基于光伏供電的霜雪天氣下車載式車衣的設(shè)計

方鑫琦 吳一鳴 葉文杰 宋宇涵

摘要： 本文闡述了在新疆地區(qū)霜雪天氣下車衣對于車輛安全行駛的必要性并針對現(xiàn)存車衣提出兩種霜雪天氣下車衣的設(shè)計改進方法。提出基于光伏供電的新疆霜雪天氣下車載式半自動及全自動式車載式車衣的設(shè)計，陳述半自動及全自動除雪機構(gòu)的主要運動及太陽能板電力支持的可行性，為車載式車衣的優(yōu)化設(shè)計提供方向。

Abstract： This paper expounds the necessity of getting off clothes in frost and snow weather for normal and efficient driving of vehicles in Xinjiang， and puts forward two design improvement methods for getting off clothes in frost and snow weather. This paper puts forward the design of vehicle mounted semi-automatic and full-automatic vehicle mounted clothes in frost and snow weather in Xinjiang Based on photovoltaic power supply， and states the main movement of semi-automatic and full-automatic snow removal mechanism and the feasibility of solar panel power support， so as to provide direction for the optimal design of vehicle mounted clothes.

關(guān)鍵詞： 全自動車載式車衣;光伏供電;霜雪天氣

Key words： full automatic vehicle mounted clothes;photovoltaic power supply;frost and snow weather

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0233-03

0 ?引言

伴隨我國經(jīng)濟水平迅速發(fā)展，人民日常生活水平快速提高，汽車已成為常見交通運載工具。北方冬季溫度常在0℃以下，在車主停車熄火之后，因溫度差而使車體表面積雪融，以冰晶形式附著在汽車表面。車身積雪及殘冰難以清理，耗費大量人力資源，且阻礙了正常通行。

對于車身結(jié)霜、積雪的車輛，通常會以卡片或其他工具進行清霜、除雪操作，上述人工除雪操作效率低下，因此設(shè)計一款簡化消霜、除雪等步驟，及時去除積雪、減少人工行為的車衣，可有效減少時間的浪費并優(yōu)化用戶生活體驗。

1 ?新疆光照度及降雪情況

1.1 新疆地區(qū)日照數(shù)據(jù)

1.1.1 數(shù)據(jù)獲取

新疆地區(qū)作為本車衣典型應(yīng)用場景，對新疆地區(qū)的光照情況進行調(diào)查和分析，查閱文獻和官方資料獲取較為清晰的數(shù)據(jù)（如表1所示[1]）。

新疆地區(qū)日照強、多晴天，日照時間充足，8個城市中年均日照時數(shù)均在2600h以上，部分城市年均日照時數(shù)甚至達3000h以上。新疆天然光資源豐富，日照長、晴天多。

1.1.2 數(shù)據(jù)分析

可見新疆地區(qū)年總照度均位于90*108lx以上，年總光照時長2894小時，且新疆地區(qū)是國內(nèi)云量最少的地區(qū)之一，年均云量分布僅有50%～60%[8]。新疆地區(qū)日照條件完全符合能源提供前提。車衣的使用場景通常為露天狀態(tài)，選擇太陽能作為車衣系統(tǒng)的能量來源切實可行[2]。

1.2 冬季降雪情況調(diào)查

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

新疆地區(qū)位于我國西北邊陲，降雪時長及降雪量均位于我國前列，對新疆地區(qū)的降雪進行深度的調(diào)查更有利于提高我們車衣的普適性。[2]

烏魯木齊市作為北疆中心城市，其文獻留存度高，據(jù)資料得其夜間降雪顯著高于日間降雪[3]，考慮到車衣的使用場景通常為夜晚，認為選取夜晚的平均降雪厚度作為討論依據(jù)可行[4]。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

通過資料查閱，確定新疆地區(qū)的冬季日均降雪量為4.6mm，最大每小時降雪量為0.4mm/h，選取0.78g/cm3為計算用積雪密度;日均降雪時長為12h，可得到在新疆地區(qū)霜雪天氣下單位面積每單位時長內(nèi)獲得的積雪量為0.28kg/m2·h。

2 ?數(shù)據(jù)測量及計算

在實際分析問題過程中，以家用轎車型SUV作為實驗標準車輛。我們對車輛前蓋部分和頂部進行了面積

計算：

于車前視角正視汽車，在汽車玻璃左側(cè)底角為原點，沿水平面與玻璃所在平面相交線段為x軸，過原點及玻璃平面做與x軸垂直直線為y軸，建立xoy坐標系。

通過對點坐標進行采集獲得點集ai（xi，yi），曲線與x軸交點為（0，0）與（xn，yn）通過多項式擬合曲線可得玻璃曲線函數(shù)為

3 ?可行性分析

根據(jù)上述調(diào)查過程中采用的數(shù)據(jù)類型進行計算分析，從能量變化的角度來計算分析得出我們選取裝置的可行性以及對后續(xù)機構(gòu)設(shè)計提出參考意見和要求，具體計算過程及結(jié)論如下：

由查閱相關(guān)文獻資料及實際測量得知：

積雪（新雪）密度ρ=0.78g/cm3。平均降雪量δ=0.4mm/h。車玻璃面積S1，前蓋面積S2，對水平面傾角分別為Ф1，Ф2前蓋軸線上長度l2，玻璃長度l1;

因重力以及坡度因素，車前蓋和玻璃上積雪為下厚上薄的不均勻分布，多次測量軸線上積雪深度并得出擬合曲線后發(fā)現(xiàn)，積雪呈現(xiàn)以分別軸線上的玻璃及前蓋最高點為原點的二次曲線分布，設(shè)其分別為a1x2。a2x2。以鉛垂線方向為x軸，車前方向為y軸，在車輛中軸面上建立坐標系;

w總=w1+w2

積雪（新雪）平均密度0.78g/cm3，平均降雪量0.4mm/h，實際停車接受降雪時長按12h記，車身玻璃面積0.875m2，車前蓋面積1.275m2，車玻璃與豎直面夾角45°，則12h積雪總重為M=7.224kg其中有：

玻璃面積雪：

M1=2.94kg

車前蓋積雪：

M2=4.284kg

提升積雪至刮雪板消耗總功為：

W2=30.8406J

刮雪板消耗總功：

W2=0.8×9.8×7.224×0.8=45.3J

多晶太陽能電池板的能量轉(zhuǎn)化效率為13%，新疆地區(qū)的冬季平均日照時間以及每小時平均日照度為3.0407×105lx。故而采用50W太陽能板以確保電機運轉(zhuǎn)正常并完成實際任務(wù)。

4 ?國內(nèi)車衣的研究現(xiàn)狀

南京大學(xué)設(shè)計的充氣式車衣[5]提供一種車衣設(shè)計的新思路。將自動車衣系統(tǒng)安裝在汽車頂部，利用氣泵給車衣充氣使其覆蓋在汽車上，該設(shè)計可以防止車衣刮傷汽車的同時提供了額外的保護。但該種氣泵長時間工作，耗電量大，且展開和回收效率低，而且一旦車衣有所破損，車衣需進行更換且過程復(fù)雜。目前僅限于理論。

除此之外，湖南楊國平設(shè)計的一種全智能自動車衣[6]，通過電機和輪盤帶動車衣內(nèi)的龍骨實現(xiàn)車衣的伸縮，該設(shè)計自動化程度較高，覆蓋效果較好，但需要對車輛進行改造，會對汽車安全性產(chǎn)生一定影響。

5 ?車衣結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

5.1 半自動回卷式車衣

本車衣是以除雪高效、快捷展開和回收節(jié)省人力為出發(fā)點的車載式半自動車衣。本車衣具有回卷機構(gòu)、供能及儲能機構(gòu)如圖1所示。

展開時，人工下拉車衣下端令車衣展開覆蓋汽車前擋風(fēng)玻璃及引擎蓋，通過掛鉤將車衣下端固定在車頭底部，通過掛鉤、后視鏡護罩、固定耳將車衣固定在汽車表面，即為展開?；厥諘r先拉緊車衣下端的抽繩機構(gòu)，將兩側(cè)車衣聚集并手動折疊車衣至中部矩形車衣下端，并由魔術(shù)貼將邊緣車衣與主車衣進行粘連，最終由電動機帶動回卷轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，帶動車衣回卷并將車衣卷收在回卷機構(gòu)中。當積雪覆蓋車衣表面時，將兩側(cè)延長帶結(jié)合向車頭方向拉拽，使上層車衣與下層車衣分離，使車衣上的積雪撒落在汽車前方以達到除雪目的。將上層車衣的魔術(shù)貼與下車車衣的魔術(shù)貼相貼合，通過硬質(zhì)桿將車衣折好后，通過六邊形回卷機構(gòu)輔助車衣有效回卷、折疊，使用者可通過遙控控制回卷機構(gòu)工作實現(xiàn)車衣卷收。回卷機構(gòu)固定于汽車行李架上，回卷后的車衣位于回卷機構(gòu)內(nèi)，節(jié)約車內(nèi)收納空間。

5.2 全自動回卷式車衣

全自動回卷式車衣主要以展開、回收方便、自動化為設(shè)計出發(fā)點，通過考慮合理空間布局、電池儲能能力及太陽能板光能轉(zhuǎn)化效率及有效工作面積，設(shè)計結(jié)構(gòu)由以下四部分構(gòu)成：輔助折疊式車衣、六邊形回卷裝置、動力傳輸裝置、供能儲能裝置（如圖2圖、3所示）。通過回卷車衣帶動積雪至車頂平面的并通過除雪板往復(fù)運動的模式來除去積雪，并實現(xiàn)車衣的自動回卷的目的。首先將前擋雪板掛鉤取下，打開電控開關(guān)。車衣收到六邊形回卷機構(gòu)驅(qū)動向車頂回卷，積雪隨車衣運動至車頂箱平面上，由另一電機驅(qū)動的除雪板將積雪鏟除至車兩側(cè)，隨著車衣向上回卷，積雪被清除，回卷完成后由電加熱絲將殘雪烘干，完成收放步驟。

創(chuàng)新性提出輔助折疊式車衣，對于車衣進行以下方面改動：①將適配與六邊形回卷裝置的硬質(zhì)輕質(zhì)桿縫入車衣，利用輕質(zhì)桿的磁吸作用將車衣按期望長度逐圈回收固定至六邊形回卷輪上，在折疊時僅需抽出并固定抽繩裝置進而折疊便可成型，且折疊棒充分考慮了車衣在回卷時的長度增加，進行長度遞增設(shè)計。在回卷時可快速成型。②明確主車衣與輔助車衣。在輔助車衣處用抽繩進行連接，卷收車衣時，手動拉緊抽繩并用簡易抽繩鎖緊裝置進行固定，將側(cè)面兩三角形車衣折疊至主車衣（矩形車衣）下方，并用魔術(shù)貼貼緊固定，便于卷收，如圖4所示。③主車衣（矩形）下端設(shè)置存雪板，保證其在卷收過程中將積雪輸送至車頂上方太陽能板處通過除雪機構(gòu)除雪，以此保證汽車前擋風(fēng)玻璃無積雪。車頂機構(gòu)左視圖如圖5所示。

動力傳輸裝置，通過電機帶動減速裝置使電機軸向水平轉(zhuǎn)動變?yōu)殂U錘方向轉(zhuǎn)動并實現(xiàn)減速增扭，錐齒輪通過軸、鍵傳遞動力至平面齒輪，使得該齒輪在齒條上左右往復(fù)運動帶動刮雪板往復(fù)多次除雪。結(jié)合新疆的自然條件，本文期望通過太陽能板儲存轉(zhuǎn)化太陽能，實現(xiàn)電池充電功能。

6 ?結(jié)語

本文旨在解決北方地區(qū)在極寒、霜雪天氣下汽車啟動時人工除雪除霜效率低的問題，創(chuàng)新性提出兩種不同的車衣設(shè)計方案。半自動車衣可以一定程度解放的勞動力。人工翻折除雪相比傳統(tǒng)的人工除雪方式，具有快速、高效、徹底的特點。通過回卷裝置實現(xiàn)了半自動、高效除雪的目的，減少了在低溫天氣中人工卷收車衣的工作量。全自動車衣可以在避免車主極寒天氣下進行除雪、除霜作業(yè)。此裝置使用太陽能這種清潔能源作為供能裝置，利于保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展。

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