副儀表板杯托固定結(jié)構(gòu)及固定方案研究

徐雄 高威 叢藝家 湯小生

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)逐步進(jìn)入小康社會(huì)，人們的生活水平得到顯著提升，同時(shí)也帶來(lái)了生活品質(zhì)的提升，人們的購(gòu)買力越來(lái)越強(qiáng)，汽車正已前所未有的步伐邁進(jìn)普通百姓的家庭。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，中國(guó)汽車民用汽車擁有量已從2007年的4358.36萬(wàn)輛增長(zhǎng)到2016年的18574.51萬(wàn)輛，10年期間民用汽車擁有量增加率達(dá)到了326%。

汽車已經(jīng)成為人們出行的一種重要交通工具，而人們也已經(jīng)對(duì)汽車使用的舒適性提出了更高的要求。汽車副儀表板杯托是汽車內(nèi)飾一個(gè)重要的功能件，用戶在駕駛車輛過(guò)程中，需要一個(gè)能夠存放水杯或飲料瓶的地方，市場(chǎng)上大多數(shù)杯托已經(jīng)能夠滿足存放功能，即杯托尺寸滿足常用水杯的尺寸要求，但對(duì)于不同尺寸水杯存放的穩(wěn)定性的研究還在探索和進(jìn)步。目前已有部分汽車意識(shí)到穩(wěn)定性對(duì)顧客使用舒適性的重要性，并研究各種結(jié)構(gòu)來(lái)提高其穩(wěn)定性，本文旨在解決不同尺寸水杯存放穩(wěn)定性，提出并分析一種有效的解決方案。

2 杯托定義和分類

2.1 杯托定義

杯托是用來(lái)滿足存放水杯或飲料瓶等飲品的一種儲(chǔ)物空間結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱。

2.2 杯托分類

（1）按照杯托的存放數(shù)量可以分為單杯托、雙杯托和多杯托。

（a）單杯托是指只能放置一個(gè)水杯的杯托結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

（b）雙杯托是指可以同時(shí)放置兩個(gè)水杯的杯托結(jié)構(gòu)，如圖2所示；

（c）三杯托是指可以同時(shí)放置多于兩個(gè)水杯的杯托結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

（2）按照杯托固定水杯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為無(wú)夾持杯托和夾持杯托。

a）無(wú)夾持杯托是指杯托只有放置水杯的空間結(jié)構(gòu)，沒(méi)有夾持固定的結(jié)構(gòu)，如圖4所示；

b）夾持杯托則是杯托側(cè)面設(shè)計(jì)有夾持結(jié)構(gòu)的杯托，如圖5所示。

圖2 雙杯托示圖

圖4 無(wú)夾持杯托示圖

圖5 夾持杯托示圖

3 杯托結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

根據(jù)以上分類，杯托結(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，已經(jīng)能夠滿足人們對(duì)杯托基本功能需求，能夠存放不同尺寸的水杯，杯托的結(jié)構(gòu)也以圓形為主。然而，隨著人們對(duì)車內(nèi)空間有效運(yùn)用最大化的需求，圓形的夾持杯托已經(jīng)存在對(duì)車內(nèi)空間的浪費(fèi)。因夾持杯托的夾持結(jié)構(gòu)存在，將杯托中放置小水杯的時(shí)，夾持結(jié)構(gòu)將會(huì)收縮而夾緊水杯，夾持結(jié)構(gòu)會(huì)占用為大水杯而預(yù)留的空間，降低空間利用率。

4 杯托優(yōu)化方案

為了解決車內(nèi)空間利用率問(wèn)題，福特汽車、吉利汽車等公司已經(jīng)研究并量產(chǎn)，運(yùn)用可調(diào)節(jié)非圓型結(jié)構(gòu)杯托，在實(shí)現(xiàn)存放不同尺寸的水杯或飲料瓶的同時(shí)，也可以提升了空間利用率，并能滿足非圓型結(jié)構(gòu)的存放和固定，如圖6所示。

吉利汽車在研發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)汽車在顛簸路面進(jìn)行路面試驗(yàn)過(guò)程中，杯托內(nèi)的水杯會(huì)因車身左右方向的嚴(yán)重晃動(dòng)而導(dǎo)致傾斜甚至脫出，存在固定穩(wěn)定性不可靠的問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，我們對(duì)此杯托結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步分析研究，以達(dá)到顧客對(duì)車輛杯托結(jié)構(gòu)使用功能的穩(wěn)定性的意愿。

杯托的固定主要是通過(guò)杯托側(cè)壁和限位擋桿對(duì)水杯進(jìn)行四周夾持固定，但由于杯托中部的限位擋桿在水杯晃動(dòng)過(guò)程中受到撞擊，如杯托擋桿鎖止力不足，將使擋桿解鎖滑動(dòng)，最終導(dǎo)致水杯傾斜甚至脫出。

杯托擋桿固定結(jié)構(gòu)是通過(guò)導(dǎo)軌齒條進(jìn)行嚙合限位，其工作原理是，杯托調(diào)節(jié)擋桿在調(diào)節(jié)時(shí)，下壓擋桿，使擋桿上的齒條與導(dǎo)桿上的齒條分離，再根據(jù)水杯或飲料瓶尺寸的大于進(jìn)行左右滑動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)擋桿滑到適當(dāng)?shù)墓潭ㄎ恢脮r(shí)，松開手指，擋桿與導(dǎo)桿的齒條相互嚙合鎖止，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸的水杯或飲料瓶的夾持固定功能。工作原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖6 非圓型結(jié)構(gòu)杯托示圖

5 方案分析

當(dāng)汽車在顛簸路面上出現(xiàn)左右晃動(dòng)時(shí)，杯托擋桿將受到水杯左右方向的撞擊力，設(shè)定撞擊力為Y向作用力Fy，杯托擋桿下壓解鎖力定義為F0，杯托擋杯的鎖止力定義為FL，齒條嚙合面與XY平面夾角為α.

當(dāng)FL≥F0時(shí)，杯托擋桿鎖止，水杯固定不動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)傾斜或脫出風(fēng)險(xiǎn).

當(dāng)FL＜F0時(shí)，杯托擋桿將解鎖，水杯出現(xiàn)傾斜或脫出風(fēng)險(xiǎn)。

分解Fy得到垂直于受力面的分力

Fyw=Fy·sinα

圖7 杯托擋桿工作原理結(jié)構(gòu)示意圖

即Fy通過(guò)擋桿傳遞到導(dǎo)軌的作用力為Fyw，如圖8所示。

圖8 Fyw作用力分解示圖

根據(jù)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律可得：導(dǎo)軌對(duì)擋桿的反作用力為

Fyw’=Fyw

擋桿的解鎖力

圖9 Fyw’作用力分解示圖

則：

f（α）為一個(gè)周期為π的周期函數(shù)，根據(jù)杯托擋桿的工作原因，齒條嚙合面與XY平面夾角為α[0，π/2]，且f（α）函數(shù)在[0，π/4]區(qū)間內(nèi)是減函數(shù)，在[π/4，π/2]區(qū)間內(nèi)為增函數(shù)。

當(dāng)α=π/4時(shí)，f（α）值最小，

根據(jù)杯托擋桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)α角度越大，杯托擋桿的V型齒與導(dǎo)軌的導(dǎo)向性能越強(qiáng)，當(dāng)α為0時(shí)，擋桿與導(dǎo)軌無(wú)導(dǎo)向功能，當(dāng)α為90°時(shí)，擋桿與導(dǎo)軌形成垂直嚙合，導(dǎo)向性最好。

因杯托擋桿將受到水杯左右方向的撞擊力Fy受到水杯自身重量和地面顛簸情況的影響，水杯自身重量越重和地面越顛簸，F(xiàn)y越大，f（α）越小，水杯傾斜或脫出風(fēng)險(xiǎn)越大。在保證鎖止力FL不變的情況下，增加夾角α，能夠提升杯托擋桿的固定可靠性能，降低水杯出現(xiàn)傾斜或脫出風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化齒條嚙合面與XY平面夾角α的角度，可以提升杯托擋桿鎖止能力，提升杯托擋桿固定水杯的可靠性。根據(jù)擋桿上的齒條與導(dǎo)桿上的齒條結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，夾角α定義為70°-75°時(shí)，即可滿足齒條之間的導(dǎo)向性能，保證杯托擋桿的操作平順性和可靠性，同時(shí)也提升杯托擋桿的固定可靠性。

7 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種擋桿式可調(diào)節(jié)杯托固定穩(wěn)定性的解決方案，建立了結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算方法，具有客觀性和直觀性，在解決不同尺寸水杯和飲料瓶固定功能的同時(shí)，保證水杯和飲料瓶在顛簸路面等不平整路況下行駛中不會(huì)晃動(dòng)或傾倒，加強(qiáng)了杯托結(jié)構(gòu)使用功能的可靠性和穩(wěn)定性，提高顧客對(duì)儲(chǔ)物功能的滿意度，提升汽車品質(zhì)。