楊春園 周新紅

摘 要：汽車(chē)內(nèi)外飾零件上有很多堵蓋零件，作為遮擋安裝點(diǎn)或其他可拆卸維修用，多采用塑料件，通過(guò)卡腳卡接固定?？_連接相比其他方式相比簡(jiǎn)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(shì)。文章著重于從簡(jiǎn)單的理論設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)周期和門(mén)檻，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證反饋調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)取得最優(yōu)結(jié)果，最終總結(jié)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則，形成一些普適的設(shè)計(jì)規(guī)范，給予其他設(shè)計(jì)者一些參考，避免采用經(jīng)驗(yàn)主義或盲目的對(duì)標(biāo)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：堵蓋；卡扣

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(jì)水平也良莠不齊，存在很多問(wèn)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(jì)顯得很重要。本文以保險(xiǎn)杠拖鉤蓋板為例，結(jié)合參考文獻(xiàn)和實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)這類零件的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(jì)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(jì)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(lái)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(xiàng)功能設(shè)計(jì)，凍結(jié)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)模具，最終通過(guò)實(shí)物零件裝配驗(yàn)證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)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(jì)的基礎(chǔ)方向。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

以圖2所示某車(chē)型前保險(xiǎn)杠拖鉤蓋板為例，詳述設(shè)計(jì)過(guò)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(chē)輛拖鉤不能直接外露（影響美觀），在需要使用拖鉤時(shí)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(jì)時(shí)要重點(diǎn)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(jiǎn)化原材料采購(gòu)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(yùn)動(dòng)，就是把零件往一個(gè)固定方向推動(dòng)，直到裝配到位，裝配過(guò)程最簡(jiǎn)單。滑也是直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)向特征沿著導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。翻的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，按實(shí)際情況進(jìn)行選用，但是翻的運(yùn)動(dòng)因?yàn)楸倔w具有導(dǎo)向定位的功能，因此在實(shí)際使用時(shí)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(jì)計(jì)算

卡扣設(shè)計(jì)計(jì)算主要通過(guò)簡(jiǎn)單的材料力學(xué)公式計(jì)算確定卡腳的各項(xiàng)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(jì)主要是根據(jù)零件所處環(huán)境確定表1中各個(gè)參數(shù)值，他們是否合理直接影響了零件的設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shí)考慮注塑件表面縮痕問(wèn)題和卡腳根部強(qiáng)度，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致表面縮水影響外觀質(zhì)量，過(guò)小會(huì)減弱根部強(qiáng)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(guò)程中卡腳變形的應(yīng)力應(yīng)變和裝配后的保持強(qiáng)度，過(guò)小的取值會(huì)增大應(yīng)力應(yīng)變，使得卡腳難以偏斜變形，過(guò)大的取值會(huì)影響保持強(qiáng)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(guò)拆裝過(guò)程中卡腳的最大偏斜量來(lái)影響保持強(qiáng)度和裝配力，這里初步取y=1.3mm。

α-保持角影響保持強(qiáng)度，越大越難分離，具體選擇時(shí)根據(jù)拆卸要求選取。對(duì)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(duì)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(duì)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(xiǎn)杠位置，受到一定的外部載荷影響同時(shí)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(qiáng)度、卡腳強(qiáng)度，但不影響應(yīng)變（寬度不帶斜度時(shí)），這里初步W=7mm。

3.2 計(jì)算校核

按初步的參數(shù)取值進(jìn)行計(jì)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(jìn)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(jì)算直至滿足。在計(jì)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?chǔ)舖ax、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(shí)，通過(guò)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(jì)算得到應(yīng)變?chǔ)?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?chǔ)懦^(guò)了材料的許用值，不滿足要求。對(duì)于應(yīng)變?chǔ)牛?jì)算值是在兩個(gè)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(huì)變形；其二格柵是完全剛性的，不會(huì)變形。但實(shí)際情況下這兩個(gè)部分是會(huì)變形，會(huì)減小卡腳的實(shí)際應(yīng)變，因此還要乘以一個(gè)調(diào)整系數(shù)來(lái)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(jì)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(jì)

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

約束系統(tǒng)是對(duì)蓋板裝配后的空間自由度約束，避免零件出現(xiàn)松動(dòng)異響等問(wèn)題，約束的分布要均衡，不宜過(guò)多過(guò)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(dòng)和圓周方向的約束以防止沿著徑向松動(dòng)。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(shí)現(xiàn)，徑向的約束通過(guò)側(cè)面的突起筋接觸實(shí)現(xiàn)。

剛度設(shè)計(jì)是為了提升零件的整體強(qiáng)度，保證拆裝時(shí)變形主要發(fā)生在卡腳上使得理論計(jì)算吻合實(shí)際情況，主要通過(guò)在蓋板周邊的翻邊特征來(lái)加強(qiáng)，還可以在內(nèi)表面布置加強(qiáng)筋提升。強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要針對(duì)卡腳、插腳、支腳這些功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行，因?yàn)檫@些特征尺寸較小同時(shí)承受載荷容易發(fā)生斷裂，可采用加強(qiáng)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(qiáng)筋應(yīng)布置在受壓側(cè)。

空間校核重點(diǎn)分析卡腳變形的過(guò)程、零件拆裝過(guò)程、零件不同的使用位置等，避免出現(xiàn)過(guò)程中的干涉等問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)Catia等軟件進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真等分析。

設(shè)計(jì)預(yù)留與柔量，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮產(chǎn)品實(shí)際制造存在的公差等情況，因此對(duì)約束設(shè)計(jì)可以采用柔量設(shè)計(jì)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(guò)盈配合，因?yàn)檫@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(gè)特征的配合，如果不確定是否要接觸，在設(shè)計(jì)時(shí)可先定為不接觸，在產(chǎn)品實(shí)際裝配驗(yàn)證時(shí)確認(rèn)是否可行，如要修改為接觸模具上是去料，相對(duì)容易，也就是說(shuō)對(duì)于設(shè)計(jì)不確定性，考慮后期模具調(diào)整方便性來(lái)確定。

5 凍結(jié)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證

零件通過(guò)一系列的檢查評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后，進(jìn)行模具開(kāi)發(fā)，產(chǎn)品出來(lái)后裝配驗(yàn)證，測(cè)量各項(xiàng)數(shù)值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化，總結(jié)后完善設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。常見(jiàn)的質(zhì)量故障和應(yīng)對(duì)措施如下表2所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工作中的案例，通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)合的方式，總結(jié)梳理了蓋板零件設(shè)計(jì)的一些要點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)證明這些計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)是基本正確的，可以作為設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)的零件上，給其他設(shè)計(jì)人員提供一些借鑒，以減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤提升設(shè)計(jì)效率。

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