车载卷轴式遮雨器的设计与研究

赵康杰　吕功来　邵正卿　王睿智　张牧笛　王为凯

摘 要：为方便阴雨天气时乘车人进出车辆，同时有效避免车内设施在开关车门期间被淋湿，设计了一款车载卷轴式遮雨器。本设计采用扇形卷轴及骨架支撑结构，通过蓄电池为装置中的电磁铁供电，同时结合雨量传感器对电磁铁进行开关控制。用户在打开车门时对装置施加初始拉力，安装在车顶及车门间的遮雨布通过电磁铁间吸力带动展开，在车门及车顶间隙形成扇形遮雨区域，为用户进一步打开随身携带的雨伞提供执行空间的同时，有效规避车辆内饰被淋湿。通过多方面的可行性分析，该设计能够满足安全使用的条件并达到预期目的。

关键词：遮雨 扇形卷轴 电磁铁 可行性分析

1 引言

当下，随着社会的发展及科学技术的进步，人们对于生活质量的需求不断提高，在汽车及相关行业，相关配件的实用性、便捷性备受关注。日常生活中，每逢阴雨天，人们在进出车辆打开随身携带雨具的过程中，总会面临雨水淋湿衣物、打湿汽车内饰、更严重时甚至造成车内设施损坏的困扰。对于手脚不便的中老年用户等特殊群体，包括对于细节要求较高的客户，解决此问题具有必要性。基于该问题，本项目组设计了一款车载卷轴式遮雨器，在雨天时车门顶端固定的电磁铁接收到控制信号通电开启，电磁铁作用于遮雨布边缘处磁体产生吸力。此时，用户打开车门的拉力通过电磁铁的连接，带动收纳于固定在车顶或行李架上卷轴收纳卡槽中的柔性遮雨布，随车门的开合而开合，在车门和车顶上方空间形成一个具有弧度、可有效排水的扇形遮雨棚，从而为用户提供遮雨功能，为打开、收合雨伞的操作增加预留空间。

车载卷轴式遮雨器在工作时符合人体工学原则，具有人性化的特点，充分体现了“以人为本”的设计理念，将会从细节处改进用户的乘车体验，能够为未来人们的出行带来便利，具有普适的受众、广阔的外部车载配件市场和良好的销售前景。

2 功能实现策略概述

本设计主要由控制芯片、传感器、电磁铁、卷轴伸缩装置、遮雨布、雨棚骨架和卷轴收纳卡槽等部分相互配合组成。其中，AT89C51单片机控制芯片通过雨水传感器的信号来控制电磁铁电源开关的开启或關闭，在传感器检测到下雨时，车门顶端的电磁铁电路接收到指令信号完成通电、产生磁性，随之作用于遮雨布边缘处固定的磁体产生吸引。此状态下，用户打开车门能够随之带动安装在车门及车顶（行李架）间的卷轴机械部分进行伸展，形成遮雨棚。装载于遮雨布尾部的发条弹簧能够持续对其施加合适的回拉力，使得扇形遮雨布可以在乘客关闭车门时自然且平整地回收至卷轴收纳卡槽。反之，当天气晴朗时，传感器未检测到雨水，将不会触发对电磁铁通电电路的通断控制，遮雨布由于发条弹簧常态拉力收紧于收纳卡槽内，将不会伴随用户开关车门而进行展开、收合运动。

综上，本装置能够由最简单的控制逻辑（如图1），在兼顾运行稳定、可靠特点的同时实现晴、雨状态下的自适应诊断及状态区分和控制。

3 装置的硬件设计

3.1 遮雨棚结构设计

3.1.1 遮雨棚伸缩机构

伸缩机构是一种能够在一定范围内改变自身长度或形状的机械装置，它广泛应用于各种工业领域和日常生活中。伸缩机构类型众多，常见有剪叉式、推杆式、卷轴式等。卷轴式伸缩机构由卷筒和一块柔性材料组成，能够将柔性材料在卷筒外部进行卷绕或展开；推杆式伸缩机构由若干个相互连接的杆件组成，能够在固定方向上进行伸缩。

本设计是一种基于卷轴式伸缩机构和推杆式伸缩机构为汽车设计的外部遮雨配件，它可以在车门开合时为乘车人员提供一个遮挡雨水的空间。考虑到车辆配件的安全性与装置使用的便捷性，本设计采用了扇形活动结构。这种结构具有以下优点：

（1）收纳时节省空间：遮雨器可以收纳在安装于车顶或行李架上的锥形收纳槽内，且不会影响行李架的正常使用；

（2）排水性良好：遮雨器展开时由于伸缩机构和骨架的共同作用，可使扇形表面形成一定弧度，令该装置运行时不会积水，且排水路径不会影响乘客使用；

（3）操作简便：遮雨器可以利用车门开关时用户对其施加的力带动进行展开和收回；

（4）适用性强：遮雨器可以根据不同型号汽车的尺寸和参数进行微量活动调整或产前订制。

对于车顶装有行李架的汽车，遮雨器可优先安装于两侧行李杆上。当需要使用该装置时，只需打开装置总开关（控制芯片端电源开关），此时传感器检测到雨水，发布通断信号，打开车门即可带动卷轴拉伸，在车门与车体间形成遮雨空间。不需要使用遮雨器时，可选择关闭总电源，遮雨器不会随车门打开。这种设计既方便用户操作又形成了传感器控制和使用者手动开关的双重保险，安全可靠。

经市场需求调研及项目组成员讨论设计，遮雨棚尺寸可根据不同汽车尺寸而改变，常见的SUV车顶行李架长度为2.15m、1.90m、1.77m等不同规格[1]。本设计选取适中尺寸作为参考标准，确定了遮雨棚常规状态尺寸：伸展半径为0.85米。这样既保证了装置覆盖面积足够，又能保证产品的美观性。

晴朗天气时，遮雨棚收纳于卷轴收纳槽中，雨棚骨架处于收合状态；阴雨天气时，在电磁铁接收到雨水传感器的信号后，乘客开门能带动骨架伸展支撑和遮雨布的打开。能满足该功用的机械装置易于收纳和安装，且制造工艺简单，经论证符合生产需求。

3.1.2 雨棚及骨架材料选择

考虑到扇形卷轴在伸展时应能承受相应雨载荷和一定程度的弯曲应力，卷轴式遮雨器的雨布及骨架部分初步设计如图2所示。

该遮雨器雨棚部分利用收纳卡槽将具有防水性能的柔性布收纳在行李架纵杆一端，并通过微型电磁铁控制其与车门顶端的锁定与解锁。为了保证系统的结构强度和耐久性，项目组最终决定该部分采用高强涤纶丝作为卷轴装置防水布的基布成分，并在其双面喷涂PVC涂层。高强涤纶丝具有良好的耐磨性、耐撕裂性和抗紫外线性能，能够有效地规避风雨等恶劣天气对车辆及乘客的影响；PVC涂层能使卷轴防水布具有柔软、韧性、防水、防霉等特点，有效延长其使用寿命并提高使用舒适度[2]。骨架部分采用玻璃纤维材质，该材料绝缘性好、机械强度高且耐腐蚀。

雨棚收纳卡槽的整体形态为一锥形空心外壳，既保证了其平面展开图与扇形遮雨布几何形状相符，又可以有效减少汽车行驶时遮雨器对车辆整体的阻力影响。当不需要使用遮雨棚时，还可以通过装置自带盖板将卷轴整体密封起来，减少设备老化速度，增加其使用寿命。

考虑到该装置涉及的电磁铁供电电源为锂离子电池，具有高能量密度、低自放电率、长寿命等特点，含有预留卡槽的雨棚骨架应可确保收纳卡槽具有足够结构强度以承受其重量和外力。本设计采用铝合金作为收纳卡槽的材料。铝合金具有质轻、耐用、抗腐蚀等特点，可在确保符合强度要求的同时有效减少装置质量，从侧面减少该装置对装配汽车行驶阻力的影响。收纳卡槽通过支撑点固定于行李架的纵轴上，使其与行李架形成相对稳定的整体，增加了稳定性和安全性。

3.2 传感器的选择

现如今的汽车市场中，越来越多的传感器得到了应用，以用于增加车辆的主动和被动安全性。经调研，一种具有极高的市场渗透性的传感器——雨水传感器与本项目设计产品的需求相符合。

本项目需设置能够检测雨水的传感器，相关传感器的种类有三种[3]：

（1）压电振子传感器：能够根据雨滴冲击能量的变化进行检测并形成反馈；

（2）静电电容传感器：基于静电电容量变化进行检测并形成反馈；

（3）光强变化传感器：利用光亮变化进行检测。

其中，压电振子传感器和静电电容传感器可根据压电振子的压电效应，将机械位移（振动）变成电信号，然后根据雨滴冲击能量转变的电压波形对其他元件进行控制。它们安装在汽车的外部，易与雨水产生直接接触，应配备独立的防水措施。光强变化传感器则安装在汽车内部的挡风玻璃处，通过雨水滴落在玻璃上引起反射光强变化形成对应电信号。

因考虑到本设计应优先选用易与雨水产生直接接触的传感器（即安装在汽车外部），故采用压电式雨滴传感器，为电磁铁提供开启与关闭的信号。

3.3 电磁铁的选择

为实现卷轴的开合时的固定功能，车载卷轴式遮雨器在车门顶端共三个位点分别加装了微型电磁铁，电磁铁所在电路通断决定其是否产生磁性，与卷轴柔性材料尾部边缘相对应的三个磁点相配合，可实现卷轴与车门顶端是否锁定的控制。

电磁铁是一种利用电流通过线圈产生磁场从而产生吸引的装置，主要分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类。其中，直流式吸盘电磁铁工作原理为：通过直流电流在线圈中产生磁场，從而使铁芯内部的磁感应强度增强。当吸盘与磁铁的铁芯之间有物体时，物体受到磁力吸附在磁铁上。

车载卷轴式遮雨器中电磁铁所吸附物体质量较轻，且卷轴发条弹簧回拉力相对较小，故无需具有过大电磁吸力，因此采用微型直流式吸盘电磁铁。直流式吸盘电磁铁具有功耗小、工作热转化升温低、断电后磁余量少等诸多优点。本项目采用电磁铁尺寸为D=13mm，d=5mm，H=13 mm，L=330mm，形态如图3所示。

3.4 微型电池的选择

微型电池是一种特殊的电池，其体积很小，但能量密度很高。微型电池能在小空间内存储更多的电能，常用于一些小型化、便携化、低功耗的设备或传感器领域，例如智能手表、无线耳机等。微型电池根据使用材料和制作结构可以分为不同的类型，如锂离子电池、铅酸电池等。不同类型的微型电池有各自的特点和优缺点：

（1）锂离子电池是一种常见的微型电池，适合用于需要持续工作或充放电次数多的设备。常见锂电池采用磷酸铁锂作为正极材料，具有高能量密度、低自放电率、长寿命等优点[4]和易发生短路或过热、成本高昂、难以回收利用等缺点。

（2）铅酸电池是一种较早出现的微型电池，适合用于需要大功率输出或稳定供电的设备。它使用铅和硫酸作为主要材料，具有成本低廉、技术成熟、回收利用率高等优点和重量大、相对于体积容量小、易老化等缺点。

鉴于本项目是一种基于微控制器和传感器的智能装置，需具备长期处于通电状态以监测和控制汽车门窗的开关状态的能力。若使用汽车自带的蓄电池来供给其所需的电力，不仅会增加电路设计难度，也不便于后期维护和更换。因此，项目组使用独立微型电池来作为本设计供电电源。车载卷轴式遮雨器的主要负荷来源是电磁铁，它需要在接收到传感器感应雨水后发出的电信号时通电，从而产生一定吸力以完成遮雨布与车门顶端的锁定或解锁。结合电磁铁的工作原理，需要一个稳定、足够高且符合安全的电压来激发线圈中的磁场。因此，项目组选择采用4V的微型锂离子电池作为本装置的供电电源，它能够满足电磁铁的工作要求，同时具有体积小、重量轻、寿命长等优点。

4 未来展望

随着汽车市场的竞争日趋激烈，汽车厂商需要不断创新优化配件，以满足消费者的多样化需求和个性化喜好。车载卷轴式遮雨器作为一种突破传统的创新设计，利用卷轴伸缩机构将遮雨布在几乎不影响行驶阻力的情况下完成收纳，且使用时具有半自动化的便捷，提高了恶劣天气时乘客的乘车体验舒适度。该设计不仅实用性强、满足人性化要求，且外观新颖、具有个性化。对于手脚不便的中老年用户等特殊群体，本项目的设计与研究针对了目前市场的痛点，弥补了该领域空缺。此外，广大新生代汽车消费者注重汽车的个性化性和美观性，且追求便利快捷的生活方式，本设计能够吸引该群体的眼球。

与该领域其他类型的遮雨器相比，车载卷轴式遮雨器安装成本低、不需要对原有车身结构进行大幅改造，也不会增加额外的重量或占用过多空间。它的结构简单而紧凑，且易于维护保养和迭代优化。同时，车载卷轴式遮雨器预留有未来迭代空间，例如加装“防冰雹安全气囊”等配件，具有很强的发展前景和较明确的优化路径及方案。

5 结语

如今，汽车及车载配件不单单只是一种工具，更是人们生活的一部分，成为了一种体现个性和品味的符号。采用上述设计方案的车载卷轴式遮雨器可以为汽车使用外部配件市场提供一种结构简单、运行可靠、操作便捷的遮雨装置，它能且不限于满足特定群体的车辆乘坐体验，具有对于受众的普适性。此设计作为一款实用、美观的创新产品，能够满足人们对于生活质量和出行便利性的需求，并提升人们对于汽车文化和品牌形象的认同感，它使车辆整体更加人性化，为用户的生活带来更多便捷。

项目基金：市级大学生创新创业训练项目基金

项目编号：202210066113。

参考文献：

[1]徐杰，肖金凤，黎诗贝.车载自动伸缩雨棚的设计与研究[J].电子技术，2017，46（10）：28-30.

[2]孙英华，吴尚卓.PVC高分子材料的应用发展研究[J].江西化工，2012（04）：151-152.

[3]赵岩，王哈力，蒋贵龙，王东辉.一种新型红外线汽车雨水传感器的设计[J].传感器世界，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.