副儀表板杯托固定結構及固定方案研究

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，隨著經濟的飛速發展，中國逐步進入小康社會，人們的生活水平得到顯著提升，同時也帶來了生活品質的提升，人們的購買力越來越強，汽車正已前所未有的步伐邁進普通百姓的家庭。根據中華人民共和國國家統計局統計數據可知，中國汽車民用汽車擁有量已從2007年的4358.36萬輛增長到2016年的18574.51萬輛，10年期間民用汽車擁有量增加率達到了326%。

汽車已經成為人們出行的一種重要交通工具，而人們也已經對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飾一個重要的功能件，用戶在駕駛車輛過程中，需要一個能夠存放水杯或飲料瓶的地方，市場上大多數杯托已經能夠滿足存放功能，即杯托尺寸滿足常用水杯的尺寸要求，但對于不同尺寸水杯存放的穩定性的研究還在探索和進步。目前已有部分汽車意識到穩定性對顧客使用舒適性的重要性，并研究各種結構來提高其穩定性，本文旨在解決不同尺寸水杯存放穩定性，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

杯托是用來滿足存放水杯或飲料瓶等飲品的一種儲物空間結構的統稱。

2.2 杯托分類

（1）按照杯托的存放數量可以分為單杯托、雙杯托和多杯托。

（a）單杯托是指只能放置一個水杯的杯托結構，如圖1所示；

（b）雙杯托是指可以同時放置兩個水杯的杯托結構，如圖2所示；

（c）三杯托是指可以同時放置多于兩個水杯的杯托結構，如圖3所示。

（2）按照杯托固定水杯的結構特點可以分為無夾持杯托和夾持杯托。

a）無夾持杯托是指杯托只有放置水杯的空間結構，沒有夾持固定的結構，如圖4所示；

b）夾持杯托則是杯托側面設計有夾持結構的杯托，如圖5所示。

圖2 雙杯托示圖

圖4 無夾持杯托示圖

圖5 夾持杯托示圖

3 杯托結構特點分析

根據以上分類，杯托結構從簡單到復雜，已經能夠滿足人們對杯托基本功能需求，能夠存放不同尺寸的水杯，杯托的結構也以圓形為主。然而，隨著人們對車內空間有效運用最大化的需求，圓形的夾持杯托已經存在對車內空間的浪費。因夾持杯托的夾持結構存在，將杯托中放置小水杯的時，夾持結構將會收縮而夾緊水杯，夾持結構會占用為大水杯而預留的空間，降低空間利用率。

4 杯托優化方案

為了解決車內空間利用率問題，福特汽車、吉利汽車等公司已經研究并量產，運用可調節非圓型結構杯托，在實現存放不同尺寸的水杯或飲料瓶的同時，也可以提升了空間利用率，并能滿足非圓型結構的存放和固定，如圖6所示。

吉利汽車在研發過程中，發現汽車在顛簸路面進行路面試驗過程中，杯托內的水杯會因車身左右方向的嚴重晃動而導致傾斜甚至脫出，存在固定穩定性不可靠的問題。為解決此問題，我們對此杯托結構進行了進一步分析研究，以達到顧客對車輛杯托結構使用功能的穩定性的意愿。

杯托的固定主要是通過杯托側壁和限位擋桿對水杯進行四周夾持固定，但由于杯托中部的限位擋桿在水杯晃動過程中受到撞擊，如杯托擋桿鎖止力不足，將使擋桿解鎖滑動，最終導致水杯傾斜甚至脫出。

杯托擋桿固定結構是通過導軌齒條進行嚙合限位，其工作原理是，杯托調節擋桿在調節時，下壓擋桿，使擋桿上的齒條與導桿上的齒條分離，再根據水杯或飲料瓶尺寸的大于進行左右滑動調節，當擋桿滑到適當的固定位置時，松開手指，擋桿與導桿的齒條相互嚙合鎖止，實現對不同尺寸的水杯或飲料瓶的夾持固定功能。工作原理結構示意圖如圖7所示。

圖6 非圓型結構杯托示圖

5 方案分析

當汽車在顛簸路面上出現左右晃動時，杯托擋桿將受到水杯左右方向的撞擊力，設定撞擊力為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FL≥F0時，杯托擋桿鎖止，水杯固定不動，不會出現傾斜或脫出風險.

當FL＜F0時，杯托擋桿將解鎖，水杯出現傾斜或脫出風險。

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構示意圖

即Fy通過擋桿傳遞到導軌的作用力為Fyw，如圖8所示。

圖8 Fyw作用力分解示圖

根據牛頓第三運動定律可得：導軌對擋桿的反作用力為

Fyw’=Fyw

擋桿的解鎖力

圖9 Fyw’作用力分解示圖

則：

f（α）為一個周期為π的周期函數，根據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）函數在[0，π/4]區間內是減函數，在[π/4，π/2]區間內為增函數。

當α=π/4時，f（α）值最小，

根據杯托擋桿的結構特點，當α角度越大，杯托擋桿的V型齒與導軌的導向性能越強，當α為0時，擋桿與導軌無導向功能，當α為90°時，擋桿與導軌形成垂直嚙合，導向性最好。

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，Fy越大，f（α）越小，水杯傾斜或脫出風險越大。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，降低水杯出現傾斜或脫出風險。

6 結論

通過優化齒條嚙合面與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。根據擋桿上的齒條與導桿上的齒條結構特點，夾角α定義為70°-75°時，即可滿足齒條之間的導向性能，保證杯托擋桿的操作平順性和可靠性，同時也提升杯托擋桿的固定可靠性。

7 結語

本文提出了一種擋桿式可調節杯托固定穩定性的解決方案，建立了結構分析和計算方法，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，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晃動或傾倒，加強了杯托結構使用功能的可靠性和穩定性，提高顧客對儲物功能的滿意度，提升汽車品質。