卡扣設(shè)計(jì)的原則

卡扣設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)零件之間的成功連接固定，要達(dá)到連接固定的效果，卡扣設(shè)計(jì)時(shí)需要從以下幾方面進(jìn)行考慮：連接可靠性、約束完整性和裝配協(xié)調(diào)性，它們是卡扣連接成功的關(guān)鍵要求，其他要求還應(yīng)該包括制造工藝的可行性、成本的高低等。

連接可靠性，是卡扣設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，一般會(huì)從以下幾個(gè)方面去考慮：

l 連接符合功能預(yù)期；

l 連接強(qiáng)度；

l 在用戶使用過程中不發(fā)生分離、松動(dòng)、破損、噪聲；

l 能夠適應(yīng)使用過程中因環(huán)境因素引起的產(chǎn)品變形或蠕變；

l 保證維修拆卸的功能與設(shè)計(jì)預(yù)期一致。

實(shí)際上，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的定位、部件的功能以及成本去選擇需要滿足的連接可靠性要求，并不是每個(gè)設(shè)計(jì)都需要完全滿足以上要求，比如有些設(shè)計(jì)不需要經(jīng)常拆卸或維修，那么設(shè)計(jì)符合前三點(diǎn)就可以，如果需要經(jīng)常拆卸，那么就需要考慮拆后卡扣的功能與設(shè)計(jì)預(yù)期一致，此時(shí)卡扣設(shè)計(jì)的類型選擇或具體設(shè)計(jì)參數(shù)上就會(huì)有所改變，比如下圖中同樣是電池蓋，但是應(yīng)用在充電寶和遙控器上卡扣的設(shè)計(jì)就會(huì)不同。

下面針對(duì)懸臂梁卡扣的連接強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行分析介紹：

一、常見的懸臂梁卡扣的主要有以下參數(shù)：

1、梁根部的厚度Tb

Tb一般為壁厚Tw的50%~60%，太小可能會(huì)存在充模和流動(dòng)問題，太大可能會(huì)存在冷卻問題，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致大的殘余應(yīng)力、縮孔和縮痕。當(dāng)梁是從壁面延伸出來時(shí)，Tb可等于Tw。

2、梁的長度Lb

懸臂梁卡扣的總長（Lt）由梁的長度（Lb）和保持元件長度（Lr）組成，Lb取值范圍一般為5Tb~10Tb，大于10Tb時(shí)，可能會(huì)存在翹曲和充填問題，小于5Tb時(shí)，梁的柔性較差，梁的根部承受較大的彎曲，從而增大損壞的可能性。（對(duì)于較硬或較脆的塑料，應(yīng)采用較大的長度與厚度的比值）。

3、插入面角度α

插入面角度會(huì)影響裝配力，角度越大，裝配力就越大，一般合理的角度在25°~35°之間，如果因空間問題（即α越小，保持元件的長度Lr越長），最大不要超過45°。

4、保持面角度β

保持面角度會(huì)影響保持強(qiáng)度和分離力，角度越大，保持強(qiáng)度和分離力就越大，保持面角度β應(yīng)根據(jù)拆卸情況而定：

l β≈35°，用于不需要外部分離力的可拆卸鎖緊件；

l β≈45°，用于需小的外部分離力的可拆卸鎖緊件；

l β≈80°~90°，用于需很大外部分離力的非拆卸鎖緊件；

如果，卡扣需要有足夠的保持強(qiáng)度，保持面角度可在極限角度與90之間取一個(gè)角度值，（由于接觸面之間存在摩擦，接近90°的保持面角度仍然與90°角起到的作用是一樣的）。根據(jù)基本保持力方程，極限角：

由此可見，摩擦系數(shù)越大，極限角度越小，但考慮到注塑成型后的影響，一般選擇接近90°，保持面角度選擇在80°~90°之間還有下圖好處：

5、保持面深度Y

它決定了接合和分離時(shí)梁偏斜的程度，一般情況下，

l 當(dāng)Lb/Tb≈5時(shí)，Y<Tb；

l 當(dāng)Lb/Tb≈10時(shí)，Y=Tb；

l 當(dāng)Lb/Tb較大或較小時(shí)，Y值應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整，同時(shí)，對(duì)于較硬或剛性較大的塑膠，Y值相應(yīng)取小些。（保持面最大深度應(yīng)≤材料最大許用應(yīng)變）

還有，保持面深度應(yīng)盡量接近等于偏斜量（Y=δ），這樣卡扣上的分離力會(huì)盡可能接近梁的中性軸，保持強(qiáng)度得到提高。

6、保持元件處的梁厚度Tr

一般情況下，Tr常常接近梁根部的厚度Tb（為了出模，只是有很小的出模斜度），但當(dāng)梁的長度較短時(shí)（Lb/Tb＜5時(shí)），裝配力會(huì)很大且梁根部應(yīng)變大，采用錐形梁（錐度比Tr/Tb在0.5~0.8之間），可以將應(yīng)變均勻地分布在梁的各處，減小梁根部應(yīng)力集中。

當(dāng)Tr/Tb=0.5時(shí)，卡扣的綜合性能較好。

7、梁的寬度Wb

常見的卡扣，梁的寬度從根部到保持面變化不大，只有較小的出模斜度，此時(shí)梁的寬度不影響最大裝配應(yīng)變，但影響裝配力、分離力和保持強(qiáng)度，當(dāng)梁的寬度大于長度的1/2時(shí)，此時(shí)的懸臂梁不像梁而更像平板，應(yīng)用梁理論計(jì)算時(shí)，誤差較大。

梁在寬度上也可以像梁厚度一樣帶錐度，寬度帶錐度的梁可以減小梁根部的應(yīng)變，但不如厚度帶錐度那么有效。（梁的寬度帶4:1錐度時(shí)，才能得到與梁厚度帶2:1錐度時(shí)同樣量級(jí)的應(yīng)變減小效果）

8、梁的根部半徑R

應(yīng)力集中會(huì)造成梁根部的實(shí)際應(yīng)變?cè)龃?，在梁的根部?dǎo)R角可以減小應(yīng)力集中，R的取值為梁寬度的50%時(shí)，綜合性能較好。

二、懸臂梁卡扣的相關(guān)計(jì)算：

為了確?？坌阅苣軌驖M足實(shí)際應(yīng)用要求，需要進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析和終端應(yīng)用試驗(yàn)。一般計(jì)算偏斜力、裝配力、分離力、最大變形量。以下以恒定矩形截面的懸臂梁卡扣為例介紹具體計(jì)算步驟。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通過上述介紹，可以首先確定卡扣的以下尺寸參數(shù)。

1、梁根部初始應(yīng)變的計(jì)算

由懸臂梁理論可推導(dǎo)出以下應(yīng)變公式：

將計(jì)算結(jié)果與材料的最大許用應(yīng)變相比較。

2、最大偏斜力的計(jì)算

最大偏斜力（Fp）：使卡扣懸臂梁末端在許用應(yīng)變內(nèi)發(fā)生偏斜（δ）時(shí)所需要的力。一般情況下，懸臂梁最大量δmax就是卡扣保持面深度Y。

但，在實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們更關(guān)心的是保持面與配合功能件之間的搭接量Z（卡合量），對(duì)于需拆卸的結(jié)構(gòu)，搭接量Z需小于Y，越小越容易裝配和拆卸，但保持強(qiáng)度越低，反之亦然。對(duì)于可拆卸無沖擊、碰撞、跌落測(cè)試要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，搭接量Z建議取值在0.3~0.6之間，反之，搭接量Z可設(shè)計(jì)在0.7~1.2之間，甚至更大。

同樣由懸臂梁理論可推導(dǎo)出以下公式：

實(shí)際上，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相比會(huì)偏大，那是因?yàn)檠b配過程中，卡扣壁面的偏斜、配合功能件的偏斜都會(huì)對(duì)卡扣的性能有影響，當(dāng)壁面偏斜時(shí)，梁的實(shí)際力、強(qiáng)度、應(yīng)力、應(yīng)變都比計(jì)算值小，當(dāng)梁長度與厚度的比值越小時(shí)，偏斜的影響就越明顯。

卡扣在不同壁面上對(duì)偏斜放大的影響是不同的，如下圖。

同樣，在裝配的過程中，配合功能件也可能發(fā)生偏斜，如果偏斜明顯的話，對(duì)計(jì)算結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響，主要影響裝配力、拆卸力、保持強(qiáng)度和應(yīng)變。

因此，需要對(duì)以上初始應(yīng)變、偏斜力進(jìn)行修正，引入壁面偏斜放大系數(shù)Q、配合功能件放大系數(shù)K，如下：

此時(shí)，通過以上公式，也可以計(jì)算出在一定偏斜力Fp的作用下，卡扣末端最大變形量Y。

3、裝配力的計(jì)算

由于懸臂卡扣的特性，卡扣在裝配的過程中懸臂梁會(huì)發(fā)生偏斜，插入面角度會(huì)跟隨變化，裝配力也發(fā)生變化，很顯然，最大插入面角度出現(xiàn)在懸臂梁偏斜最大時(shí)，因此，為了計(jì)算最大裝配力，必須先確定偏斜最大時(shí)的角度。

插入面角度變化的簡化公式為：

受力分析：

由以上受力分析圖可列出力平衡方程：

4、分離力、保持力的計(jì)算

卡扣在脫開的情況有兩種，一種是有意的，即人為分離卡扣零件所需要的力，叫做分離力；另外一種是無意的，即鎖緊件抵抗無意脫開的力，叫做保持力。

所以，如果我們關(guān)心的是分離（可拆卸卡扣）的難易程度，則要計(jì)算最大分離力；如果我們關(guān)心的是保持強(qiáng)度，即保持力，則要計(jì)算最小分離力。

實(shí)際上這兩種力區(qū)別不大，只是在保持面角度因懸臂卡扣中的剩余偏斜存在時(shí)（卡扣裝配后，由于誤差原因，懸臂梁無法回復(fù)到原位而存在一個(gè)偏斜角度），需要計(jì)算實(shí)際角度。

保持面角度計(jì)算方法與插入面類似：

受力分析：

由以上受力分析可列出力平衡方程：

在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，卡扣懸臂梁與配合功能件之間一般留有間隙，故一般不存在剩余偏斜，計(jì)算時(shí)可直接用設(shè)計(jì)的保持面角度β。

舉例：

有如下卡扣，Tb=1，Lb=7，Wb=5，Y=1，α=30°，β=50°，材料為ABS，求裝配力和保持力。

通過查資料可知，彈性模量E=2100Mpa，摩擦系數(shù)μ=0.5，εmax=2.5%，由于Lb/Tb=7，查表，取偏斜放大系數(shù)Q=1.13，配合功能件放大系數(shù)K=1.25，把上述值代入以下公式：

可得， ε=2.17%<εmax，滿足要求；Fp=5.4N；

計(jì)算插入面有效角度：

代入計(jì)算得，αe=38°；

代入計(jì)算得，F(xiàn)a≈14N，（同種材料，C取1.2）

代入計(jì)算得，F(xiàn)r≈34N；

所以裝配力為14N，保持力為34N。

本篇介紹到此，以上大部分內(nèi)容其實(shí)參考以下文獻(xiàn)，如讀者遇到不是很清楚地方，建議去看看原文獻(xiàn)，里面會(huì)講得比較清楚。

參考文獻(xiàn)：

1. 著：保羅 R.博登伯杰，譯：馮連勛、馮秀青、董力群、梁軍，塑料卡扣連接技術(shù)。

2. 林楊明，塑料制品懸臂卡扣連接件設(shè)計(jì)方法的研究。

由于篇幅過長，此部分內(nèi)容放到下篇介紹，本篇就介紹到此處，感謝查閱。

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