基于四连杆机构原理汽车后备箱衣帽架设计
2022-06-08余维刚危学兵
余维刚 危学兵
1.上汽通用五菱股份有限公司 广西柳州市 545007 2.电子科技大学 四川省成都市 611731
1 引言
衣帽架是一些MPV、SUV、两厢轿车等车型的标准配置零件（如图1 所示），其作用是将汽车尾厢空间进行分割。衣帽架可以对尾厢底层起遮挡保护作用，上层可以放一些轻质物品，例如：衣服、帽子等，因而得名衣帽架。衣帽架可分为卷帘式和复合板式。
图1 某车型后备箱衣帽架
复合板衣帽架详细结构如图2 所示，由衣帽架主体Ⅰ、衣帽架主体Ⅱ、固定销轴、拉绳、缓冲垫组成。
图2 复合板衣帽架结构图
衣帽架随尾门开启过程中的运动简图如图3 所示。
图3 衣帽架随尾门运动过程简图
说明：
a:尾门 b:拉绳 c:衣帽架主体Ⅰ d：衣帽架主体Ⅱ
尾门开启，通过拉绳拉动衣帽架主体Ⅱ，衣帽架主体Ⅱ绕着与衣帽架主体Ⅰ的交接线旋转开启一定的角度，这是衣帽架的整体运动过程。
四连杆机构的简介
铰链四连杆机构的基本型式如图4 所示
图4 铰链四连杆机构
四连杆机构根据连架杆能否周转运动分为：1、曲柄摇杆机构；2、双曲柄机构；3、双摇杆结构。其中，曲柄：能作整圈转动的连架杆。摇杆：只能在一定角度范围内摆动的连架杆。
平面四连杆机构的设计
设计的基本问题
A.满足预定的运动要求；
B.满足预定的连杆位置要求（如图5 所示）；
图5
C.满足预定的轨迹要求。
设计方法
a.解析法
b.图解法
c.实验试凑法
通过对比，发现衣帽架的整体运动过程符合设计的基本问题B，如图6 所示，将图5旋转一个角度得到图6，图6 所示的连杆位置与尾门和衣帽架相似。
图6
2 背景
在以往项目衣帽架设计过程中存在以下问题：
①衣帽架缓冲块与尾门内饰板干涉磨出粉末；
② 样车过坏路试验时衣帽架饰板晃动大；
③衣帽架饰板尾门端吊绳易脱落；
④ 衣帽架饰板转轴松脱；
⑤ 尾门胶条夹衣帽架拉绳引起漏水；
⑥ 衣帽板与后侧围饰板运动干涉，有磨痕等。
为解决衣帽架设计中存在的各种问题，我们根据衣帽架的功能需求和运动要求，经过对衣帽架的运动抽象简化，利用机械原理对衣帽架进行运动设计分析，从根本上解决设计中的问题。
3 设计方法
1）衣帽架拉绳与衣帽架工作参数分析，如图7 所示，图7 由图1 简化，图中展示了尾门最大开启状态对应的衣帽架饰板最大拉起状态，这个状态需要根据后备箱空间需求定义。
图7 汽车尾部简化图
2）经过对衣帽架和四连杆机构的对比分析，整体运动状态符合四连杆运动机构，因此我们对衣帽架的机构进行抽象简化，获得四连杆机构简图，如图8 所示。
图8 尾门关闭状态Y 向投影简化图
简化说明：1、尾门窗框饰板简化为连架杆Ⅰ；
2、衣帽架饰板简化为连架杆Ⅱ；
3、尾门转轴与衣帽架转轴固定结构简化为机架；
4、衣帽架拉绳简化为连杆。
3）假设设计需要满足，尾门最大开度为度，衣帽架要开启度，拉绳的一端在衣帽架上的固定点，以上作为前提设计条件。
未知条件：衣帽架拉绳的长度，衣帽架拉绳位置（图9 中点）。
因此我们需要做的就是确定拉绳位置和拉绳长度，拉绳位置确定后，拉绳长度就确定了，就是开启（或关闭）状态两个拉绳点的距离。
4）由于我们对拉绳在衣帽架上的点的位置要求较高，直接影响美观性，并且可选点的位置相对偏少，因此我们先在衣帽架上预选一个位置（图9 中点），考虑到美观性和空间方便性一般选择在衣帽架后边的两个角区域，根据这个点位置，我们根据四连杆机构原理就能确定尾门上的衣帽架另外一个选点（图9 中点），然后衣帽架翻折方案就确定了。
将尾门最大开启状态与尾门关闭状态简化图合并，如图9 所示。
图9 尾门开启与关闭状态叠加简化图
根据图9，可以使用机械原理中的解析法或者图解法确定拉绳在尾门窗框饰板上的另外一点（图9 中点），以及拉绳的长度。
解析法：
已知的参数分析，两个转轴之间的距离，从动杆长度，主动杆与固定机架初始位置夹角，从动杆与固定机架初始位置夹角，主动杆转动角度，从动杆转动角度，前四个可以通过测量整车数据获得；
要求的参数分析，连杆长度，主动杆有效长度，如图10 所示。
将图10 进行分解，分解成关闭与开启两种状态，如图11 所示。
图10 参数分析图
图11 两种状态分解图
对关闭状态进行分析
在图12 的△中
图12 关闭状态简图
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，对开启状态进行分析
图13 开启状态简化图
由余弦定理可得：
由正弦定理可得：
由余弦定理可得：
联合方程①②
可以解出连杆长度和主动杆有效长度。
4 总结
a.建议将拉绳在衣帽架上的选点位置确定在衣帽架的两个角的位置；
c.可以根据结果计算拉绳需要满足的力学承重要求。
