楊春園 周新紅

摘 要：汽車內(nèi)外飾零件上有很多堵蓋零件，作為遮擋安裝點或其他可拆卸維修用，多采用塑料件，通過卡腳卡接固定?？_連接相比其他方式相比簡化了結(jié)構(gòu)，減小了零件數(shù)量和裝配工序，具有很高的成本優(yōu)勢。文章著重于從簡單的理論設(shè)計計算確定關(guān)鍵參數(shù)值，避免使用復(fù)雜的有限元分析軟件，縮短設(shè)計周期和門檻，通過實踐驗證反饋調(diào)整設(shè)計參數(shù)取得最優(yōu)結(jié)果，最終總結(jié)相應(yīng)的設(shè)計規(guī)則，形成一些普適的設(shè)計規(guī)范，給予其他設(shè)計者一些參考，避免采用經(jīng)驗主義或盲目的對標(biāo)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：堵蓋；卡扣

中圖分類號：U467 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-81-04

Abstract： There are a lot of cover parts on the interior and exterior parts of car as a shelter or other detachable maintenance， the cover is mostly plastic and is fixed by claw， the clasp simplifies the structure， reduces the number of parts and assembly processes and has a cost advantage. This paper focuses on the simple theoretical calculation to determine the key parameter values， avoiding the use of complex finite element analysis software and shortening the design cycle and threshold， through the practice， it is proved that the optimal results are obtained by the feedback adjustment design parameters， and the corresponding design rules are finally summed up， and some universal norms are formed for reference.

Keywords： Cover parts； Clasp

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-81-04

前言

堵蓋零件形狀較小，往往不被重視，設(shè)計水平也良莠不齊，存在很多問題。有的難裝配，有的難拆卸，有的容易損壞等等，規(guī)范設(shè)計顯得很重要。本文以保險杠拖鉤蓋板為例，結(jié)合參考文獻和實際設(shè)計經(jīng)驗對這類零件的設(shè)計流程和設(shè)計方法進行了闡述，形成相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，希望能給其他設(shè)計人員提供一些參考和幫助，避免重蹈覆轍。這些方法和標(biāo)準(zhǔn)也可以推廣到其他的塑料件卡扣連接位置使用，不僅限于堵蓋類零件。

1 設(shè)計流程

流程如下圖1所示，首先定義零件的功能，確認(rèn)功能以及是否需要經(jīng)常拆卸；其次根據(jù)零件所處位置確定裝配所采用方式、與本體配合的形狀組合方式，接下來估算卡扣的相關(guān)參數(shù)值，完善零件的三維結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性的檢查各項功能設(shè)計，凍結(jié)設(shè)計并開發(fā)模具，最終通過實物零件裝配驗證設(shè)計準(zhǔn)確性，對存在的問題進行微調(diào)，形成總結(jié)文件。其中最重要的是第二和第三環(huán)節(jié)，他決定了設(shè)計的基礎(chǔ)方向。

2 設(shè)計過程

以圖2所示某車型前保險杠拖鉤蓋板為例，詳述設(shè)計過程。

2.1 功能定義

拖鉤蓋板裝配在前格柵上拖鉤正前方位置，車輛拖鉤不能直接外露（影響美觀），在需要使用拖鉤時將蓋板拆卸后即可露出使用，因此拖鉤蓋板的主要功能是裝飾遮丑和使用拖鉤。設(shè)計時要重點考慮用戶的拆卸和安裝方便性，即不借助工具僅用手就可以拆裝，重復(fù)拆裝不損壞的次數(shù)約為10次。

原材料選取，一般按照基體材料選擇，這樣可簡化原材料采購以及匹配關(guān)系。這里格柵材料為ABS，所以拖鉤蓋板材料也選相同的ABS。

2.2 裝配方式的確定

配方式有推、滑、翻、扭、轉(zhuǎn)五種。其中前三種應(yīng)用較多，后兩種較少。如下圖3所示，推是直線運動，就是把零件往一個固定方向推動，直到裝配到位，裝配過程最簡單?；彩侵本€運動，通過導(dǎo)向特征沿著導(dǎo)槽運動實現(xiàn)。翻的運動包括插入、旋轉(zhuǎn)組成，先將插腳插入孔內(nèi)，再將另外一側(cè)的卡腳旋轉(zhuǎn)卡入孔內(nèi)完成。三種運動各有優(yōu)缺點，按實際情況進行選用，但是翻的運動因為本體具有導(dǎo)向定位的功能，因此在實際使用時盡可能考慮選取翻的方式裝配。

確定蓋板選用翻的形式裝配，根據(jù)拖鉤使用的要求結(jié)合造型確定蓋板的外形大小位置如圖4，卡接方向同出模方向沿X軸。根據(jù)拆裝方便性以及空間情況，布置插腳和卡腳、支撐軸位置。

3 卡扣設(shè)計計算

卡扣設(shè)計計算主要通過簡單的材料力學(xué)公式計算確定卡腳的各項數(shù)值，卡腳類型有懸臂梁式、止逆式、平板式、環(huán)形等，常用懸臂梁式，也是拖鉤蓋板采用的，如下圖5所示。

卡腳設(shè)計主要是根據(jù)零件所處環(huán)境確定表1中各個參數(shù)值，他們是否合理直接影響了零件的設(shè)計準(zhǔn)確性。

3.1 初步取值

根據(jù)表1的標(biāo)準(zhǔn)，為拖鉤蓋板卡腳選取初步的各項參數(shù)值。

T-拖鉤蓋板位于前格柵，基本料厚同前格柵，T=3mm。

t-卡腳根部厚度t需要同時考慮注塑件表面縮痕問題和卡腳根部強度，過大會導(dǎo)致表面縮水影響外觀質(zhì)量，過小會減弱根部強度容易斷裂，這里初步取t=1mm，后期根據(jù)模流分析結(jié)果盡量取大。

L-卡腳高度L主要影響裝配過程中卡腳變形的應(yīng)力應(yīng)變和裝配后的保持強度，過小的取值會增大應(yīng)力應(yīng)變，使得卡腳難以偏斜變形，過大的取值會影響保持強度，使得零件容易脫出，這里L(fēng)初步選擇L=8t=8mm。

y-卡接量主要通過拆裝過程中卡腳的最大偏斜量來影響保持強度和裝配力，這里初步取y=1.3mm。

α-保持角影響保持強度，越大越難分離，具體選擇時根據(jù)拆卸要求選取。對于不受外部載荷影響，只需小的徒手拆卸力就能拆卸的零件，角度范圍40?～55?；對于有一定外部載荷影響或需要借助外部工具拆卸的零件，角度范圍55?～75?；對于有外部載荷影響非拆卸的零件，角度范圍75?～85?。這里拖鉤蓋板所處環(huán)境為前保險杠位置，受到一定的外部載荷影響同時還要可拆卸，因此保持角度初步取α=60 ?。

β-插入角影響裝配力大小，越大越難裝配。這里取β=30 ?。

W-卡腳寬度影響裝配力、拆卸力、保持強度、卡腳強度，但不影響應(yīng)變（寬度不帶斜度時），這里初步W=7mm。

3.2 計算校核

按初步的參數(shù)取值進行計算，確定最大應(yīng)變、裝配力、保持力、拆卸力，并與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較確認(rèn)是否滿足，如滿足則參數(shù)取值合理，否則繼續(xù)調(diào)整參數(shù)重新計算直至滿足。在計算前，先從供應(yīng)商處確認(rèn)以下數(shù)值，原材料的最大許用應(yīng)變εmax、彈性模量E、摩擦系數(shù)u、偏斜系數(shù)Q。拖鉤蓋板的原材料為ABS，從供應(yīng)商處查得εmax=2.5%，E=2100 MPa，u=0.4，Q=1.10。

拆卸時，通過人手在插腳處零件表面按壓，蓋板繞支撐軸的旋轉(zhuǎn)彈出，根據(jù)力矩平衡公式可得拆卸力。

最終計算得到應(yīng)變ε=2.8%，裝配力f1=15.4N，保持力f2=59.7N，拆卸力f3=44.8N，其中應(yīng)變ε超過了材料的許用值，不滿足要求。對于應(yīng)變ε，計算值是在兩個理想假設(shè)條件下得到的，其一是設(shè)定蓋板除卡腳之外部分是完全剛性的，不會變形；其二格柵是完全剛性的，不會變形。但實際情況下這兩個部分是會變形，會減小卡腳的實際應(yīng)變，因此還要乘以一個調(diào)整系數(shù)來修正ε，這里取0.8，調(diào)整之后ε=0.8* 2.8%=2.24%，滿足小于εmax的要求。裝配力和保持力、操作力是ε的線性函數(shù)，修正后分別為12.3N和47.8N、35.8N，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：裝配力≤20N，保持力≥45N，操作力30N～40N，滿足。

4 零件設(shè)計

確定好卡腳的各項參數(shù)值后，需要進一步完善零件的其它設(shè)計，包括約束系統(tǒng)、空間校核、強度剛度設(shè)計、尺寸精度設(shè)計、注塑工藝要求等。

約束系統(tǒng)是對蓋板裝配后的空間自由度約束，避免零件出現(xiàn)松動異響等問題，約束的分布要均衡，不宜過多過約束。蓋板的插腳與卡腳已經(jīng)具備了部分的約束功能，剩下的約束如下圖6所示，主要考慮裝配方向上的支撐以防止蓋板在裝配方向松動和圓周方向的約束以防止沿著徑向松動。具體在這里，裝配方向的支撐主要是上下兩側(cè)的支腳頂住格柵實現(xiàn)，徑向的約束通過側(cè)面的突起筋接觸實現(xiàn)。

剛度設(shè)計是為了提升零件的整體強度，保證拆裝時變形主要發(fā)生在卡腳上使得理論計算吻合實際情況，主要通過在蓋板周邊的翻邊特征來加強，還可以在內(nèi)表面布置加強筋提升。強度設(shè)計主要針對卡腳、插腳、支腳這些功能結(jié)構(gòu)進行，因為這些特征尺寸較小同時承受載荷容易發(fā)生斷裂，可采用加強筋、翻邊、增加寬度、錐度等手段，需要注意的是，卡腳根部的加強筋應(yīng)布置在受壓側(cè)。

空間校核重點分析卡腳變形的過程、零件拆裝過程、零件不同的使用位置等，避免出現(xiàn)過程中的干涉等問題?？梢酝ㄟ^Catia等軟件進行斷面設(shè)計、運動仿真等分析。

設(shè)計預(yù)留與柔量，在設(shè)計時需要考慮產(chǎn)品實際制造存在的公差等情況，因此對約束設(shè)計可以采用柔量設(shè)計方法，如下圖7a所示，約束特征與基體面接觸位置是尖銳的，有一定的過盈配合，因為這里的尖銳部分是容易變形的，因此可以吸收一定的制造工差。如下圖7b所示，兩個特征的配合，如果不確定是否要接觸，在設(shè)計時可先定為不接觸，在產(chǎn)品實際裝配驗證時確認(rèn)是否可行，如要修改為接觸模具上是去料，相對容易，也就是說對于設(shè)計不確定性，考慮后期模具調(diào)整方便性來確定。

5 凍結(jié)開發(fā)驗證

零件通過一系列的檢查評審?fù)ㄟ^后，進行模具開發(fā)，產(chǎn)品出來后裝配驗證，測量各項數(shù)值與理論計算值進行比較，對存在的問題進行微調(diào)優(yōu)化，總結(jié)后完善設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。常見的質(zhì)量故障和應(yīng)對措施如下表2所示。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合實際工作中的案例，通過理論計算與實際驗證結(jié)合的方式，總結(jié)梳理了蓋板零件設(shè)計的一些要點和標(biāo)準(zhǔn)，事實證明這些計算和標(biāo)準(zhǔn)是基本正確的，可以作為設(shè)計時的參考依據(jù)。這些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可以推展到其他采用塑料卡扣設(shè)計的零件上，給其他設(shè)計人員提供一些借鑒，以減少設(shè)計錯誤提升設(shè)計效率。

參考文獻

[1] 黃金陵.汽車車身設(shè)計.機械工業(yè)出版社.2007.

[2] 保羅.R.博登伯杰.塑料卡扣連接技術(shù).2004.

[3] 萬蘇文.機械制造技術(shù).清華大學(xué)出版社.2009.