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[塑料] 塑料卡扣连接设计研究

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发表于 2020-6-29 10:18:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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塑料卡扣连接设计研究

杨春园,周新红

(安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽 合肥 230601)

【中国汽车材料网】摘 要:汽车内外饰零件上有很多堵盖零件,作为遮挡安装点或其他可拆卸维修用,多采用塑料件,通过卡脚卡接固定。卡脚连接相比其他方式相比简化了结构,减小了零件数量和装配工序,具有很高的成本优势。文章着重于从简单的理论设计计算确定关键参数值,避免使用复杂的有限元分析软件,缩短设计周期和门槛,通过实践验证反馈调整设计参数取得最优结果,最终总结相应的设计规则,形成一些普适的设计规范,给予其他设计者一些参考,避免采用经验主义或盲目的对标设计。
关键词:堵盖;卡扣

前言
堵盖零件形状较小,往往不被重视,设计水平也良莠不齐,存在很多问题。有的难装配,有的难拆卸,有的容易损坏等等,规范设计显得很重要。本文以保险杠拖钩盖板为例,结合参考文献和实际设计经验对这类零件的设计流程和设计方法进行了阐述,形成相应的参考标准,希望能给其他设计人员提供一些参考和帮助,避免重蹈覆辙。这些方法和标准也可以推广到其他的塑料件卡扣连接位置使用,不仅限于堵盖类零件。

1 设计流程
流程如下图1所示,首先定义零件的功能,确认功能以及是否需要经常拆卸;其次根据零件所处位置确定装配所采用方式、与本体配合的形状组合方式,接下来估算卡扣的相关参数值,完善零件的三维结构,系统性的检查各项功能设计,冻结设计并开发模具,最终通过实物零件装配验证设计准确性,对存在的问题进行微调,形成总结文件。其中最重要的是第二和第三环节,他决定了设计的基础方向。
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图1 拖钩盖板设计流程


2 设计过程
以图2所示某车型前保险杠拖钩盖板为例,详述设计过程。

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图2 某车型保险杠拖钩盖板


2.1 功能定义
拖钩盖板装配在前格栅上拖钩正前方位置,车辆拖钩不能直接外露(影响美观),在需要使用拖钩时将盖板拆卸后即可露出使用,因此拖钩盖板的主要功能是装饰遮丑和使用拖钩。设计时要重点考虑用户的拆卸和安装方便性,即不借助工具仅用手就可以拆装,重复拆装不损坏的次数约为10次。
原材料选取,一般按照基体材料选择,这样可简化原材料采购以及匹配关系。这里格栅材料为ABS,所以拖钩盖板材料也选相同的ABS。
2.2 装配方式的确定
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图3 装配方式


配方式有推、滑、翻、扭、转五种。其中前三种应用较多,后两种较少。如下图3所示,推是直线运动,就是把零件往一个固定方向推动,直到装配到位,装配过程最简单。滑也是直线运动,通过导向特征沿着导槽运动实现。翻的运动包括插入、旋转组成,先将插脚插入孔内,再将另外一侧的卡脚旋转卡入孔内完成。三种运动各有优缺点,按实际情况进行选用,但是翻的运动因为本体具有导向定位的功能,因此在实际使用时尽可能考虑选取翻的方式装配。
确定盖板选用翻的形式装配,根据拖钩使用的要求结合造型确定盖板的外形大小位置如图 4,卡接方向同出模方向沿X轴。根据拆装方便性以及空间情况,布置插脚和卡脚、支撑轴位置。
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图4 功能特征布置


3 卡扣设计计算
卡扣设计计算主要通过简单的材料力学公式计算确定卡脚的各项数值,卡脚类型有悬臂梁式、止逆式、平板式、环形等,常用悬臂梁式,也是拖钩盖板采用的,如下图5所示。
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图5 卡脚


卡脚设计主要是根据零件所处环境确定表1中各个参数值,他们是否合理直接影响了零件的设计准确性。
表1 参数取值

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3.1 初步取值
根据表1的标准,为拖钩盖板卡脚选取初步的各项参数值。
T-拖钩盖板位于前格栅,基本料厚同前格栅,T=3mm。
t-卡脚根部厚度 t需要同时考虑注塑件表面缩痕问题和卡脚根部强度,过大会导致表面缩水影响外观质量,过小会减弱根部强度容易断裂,这里初步取t=1mm,后期根据模流分析结果尽量取大。
L-卡脚高度L主要影响装配过程中卡脚变形的应力应变和装配后的保持强度,过小的取值会增大应力应变,使得卡脚难以偏斜变形,过大的取值会影响保持强度,使得零件容易脱出,这里L初步选择L=8t=8mm。
y-卡接量主要通过拆装过程中卡脚的最大偏斜量来影响保持强度和装配力,这里初步取y=1.3mm。
α-保持角影响保持强度,越大越难分离,具体选择时根据拆卸要求选取。对于不受外部载荷影响,只需小的徒手拆卸力就能拆卸的零件,角度范围 40o~55o;对于有一定外部载荷影响或需要借助外部工具拆卸的零件,角度范围55o~75o;对于有外部载荷影响非拆卸的零件,角度范围75o~85o。这里拖钩盖板所处环境为前保险杠位置,受到一定的外部载荷影响同时还要可拆卸,因此保持角度初步取α=60 o。
β-插入角影响装配力大小,越大越难装配。这里取β=30o。
W-卡脚宽度影响装配力、拆卸力、保持强度、卡脚强度,但不影响应变(宽度不带斜度时),这里初步W=7mm。
3.2 计算校核
按初步的参数取值进行计算,确定最大应变、装配力、保持力、拆卸力,并与标准值进行比较确认是否满足,如满足则参数取值合理,否则继续调整参数重新计算直至满足。在计算前,先从供应商处确认以下数值,原材料的最大许用应变εmax、弹性模量E、摩擦系数u、偏斜系数Q。拖钩盖板的原材料为 ABS,从供应商处查得εmax=2.5%,E=2100 MPa,u=0.4,Q=1.10。
最大应变按下面公式计算
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偏斜力按下面公式计算
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装配力是零件偏斜最大时的力,此时的有效插入角按下面公式计算
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装配力按下面公式计算
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保持力按下面公式计算
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拆卸时,通过人手在插脚处零件表面按压,盖板绕支撑轴的旋转弹出,根据力矩平衡公式可得拆卸力。
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最终计算得到应变ε=2.8%,装配力 f1=15.4N,保持力f2=59.7N,拆卸力 f3=44.8N,其中应变ε超过了材料的许用值,不满足要求。对于应变ε,计算值是在两个理想假设条件下得到的,其一是设定盖板除卡脚之外部分是完全刚性的,不会变形;其二格栅是完全刚性的,不会变形。但实际情况下这两个部分是会变形,会减小卡脚的实际应变,因此还要乘以一个调整系数来修正ε,这里取 0.8,调整之后ε=0.8*2.8%=2.24%,满足小于εmax的要求。装配力和保持力、操作力是ε的线性函数,修正后分别为12.3N和47.8N、35.8N,设计标准为:装配力≤20N,保持力≥45N,操作力30N~40N,满足。
4 零件设计
确定好卡脚的各项参数值后,需要进一步完善零件的其它设计,包括约束系统、空间校核、强度刚度设计、尺寸精度设计、注塑工艺要求等。
约束系统是对盖板装配后的空间自由度约束,避免零件出现松动异响等问题,约束的分布要均衡,不宜过多过约束。盖板的插脚与卡脚已经具备了部分的约束功能,剩下的约束如下图6所示,主要考虑装配方向上的支撑以防止盖板在装配方向松动和圆周方向的约束以防止沿着径向松动。具体在这里,装配方向的支撑主要是上下两侧的支脚顶住格栅实现,径向的约束通过侧面的突起筋接触实现。
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图6 约束设计


刚度设计是为了提升零件的整体强度,保证拆装时变形主要发生在卡脚上使得理论计算吻合实际情况,主要通过在盖板周边的翻边特征来加强,还可以在内表面布置加强筋提升。强度设计主要针对卡脚、插脚、支脚这些功能结构进行,因为这些特征尺寸较小同时承受载荷容易发生断裂,可采用加强筋、翻边、增加宽度、锥度等手段,需要注意的是,卡脚根部的加强筋应布置在受压侧。
空间校核重点分析卡脚变形的过程、零件拆装过程、零件不同的使用位置等,避免出现过程中的干涉等问题。可以通过Catia等软件进行断面设计、运动仿真等分析。
设计预留与柔量,在设计时需要考虑产品实际制造存在的公差等情况,因此对约束设计可以采用柔量设计方法,如下图7a所示,约束特征与基体面接触位置是尖锐的,有一定的过盈配合,因为这里的尖锐部分是容易变形的,因此可以吸收一定的制造工差。如下图7b所示,两个特征的配合,如果不确定是否要接触,在设计时可先定为不接触,在产品实际装配验证时确认是否可行,如要修改为接触模具上是去料,相对容易,也就是说对于设计不确定性,考虑后期模具调整方便性来确定。
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图7 预留与柔量


5 冻结开发验证
零件通过一系列的检查评审通过后,进行模具开发,产品出来后装配验证,测量各项数值与理论计算值进行比较,对存在的问题进行微调优化,总结后完善设计标准。常见的质量故障和应对措施如下表2所示。
6 结束语
本文结合实际工作中的案例,通过理论计算与实际验证结合的方式,总结梳理了盖板零件设计的一些要点和标准,事实证明这些计算和标准是基本正确的,可以作为设计时的参考依据。这些规范标准可以推展到其他采用塑料卡扣设计的零件上,给其他设计人员提供一些借鉴,以减少设计错误提升设计效率。
表2 典型故障模式

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参考文献
[1] 黄金陵.汽车车身设计.机械工业出版社.2007.
[2] 保罗.R.博登伯杰.塑料卡扣连接技术.2004.
[3] 万苏文.机械制造技术.清华大学出版社.2009.




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