CN104828020B - 一种气幕自洁防雨装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气幕自洁防雨装置，包括安装在车窗下方的喷气口支架，喷气口支架上设置有与气管相连通的若干个喷气口，喷气口之间通过旋转电机进行连接；气管连接用于供气的气泵，且气泵与旋转电机还连接用于进行供电并控制工作状态的电气舱。本发明驾驶者通过操控电气舱，使气泵向气管进行供气，气体由车窗下方的喷气口喷出，进而将附着在车窗上的雨雪或杂质除去。通过旋转电机调整喷气口的喷气方向，清洁范围大，能够达到车窗高速自洁目的。本发明消除了雨刷骨架风阻，具有系统结构简单、便于操作、性能稳定、清洁范围大、不阻碍视线等优点，不仅提高了车窗能见度，而且解决了雨刷在寒冷天气下容易与玻璃冻结的问题，极大的提升了车辆性能。

Description

一种气幕自洁防雨装置

技术领域

本发明属于汽车设备领域，具体涉及一种气幕自洁防雨装置。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，在工业生产和社会生活的众多领域中，设计师越来越从人性化的角度出发设计产品，人们不仅追求产品的实用价值，而且更加注重它的视觉效果及整体设计的流线性。空气动力学是提升车辆性能的关键因素，无论讨论的是车辆能跑多快抑或是多省油，这也是为什么汽车制造厂商持续花重金让产品更流线以减少缝隙、发展动态空力辅助设备、甚至给设计做减法。而使用气幕自洁防雨装置代替传统橡胶雨刷正是减少了橡胶雨刷的骨架风阻，这对于追求极致性能的汽车制造商来说很有意义。

现有的传统橡胶雨刷是汽车历史上最悠久的零件，起初为手动装置，虽然后来改用电动马达取代了人力，又引入了能够通过雨量传感器自动启动的雨刮器。但这一装置的基本原理却从未改变过，即用金属支架带动橡胶刷抹去挡风玻璃上的雨雪和杂质，以达到清洁目的。传统的车窗清洁装置一般来说普遍存在以下几点问题：1.如果电机损坏，会造成雨刷不动或摆动无力；2.如果使用时间过长，刷杆变形或转动部位锈蚀，从而造成异响或因压力不均造成刷雨不均；3.如果刷片老化或过脏，会造成刷水不净或遗留痕迹；4.如果刷片软钢条出头，会造成玻璃被刮花；5.在雨雪天机械橡胶雨刷工作时会遮挡驾驶员的视线。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种结构简单，性能稳定的气幕自洁防雨装置，避免了传统装置在清洁过程中影响驾驶员视线，解决了车窗清洁装置对车辆行驶造成阻力，以及装置本身容易损坏的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括安装在车窗下方的喷气口支架，喷气口支架上设置有与气管相连通的若干个喷气口，所述的喷气口之间通过旋转电机进行连接；所述的气管连接用于供气的气泵，且气泵与旋转电机还连接用于进行供电并能够控制工作状态的电气舱；

所述的电气舱包括用于给气泵供电的汽车电瓶，汽车电瓶经直流降压变换电路连接旋转电机，直流降压变换电路还连接控制器，控制器经过驱动电路向旋转电机发送动作控制信号。

所述的电气舱、气泵以及气管设置在车头前盖下方。

所述的汽车电瓶采用电压为12V的直流电瓶，气泵采用工作电压为12V的气泵。

所述的旋转电机采用直流5V工作电压的20BY-0型步进电机，控制器采用直流5V工作电压的51系列单片机，直流降压变换电路基于固定频率脉宽调制芯片TL494以及驱动器芯片IR2110进行组建。

所述的直流降压变换电路包括与驱动器芯片IR2110相连用于进行开关控制的N沟道MOSFET管。

所述的N沟道MOSFET管选用型号为IRF840的MOSFET管。

所述的驱动电路包括与控制器相连的八路NPN达林顿连接晶体管阵芯片ULN2803。

若车窗与水平面的夹角用α表示，喷气口与水平面夹角用β表示，则：喷气口在车辆静止启动时与水平面成(α+6)°～(α+40)°角；在车速为0～30km/h时，喷气口与水平面成(α+14)°～(α+40)°角；在车速为30km/h～70km/h时，喷气口与水平面成(α+26)°～(α+40)°角；在车速为70km/h～120km/h时，喷气口与水平面成(α+40)°角。

当喷气口与水平面的夹角大于90°，喷气速度大于48m/s，车速V_B在0～120km/h，即0～33.33m/s之间时，则喷气口与水平面成角。

与现有技术相比，本发明驾驶者通过操控电气舱，使气泵向气管进行供气，气体由车窗下方的喷气口喷出，进而将附着在车窗上的雨雪或杂质除去。通过旋转电机调整喷气口的喷气方向，清洁范围大，能够达到车窗高速自洁目的。本发明消除了雨刷骨架风阻，具有系统结构简单、便于操作、性能稳定、清洁范围大、不阻碍视线等优点，不仅提高了车窗能见度，而且解决了传统雨刷在寒冷天气下容易与玻璃冻结的问题，极大的提升了车辆性能。

进一步的，本发明通过对喷气口与水平面夹角的设置，能够保证雨滴不落在车窗上。

附图说明

图1本发明的装配结构示意图；

图2本发明的喷气口结构示意图；

图3本发明的喷气口支架结构示意图；

图4本发明电气舱的电路连接框图；

图5本发明直流降压变换电路的电路连接示意图；

图6本发明旋转电机的电路连接示意图；

图7本发明车窗表面速度分解示意图；

图8本发明车辆启动静止状态气体流向示意图；

图9本发明车辆低速运动状态气体流向示意图；

图10本发明车辆中速运动状态气体流向示意图；

图11本发明车辆高速运动状态气体流向示意图；

附图中：1.气泵；2.电气舱；3.气管；4.喷气口支架；5.喷气口；6.旋转电机；7.汽车电瓶；8.直流降压变换电路；9.控制器；10.驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，2，3，本发明在结构包括安装在车窗下方的喷气口支架4，喷气口支架4上设置有与气管3相连通的若干个喷气口5，喷气口5之间通过旋转电机6进行连接；气管3连接用于供气的气泵1，且气泵1与旋转电机6还连接用于进行供电并能够控制工作状态的电气舱2。旋转电机6采用微型电机，电气舱2、气泵1以及气管3设置在车头前盖的下方。该装置的三条气管3连接一个喷气口5，工作时，气泵1向气管3供气，气体由喷气口5喷出，通过旋转电机6改变喷气口5与挡风玻璃的夹角，调整喷出气流的角度，从而把雨滴等有效地吹到车窗上面，达到高速自洁目的。

参见图4，本发明的电气舱2包括用于给气泵1供电的汽车电瓶7，汽车电瓶7经过直流降压变换电路8连接旋转电机6，直流降压变换电路8还连接控制器9，控制器9经过驱动电路10向旋转电机6发送动作控制信号。汽车电瓶7采用电压为12V的直流电瓶，气泵1采用工作电压为12V的气泵。旋转电机6采用直流5V工作电压的20BY-0型步进电机，控制器9采用直流5V工作电压的51系列单片机，直流降压变换电路8基于固定频率脉宽调制芯片TL494以及驱动器芯片IR2110进行组建，直流降压变换电路8包括与驱动器芯片IR2110相连用于进行开关控制的N沟道MOSFET管，驱动电路10包括与控制器9相连的八路NPN达林顿连接晶体管阵芯片ULN2803。

参见图5，本发明直流降压变换电路由集成电路U1、集成电路U2、电阻R1-R8、电容C1-C8、MOSFET管Q1、二极管D1-D2、电感L1连接构成。集成电路U1的型号为TL494，集成电路U2的型号为IR2110，MOSFET管Q1的型号为IRF840，电阻R1、R2为滑动变阻器，D2为快速回复二极管。集成电路U1的8脚、11脚和12脚接15V电源正极，集成电路U1的6脚通过电阻R1、5脚通过电容C1和集成电路U1的4脚、7脚相连并接地，集成电路U1的2脚与3脚相连，集成电路U1的13脚、16脚接地，集成电路U1的14脚通过电容C2与接至15脚并与电阻R2一端相连，电阻R2另一端接地，集成电路U1的1脚接电阻R2的滑片，集成电路U1的10脚接至9脚与电容C3、电阻R3一端相连并通过电阻R4和集成电路U2的10脚相连，电容C3和电阻R3的另外一端共同接地，集成电路U2的11脚、12脚和13脚相连接至2脚并接地，集成电路U2的9脚接3脚并接至15V电源正极，电容C5与C6并联同时一端与集成电路U2的3脚相连并通过二极管D1接至集成电路U2的6脚，电容C4的一端与集成电路U2的6脚相连，另一端同时与集成电路U2的5脚、电阻R6的一端和MOSFET管Q1的源级相连，电阻R6的另一端接至集成电路U2的7脚并通过电阻R5接至MOSFET管Q1的栅极。

参见图6，本发明中支持步进电机工作的电路由51单片机和驱动电路10组成。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。驱动电路使用ULN2803芯片，对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。单片机的P1.0-P1.3口输出脉冲到ULN2803的1B-4B口，经信号放大后从1C-4C口分别输出到电机的A、B、C、D相，驱动电机工作。

实施例1：

雨滴下落速度V_A在4.20m/s～10.14m/s之间，在以下叙述中，我们取雨滴速度V_A为7m/s，汽车正常行驶速度V_B在0～120km/h之间，微型高压气泵喷出气流的速度V_C为48m/s。汽车车窗与水平面的夹角用a表示，a为50°，喷气口与水平面夹角用β表示，50°≤β≤180°。以汽车为参考系，则雨滴主要具有自身下落速度V_A、气泵喷气速度V_C、雨滴相对车窗运动速度V。速度合成后雨滴可能斜向上运动，也可能斜向下运动。当雨滴斜向上运动时，为保证雨滴不落在车窗上，雨滴自身下落速度V_A、气泵喷气速度V_C、雨滴相对车窗运动速度V三者合成后的速度V_D与水平面的夹角δ应不小于车窗与水平面夹角a。当雨滴斜向下运动时，为保证雨滴不落在车窗上，雨滴自身下落速度V_A、气泵喷气速度V_C、雨滴相对车窗运动速度V三者合成后的速度V_D与汽车前进方向的夹角δ应小于车窗与水平面夹角a。

当雨滴斜向上运动时，气泵喷出的气流在竖直向上方向的分速度应大于雨滴自身下落速度7m/s。故48*sinβ-7＞0，50°＜β＜171°。

如图7所示是喷气口与水平面的夹角β满足50°≤β≤90°时的情况，图中a为车窗斜面的边长，b为车窗斜面的边长在竖直方向的投影，c为车窗斜面的边长在水平方向的投影，汽车车窗与水平面夹角a为50°，喷气口与水平面夹角为β，e为汽车运动速度，f为雨滴相对车窗运动速度为V，g为气泵喷气速度V_C，h为雨滴竖直下落速度V_A，k所指交点为雨滴。为保证雨滴不落在车窗上，雨滴自身下落速度V_A、气泵喷气速度V_C、雨滴相对车窗运动速度V三者合成后的速度V_D与水平面的夹角δ应不小于车窗与水平面夹角a。速度分解后雨滴水平方向右的分速度为V2，竖直向上方向的分速度V1，V1是气流在竖直向上方向的分速度V_C*sinβ(m/s)减去雨滴下落的速度V_A，V2是气流在水平方向的分速度V_C*cosβ加上雨相对车窗的运动速度V。计算的公式如下：

V1＝V_C*sinβ-V_A＝48*sinβ-7(m/s)

V2＝V_B+V_C*cosβ＝V_B+48*cosβ(m/s)

为保证合速度V_D与水平面的夹角δ不小于车窗与水平面夹角a，则tanδ＝V1/V2≥tanα＝tan50°＝1.2。

所以V1＝48*sinβ-7≥1.2*(V_B+48*cosβ)

令

所以原不等式化为

图8，图9，图10，图11分别对应车速为0km/h，30km/h，70km/h以及120km/h，当汽车静止，即V_B＝0时，如图8所示，上式可化为：

两边同时平方

2304x^2+49-672x≥3364-3364x^2

5668x^2-672x-3315≥0

得x1＝0.83,x2＝-0.7

故0.83≤x≤1

在本例中，β位于第一象限，所以正弦值不能为负

故56°≤β≤90°

即当汽车静止时，喷器口与水平面夹角β满足56°≤β≤90°能保证雨滴不落在车窗上。

汽车速度为30km/h，其他条件前面相同。将此时V_B＝30km/h＝8.3m/s代入得如图9所示。

两边同时平方

2304x^2+289-1632x≥3364-3364x^2

5668x^2-1632x-3075≥0

得x1＝0.9,x2＝-0.61

故0.9≤x≤1

故64°≤β≤90°

故当汽车速度为30km/h之间时，喷器口与水平面的夹角β满足64°≤β≤90°都能保证雨滴不落在车窗上。

汽车速度为70km/h，其他条件与前面相同。将V_B＝70km/h＝19.44m/s代入得如图10所示。

两边同时平方得

2304x^2+900-2880x≥3364-3364x^2

5668x^2-2880x-2464≥0

故x1＝0.96,x2＝-0.45

故0.96≤x≤1

故76°≤β≤90°

故当汽车速度为70km/h之间时，喷器口与水平面的夹角β满足76°≤β≤90°都能保证雨滴不落在车窗上。

汽车速度为120km/h，其他条件与前面相同。此时V_B＝120km/h＝33.33m/s代入得如图11所示。

两边同时平方

2304x^2+2209-4512x≥3364-3364x^2

5668x^2-4512x-1155≥0

x1＝1,x2＝-0.2

故β＝90°

故当汽车速度为120km/h之间时，喷器口与水平面的夹角β满足β＝90°时，能保证雨滴不落在车窗上。

实施例2：

喷气口与水平面的夹角β满足90°≤β≤171°时的，图7中a为车窗斜面的边长，b为车窗斜面的边长在竖直方向的投影，c为车窗斜面的边长在水平方向的投影，汽车车窗与水平面夹角a为50°，喷气口与水平面夹角为β，e为汽车运动速度，f为雨滴相对车窗运动速度为V，g为气泵喷气速度V_C，h为雨滴竖直下落速度V_A，k所指交点为雨滴。为保证雨滴不落在车窗上，雨滴自身下落速度V_A、气泵喷气速度V_C、雨滴相对车窗运动速度V三者合成后的速度V_D与水平面的夹角δ应不小于车窗与水平面夹角a。速度分解后雨滴水平方向右的分速度为V2，竖直方向的分速度V1，V1是气流在竖直向上方向的分速度V_C*sinβ(m/s)减去雨滴下落的速度V_A，V2是雨滴相对车窗的运动速度V加上气流在水平方向的分速度V_C*cosβ，由于该值是负值，故要写成加的形式。计算的公式如下：

V1＝V_C*sinβ-V_A＝45*sinβ-7(m/s)

V2＝V_B+V_C*cosβ＝V_B+48*cosβ(m/s)

为保证合速度V_D与水平面的夹角δ不小于车窗与水平面夹角a且雨滴最终落到车窗上，则要满足下面的不等式组：

tanδ＝V1/V2≥tanα＝tan50°＝1.2

V_B+48*cosβ≥0

所以V1＝48*sinβ-7≥1.2*(V_B+48*cosβ)

令

所以原不等式组可化为：

当汽车静止，即V_B＝0时，原不等式组式可化为：

因为90°≤β≤171°，所以0.16≤x≤1，(1)式左边恒大于0，右边恒小于0，故90°≤β≤171°时，(1)式恒成立。

只有当x≥1时，(2)式成立，故β＝90°

即当汽车静止时，喷气口与水平面夹角β取90°时，能保证雨滴不落在车窗上。

汽车速度为30km/h，其他条件与前例相同。将此时V_B＝30km/h＝8.3m/s代入原不等式组得：

当x≥0.35,90°≤β≤160°时，(1)式右边恒大于0，式子恒成立

若(1)式左边小于0，即x＜0.35则(1)式两边同时平方得

(48x-17)^2≤3364(1-x^2)

解得x1＝0.9,x2＝-0.61

故当0＜x＜0.35时，(1)式恒成立。

即90°≤β≤171°时，(1)式恒成立。

(3)式可化为x≥0.98

此时90°≤β≤100°

即当汽车的速度为30km/h时，喷气口与水平面夹角β取90°合100°之间的任何一个值，都能保证雨滴不落在车窗上。

汽车速度70km/h，其他条件与上例相同。将V_B＝70km/h＝19.44m/s代入原不等式组得：

当x≥0.63时，(1)式右边恒大于0，式子恒成立

若(1)式左边小于0，即x＜0.63则(1)式两边同时平方得

(48x-30)^2≤3364(1-x^2)

解得x1＝0.96,x2＝-0.45

106°≤β≤171°

因此90°≤β≤171°(1)式恒成立

(4)式可化为x≥0.92

此时90°≤β≤114°

即当汽车的速度为70km/h时，喷气口与水平面夹角β取90°和114°之间的任何一个值，都能保证雨滴不落在车窗上。

汽车速度为120km/h，其他条件与上例相同。此时V_B＝120km/h＝33.33m/s代入原不等式组得：

当x≥0.98 90°≤β≤102°时，(1)式右边恒大于0，式子恒成立

若(1)式左边小于0，即x＜0.98则(1)式两边同时平方得

(48x-47)^2≤3364(1-x^2)

解得x1＝1,x2＝-0.2 90°≤β≤171°

故90°≤β≤171°时(1)式恒成立

(5)式可化为x≥0.71

此时90°≤β≤135°

即当汽车的速度为120km/h时，喷气口与水平面夹角β取90°和135°之间的任何一个值，都能保证雨滴不落在车窗上。

Claims (6)

1.一种气幕自洁防雨装置，其特征在于：包括安装在车窗下方的喷气口支架(4)，喷气口支架(4)上设置有与气管(3)相连通的若干个喷气口(5)，所述的喷气口(5)之间通过旋转电机(6)进行连接；所述的气管(3)连接用于供气的气泵(1)，且气泵(1)与旋转电机(6)还连接用于进行供电并能够控制工作状态的电气舱(2)；

所述的电气舱(2)包括用于给气泵(1)供电的汽车电瓶(7)，汽车电瓶(7)经直流降压变换电路(8)连接旋转电机(6)，直流降压变换电路(8)还连接控制器(9)，控制器(9)经过驱动电路(10)向旋转电机(6)发送动作控制信号；直流降压变换电路(8)基于固定频率脉宽调制芯片TL494以及驱动器芯片IR2110进行组建，直流降压变换电路(8)包括与驱动器芯片IR2110相连用于进行开关控制的N沟道MOSFET管；

若车窗与水平面的夹角用α表示，喷气口与水平面夹角用β表示，则：喷气口(5)在车辆静止启动时与水平面成(α+6)°～(α+40)°角；在车速为0～30km/h时，喷气口(5)与水平面成(α+14)°～(α+40)°角；在车速为30km/h～70km/h时，喷气口(5)与水平面成(α+26)°～(α+40)°角；在车速为70km/h～120km/h时，喷气口(5)与水平面成(α+40)°角；当喷气口(5)与水平面的夹角大于90°，喷气速度大于48m/s，车速V_B在0～120km/h，即0～33.33m/s之间时，则喷气口(5)与水平面成角。

2.根据权利要求1所述的气幕自洁防雨装置，其特征在于：所述的电气舱(2)、气泵(1)以及气管(3)设置在车头前盖下方。

3.根据权利要求1所述的气幕自洁防雨装置，其特征在于：所述的汽车电瓶(7)采用电压为12V的直流电瓶，气泵(1)采用工作电压为12V的气泵。

4.根据权利要求1所述的气幕自洁防雨装置，其特征在于：所述的旋转电机(6)采用直流5V工作电压的20BY-0型步进电机，控制器(9)采用直流5V工作电压的51系列单片机。

5.根据权利要求1所述的气幕自洁防雨装置，其特征在于：所述的N沟道MOSFET管选用型号为IRF840的MOSFET管。

6.根据权利要求1所述的气幕自洁防雨装置，其特征在于：所述的驱动电路(10)包括与控制器(9)相连的八路NPN达林顿连接晶体管阵芯片ULN2803。