БЕСКАРКАСНАЯ ЩЕТКА СТЕКЛООЧИСТИТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ЭЛЕКТРООБОГРЕВОМ

Полезная модель относится к транспортным средствам, а именно к системам очистки лобовых и задних стекол транспортных средств от снега и наледи с использованием имеющих различные размеры бескаркасных щеток стеклоочистителей в зимнее время года.
Известны щетки стеклоочистителей транспортных средств, в которых электронагревательный элемент расположен в продольном канале и соединен с системой электрооборудования транспортного средства (Заявки РФ №№2003104214, 2003120499, 2005104175). При подаче напряжения на электронагревательный элемент он нагревается и нагревает тело щетки, придавая ей дополнительную функцию разогрева наледи на ветровом стекле. Затем стеклоочиститель работает обычным порядком.
Известна также щетка стеклоочистителя транспортного средства, содержащая эластичный скребок, держатель скребка и опорные дуги, в которой держатель скребка представляет собой электронагревательный элемент, либо такой электронагревательный элемент размещен в пазу эластичного скребка вместе с держателем скребка (Патент на полезную модель РФ №47302). В данной конструкции нагревательный элемент расположен снаружи щетки и охватывает ее по периметру паза.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является бескаркасная щетка стеклоочистителя транспортного средства с электрообогревом, включающая имеющий элемент крепления к поводку стеклоочистителя и выполненный с обеспечением упругой деформации держатель скребка с установленным в нем эластичным скребком, по всей длине которого внутри его тела размещен нагревательный элемент, электрически подсоединенный к источнику постоянного тока (см., напр., US 4360941 A, опубл. 30.11.1982).
Недостатком перечисленных аналогов является быстрый износ рабочей поверхности щеток.
Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является обеспечение увеличения срока службы эластичного скребка.
Поставленная задача решается за счет того, что бескаркасная щетка стеклоочистителя транспортного средства с электрообогревом, включающая имеющий элемент крепления к поводку стеклоочистителя и выполненный вогнуто изогнутым с рабочей стороны щетки с обеспечением упругой деформации держатель скребка с установленным в нем эластичным скребком, по всей длине которого внутри его тела размещен нагревательный элемент, электрически подсоединенный к источнику постоянного тока, согласно техническому решению, снабжена наконечниками, размещенными по торцам держателя, а нагревательный элемент выполнен в виде провода из нихрома с максимальным размером поперечного сечения, относящимся к его длине в соотношении от 1:1250 до 1:2000.
Нагревательный элемент может быть электрически подсоединен к источнику постоянного тока с использованием плавкой вставки и выключателя, причем выключатель должен быть размещен между положительным полюсом источника постоянного тока и нагревательным элементом щетки, а плавкая вставка - между отрицательным полюсом источника постоянного тока и нагревательным элементом щетки.
При этом в качестве источника постоянного тока может быть выбран автомобильный генератор или аккумуляторная батарея.
Нагревательный элемент может быть электрически подсоединен к источнику постоянного тока с использованием термореле.
Нагревательный элемент может быть электрически подсоединен к источнику постоянного тока посредством токоведущих проводов, размещенных в теле держателя скребка и выходящих за пределы щетки в зоне элемента ее крепления к поводку стеклоочистителя.
В качестве источника постоянного тока может быть выбран разъем автомобильного прикуривателя.
Эластичный скребок может быть выполнен методом вулканизациии резиновой смеси, в состав которой входит натуральный каучук.
Эластичный скребок может быть выполнен методом вулканизациии резиновой смеси, в состав которой входит синтетический каучук.
Эластичный скребок может быть выполнен методом вулканизациии резиновой смеси, в состав которой входит натуральный и синтетический каучук.
В состав резиновой смеси может быть включен в качестве добавки силикон и/или графит и/или тефлон.
Длина нагревательного элемента может быть выбрана из диапазона 300-1000 мм.
Держатель скребка может быть снабжен прижимным спойлером.
Внешняя поверхность держателя скребка может быть выполнена в виде прижимного спойлера.
Держатель скребка может состоять из двух полос пружинной стали, размещаемых в продольных пазах эластичного скребка и фиксируемых с помощью замковых элементов.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, заключается в увеличении срока службы эластичного скребка путем обеспечения оптимального режима его нагревания, а именно скорости и максимальной температуры нагрева при максимально плотном прилегании эластичного скребка к стеклу за счет выполнения нагревательного элемента в виде провода из нихрома с максимальным размером поперечного сечения, относящимся к его длине в соотношении от 1:1250 до 1:2000, размещенном в теле эластичного скребка, закрепленного в держателе скребка, выполненном вогнуто изогнутым с рабочей стороны щетки с обеспечением упругой деформации, а также в обеспечении защиты электрической проводки на концах щетки за счет ее снабжения наконечниками, размещенными по торцам держателя.
Техническое решение иллюстрируется следующими графическими материалами и примерами выполнения, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими весь объем притязаний данного технического решения:
на фиг.1 изображена бескаркасная щетка стеклоочистителя;
на фиг.2 изображен эластичный скребок в разрезе;
на фиг.3 изображена электрическая схема устройства;
на фиг.4 изображено элемент крепления к поводку стеклоочистителя с выходящими за пределы щетки разъемами токоведущих проводов;
на фиг.5 изображен график изменения температуры нагрева нагревательного элемента в зависимости от скорости технического средства и температуры внешней среды.
пр
пр
Бескаркасная щетка стеклоочистителя транспортного средства с электрообогревом включает держатель 1 скребка, эластичный скребок 2 и элемент 3 крепления к поводку стеклоочистителя. Чтобы максимально равномерно распределить усилие прижима щетки от подпружиненного поводка к стеклу, держатель 1 скребка выполнен вогнуто изогнутым с рабочей стороны щетки, то есть со стороны крепления к нему эластичного скребка 2, и с обеспечением упругой деформации. Внутри тела эластичного скребка 2 по всей его длине размещен нагревательный элемент 4, электрически подсоединенный к источнику 5 постоянного тока (фиг.3). Кроме того, по торцам держателя 1 скребка размещены наконечники 6, являющиеся защитными элементами. Нагревательный элемент 4 выполнен в виде провода из нихрома с максимальным размером поперечного сечения d, относящимся к его длине L в соотношении от 1:1250 до 1:2000.
Держатель 1 скребка может состоять из двух полос 7 пружинной стали, размещаемых в продольных пазах 8 эластичного скребка 2 и фиксируемых с помощью замковых элементов 9.
В предпочтительном варианте выполнения нагревательный элемент 4 электрически подсоединен к источнику 5 постоянного тока с использованием плавкой вставки 10 и выключателя 11. Для правильной работы устройства во избежание перегорания нагревательного элемента 4 выключатель 11 должен быть размещен между положительным полюсом источника 5 постоянного тока и нагревательным элементом 4 щетки, а плавкая вставка 10 должна размещаться между отрицательным полюсом источника 5 постоянного тока и нагревательным элементом 4 щетки. При этом, в качестве источника 5 постоянного тока может быть выбран автомобильный генератор или аккумуляторная батарея, или разъем автомобильного прикуривателя. Нагревательный элемент 4 может быть электрически подсоединен к источнику 5 постоянного тока посредством токоведущих, преимущественно медных, проводов 12, размещенных в теле держателя 1 скребка и выходящих за пределы щетки в зоне ее элемента 3 крепления к поводку стеклоочистителя.
В одном из вариантов выполнения нагревательный элемент 4 может быть электрически подсоединен к источнику постоянного тока с использованием термореле (на чертежах условно не показан). Термореле обеспечивает контроль температуры и отображает его в цифровом виде в диапазоне от -20°С до +100°С. При выходе температуры за предварительно заданные верхнюю и нижнюю границы, срабатывает встроенное реле, которое может коммутировать мощную внешнюю нагрузку, в нашем случае нагревательный элемент. Все настройки пользователя помещаются в энергонезависимую память устройства и поэтому сохраняются при выключении питания. Наличие регулировки порога срабатывания позволяет использовать устройство в качестве терморегулятора для поддержания заданной температуры.
Эластичный скребок 2 может быть выполнен методом вулканизации резиновой смеси, в состав которой входит натуральный каучук, или синтетический каучук или натуральный и синтетический каучук. Кроме того, для повышения его эластичности с целью достижения наилучшего контакта со стеклом и повышения устойчивости к деформациям, в состав резиновой смеси может быть включен в качестве добавки силикон и/или графит и/или тефлон. При этом, применение графита позволит снизить уровень шума, производимого стеклоочистителем, и заметно увеличить срок службы эластичного скребка.
Для борьбы с «подъемом» щеток стеклоочистителей под воздействием усиливающегося с ростом скорости автомобиля потока воздуха, который начинает всерьез противодействовать прижимной силе пружины поводка стеклоочистителя, держатель 1 скребка может быть снабжен прижимным спойлером. Прижимной спойлер направляет поток воздуха поверх щетки, заставляя его работать на прижим щетки к стеклу, то есть создавая дополнительную прижимную силу. В другом варианте выполнения в виде прижимного спойлера может быть выполнена внешняя поверхность держателя 1 скребка (на чертежах условно не показан).
пр
пр
Выполнение нагревательного элемента в виде провода из нихрома с максимальным размером поперечного сечения d, относящимся к его длине L в соотношении от 1:1250 до 1:2000 обусловлено теоретическими расчетами и испытано на практике. Примеры расчетов, изложенные ниже, подтверждают такое выполнение в отношении обеспечения оптимального режима нагревания эластичного скребка, в теле которого размещен нагревательный элемент.
-6
пр
пр
Рассчитаем величину электрического тока, проходящего через нагревательный элемент, выполненный в виде проводника и изготовленный из известного материала (нихром с удельным сопротивлением 1,1×10 Ом×м), заданной длины L и диаметра d, а также температуру эластичного скребка.
пр
Длину нагревательного элемента L выбираем из диапазона 0,4-1 м. Такой диапазон определен исходя из стандартных типоразмеров щеток стеклоочистителей, использующихся на транспортных средствах различной грузоподъемности.
d<sub>пр</sub>:L<sub>пр</sub>
d<sub>пр</sub>=0,3×10<sup>-3</sup> м
d<sub>пр</sub>=0,4×10<sup>-3</sup>м
d<sub>пр</sub>=0,5×10<sup>-3</sup> м
L<sub>пр</sub>=0,4 м
1:1330
1:1000
1:800
L<sub>пр</sub>=0,5 м
1:1660
1:1250
1:1000
L<sub>пр</sub>=0,6 м
1:2000
1:1500
1:1200
L<sub>пр</sub> 0,7 м
1:2330
1:1750
1:1400
L<sub>пp</sub>=0,8 м
1:2660
1:2000
1:1600
L<sub>пр</sub>=0,9 м
1:3000
1:2250
1:1800
L<sub>пр</sub>=1 м
1:3330
1:2500
1:2000
3
2
-5
2
Δ
скр
пр
скр
пр
Проводник, нагреваясь, будет передавать тепловую энергию эластичному скребку, объем которого примем приближенно равным треугольной трапеции (плотность резины 1200 кг/м, ее удельная теплоемкость 1420 Дж/кг×°К) с известной площадью основания трапеции, равной S=35 мм=3,5×10 м Для удобства расчетов примем длину эластичного скребка L приблизительно равной длине нагревательного элемента L, (L≈L), однако для удобства восприятия на фиг.2 нихромовый проводник изображен несколько длиннее эластичного скребка.
1
2
Температурный режим для нагревания проводника и эластичного скребка составит от -30°С до 70°С (начальная температура T=-30°С, конечная температура Т=70°С). Время нагрева t составит около 15 мин (примем равным 900 с). Такое время нагрева является оптимальным с одной стороны для пользователя, с другой - для плавности нагрева эластичного скребка.
Рассчитаем количество теплоты, которое необходимо для нагревания эластичного скребка щетки от температуры -30°С до температуры 70°С за время, равное 15 минутам (900 с).
скр
Для этого необходимо найти массу эластичного скребка m:
скр
Δ
скр
m=V×ρ=S×L×ρ,
где V - объем эластичного скребка
ρ - плотность материала
Δ
S - площадь основания эластичного скребка.
Рассчитаем массы эластичного скребка для длин 0,4 м, 0,5 м, 0,6 м, 0,7 м, 0,8 м, 0,9 м, 1 м.
скр0,4
-5
m=3,5×10×0,4×1200≈0,0168 кг.
скр0,5
-5
m=3,5×10×0,5×1200≈0,021 кг.
скр0,6
-5
m=3,5×10×0,6×1200≈0,0252 кг.
скр0,7
-5
m=3,5×10×0,7×1200≈0,0294 кг.
скр0,8
-5
m=3,5×10×0,8×1200≈0,0336 кг.
скр0,9
-5
m=3,5×10×0,9×1200≈0,0378 кг.
скр1
-5
m=3,5×10×1×1200≈0,042 кг.
Как известно, количество теплоты, расходуемое на нагревание тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры:
Q=с×m×ΔТ
где Q - количество теплоты, Дж;
с - удельная теплоемкость вещества, Дж/кг·°К;
m - масса вещества, кг.
2
1
Зная массу и удельную теплоемкость, а также разницу температур начальной и конечной (ΔТ=Т-T) по формуле для удельной теплоемкости найдем количество теплоты, необходимое для передачи от проводника эластичному скребку разных длин:
скр0,4
Q=1420×0,0168×100≈2385 Дж
скр0,5
Q=1420×0,021×100≈2982 Дж
скр0,6
Q=1420×0,0252×100≈3578 Дж
скр0,7
Q=1420×0,0294×100≈4175 Дж
скр0,8
Q=1420×0,0336×100≈4770 Дж
скр0,9
Q=1420×0,0378×100≈5367 Дж
скр1
Q=1420×0,042×100≈5964 Дж
пр
Такое же количество теплоты Q должен выделить нихромовый проводник за время ЛТ.
пр
скр
Q=Q
Количество теплоты (также в Дж), выделенное в проводнике при прохождении электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока и вычисляется по закону Джоуля-Ленца:
пр
2
Q=I×R×ΔT
где R - сопротивление проводника. Ом.
I - сила тока, А;
ΔT - время, с.
-6
Зная материал, из которого изготовлен проводник (нихром с удельным сопротивлением р=1,1×10 Ом×м), его сечение и длину, можем найти сопротивление нихромового проводника по формуле:
где ρ - удельное сопротивление вещества проводника, Ом×м;
пр
L - длина проводника, м
пр
2
S - площадь сечения проводника, м.
пр
пр
пр
2
R=ρ×L/π*(d/2)
Значения сопротивлений в зависимости от диаметра проводника и его длины занесем в таблицу, в которую занесем и количество теплоты, выделяемое проводником разной длины соответствующей ему эластичного скребка:
R<sub>пр</sub>, Ом
d<sub>пр</sub>=0,3×10<sup>-3</sup> м
D<sub>пр</sub>=0,4×10<sup>-3</sup> м
d<sub>пр</sub>=0,5×10<sup>-3</sup> м
Q<sub>пр</sub>, Дж
L<sub>пр</sub>=0,4 м
6,2
3,5
2,24
2385
L<sub>пр</sub>=0,5 м
7,8
4,4
2,8
2982
L<sub>пр</sub>=0,6 м
9,3
5,25
3,36
3578
L<sub>пр</sub>=0,7 м
10,9
6,1
3,9
4175
L<sub>пр</sub>=0.8 м
12,4
7
4,5
4770
L<sub>пр</sub>=0,9 м
14
7,9
5
5367
L<sub>пр</sub>=1 м
15
8,8
5,6
5964
Так как время работы проводника (время нагрева от -30°С до 70°С) известно и составляет около 900 сек, а также известны количество теплоты и сопротивление проводника, можно вычислить «рабочий» электрический ток для одной щетки с проводником:
Подставляя в данную формулу числовые значения, находим ток, необходимый для нагрева эластичного скребка на 100°С за 900 секунд, занеся результаты вычислений в таблицу.
I, А
d<sub>пр</sub>=0,3×10<sup>-3</sup> м
d<sub>пр</sub>=0,4×10<sup>-3</sup> м
d<sub>пр</sub>=0,5×10<sup>-3</sup> м
Q<sub>пр</sub>, Дж
L<sub>пр</sub>=0,4 м
2,0
2,6
3,3
2385
L<sub>пр</sub>=0,5 м
2,0
2,6
3,3
2982
L<sub>пр</sub>=0,6 м
2,0
2,6
3,3
3578
L<sub>пр</sub>=0,7 м
2,0
2,6
3,3
4175
L<sub>пр</sub>=0,8 м
2,0
2,6
3,3
4770
L<sub>пр</sub>=0,9 м
2,0
2,6
3,3
5367
L<sub>пр</sub>=1 м
2,0
2,6
3,3
5964
С учетом установки на стекло двух щеток с электрообогревом на начальный их прогрев потребуется общий ток, равный 4-6,5 А, что допустимо для любого автотранспортного средства.
В последствии, то есть при движении автомобиля, максимальная расчетная температура 70°С немного снижается в зависимости от скорости технического средства, но является достаточной для предотвращения повторного обледенения. Данные опытных исследований для нихромового проводника длиной 50 см и максимальным размером поперечного сечения 0,4 мм изображены в виде графика (см. фиг.5) При обильном снегопаде, при включенном состоянии, эластичный скребок щетки стеклоочистителя лобового стекла находится в сухом состоянии.
Выполнение проводника с максимальным размером его поперечного сечения более 0,5 мм, то есть 0,6 и более, и с любой из указанных длин недопустимо по причине его недостаточной гибкости. Опытным путем было установлено, что такой проводник в силу постоянно изменяющихся деформаций при работе щетки при отрицательных температурах внешней среды выходит из строя (теряет работоспособность, механически повреждаясь) намного раньше, чем стирается сам эластичный скребок. Кроме того, не происходит плотного прилегания эластичного скребка к очищаемой поверхности, что отрицательно сказывается на качестве его очистки.
Заявленное техническое решение позволит - повысить комфортность вождения в зимнее время года, а также увеличить срок службы эластичного скребка и бескаркасной щетки стеклоочистителя вцелом с одновременным обеспечением безопасности ее использования в результате защиты электрической проводки на концах щетки посредством использования предложенных наконечников.