副仪表板杯托固定结构及固定方案研究

徐雄 高威 丛艺家 汤小生

吉利汽车研究院（宁波）有限公司 浙江省宁波市 315336

1 引言

近年来，随着经济的飞速发展，中国逐步进入小康社会，人们的生活水平得到显著提升，同时也带来了生活品质的提升，人们的购买力越来越强，汽车正已前所未有的步伐迈进普通百姓的家庭。根据中华人民共和国国家统计局统计数据可知，中国汽车民用汽车拥有量已从2007年的4358.36万辆增长到2016年的18574.51万辆，10年期间民用汽车拥有量增加率达到了326%。

汽车已经成为人们出行的一种重要交通工具，而人们也已经对汽车使用的舒适性提出了更高的要求。汽车副仪表板杯托是汽车内饰一个重要的功能件，用户在驾驶车辆过程中，需要一个能够存放水杯或饮料瓶的地方，市场上大多数杯托已经能够满足存放功能，即杯托尺寸满足常用水杯的尺寸要求，但对于不同尺寸水杯存放的稳定性的研究还在探索和进步。目前已有部分汽车意识到稳定性对顾客使用舒适性的重要性，并研究各种结构来提高其稳定性，本文旨在解决不同尺寸水杯存放稳定性，提出并分析一种有效的解决方案。

2 杯托定义和分类

2.1 杯托定义

杯托是用来满足存放水杯或饮料瓶等饮品的一种储物空间结构的统称。

2.2 杯托分类

（1）按照杯托的存放数量可以分为单杯托、双杯托和多杯托。

（a）单杯托是指只能放置一个水杯的杯托结构，如图1所示；

（b）双杯托是指可以同时放置两个水杯的杯托结构，如图2所示；

（c）三杯托是指可以同时放置多于两个水杯的杯托结构，如图3所示。

（2）按照杯托固定水杯的结构特点可以分为无夹持杯托和夹持杯托。

a）无夹持杯托是指杯托只有放置水杯的空间结构，没有夹持固定的结构，如图4所示；

b）夹持杯托则是杯托侧面设计有夹持结构的杯托，如图5所示。

图2 双杯托示图

图4 无夹持杯托示图

图5 夹持杯托示图

3 杯托结构特点分析

根据以上分类，杯托结构从简单到复杂，已经能够满足人们对杯托基本功能需求，能够存放不同尺寸的水杯，杯托的结构也以圆形为主。然而，随着人们对车内空间有效运用最大化的需求，圆形的夹持杯托已经存在对车内空间的浪费。因夹持杯托的夹持结构存在，将杯托中放置小水杯的时，夹持结构将会收缩而夹紧水杯，夹持结构会占用为大水杯而预留的空间，降低空间利用率。

4 杯托优化方案

为了解决车内空间利用率问题，福特汽车、吉利汽车等公司已经研究并量产，运用可调节非圆型结构杯托，在实现存放不同尺寸的水杯或饮料瓶的同时，也可以提升了空间利用率，并能满足非圆型结构的存放和固定，如图6所示。

吉利汽车在研发过程中，发现汽车在颠簸路面进行路面试验过程中，杯托内的水杯会因车身左右方向的严重晃动而导致倾斜甚至脱出，存在固定稳定性不可靠的问题。为解决此问题，我们对此杯托结构进行了进一步分析研究，以达到顾客对车辆杯托结构使用功能的稳定性的意愿。

杯托的固定主要是通过杯托侧壁和限位挡杆对水杯进行四周夹持固定，但由于杯托中部的限位挡杆在水杯晃动过程中受到撞击，如杯托挡杆锁止力不足，将使挡杆解锁滑动，最终导致水杯倾斜甚至脱出。

杯托挡杆固定结构是通过导轨齿条进行啮合限位，其工作原理是，杯托调节挡杆在调节时，下压挡杆，使挡杆上的齿条与导杆上的齿条分离，再根据水杯或饮料瓶尺寸的大于进行左右滑动调节，当挡杆滑到适当的固定位置时，松开手指，挡杆与导杆的齿条相互啮合锁止，实现对不同尺寸的水杯或饮料瓶的夹持固定功能。工作原理结构示意图如图7所示。

图6 非圆型结构杯托示图

5 方案分析

当汽车在颠簸路面上出现左右晃动时，杯托挡杆将受到水杯左右方向的撞击力，设定撞击力为Y向作用力Fy，杯托挡杆下压解锁力定义为F0，杯托挡杯的锁止力定义为FL，齿条啮合面与XY平面夹角为α.

当FL≥F0时，杯托挡杆锁止，水杯固定不动，不会出现倾斜或脱出风险.

当FL＜F0时，杯托挡杆将解锁，水杯出现倾斜或脱出风险。

分解Fy得到垂直于受力面的分力

Fyw=Fy·sinα

图7 杯托挡杆工作原理结构示意图

即Fy通过挡杆传递到导轨的作用力为Fyw，如图8所示。

图8 Fyw作用力分解示图

根据牛顿第三运动定律可得：导轨对挡杆的反作用力为

Fyw’=Fyw

挡杆的解锁力

图9 Fyw’作用力分解示图

则：

f（α）为一个周期为π的周期函数，根据杯托挡杆的工作原因，齿条啮合面与XY平面夹角为α[0，π/2]，且f（α）函数在[0，π/4]区间内是减函数，在[π/4，π/2]区间内为增函数。

当α=π/4时，f（α）值最小，

根据杯托挡杆的结构特点，当α角度越大，杯托挡杆的V型齿与导轨的导向性能越强，当α为0时，挡杆与导轨无导向功能，当α为90°时，挡杆与导轨形成垂直啮合，导向性最好。

因杯托挡杆将受到水杯左右方向的撞击力Fy受到水杯自身重量和地面颠簸情况的影响，水杯自身重量越重和地面越颠簸，Fy越大，f（α）越小，水杯倾斜或脱出风险越大。在保证锁止力FL不变的情况下，增加夹角α，能够提升杯托挡杆的固定可靠性能，降低水杯出现倾斜或脱出风险。

6 结论

通过优化齿条啮合面与XY平面夹角α的角度，可以提升杯托挡杆锁止能力，提升杯托挡杆固定水杯的可靠性。根据挡杆上的齿条与导杆上的齿条结构特点，夹角α定义为70°-75°时，即可满足齿条之间的导向性能，保证杯托挡杆的操作平顺性和可靠性，同时也提升杯托挡杆的固定可靠性。

7 结语

本文提出了一种挡杆式可调节杯托固定稳定性的解决方案，建立了结构分析和计算方法，具有客观性和直观性，在解决不同尺寸水杯和饮料瓶固定功能的同时，保证水杯和饮料瓶在颠簸路面等不平整路况下行驶中不会晃动或倾倒，加强了杯托结构使用功能的可靠性和稳定性，提高顾客对储物功能的满意度，提升汽车品质。