對裝置施加初始拉力，安裝在車頂及車門間的遮雨布通過電磁鐵間吸力帶動展開，在車門及車頂間隙形成扇形遮雨區域，為用戶進一步打開隨身攜帶的雨傘提供執行空間的同時，有效規避車輛內飾被淋濕。通過多方面的可行性分析，該設計能夠滿足安全使用的條件并達到預期目的。

關鍵詞：遮雨 扇形卷軸 電磁鐵 可行性分析

1 引言

當下，隨著社會的發展及科學技術的進步，人們對于生活質量的需求不斷提高，在汽車及相關行業，相關配件的實用性、便捷性備受關注。日常生活中，每逢陰雨天，人們在進出車輛打開隨身攜帶雨具的過程中，總會面臨雨水淋濕衣物、打濕汽車內飾、更嚴重時甚至造成車內設施損壞的困擾。對于手腳不便的中老年用戶等特殊群體，包括對于細節要求較高的客戶，解決此問題具有必要性。基于該問題，本項目組設計了一款車載卷軸式遮雨器，在雨天時車門頂端固定的電磁鐵接收到控制信號通電開啟，電磁鐵作用于遮雨布邊緣處磁體產生吸力。此時，用戶打開車門的拉力通過電磁鐵的連接，帶動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留空間。

車載卷軸式遮雨器在工作時符合人體工學原則，具有人性化的特點，充分體現了“以人為本”的設計理念，將會從細節處改進用戶的乘車體驗，能夠為未來人們的出行帶來便利，具有普適的受眾、廣闊的外部車載配件市場和良好的銷售前景。

2 功能實現策略概述

本設計主要由控制芯片、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單片機控制芯片通過雨水傳感器的信號來控制電磁鐵電源開關的開啟或關閉，在傳感器檢測到下雨時，車門頂端的電磁鐵電路接收到指令信號完成通電、產生磁性，隨之作用于遮雨布邊緣處固定的磁體產生吸引。此狀態下，用戶打開車門能夠隨之帶動安裝在車門及車頂（行李架）間的卷軸機械部分進行伸展，形成遮雨棚。裝載于遮雨布尾部的發條彈簧能夠持續對其施加合適的回拉力，使得扇形遮雨布可以在乘客關閉車門時自然且平整地回收至卷軸收納卡槽。反之，當天氣晴朗時，傳感器未檢測到雨水，將不會觸發對電磁鐵通電電路的通斷控制，遮雨布由于發條彈簧常態拉力收緊于收納卡槽內，將不會伴隨用戶開關車門而進行展開、收合運動。

綜上，本裝置能夠由最簡單的控制邏輯（如圖1），在兼顧運行穩定、可靠特點的同時實現晴、雨狀態下的自適應診斷及狀態區分和控制。

3 裝置的硬件設計

3.1 遮雨棚結構設計

3.1.1 遮雨棚伸縮機構

伸縮機構是一種能夠在一定范圍內改變自身長度或形狀的機械裝置，它廣泛應用于各種工業領域和日常生活中。伸縮機構類型眾多，常見有剪叉式、推桿式、卷軸式等。卷軸式伸縮機構由卷筒和一塊柔性材料組成，能夠將柔性材料在卷筒外部進行卷繞或展開；推桿式伸縮機構由若干個相互連接的桿件組成，能夠在固定方向上進行伸縮。

本設計是一種基于卷軸式伸縮機構和推桿式伸縮機構為汽車設計的外部遮雨配件，它可以在車門開合時為乘車人員提供一個遮擋雨水的空間。考慮到車輛配件的安全性與裝置使用的便捷性，本設計采用了扇形活動結構。這種結構具有以下優點：

（1）收納時節省空間：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，且不會影響行李架的正常使用；

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

（3）操作簡便：遮雨器可以利用車門開關時用戶對其施加的力帶動進行展開和收回；

（4）適用性強：遮雨器可以根據不同型號汽車的尺寸和參數進行微量活動調整或產前訂制。

對于車頂裝有行李架的汽車，遮雨器可優先安裝于兩側行李桿上。當需要使用該裝置時，只需打開裝置總開關（控制芯片端電源開關），此時傳感器檢測到雨水，發布通斷信號，打開車門即可帶動卷軸拉伸，在車門與車體間形成遮雨空間。不需要使用遮雨器時，可選擇關閉總電源，遮雨器不會隨車門打開。這種設計既方便用戶操作又形成了傳感器控制和使用者手動開關的雙重保險，安全可靠。

經市場需求調研及項目組成員討論設計，遮雨棚尺寸可根據不同汽車尺寸而改變，常見的SUV車頂行李架長度為2.15m、1.90m、1.77m等不同規格[1]。本設計選取適中尺寸作為參考標準，確定了遮雨棚常規狀態尺寸：伸展半徑為0.85米。這樣既保證了裝置覆蓋面積足夠，又能保證產品的美觀性。

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

3.1.2 雨棚及骨架材料選擇

考慮到扇形卷軸在伸展時應能承受相應雨載荷和一定程度的彎曲應力，卷軸式遮雨器的雨布及骨架部分初步設計如圖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。為了保證系統的結構強度和耐久性，項目組最終決定該部分采用高強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，能夠有效地規避風雨等惡劣天氣對車輛及乘客的影響；PVC涂層能使卷軸防水布具有柔軟、韌性、防水、防霉等特點，有效延長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，該材料絕緣性好、機械強度高且耐腐蝕。

雨棚收納卡槽的整體形態為一錐形空心外殼，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遮雨器對車輛整體的阻力影響。當不需要使用遮雨棚時，還可以通過裝置自帶蓋板將卷軸整體密封起來，減少設備老化速度，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、長壽命等特點，含有預留卡槽的雨棚骨架應可確保收納卡槽具有足夠結構強度以承受其重量和外力。本設計采用鋁合金作為收納卡槽的材料。鋁合金具有質輕、耐用、抗腐蝕等特點，可在確保符合強度要求的同時有效減少裝置質量，從側面減少該裝置對裝配汽車行駛阻力的影響。收納卡槽通過支撐點固定于行李架的縱軸上，使其與行李架形成相對穩定的整體，增加了穩定性和安全性。

3.2 傳感器的選擇

現如今的汽車市場中，越來越多的傳感器得到了應用，以用于增加車輛的主動和被動安全性。經調研，一種具有極高的市場滲透性的傳感器——雨水傳感器與本項目設計產品的需求相符合。

本項目需設置能夠檢測雨水的傳感器，相關傳感器的種類有三種[3]：

（1）壓電振子傳感器：能夠根據雨滴沖擊能量的變化進行檢測并形成反饋；

（2）靜電電容傳感器：基于靜電電容量變化進行檢測并形成反饋；

（3）光強變化傳感器：利用光亮變化進行檢測。

其中，壓電振子傳感器和靜電電容傳感器可根據壓電振子的壓電效應，將機械位移（振動）變成電信號，然后根據雨滴沖擊能量轉變的電壓波形對其他元件進行控制。它們安裝在汽車的外部，易與雨水產生直接接觸，應配備獨立的防水措施。光強變化傳感器則安裝在汽車內部的擋風玻璃處，通過雨水滴落在玻璃上引起反射光強變化形成對應電信號。

因考慮到本設計應優先選用易與雨水產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閉的信號。

3.3 電磁鐵的選擇

為實現卷軸的開合時的固定功能，車載卷軸式遮雨器在車門頂端共三個位點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生磁性，與卷軸柔性材料尾部邊緣相對應的三個磁點相配合，可實現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生磁場從而產生吸引的裝置，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生磁場，從而使鐵芯內部的磁感應強度增強。當吸盤與磁鐵的鐵芯之間有物體時，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量較輕，且卷軸發條彈簧回拉力相對較小，故無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、工作熱轉化升溫低、斷電后磁余量少等諸多優點。本項目采用電磁鐵尺寸為D=13mm，d=5mm，H=13 mm，L=330mm，形態如圖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存儲更多的電能，常用于一些小型化、便攜化、低功耗的設備或傳感器領域，例如智能手表、無線耳機等。微型電池根據使用材料和制作結構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和優缺點：

（1）鋰離子電池是一種常見的微型電池，適合用于需要持續工作或充放電次數多的設備。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、長壽命等優點[4]和易發生短路或過熱、成本高昂、難以回收利用等缺點。

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

鑒于本項目是一種基于微控制器和傳感器的智能裝置，需具備長期處于通電狀態以監測和控制汽車門窗的開關狀態的能力。若使用汽車自帶的蓄電池來供給其所需的電力，不僅會增加電路設計難度，也不便于后期維護和更換。因此，項目組使用獨立微型電池來作為本設計供電電源。車載卷軸式遮雨器的主要負荷來源是電磁鐵，它需要在接收到傳感器感應雨水后發出的電信號時通電，從而產生一定吸力以完成遮雨布與車門頂端的鎖定或解鎖。結合電磁鐵的工作原理，需要一個穩定、足夠高且符合安全的電壓來激發線圈中的磁場。因此，項目組選擇采用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，同時具有體積小、重量輕、壽命長等優點。

4 未來展望

隨著汽車市場的競爭日趨激烈，汽車廠商需要不斷創新優化配件，以滿足消費者的多樣化需求和個性化喜好。車載卷軸式遮雨器作為一種突破傳統的創新設計，利用卷軸伸縮機構將遮雨布在幾乎不影響行駛阻力的情況下完成收納，且使用時具有半自動化的便捷，提高了惡劣天氣時乘客的乘車體驗舒適度。該設計不僅實用性強、滿足人性化要求，且外觀新穎、具有個性化。對于手腳不便的中老年用戶等特殊群體，本項目的設計與研究針對了目前市場的痛點，彌補了該領域空缺。此外，廣大新生代汽車消費者注重汽車的個性化性和美觀性，且追求便利快捷的生活方式，本設計能夠吸引該群體的眼球。

與該領域其他類型的遮雨器相比，車載卷軸式遮雨器安裝成本低、不需要對原有車身結構進行大幅改造，也不會增加額外的重量或占用過多空間。它的結構簡單而緊湊，且易于維護保養和迭代優化。同時，車載卷軸式遮雨器預留有未來迭代空間，例如加裝“防冰雹安全氣囊”等配件，具有很強的發展前景和較明確的優化路徑及方案。

5 結語

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，成為了一種體現個性和品味的符號。采用上述設計方案的車載卷軸式遮雨器可以為汽車使用外部配件市場提供一種結構簡單、運行可靠、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，具有對于受眾的普適性。此設計作為一款實用、美觀的創新產品，能夠滿足人們對于生活質量和出行便利性的需求，并提升人們對于汽車文化和品牌形象的認同感，它使車輛整體更加人性化，為用戶的生活帶來更多便捷。

項目基金：市級大學生創新創業訓練項目基金

項目編號：202210066113。

參考文獻：

[1]徐杰，肖金鳳，黎詩貝.車載自動伸縮雨棚的設計與研究[J].電子技術，2017，46（10）：28-30.

[2]孫英華，吳尚卓.PVC高分子材料的應用發展研究[J].江西化工，2012（04）：151-152.

[3]趙巖，王哈力，蔣貴龍，王東輝.一種新型紅外線汽車雨水傳感器的設計[J].傳感器世界，2006（08）：24-26.

[4]HU X， ZOU C， ZHANG C， et al. Technological Developments in Batteries： A Survey of Principal Roles， Types， and Management Needs [J].2017， 15（5）： 20-31.