汽车挡风玻璃清雪除冰装置发展综述

王子阳 郭以勋 胡婷 尚杰 宋云龙 司仪豪

吉林大学交通学院 吉林省长春市 130022

1 研究背景

每年11月份至次年2月份，北半球中高纬度地区都会迎来一定时间跨度的降雪天气。此时，停在露天环境下汽车的前挡风玻璃往往会被一层较厚的积雪覆盖，随着温度的进一步降低以及受汽车内部温度的影响，少部分挡风玻璃表层积雪融化后凝结成冰冻在玻璃上，导致车主清雪除冰、用车出行的效率大大降低。

2 研究现状

2.1 国外典型研究

根据“removing frost and snow”检索中国知网外文文献数据库，共得到有效检索数目9条，现阶段全部采用电加热的方式清除挡风玻璃外部冰雪。

2.2 国内研究现状

截止到2017年10月底，仅分别以“挡风玻璃清雪除冰”和“玻璃快速除冰雪”为全文关键词检索中国知网专利数据库 ，交叉重复的专利条目只计入关键词重合度高的组别中，分别得到9条和21条有效检索，累计涵盖2007—2017十年时间。综合分析，装置研究虽起步较晚（2007年 ），但类型丰富，具体可细分为以下六大角度：

（1）以预防为主辅助清雪除冰的护罩（防雪篷、清雪毯）；

（2）基于挡风玻璃自身被加热从而融化冰雪；

（3）改进雨刮器以增强其清雪除冰功能；

（4）在普通清雪铲基础上增加更有利于其清雪除冰的机械设计；

（5）设计发明非清雪铲式、依靠车载电源加热的挡风玻璃清雪除冰装置；

（6）利用除冰剂清除挡风玻璃表面冰雪。

在以预防为主的护罩（防雪篷、清雪毯）设计中，一种简单思路是如欧阳宇雄、安景诚等设计的防晒防冰雪两用篷、防晒防冰雪护罩[12，5]，操作简单、收折容易，车主只需在预知天气的情况下提前做好预防即可。南昌大学熊鹏文等人在此基础上，考虑到大雪环境下，护罩自身存在被冻住的可能，提出设计除雪防冰冻节能保护罩[2]。该护罩利用内嵌电路，通过压力传感器收集积雪量情况，在主体护罩达到临界压力条件下触发加热开关使外层受热融化冰雪，并受温度传感器调节避免过分加热。

在对雨刮器改进方面，让其发出“热风”成为所有设计者的共同考量，创意点的唯一突破便在于具体细节的布置上。浙江大学魏鑫、徐秋月、陈利共同设计的一种汽车雨刮器用智能除冰雪系统[11]，包括集热罩、导热管路和抽风装置，该系统依靠发动机冷却系统散热器排放的热量预热周围空气，再将这些“热空气”通过导气管输送到雨刮器上，最后经雨刮器上的排气孔以一定的压力和速度吹出，达到融化冰雪的目的。该系统的优点在于通过巧妙的引入“三通磁流阀”，避免抽风装置持续开启，减少了能源消耗，并使车主无需在非降雪季节拆除整个系统。同样由该种思路出发，黄山正旭科技有限公司的孙顺水等人变利用发动机冷却系统散热器排放散发出热量为直接在雨刮体空腔内安装导热板和加热丝[1]，虽一定程度上降低了能量利用率，但大大减少了系统的空间占用。同时，该设计在加热丝的另一端连接可拆卸的雨刮片，并在空腔两侧设有与雨刮器延伸方向一致的毛刷，做到除尘、清雪、除冰的有机结合。并且由于条状导热板安装雨刮片的一侧设置有T形通槽，在雨刮片上设置有与T形通槽对应吻合配合的T形键，使得车主方便更换损坏的雨刮片，节约了车主的成本。

清雪铲方面，因其外在构型简单小巧，仍然为绝大多数车主当下首选的清雪除冰工具，改进空间相对有限。从清雪铲外在设计角度出发，秦乐娟改进设计的多功能清雪铲[3]，在三角形槽内布置刀片，涵盖除冰齿、刮水条、铲雪刃、胎纹尺等功能，外形独特，功能齐全，不足之处在于该装置依然依赖人力操作，施力不当使得刀片划伤挡风玻璃的可能依然存在。

其基础上的改进设计便如苏州市职业大学王静娟提出的一种电热风除雪铲[10]。该铲面内部装有电热丝、风扇、马达、蓄电池和温控开关等元件，在清除挡风玻璃上的积雪时，先用前铲将表层积雪铲除，然后打开温控开关，把手内蓄电池通过加热电路给电阻丝供电，吹风孔中吹出热风使冰雪融化，再用弹性橡胶制成的前铲将雪水刮除，达到清雪除冰效果。该装置大大降低了人力消耗，但考虑到加热功率，如能配合高比能量和低温工作电池，车主使用满意度会大大增加。

在设计专用清雪除冰装置方面，由于不受车本身结构限制，留给设计者的发挥空间大大增加。十年来知网专利数据库中依如上关键词共有6种不同检索。除周淑淑在设计中外接移动式电加热水箱[4]，通过耐热软管向挡风玻璃喷洒热水，因取水困难，水箱占用空间较大，稍显笨重外，其余设计均小巧可收缩，能随车置放。山东理工大学杨立霞将单片机、控制ECU、温度传感器和电热毯层等有机结合到装置外壳内[6]，根据温度信号自动控制电热毯层的温度，使其在合适的温度范围内高效快速的除去挡风玻璃上冰冻。

夏丽能和胡兴军等人的设计则更进一步[13，9]，利用限位销钉和强磁体将装置固定在车顶前部中间位置，彻底将人解放出来。车主只需要连接车内点烟器，开启电源按钮，电机便会自动工作，通过加热电阻丝发出热风（图1）或利用发热套管左右摆动（图2）达到清雪除冰效果。

其他方面，谢伟杰设计的一种汽车玻璃除冰剂[8]，由22种化学原料配方组成，可针对不同温度改变原料比例，配合雨刮器能够实现强力除冰。同时除冰剂对人体皮肤无刺激、毒性很低。该种方案虽有一定的应用可行性，但原料难于获得，缺乏相关播撒装置，非化学专业人士在使用时难免心存疑虑。

图1 夏丽能设计装置

图2 胡兴军等人设计装置

图3 挡风玻璃清雪除冰专利各角度数目及变化趋势

3 发展趋势

结合图3可以清楚的看出2013年以后各角度设计在数目中呈现较大突破，其中基于挡风玻璃加热和雨刮器基础上的改进设计与创新发明呈现稳健发展趋势。考虑到国内外设计者普遍选用电加热融化前风挡玻璃冰雪的方法，角度较为单一，如能多角度结合，在电加热基础上结合机电系统，通过ECU协调电热、风扇、盘状尼龙刷的自动运行，并合理布置各元件位置，设计精巧外观，使装置达到智能化、小型化、高效率境界，一定能真正帮助车主雪天快捷高效地清除挡风玻璃外部冰雪，解决车主雪天用车出行的烦恼。