Стеклоочистители транспортных средств: устройство и история

Введение

Устройство на транспортном средстве

Стеклоочиститель (англ. windscreen wiper) или стеклоочиститель (англ. windshield wiper) – это устройство, используемое для удаления дождя, снега, льда, жидкости омывателя, воды или мусора с переднего стекла транспортного средства. Почти все моторизованные транспортные средства, включая автомобили, грузовики, автобусы, локомотивы поездов и водные суда с кабиной, а также некоторые самолеты, оснащены одним или несколькими такими стеклоочистителями, что обычно является юридическим требованием. Стеклоочиститель обычно состоит из металлического рычага, один конец которого вращается, а к другому концу прикреплено длинное резиновое лезвие. Рычаг приводится в движение двигателем, часто электродвигателем, хотя для некоторых транспортных средств также используется пневматический привод. Лезвие качается вперед и назад по стеклу, сдвигая воду, другие осадки или любые другие препятствия для видимости с его поверхности. Скорость обычно регулируется на транспортных средствах, выпущенных после 1969 года, с несколькими непрерывными режимами и часто одним или несколькими прерывистыми режимами. Большинство легковых автомобилей используют два синхронизированных рычага радиального типа, в то время как многие коммерческие транспортные средства используют один или несколько рычагов пантографа. На некоторых транспортных средствах также используется система омывателя лобового стекла для улучшения и расширения функции стеклоочистителя в сухих или обледенелых условиях. Эта система распыляет воду или антифризную жидкость для омывания стекол через несколько правильно расположенных форсунок. Эта система помогает удалять грязь или пыль с лобового стекла при совместном использовании с лезвиями стеклоочистителя. При использовании антифризной жидкости стеклоочиститель может помочь удалить снег или лед. Для таких зимних условий некоторые транспортные средства имеют дополнительные обогреватели, направленные на окна, встроенные нагревательные элементы в стекло или встроенные нагревательные элементы в лезвие стеклоочистителя; эти системы размораживания могут растопить лед или предотвратить образование снега и льда на лобовом стекле. В редких случаях миниатюрные стеклоочистители устанавливаются на фары для обеспечения их оптимальной работы.

Ранние версии

Один из самых ранних зарегистрированных патентов на стеклоочиститель принадлежит Джорджу Кейпвеллу из Хартфорда, штат Коннектикут, который был подан 6 августа 1896 года. Его изобретение предназначалось для "окон медленно движущихся судов, но оно более особенно адаптировано и предназначено для окон быстро движущихся транспортных средств, таких как высокоскоростные локомотивы и автомобили, для которых необходимо, чтобы наблюдатель или водитель имели четкий обзор пути". Подобно современным автомобильным стеклоочистителям, его изобретение включает "обычно два таких устройства, которые можно закрепить на раме под передней панелью автомобиля или за корпусом, окружающим окно, в таком положении, чтобы они были незаметны, и таким образом, чтобы удалять самую толстую часть вещества, скопившегося на стекле". Его патентная иллюстрация показывает круглое окно, хотя в патенте отмечается, что "стекло не обязательно должно быть круглой формы". Другие ранние конструкции стеклоочистителей приписываются польскому концертному пианисту Юзефу Хофману и компании Mills Munitions из Бирмингема, которая также утверждала, что первой запатентовала стеклоочистители в Англии. По крайней мере, три изобретателя запатентовали устройства для очистки ветрового стекла примерно в одно и то же время в 1903 году: Мэри Андерсон, Роберт Дуглас и Джон Апджон. В апреле 1911 года патент на стеклоочистители был зарегистрирован Sloan & Lloyd Barnes, патентными агентами из Ливерпуля, Англия, для Гладстона Адамса из Уитли-Бей. Американской изобретательнице Мэри Андерсон обычно приписывают создание первого рабочего стеклоочистителя в 1903 году. В своем патенте Андерсон назвала свое изобретение "устройством для очистки окон" для электромобилей и других транспортных средств. Управляемое рычагом изнутри автомобиля, ее устройство стеклоочистителей очень похоже на стеклоочистители, которые можно найти на многих ранних моделях автомобилей. Андерсон изготовила модель своего дизайна, затем подала заявку на патент (US 743,801) 18 июня 1903 года, который был выдан ей Патентным ведомством США 10 ноября 1903 года. Ирландский изобретатель Джеймс Генри Апджон (1845–1914) запатентовал "аппарат для очистки окон вагонов, автомобилей и других транспортных средств", который, как утверждалось, мог использовать как щетки, так и стеклоочистители и приводиться в действие либо двигателем, либо вручную. Щетки или стеклоочистители предназначались для очистки как вверх и вниз, так и только в одном направлении на вертикальном окне. Изобретение Апджона имело приоритетную дату в Великобритании 9 октября 1903 года. Джон Р. Ойшеи (1886–1968) основал Tri Continental Corporation в 1917 году. Эта компания представила первый стеклоочиститель Rain Rubber для двухсоставных ветровых стекол со щелями, которые можно было найти на многих автомобилях того времени. Сегодня Trico Products является одним из крупнейших в мире производителей стеклоочистителей. Завод Bosch по производству стеклоочистителей в городе Тьенен, Бельгия, является крупнейшим в мире и производит 350 000 резиновых лезвий стеклоочистителей ежедневно. Первые автоматические электрические стеклоочистители были запатентованы в 1917 году Шарлоттой Бриджвуд. Изобретатель Уильям М. Фолберт и его брат Фред подали заявку на патент на автоматический аппарат для очистки ветрового стекла в 1919 году, который был выдан им в 1921 году. Позже Trico урегулировала патентный спор с Фолбертом и приобрела компанию Фолберта из Кливленда, Folberth Auto Specialty Co. Новая система, работающая от вакуума, быстро стала стандартным оборудованием для автомобилей, и принцип вакуума использовался примерно до 1960 года. В конце 1950-х годов появилась функция, распространенная на современных автомобилях: автоматическая работа стеклоочистителей в течение двух-трех циклов при нажатии кнопки омывателя ветрового стекла, что делало ненужным дополнительное включение стеклоочистителей вручную. Сегодня используется электронный таймер, но изначально небольшая вакуумная камера, механически связанная с выключателем, обеспечивала задержку по мере утечки вакуума.

One of the earliest recorded patents for the windscreen wiper is by George J. Capewell of Hartford Connecticut, which was filed on August 6, 1896. His invention was for "windows of slow moving craft; but it is more particularly adapted and intended for windows of rapidly moving vehicles, such as high speed locomotives and cars, with which it is necessary that the observer or driver should have a clear view of the path or track." Similar to current automotive wiper designs, his invention involves "usually two of these wipers, and they can be secured to the frame below the front board of the vehicle or behind the housing surrounding the window in position to be out of sight and in such manner that one will scrape off the heaviest part of the substance collected upon the glass." His patent illustration shows a circular window, although the patent notes "it is not essential that the glass be circular in form." Other early designs for the windscreen wiper are credited to Polish concert pianist Józef Hofmann, and to Mills Munitions, Birmingham, who also claimed to have been the first to patent windscreen wipers in England. At least three inventors patented windscreen cleaning devices at around the same time in 1903; Mary Anderson, Robert Douglass, and John Apjohn. In April 1911, a patent for windscreen wipers was registered by Sloan & Lloyd Barnes, patent agents of Liverpool, England, for Gladstone Adams of Whitley Bay. American inventor Mary Anderson is popularly credited with devising the first operational windscreen wiper in 1903. In Anderson's patent, she called her invention a "window cleaning device" for electric cars and other vehicles. Operated via a lever from inside a vehicle, her version of windscreen wipers closely resembles the windscreen wiper found on many early car models. Anderson had a model of her design manufactured, then filed a patent (US 743,801) on June 18, 1903 that was issued to her by the US Patent Office on November 10, 1903. Irish born inventor James Henry Apjohn (1845–1914) patented an "Apparatus for Cleaning Carriage, Motor Car and other Windows" which was stated to use either brushes or wipers and could be either motor driven or hand driven. The brushes or wipers were intended to clean either both up and down or in just one direction on a vertical window. Apjohn's invention had a priority date in the UK of 9 October 1903. John R. Oishei (1886 1968) formed the Tri Continental Corporation in 1917. This company introduced the first windscreen wiper, Rain Rubber, for the slotted, two piece windscreens found on many of the automobiles of the time. Today Trico Products is one of the world's largest manufacturers of windscreen wipers. Bosch has the world's biggest windscreen wiper factory in Tienen, Belgium, which produces 350,000 wiper blades every day. The first automatic electric wiper arms were patented in 1917 by Charlotte Bridgwood. Inventor William M. Folberth and his brother, Fred, applied for a patent for an automatic windscreen wiper apparatus in 1919, which was granted in 1921. Trico later settled a patent dispute with Folberth and purchased Folberth's Cleveland company, the Folberth Auto Specialty Co. The new vacuum powered system quickly became standard equipment on automobiles, and the vacuum principle was in use until about 1960. In the late 1950s, a feature common on modern vehicles first appeared, operating the wipers automatically for two or three passes when the windscreen washer button was pressed, making it unnecessary to manually turn the wipers on as well. Today, an electronic timer is used, but originally a small vacuum cylinder mechanically linked to a switch provided the delay as the vacuum leaked off.

Промежуточные вытиратели

Изобретателем прерывистых стеклоочистителей (непостоянных, в настоящее время включающих стеклоочистители с переменной скоростью) мог быть Рэймонд Андерсон, который в 1923 году предложил электромеханическую конструкцию (патент США 1,588,399). В 1958 году Оишей и др. подали заявку на патент, описывающую не только электромеханические, но и тепловые и гидравлические конструкции (патент США 2,987,747). Затем, в 1961 году, Джон Амос, инженер британской автомобильной компании Lucas Industries, подал первую в Великобритании патентную заявку на твердотельную электронную конструкцию (патент США 3,262,042). В 1963 году Роберт Кернс, профессор инженерного дела в Университете штата Уэйн в Детройте, штат Мичиган, изобрел другой тип прерывистых стеклоочистителей, вдохновив на создание художественного фильма "Вспышка гения" в 2008 году, основанного на статье в журнале "Нью-Йоркер" 1993 года, посвященной судебной тяжбе. В марте 1970 года французский автомобильный производитель Citroën представил более продвинутые дождечувствительные прерывистые стеклоочистители на своей модели SM. При включении прерывистого режима стеклоочиститель совершал один проход. Если лобовое стекло было относительно сухим, двигатель стеклоочистителя потреблял высокий ток, что устанавливало таймер управления на большую задержку перед следующим проходом. Если двигатель потреблял небольшой ток, это указывало на то, что стекло все еще мокрое, и таймер настраивался на минимальную задержку.

Мощность

Очистители могут приводиться в действие различными способами, хотя большинство используемых сегодня работают от электродвигателя через серию механических компонентов, как правило, двух четырехрычажных механизмов, соединенных последовательно или параллельно. В автомобилях с пневматическими тормозами иногда используются пневматические очистители, работающие за счет небольшого количества сжатого воздуха, отводимого из тормозной системы в небольшой пневматический двигатель, установленный на лобовом стекле или непосредственно над ним. Эти очистители активируются открытием клапана, который позволяет сжатому воздуху поступать в двигатель. Ранние очистители часто приводились в действие вакуумным двигателем, работающим от разрежения во впускном коллекторе. Это имело недостаток в том, что разрежение во впускном коллекторе меняется в зависимости от положения дроссельной заслонки и практически отсутствует при полностью открытой дроссельной заслонке, когда очистители замедляются или даже останавливаются. Эта проблема была частично решена использованием комбинированного топливно-вакуумного насоса. Некоторые автомобили, в основном 1960-х и 1970-х годов, имели гидравлические очистители с переменной скоростью, в частности Lincoln Continental 1961–1969 годов, Lincoln Continental Mark III 1969–1971 годов (но не все модели 1970 года) и Ford Thunderbird 1963–1971 годов. Они приводились в действие тем же гидравлическим насосом, который также использовался для механизма гидроусилителя руля. В ранних моделях Citroën 2CV очистители лобового стекла приводились в действие чисто механической системой – тросом, соединенным с трансмиссией; для снижения стоимости этот трос также приводил в действие спидометр. Скорость очистителей, таким образом, зависела от скорости автомобиля. Когда автомобиль был неподвижен, очистители не работали, но ручка под спидометром позволяла водителю включать их вручную.

Форма

Большинство первых стеклоочистителей использовали резиновое лезвие, прикрепленное к плоской металлической основе. Но с появлением изогнутых лобовых стекол, обусловленным аэродинамическими и дизайнерскими требованиями, они оказались недостаточными. В 1945 году Джон У. Андерсон, основатель компании Anco, конкурента Trico, запатентовал стеклоочиститель с разветвленными рычагами, чтобы лезвие равномерно прижималось как к изогнутому, так и к плоскому стеклу, адаптируясь практически к любой кривизне ветрового стекла. По мере того как изогнутые лобовые стекла становились все более популярными и распространенными, особенно после дебюта Studebaker Starlight Coupe в 1947 году, они вскоре стали стандартным оборудованием. Хотя их вытеснили "бескаркасные" стеклоочистители с корпусами из гибкого материала, этот тип по-прежнему остается самым популярным. Лезвия стеклоочистителей изготавливаются из натурального каучука, каучука ЭПДМ (этиленпропиленового каучука) или их комбинации, поскольку натуральный каучук лучше работает в холодную погоду, а каучук ЭПДМ не деформируется со временем и обладает большей устойчивостью к термическому старению, ультрафиолетовому излучению, озону и разрывам. Некоторые производители покрывают их графитом.

Протокольные лампы

В 1960-х годах, по мере роста интереса к безопасности автомобилей, инженеры начали исследовать различные системы очистки фар. В конце 1968 года Chevrolet представила омыватели фар, работающие под высоким давлением, на ряде моделей 1969 года выпуска. В 1970 году компания Saab Automobile оснастила всю свою линейку моделей стеклоочистителями фар. Они работали по горизонтально-возвратно-поступательному механизму с одним двигателем. Позже их заменили стеклоочистители с радиальным шпиндельным приводом и индивидуальными двигателями для каждой фары. В 1972 году системы очистки фар стали обязательными в Швеции. В настоящее время стеклоочистители фар практически исчезли, и большинство современных конструкций полагаются исключительно на распыление жидкости под давлением для очистки фар. Это снижает производственные затраты, минимизирует аэродинамическое сопротивление и соответствует нормам ЕС, ограничивающим использование стеклоочистителей фар только для фар со стеклянными линзами (большинство линз сегодня изготавливаются из пластика).

Стиральная машина для лобового стекла

Большинство стеклоочистителей работают совместно с омывателем ветрового стекла – насосом, который подает смесь воды, спирта и моющего средства (смесь, называемая жидкостью для омывателя стекол) из резервуара на ветровое стекло. Жидкость распределяется через небольшие форсунки, установленные на капоте. Обычно используются стандартные форсунки, но в некоторых конструкциях применяется флюидный осциллятор для более эффективного распыления жидкости. В теплом климате можно использовать и воду, но в холодном она может замерзнуть и повредить насос. Хотя автомобильный антифриз химически схож с жидкостью для омывателя, его нельзя использовать, так как он может повредить лакокрасочное покрытие. Самая ранняя задокументированная идея объединения стеклоочистителя с резервуаром для жидкости омывателя относится к 1931 году, Richland Auto Parts Co, Mansfield, Ohio. Уругвайский автогонщик и механик Гектор Супписи Седес разработал омыватель ветрового стекла в конце 1930-х годов. С 2012 года на некоторых автомобилях (Tesla, Volvo XC60 2018–2021, Citroen C4 Cactus) форсунки заменяются системой AquaBlade, разработанной компанией Valeo. Эта система подает моющую жидкость непосредственно из спойлерной части лезвия стеклоочистителя. Это снижает визуальные помехи во время вождения и, следовательно, сокращает время реакции водителя в случае возникновения опасной ситуации.

Скрытые вытиратели

Некоторые большие автомобили оснащены скрытыми стеклоочистителями (или стеклоочистителями с углубленным расположением). В стандартных конструкциях без скрытых стеклоочистителей, при их выключении, механизм или схема "парковки" перемещает стеклоочистители в нижнюю часть очищаемой области, близко к нижней части ветрового стекла, но оставаясь видимыми. В конструкциях со скрытыми стеклоочистителями ветровое стекло выступает ниже задней кромки капота. Стеклоочистители паркуются ниже зоны очистки в нижней части ветрового стекла, становясь невидимыми. В современных автомобилях, в которых лезвия стеклоочистителей скрыты под ветровым стеклом, необходимо перевести их в сервисный режим, чтобы поднять лезвие стеклоочистителя от ветрового стекла, используя положение для обслуживания стеклоочистителей.

Промывки с датчиками дождя

В некоторых автомобилях теперь доступны автоматические или программируемые водителем стеклоочистители, которые обнаруживают наличие и количество осадков с помощью датчика дождя. Датчик автоматически регулирует скорость и частоту работы щеток стеклоочистителя в зависимости от количества обнаруженных осадков. Обычно предусмотрена возможность ручного управления. Стеклоочистители с датчиком дождя появились на различных моделях в конце 20-го века, одним из первых был Citroën SM. По состоянию на начало 2006 года стеклоочистители с датчиком дождя являются опциональным или стандартным оборудованием для всех автомобилей Cadillac и большинства Volkswagen, а также доступны у многих других крупных производителей. Система стеклоочистителей с датчиком дождя, используемая сегодня большинством автопроизводителей, была первоначально изобретена и запатентована в 1978 году австралийцем Раймондом Дж. Ноаком (Raymond J. Noack), см. патенты США № 4 355 271 и № 5 796 106. Изначальная система автоматически управляла стеклоочистителями, фарами и омывателями лобового стекла.

Альтернативы без лезвия

Общая альтернативная конструкция, используемая на судах, называется "экран с четкой видимостью" и позволяет избежать использования резиновых стеклоочистителей. Круглая часть ветрового стекла состоит из двух слоев, внешний из которых вращается на высокой скорости для сброса воды. Высокоскоростные самолеты могут использовать отбор воздуха от турбины – сжатый воздух из турбинного двигателя для удаления воды вместо механических стеклоочистителей, чтобы снизить вес и сопротивление. Эффективность этого метода также зависит от водоотталкивающих покрытий для стекла, подобных Rain X.

Законодательство

Во многих юрисдикциях существуют законодательные требования к оснащению транспортных средств стеклоочистителями. Стеклоочистители могут являться обязательным элементом безопасности при техническом осмотре автомобиля. В некоторых штатах США действует правило "стеклоочистители включены – фары включены".

В популярной культуре

В телевизионной рекламе 1999 года «Synchronicity» для автомобиля Volkswagen Jetta дворники были синхронизированы с событиями, наблюдаемыми за окном автомобиля, и с песней «Jung at Heart», написанной по заказу рекламного агентства Arnold Worldwide композитором Питером дю Шармом под псевдонимом «Master Cylinder».