延偉華 黃龍輝 劉華龍 邢健

（1.泛亞汽車技術中心；2.上海通用東岳汽車有限公司）

汽車的普及使得普通顧客對汽車的認識逐步提升，從最初的油耗到內飾的配合，關注點變得越來越細。車門內飾板與內鈑金的配合處作為顧客易見區(qū)域而受到關注，為了保證該處的配合，多數整車廠通常使用一種塑料的鳥嘴型卡子進行連接。此類塑料緊固件的開發(fā)在應用環(huán)境和性能要求等方面具有共通性，了解這些共通性的原理，對更好地開發(fā)與應用此類緊固件具有指導意義。文章將對門飾板塑料卡子從應用環(huán)境、性能要求、材料選擇及失效模式等方面分別進行論述。

1 應用環(huán)境

圖1示出汽車門飾板卡子應用環(huán)境示意圖。在安裝完成后，卡子將卡扣座和鈑金連接，其尾部固定在卡扣座上，頭部插入并卡住鈑金外側，傘面扣緊鈑金內側[1]。

圖1 汽車門飾板卡子應用環(huán)境示意圖

1）卡子與卡扣座的連接。為保證門飾板安裝過程中卡子能對準鈑金孔，在基座中需要存在一定的活動量，通常需要保證卡子中柱與卡扣座開孔單邊留有間隙，以增強卡子與鈑金孔的對中性；卡子與卡扣座之間上下方向也需要留有間隙，以保證卡子能順暢調整相對卡扣座的位置。

2）卡子與鈑金的連接。整車廠會針對車型的定位選擇不同厚度的門飾板鈑金，常用薄鈑金（0.5～1.0 mm）、厚鈑金（1.5～2.0 mm）及拼接鈑金，所以門飾板會相應選用不同的卡子，不同的卡子則以不同顏色做區(qū)分；鈑金孔的大小由卡子決定，常用卡子的鈑金孔直徑范圍為6～9mm；同時卡子需要滿足鈑金孔±0.1 mm的制造誤差。鈑金一般經過電泳和噴漆處理，鈑金孔為沖壓孔，這也會影響卡子的插拔力表現(xiàn)。

2 性能要求

根據門飾板塑料卡子的應用環(huán)境，其性能要求主要表現(xiàn)在插拔力、裝配性和防水性3個方面。

2.1 插拔力要求

對于主要起緊固作用的螺釘來說，插拔力是最關鍵的要求。插入力影響到使用感知，過大的插入力會引起操作人員的抱怨；拔出力影響配合維修，拔出力過小，門飾板與鈑金配合差，拔出力過大，又會使返修門飾板困難。

不同的整車廠對卡子的插拔力要求不完全相同，但大致范圍基本一致，如圖2所示。根據人機工程學及性能要求，因為門飾板使用手掌或拳頭拍入，卡子在門飾板總成上的插入力不大于80 N，而保持力的要求范圍為180～300 N。為保證卡子在門飾板總成的插拔力在適合人機工程學的范圍內，單個卡子的插拔力要求必須比總成插拔力要小，一般插入力不大于60 N，拔出力為 150～270 N。

圖2 汽車門飾板卡子插拔力范圍的人機選擇

2.2 裝配性要求

卡子的裝配性要求主要是防錯裝和防漏裝。由于同一門飾板對應的鈑金可能是薄厚2種鈑金拼焊而成，所以門飾板上會安裝2種不同的卡子，這就對卡子提出防錯與防漏的要求。防錯主要通過卡子和卡扣座的卡接尺寸來區(qū)別，通過更改卡扣座的尺寸，只允許正確的卡子安裝進去。門飾板卡子的防漏裝常用拍照檢測，故卡子可以設計成不同的顏色，來滿足防錯防漏檢測要求。

2.3 防水性要求

緊固件的一般防水性測試方法是，將緊固件安裝到盛水容器上（容器事先安裝好鈑金治具），在一定高度的水柱下測試一定時間內緊固件是否有水滴落，或者測試水滴的數量，如圖3所示，水柱的高低可以通過調整圖3中尺寸A來控制。

圖3 汽車門飾板緊固件防水性測試方法

緊固件的防水性主要是依靠額外的海綿墊圈或者二次注塑的TPE唇邊來實現(xiàn)。圖4示出不同防水性能的汽車門飾板緊固件。圖4中，卡子I是無防水要求的，而卡子II和卡子III的常規(guī)要求為在30 mm高的水柱下10 min內無水滴漏出。

圖4 不同防水性能的汽車門飾板緊固件

如果緊固件跟鈑金貼合存在過大角度、唇邊的尺寸不合格或唇邊過硬，都會導致防水失效。一般來說，閉孔的EPDM發(fā)泡海綿墊圈比TPE的二次注塑唇邊的防水性更好，但價格也更高。

3 常用材料

塑料卡子的常用材料有PA66，PP，POM3種。

1）PA66有較好的強度、耐沖擊性和耐磨性，在較高溫度下也能保證較強的剛度和強度，但是吸濕性強，注塑成零件后，較強的吸濕性會導致其強度下降[2]，并且尺寸穩(wěn)定性差，對緊固件來說非常不利。

2）PP基本不吸濕，耐沖擊性也較好，且有良好的染色性，但是PP偏軟，剛度不夠，耐磨性差，且易分解老化；PP的卡子易刮傷，難以多次使用。

3）POM有著很高的硬度和剛度，優(yōu)良的耐磨性、自潤滑性和耐疲勞性，反復沖擊性強，且有廣泛的溫度使用范圍。POM卡子不吸濕，且高低溫下POM卡子的插拔力變化不太大，但是，POM又稱聚甲醛，散發(fā)性略高。由于門飾板上塑料卡子的使用量不是太多，對汽車內飾的整體散發(fā)性貢獻有限。POM卡子已基本取代PA66和PP，成為卡子的主要材料。

4 門飾板卡子常見失效模式分析

門飾板塑料卡子常見的失效模式主要有：

1）操作員工抱怨難以裝配，插入力大。造成此類問題可能的原因有：鈑金孔尺寸超差，油漆涂覆后尺寸變?。豢ㄗ优c鈑金孔不對中；卡子在基座中的活動量不足。

2）松動異響。造成此類問題可能的原因有：鈑金孔尺寸超差；選用了不合適的卡子；門飾板邊緣與鈑金的配合設計不合理，造成卡子不易裝配到位。

3）安裝時斷裂。安裝時斷裂是門飾板卡子的主要失效形式，卡子不對中及POM低溫下變脆，是導致卡子安裝時易斷裂的主要原因。針對卡子受力較大的部位進行結構優(yōu)化，能很好解決此類問題。

5 基于CAE的卡子斷裂分析

針對最常出現(xiàn)的安裝斷裂失效模式，文章應用CAE模擬塑料卡子插入鈑金孔的過程，探索導致斷裂失效的主要原因。

采用某在產車型的門飾板卡子為原型，建立CAE分析模型。分析采用2D隱式算法，不考慮實際的摩擦因數，鈑金采用剛性體模擬，且卡子頂端約束固定，在此基礎上對卡子插拔過程進行了CAE分析[3]，如圖5所示。

圖5 卡子正對鈑金孔插入的CAE分析過程

當卡子正對鈑金孔進行插拔時，卡子不會出現(xiàn)任何異樣變形。圖6示出卡子正對鈑金孔插入的CAE分析結果。從圖6可以看出，CAE分析得出的插入力最大值為41.5 N，跟實際物理試驗測得的插入力均值（39 N）有2.5 N的偏差。分析偏差產生的原因主要是零件制造誤差以及鈑金的表面處理等制造因素，但此結果不影響CAE模擬的可靠性。

圖6 卡子正對鈑金孔插入的CAE分析結果

由于實際安裝過程中卡子跟鈑金孔的關系不一定是正對中的，所以卡子插入過程中很大程度上是偏心的。對卡子跟鈑金孔偏心插拔做CAE分析，分析結果如圖7所示。

圖7 卡子與鈑金孔偏心0.5 mm后的CAE分析過程

由于CAE模型中鈑金是剛性的且卡子頂端固定約束，故0.5 mm的偏心分析下就出現(xiàn)了應力突變。在鈑金接近卡子卡腳最粗邊緣時，CAE網格出現(xiàn)撕裂，如圖8所示，力值曲線也有了下降的突變，最后發(fā)散。研究CAE模型發(fā)現(xiàn)，此時模型在鳥嘴受力大的一側出現(xiàn)網格撕裂。對比圖6中0.8 s左右出現(xiàn)的極值，圖8中在0.5 s就出現(xiàn)網格撕裂，說明卡子在拍入鈑金孔之前出現(xiàn)了斷裂。結合應力應變曲線發(fā)現(xiàn)，卡子卡腳最寬處容易受剪切力發(fā)生撕裂，從而導致卡腳斷裂。

圖8 卡子與鈑金孔偏心0.5 mm后的CAE分析結果

通過搜集分析多個失效卡子發(fā)現(xiàn)，卡子的斷裂主要在卡接鳥嘴的根部上面一點，如圖9所示，跟CAE分析結果中出現(xiàn)發(fā)散的位置一致。由此得出，卡子斷裂失效的主要原因是，卡子插入過程中受到沖擊產生的剪切力將卡子根部附近剪切斷裂。

圖9 實際使用中汽車門飾板卡子斷裂圖

根據以上分析可以看到，解決卡子安裝斷裂的主要方式有：1）使用高韌性、抗剪切的材料；2）改進卡子根部的結構。通過材料性能和根部結構優(yōu)化來提高其抗剪切能力是解決問題的關鍵。

6 門飾板塑料緊固件的發(fā)展方向

隨著門飾板和門鈑金等周邊環(huán)境件的工藝改進，塑料緊固件也在發(fā)展。目前其發(fā)展方向主要有：

1）適用范圍的提升：可以適用于不同厚度的鈑金，適用的鈑金厚度區(qū)間越大，對整車廠來說越實用，可以實現(xiàn)多車型的共用，成為共用件；如此，供貨量會相應提高，單價也就相應更低。

2）適用于鋁合金板的卡子：汽車輕量化需求促進了鋁合金板的應用，鋁合金板材與先用鈑金的制造工藝會有很大差異，故急需開發(fā)適用于鋁合金板材的卡子。

3）低揮發(fā)性材料的應用：目前廣泛應用的POM材料揮發(fā)性超標，隨著汽車內飾材料揮發(fā)性要求的提高，低揮發(fā)高性能的材料將會廣泛用在包括卡子在內的汽車零部件上。

4）增強抗剪切性能：抗剪切性能的提高會大大降低整車廠抱怨，提高卡子利用率。尤其是低溫下的抗斷裂能力的提高，會降低我國北方地區(qū)冬日汽車門飾板裝配和返修的難度及減少客戶抱怨。

5）應用2級自插拔結構：將塑料緊固件設計成2級，1級為緊固件跟鈑金件之間卡接，2級為緊固件內部卡接；拆卸時，1級部分與2級分離，利用緊固件塑料材料之間的自潤滑作用，避免拆卸時鈑金刮擦緊固件出現(xiàn)斷裂或者保持力損失等失效，提高緊固件的反復使用率。

7 結論

文章從應用層面對門飾板塑料緊固件的選擇和性能要求進行了探索，將基于鈑金厚度的選擇基礎、人體工程學的插拔力要求及應用位置的防水方式，作為門飾板卡子選擇與應用的原則。為了防止卡子安裝失效，提出了將抗剪切能力作為衡量卡子性能的指標之一。但目前尚無一個統(tǒng)一的試驗方法來獲取卡子的抗剪切能力，這是本課題的進一步研究方向。