黃勇

摘要：隨著汽車產(chǎn)品向節(jié)能、環(huán)保、輕量化、小型化發(fā)展，汽車高強(qiáng)度緊固件越來越受到重視。汽車緊固件是汽車的主要連接件、功能件，它占汽車總重量的40%左右。汽車分商用車和乘用車兩大類。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛輕型汽車或乘用車緊固件約500種規(guī)格，4000件左右。其中塑料緊固件又具有操作簡單，降低產(chǎn)品成本，能替代螺絲、螺母等昂貴金屬件功能的優(yōu)勢。塑料緊固件沒有像焊接技術(shù)那樣復(fù)雜，而且能重拆卸使用。塑料緊固件的特征以扎帶、卡扣、螺柱套扣為主要的特征。其特征的設(shè)計(jì)也是有規(guī)律可循。

關(guān)鍵詞：汽車零部件;塑料緊固件;注塑;卡扣

中圖分類號：TU532.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0039-02

1? 緊固特征之扎帶

扎帶是非常常見的塑料緊固零件，被廣泛的用于建筑、電器、醫(yī)療、汽車等行業(yè)，在日常生活中也經(jīng)常見到。但是隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不同，其扎帶要求的性能也不一樣，對于汽車行業(yè)來說，扎帶會被應(yīng)用到汽車的各個位置，例如發(fā)動機(jī)艙、底盤、駕駛室、乘客艙等等。不同位置的應(yīng)用，扎帶的性能要求也不一樣。比如發(fā)動機(jī)艙，就需要扎帶能耐高溫，需要做高溫的驗(yàn)證，在底盤就需要做冷熱循環(huán)的交變的疲勞實(shí)驗(yàn)，如果使用在乘客艙對耐久性的性能有較高的要求。

扎帶最基本的特性是要求能扎緊，不松脫。使用時，插入力要小，不費(fèi)力。脫離力要求大，不能產(chǎn)生基本的功能失效。

在設(shè)計(jì)時需要充分考慮到帶條上的齒間的角度，間距與鎖舌的間距配合。這2點(diǎn)特征的設(shè)計(jì)是關(guān)系到扎帶基本功能的前提條件。圖1為鎖舌的設(shè)計(jì)，圖2為帶條的齒的設(shè)計(jì)。

齒條的齒斜度通常是40度，深度為0.5mm，齒間距為0.15mm為適合。對于鎖舌的角度需要控制在10度，因?yàn)樵趲l插入到鎖舌時，鎖舌會有一個壓入的彈性變形，這個變形量的大小決定了插入力的數(shù)值，如果過大，人工使用起來會感覺費(fèi)力。如果太小，會發(fā)生鎖舌和齒條之間的配合不良，最終會導(dǎo)致鎖止失效。

如圖3顯示了插入后失效狀態(tài)。處于失效狀態(tài)的零件，配合間隙非常大，扎帶的基本功能失效。非常容易產(chǎn)生脫落的問題。可以通過改進(jìn)齒條的角度設(shè)計(jì)，來解決這個問題。對于正常配合狀態(tài)的零件，插入力的要求為小于70N，脫離力要求大于120N。

此外，對于影響扎帶的其它性能，需要在選擇材料上給予定義。扎帶最常用的材料是尼龍類的材料，具備較好的彎曲性能，能耐溫性能。對于發(fā)動機(jī)艙位置的扎帶，需要選擇耐到200度長期工作溫度的材料。扎帶最常見的問題是斷裂，因此對于彎曲模量不夠的產(chǎn)品，需要進(jìn)行調(diào)濕處理，以提高扎帶的彎曲性能。

2? 緊固特征之卡扣

卡扣是緊固件中最常見的特征。大致上可分為三大類：長臂式卡扣，圓環(huán)卡扣，球形卡扣。塑料卡扣的最大優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約成本，操作簡單，而且可以反復(fù)使用。但是也存在一些缺點(diǎn)：比如很難做到完全密合，又時會出現(xiàn)松動。如果設(shè)計(jì)不合理，會出現(xiàn)斷裂、脫落等質(zhì)量問題。因此合理的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。

2.1 長臂式卡扣

它的截面是無變化的規(guī)則矩形帶勾特征。如果卡勾的材料物理特性確定不變的情況下，以下四個參數(shù)是可以自由控制的：

卡勾扣住部份的寬度：此寬度尺寸直接影響卡勾的有效性，防止卡勾脫落。

卡勾的厚度：此厚度影響卡勾強(qiáng)度及壓力的傳播，其中最省力的臂是錐形臂，此厚度尺寸影響了卡扣的彈性效果，直接決定了卡扣的插入力的大小。特別需要注意的是卡扣根部需要有R角設(shè)計(jì)，避免應(yīng)力集中發(fā)生的插入斷裂問題。R角的大小決定了卡扣的強(qiáng)度。

卡勾臂的長度：臂的長度以次方的形式影響臂的變形度。長度尺寸需要重復(fù)考慮對配合件的厚度不可干涉。

卡勾的寬度：它是與變形阻力成正比的，增強(qiáng)卡勾的強(qiáng)度。

2.2 圓環(huán)及球形卡扣

圓球環(huán)形卡勾是由外凸勾體的圓筒/球頭與內(nèi)凹勾體的圓筒/母頭組合而成，一般我們把凸體部份假設(shè)成不變形體，而凹部份考慮成變形體，當(dāng)施加壓力做卡合動作的時候，凹部份將會發(fā)生整周圓的變形量。球形卡扣的最大特點(diǎn)是：相互裝配后，可以實(shí)現(xiàn)360度的自由旋轉(zhuǎn)，又稱為旋轉(zhuǎn)卡扣。是利用的塑料彈性變形原理實(shí)現(xiàn)裝配的。其插入力比較大，需要制作工裝夾具輔助安裝。此卡扣廣泛的用于固定件之間需要自由調(diào)整和變化方向的應(yīng)用。

3? 緊固特征之螺柱套扣

螺柱套扣是常用于車身鈑金上的一種緊固形式。主要是能夠快速的卡入金屬的螺柱上，具備插入力小、拔出力大、安裝快捷等優(yōu)點(diǎn)。廣泛的用于乘客艙內(nèi)的地毯的固定，或者底盤的管夾的固定。

3.1 設(shè)計(jì)要求

螺柱套扣的關(guān)鍵特性就是插入/拔出力的大小。要求在設(shè)計(jì)時要充分考慮到這個要求，并要求做足夠的分析。以滿足這個要求。

插入力要求<30N，拔出力>100N，分析如下：

①首先材料應(yīng)力曲線的分析是非常必要的，決定了材料本身是否能滿足要求。

②通過分析，我們能夠知道插入力承受的位置和拔出力承受的位置是不一樣的。因此我們需要在設(shè)計(jì)時，增加某一位置的壁厚，從而有效的增大拔出力，并且插入力僅僅是很有限的增加。圖4為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸要求。

3.2 材料選擇

聚丙烯是一款比較好的非線性的材料。實(shí)際的材料彈性模量是能夠滿足這個要求的。從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，其屈服應(yīng)力的比例是同樣可以滿足要求的。

3.3 邊界條件模型分析

①因?yàn)榱慵菍ΨQ的，我們切取1/4的數(shù)模分析，最終的力將根據(jù)零件的對稱性，完全考慮。

②考慮到摩擦力的因素，系數(shù)定義為0.1。

③見圖5為插入力的數(shù)模分析，峰值小于30N。

④參考圖6的模擬分析，可以看出拔出力為100N情況下的受力情況。紅色圈處顯示出了抗拉應(yīng)力集中的地方。

我們可以清楚看到，在拉出力和拔出力二種不同的狀態(tài)下，零件的受力位置也是不同的。因此我們可以局部性的對零件進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。增加局部的壁厚，控制齒狀特征的厚度在0.3mm，以達(dá)到在有限提高插入力的前提下，增大拔出力的效果。

4? 結(jié)束語

本文闡述了常用的緊固件的特征，并以實(shí)際的案例介紹如何更好的從設(shè)計(jì)角度來提高產(chǎn)品的性能并分析幫助我們解決實(shí)際問題，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]周殿明.塑料制品成型材料[J].機(jī)械工業(yè)出版社，2011，10.

[3]譚騫.發(fā)動機(jī)缸體托盤塑料卡扣結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究[D].上海交通大學(xué)，2016.

[4]趙繼元.塑料卡扣的特點(diǎn)及在汽車上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（30）：48-49.

[5]保羅.R.博登伯杰.塑料卡扣連接技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出社版，2004.