基于四連桿機構原理汽車后備箱衣帽架設計

余維剛 危學兵

1.上汽通用五菱股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.電子科技大學 四川省成都市 611731

1 引言

衣帽架是一些MPV、SUV、兩廂轎車等車型的標準配置零件（如圖1 所示），其作用是將汽車尾廂空間進行分割。衣帽架可以對尾廂底層起遮擋保護作用，上層可以放一些輕質物品，例如：衣服、帽子等，因而得名衣帽架。衣帽架可分為卷簾式和復合板式。

圖1 某車型后備箱衣帽架

復合板衣帽架詳細結構如圖2 所示，由衣帽架主體Ⅰ、衣帽架主體Ⅱ、固定銷軸、拉繩、緩沖墊組成。

圖2 復合板衣帽架結構圖

衣帽架隨尾門開啟過程中的運動簡圖如圖3 所示。

圖3 衣帽架隨尾門運動過程簡圖

說明：

a:尾門 b:拉繩 c:衣帽架主體Ⅰ d：衣帽架主體Ⅱ

尾門開啟，通過拉繩拉動衣帽架主體Ⅱ，衣帽架主體Ⅱ繞著與衣帽架主體Ⅰ的交接線旋轉開啟一定的角度，這是衣帽架的整體運動過程。

四連桿機構的簡介

鉸鏈四連桿機構的基本型式如圖4 所示

圖4 鉸鏈四連桿機構

四連桿機構根據連架桿能否周轉運動分為：1、曲柄搖桿機構；2、雙曲柄機構；3、雙搖桿結構。其中，曲柄：能作整圈轉動的連架桿。搖桿：只能在一定角度范圍內擺動的連架桿。

平面四連桿機構的設計

設計的基本問題

A.滿足預定的運動要求；

B.滿足預定的連桿位置要求（如圖5 所示）；

圖5

C.滿足預定的軌跡要求。

設計方法

a.解析法

b.圖解法

c.實驗試湊法

通過對比，發現衣帽架的整體運動過程符合設計的基本問題B，如圖6 所示，將圖5旋轉一個角度得到圖6，圖6 所示的連桿位置與尾門和衣帽架相似。

圖6

2 背景

在以往項目衣帽架設計過程中存在以下問題：

①衣帽架緩沖塊與尾門內飾板干涉磨出粉末；

② 樣車過壞路試驗時衣帽架飾板晃動大；

③衣帽架飾板尾門端吊繩易脫落；

④ 衣帽架飾板轉軸松脫；

⑤ 尾門膠條夾衣帽架拉繩引起漏水；

⑥ 衣帽板與后側圍飾板運動干涉，有磨痕等。

為解決衣帽架設計中存在的各種問題，我們根據衣帽架的功能需求和運動要求，經過對衣帽架的運動抽象簡化，利用機械原理對衣帽架進行運動設計分析，從根本上解決設計中的問題。

3 設計方法

1）衣帽架拉繩與衣帽架工作參數分析，如圖7 所示，圖7 由圖1 簡化，圖中展示了尾門最大開啟狀態對應的衣帽架飾板最大拉起狀態，這個狀態需要根據后備箱空間需求定義。

圖7 汽車尾部簡化圖

2）經過對衣帽架和四連桿機構的對比分析，整體運動狀態符合四連桿運動機構，因此我們對衣帽架的機構進行抽象簡化，獲得四連桿機構簡圖，如圖8 所示。

圖8 尾門關閉狀態Y 向投影簡化圖

簡化說明：1、尾門窗框飾板簡化為連架桿Ⅰ；

2、衣帽架飾板簡化為連架桿Ⅱ；

3、尾門轉軸與衣帽架轉軸固定結構簡化為機架；

4、衣帽架拉繩簡化為連桿。

3）假設設計需要滿足，尾門最大開度為度，衣帽架要開啟度，拉繩的一端在衣帽架上的固定點，以上作為前提設計條件。

未知條件：衣帽架拉繩的長度，衣帽架拉繩位置（圖9 中點）。

因此我們需要做的就是確定拉繩位置和拉繩長度，拉繩位置確定后，拉繩長度就確定了，就是開啟（或關閉）狀態兩個拉繩點的距離。

4）由于我們對拉繩在衣帽架上的點的位置要求較高，直接影響美觀性，并且可選點的位置相對偏少，因此我們先在衣帽架上預選一個位置（圖9 中點），考慮到美觀性和空間方便性一般選擇在衣帽架后邊的兩個角區域，根據這個點位置，我們根據四連桿機構原理就能確定尾門上的衣帽架另外一個選點（圖9 中點），然后衣帽架翻折方案就確定了。

將尾門最大開啟狀態與尾門關閉狀態簡化圖合并，如圖9 所示。

圖9 尾門開啟與關閉狀態疊加簡化圖

根據圖9，可以使用機械原理中的解析法或者圖解法確定拉繩在尾門窗框飾板上的另外一點（圖9 中點），以及拉繩的長度。

解析法：

已知的參數分析，兩個轉軸之間的距離，從動桿長度，主動桿與固定機架初始位置夾角，從動桿與固定機架初始位置夾角，主動桿轉動角度，從動桿轉動角度，前四個可以通過測量整車數據獲得；

要求的參數分析，連桿長度，主動桿有效長度，如圖10 所示。

將圖10 進行分解，分解成關閉與開啟兩種狀態，如圖11 所示。

圖10 參數分析圖

圖11 兩種狀態分解圖

對關閉狀態進行分析

在圖12 的△中

圖12 關閉狀態簡圖

由余弦定理可得：

可以求出l

由正弦定理可得：

在△AXY 中

由余弦定理可得：

同理，對開啟狀態進行分析

圖13 開啟狀態簡化圖

由余弦定理可得：

由正弦定理可得：

由余弦定理可得：

聯合方程①②

可以解出連桿長度和主動桿有效長度。

4 總結

a.建議將拉繩在衣帽架上的選點位置確定在衣帽架的兩個角的位置；

c.可以根據結果計算拉繩需要滿足的力學承重要求。