門護(hù)板緊固件的設(shè)計(jì)策略

張超

神龍汽車有限公司，湖北武漢 430056

0 引言

門護(hù)板作為汽車內(nèi)飾件的重要組成部分，具有包覆金屬門板，提供滿足人機(jī)工程、舒適性、功能性和方便性的優(yōu)美外觀的功能。門護(hù)板總成安裝主要靠卡扣和螺栓連接。門護(hù)板需要安裝在車門鈑金、拉手支架等環(huán)境件；內(nèi)開啟手柄、小揚(yáng)聲器喇叭、開關(guān)面板等環(huán)境件需要安裝在門護(hù)板上，而安裝就需要螺栓、螺母、塑料卡扣等緊固件緊固。緊固件的優(yōu)選策略保證了緊固的有效和可靠，不會(huì)產(chǎn)生外觀和功能缺陷。

1 可拆卸式塑料卡扣

1.1 可拆卸式塑料卡扣的分類

卡扣的結(jié)構(gòu)和分類如圖1所示。

圖1 卡扣的結(jié)構(gòu)和分類

卡扣作為塑料緊固件的一種，有別于傳統(tǒng)的螺紋緊固件機(jī)械連接，其主要通過彈性變形卡入裝配孔，裝入后卡扣回彈與孔形成過盈配合實(shí)現(xiàn)固定連接?？刹鹦妒剿芰峡鄣慕Y(jié)構(gòu)最前面為錐形頭，錐形頭卡入鈑金孔中；中間為帶密封圈的盤，其密封圈用于密封鈑金孔，防止鈑金孔漏水到門護(hù)板內(nèi)部；連接密封圈盤和尾部法蘭盤的是中間軸，尾部法蘭盤和密封圈盤中間間隙卡在卡扣基座上面，卡扣基座焊接在門護(hù)板本體上?？刹鹦端芰峡鄹鶕?jù)尾部法蘭盤的結(jié)構(gòu)不同分尾部彈性大法蘭盤型和尾部小法蘭盤型。

1.2 可拆卸式塑料卡扣的優(yōu)選

尾部彈性大法蘭盤型和尾部小法蘭盤型卡扣的定位原理是不同的。尾部彈性大法蘭盤型的主要特征是其尾部法蘭盤由4個(gè)薄壁的彈性爪均布而成，每個(gè)彈性爪外端有圓弧結(jié)構(gòu)，4個(gè)圓弧結(jié)構(gòu)圍成一個(gè)外圓與基座大法蘭盤內(nèi)孔形成軸孔配合，如圖2所示。由于彈性爪具有彈性，當(dāng)錐形頭與鈑金孔中心線不在一條直線時(shí)，只要錐形頭的頭部可以插入鈑金孔的邊緣，在錐形頭進(jìn)入的過程中，卡扣的尾部法蘭盤受到作用力，壓縮彈性爪，使其往同心的方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其自定心的作用。另外，由于大法蘭盤的彈性爪的彈性緩沖作用，在振動(dòng)環(huán)境下，彈性的大法蘭盤可以起到緩沖降噪的作用。

圖2 卡扣的定位原理

尾部小法蘭盤的定位原理是利用卡扣的中間軸和基座的中間軸內(nèi)孔形成軸孔間隙配合，如圖2所示，間隙配合的作用也是為了其自定心作用。而軸和孔是小間隙配合，在振動(dòng)環(huán)境下，軸與孔的磕碰容易產(chǎn)生噪聲。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮重力的影響，卡扣在卡扣座上面，由于受到重力作用，卡扣會(huì)往下沉，中間軸的下端外圓會(huì)與卡扣基座中間軸內(nèi)孔下端的內(nèi)孔相切接觸。還要設(shè)計(jì)成不對(duì)中狀態(tài)，預(yù)留一個(gè)下沉量，如下沉量設(shè)計(jì)不合理，會(huì)在后面造成卡扣與鈑金孔的不對(duì)中。

綜上所述，在選用門護(hù)板可拆卸卡扣時(shí)，為了避免異響噪聲和卡扣與鈑金孔不對(duì)中的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)先選擇使用尾部彈性大法蘭盤型卡扣。

1.3 可拆卸式塑料卡扣座的優(yōu)選

卡扣座位于門飾板B面，與卡扣相連，根據(jù)不同用途其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不同?？圩淖饔檬墙o可拆卸式塑料卡扣提供支撐和固定作用，同時(shí)防止卡扣從卡扣座中脫出,一般設(shè)計(jì)有防脫出結(jié)構(gòu)。

防脫結(jié)構(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：①在卡扣脫出方向設(shè)置防脫凸點(diǎn)；②設(shè)置防脫倒鉤。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 兩種防脫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防脫凸點(diǎn)是在脫出方向設(shè)置擋點(diǎn)，將卡扣在防脫方向擋住，為了安裝方便防脫凸點(diǎn)的高度不宜太高，太高會(huì)擋住卡扣往里安裝，設(shè)計(jì)成合適的高度，卡扣在安裝時(shí)，克服凸點(diǎn)的摩擦阻力作用，進(jìn)入卡扣座正確的位置。而防脫倒鉤則是設(shè)計(jì)了一個(gè)薄壁的斜條倒鉤，它是彈性的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，卡扣往里推，壓著防脫倒鉤，防脫倒鉤產(chǎn)生彈性變形，便于卡扣進(jìn)入卡扣座。當(dāng)卡扣進(jìn)入卡扣座正確的位置時(shí)，防脫倒鉤不再受壓力，恢復(fù)到原來的位置，其前端抵住卡扣的中間軸，防止卡扣脫出。

防脫凸點(diǎn)卡扣座由于凸點(diǎn)的高度不好把握：凸點(diǎn)高了，卡扣裝入卡扣座困難；凸點(diǎn)低了，卡扣從卡扣座中的脫出力太小，卡扣容易在門護(hù)板運(yùn)輸和取放料過程中從卡扣座中脫出掉落，鈑金孔沒有卡扣的密封圈密封作用會(huì)產(chǎn)生淋雨檢查漏水的缺陷。因此設(shè)計(jì)卡扣座防脫時(shí)，優(yōu)先選擇防脫倒鉤結(jié)構(gòu)。

2 防撞卡扣

2.1 防撞卡扣的結(jié)構(gòu)

防撞卡扣是門護(hù)板和鈑金的重要連接件。增加門護(hù)板緊固強(qiáng)度的防撞卡扣在車門側(cè)碰中起到連接和緩沖作用，防止汽車側(cè)碰時(shí)，門護(hù)板的塑料卡扣的脫出而導(dǎo)致的門護(hù)板與乘員發(fā)生碰撞。主要由卡扣、卡扣基座、拉環(huán)插銷型卡夾等組成，如圖4所示。

圖4 防撞卡扣的組成及局部放大圖

2.2 防撞卡扣的安裝及工作原理

防撞卡扣的安裝及工作原理如圖5所示。

圖5 防撞卡扣的安裝及工作原理

由圖5可知，防撞卡扣安裝過程及工作原理為：卡扣座安裝在車門鈑金上,由彈性鋼絲折彎而成的拉環(huán)插銷型卡夾橫插入卡扣座的孔槽中。卡扣大、小法蘭盤安裝在門護(hù)板的卡扣基座上，卡扣基座焊接在門護(hù)板本體上。安裝門護(hù)板時(shí)，卡扣的錐形頭插入卡扣座的孔并撐開拉環(huán)插銷型卡夾兩個(gè)半圓形組成的圓孔，兩個(gè)半圓形的彈性鋼絲越過錐形頭的末端后，卡緊卡扣的中間軸，因兩個(gè)半圓形組成圓孔的直徑小于卡扣的中間軸的直徑，卡扣的中間軸的直徑小于錐形頭末端的直徑，鋼絲夾住中間軸的中間位置。在側(cè)碰時(shí)，撞擊和沖擊力大于門護(hù)板白色塑料卡扣的脫出力，防撞卡扣往外脫出時(shí)，其拉環(huán)插銷型卡夾的兩個(gè)半圓形鋼絲移動(dòng)到錐形頭的末端臺(tái)階端面并緊緊箍住卡扣，從而防止門護(hù)板彈開、脫出，虛線的卡扣代表側(cè)碰時(shí)的狀態(tài)。另外，在側(cè)碰過程中，卡扣被鋼絲夾住，在這兩個(gè)位置來回高頻震蕩吸能，減少碰撞能量對(duì)乘員的傷害。當(dāng)需要拆下門護(hù)板時(shí)，使用鋼絲鉤子鉤住外拉環(huán)插銷型卡夾的拉環(huán)，拉環(huán)插銷型卡夾由于具有彈性，其兩個(gè)半圓形的鋼絲部分在中間軸中被撐開，從卡扣基座中脫出。

2.3 防撞卡扣的定位原理

卡扣座的定位原理為：基座的軸和鈑金的孔形成軸孔配合定位，定位精度按照軸孔的配合公差計(jì)算。

防撞卡扣的定位原理為：大法蘭盤外端有6個(gè)“手槍形”的厚度為3 mm的薄壁爪。6個(gè)薄壁爪的外端圓弧構(gòu)成一個(gè)圓。由于薄壁爪是塑料材質(zhì)，其構(gòu)成一圈為彈性爪，彈性爪外圓與卡扣基座的內(nèi)孔配合，形成軸孔配合定位。大法蘭盤外圈是彈性爪，其可以在卡扣脫出方向移動(dòng)，以防止其脫出；小法蘭盤和卡扣基座的配合面有兩個(gè)凸臺(tái)作為擋塊，限制其脫出，此外其在脫出方向上的定位。防撞卡扣的定位原理如圖6所示。

圖6 防撞卡扣的定位原理

2.4 防撞卡扣基座的優(yōu)選

防撞卡扣基座設(shè)計(jì)有兩種。一種是普通的基座，另一種是在普通基座上面增加了爪子和筋，如圖7所示。增加了兩個(gè)爪子，兩個(gè)爪子形成一個(gè)V型定位機(jī)構(gòu)，將卡扣限定在原位，不讓其向脫出方向移動(dòng)，保證其滿足與鈑金卡扣孔的同軸度要求。加筋的作用是使得防撞卡扣和基座產(chǎn)生過盈配合，防止卡扣在向的間隙產(chǎn)生竄動(dòng)導(dǎo)致異響。普通基座容易產(chǎn)生防撞卡扣不對(duì)中和向竄動(dòng)噪聲的缺陷，因此，優(yōu)先選擇帶爪子和筋的防撞卡扣基座。

圖7 防撞卡扣基座結(jié)構(gòu)的對(duì)比

3 拉手螺栓

3.1 拉手螺栓的分類

目前市場(chǎng)主流門護(hù)板拉手盒位置的固定方案：以金屬支架或塑料支架為中間連接件，將拉手盒和鈑金進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)門護(hù)板拉手盒位置的門護(hù)板的固定，達(dá)到滿足強(qiáng)度的要求和拉手盒長期操作耐久要求。通過螺栓將門護(hù)板的拉手前蓋板以及地圖袋連接在拉手支架上面的簧片螺母上面，塑料拉手支架通過卡接卡在鈑金上，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 拉手螺栓結(jié)構(gòu)

連接拉手支架和門護(hù)板拉手的螺栓有3種：帶墊片的外六角螺栓、普通T30螺栓、大頭T30螺栓，如圖9所示。

圖9 3種螺栓

普通T30螺栓的螺栓頭比較小，因此支撐面積較小，使用規(guī)定扭矩的電動(dòng)扳手有可能把門護(hù)板打出豁口，使得螺釘頭陷入門護(hù)板的夾層中,如圖10a所示。而帶墊片的外六角螺栓在電動(dòng)扳手套筒套住外六角頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，套筒端頭壓著墊片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)摩擦扭矩，將墊片表面的黑色漆磨掉，顯示出白色的金屬亮點(diǎn)，造成外觀質(zhì)量缺陷，如圖10b所示。綜上所述，優(yōu)先選擇大頭T30螺栓作為拉手支架的緊固件。

圖10 普通T30螺栓和帶墊片的外六角螺栓的缺陷

3.2 拉手螺栓的支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)選

拉手支架支撐結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 拉手支架支撐結(jié)構(gòu)

螺栓通過拉手支架的簧片螺母將門護(hù)板的拉手前蓋板和地圖袋連接在一起，拉手前蓋板和地圖充當(dāng)其支撐結(jié)構(gòu)。如圖11a所示，支撐結(jié)構(gòu)僅在地圖袋上有兩個(gè)豎直方向的筋，豎直筋內(nèi)部是中空結(jié)構(gòu)，螺栓擰緊后，會(huì)將中空結(jié)構(gòu)的沒有支撐的拉手前蓋板表面層壓潰，螺栓頭陷入拉手前蓋板和地圖袋的夾層中，使得螺栓不能被拆卸下來，影響其使用功能。如圖11b所示，則是在地圖袋兩個(gè)豎直筋中間增加了圓環(huán)筋及輻條筋，這樣在中空結(jié)構(gòu)區(qū)域有筋的支撐作用，螺栓就不會(huì)將前蓋板表面層壓潰。

4 內(nèi)開啟手柄卡扣

4.1 內(nèi)開啟手柄卡扣的分類

內(nèi)開啟手柄掛在鈑金上面，門護(hù)板安裝在鈑金上時(shí)，門護(hù)板的內(nèi)開啟手柄定位銷插入內(nèi)開啟手柄的定位孔里面實(shí)現(xiàn)定位，門護(hù)板的內(nèi)開啟手柄卡扣卡入內(nèi)開啟手柄的卡接孔里面實(shí)現(xiàn)卡接。其卡扣結(jié)構(gòu)可以分為兩個(gè)半箭頭型和封閉錐頭型兩類，結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 內(nèi)開啟手柄卡扣結(jié)構(gòu)

4.2 內(nèi)開啟手柄卡扣的優(yōu)選

由于內(nèi)開啟手柄和門護(hù)板的相對(duì)位置有誤差，兩個(gè)半箭頭型卡扣在和內(nèi)開啟手柄卡接的過程中，其中的某一個(gè)箭頭卡扣和內(nèi)開啟手柄發(fā)生碰撞，造成其從根部折彎從而不能卡接到位，導(dǎo)致兩者間隙大的質(zhì)量缺陷，如圖13所示。由于封閉型的卡扣為對(duì)稱的一個(gè)封閉的整體，其卡扣強(qiáng)度很高，不容易發(fā)生折彎。因此，優(yōu)先選擇封閉錐頭型卡扣。

圖13 兩個(gè)半箭頭型卡扣根部折彎

5 結(jié)束語

門護(hù)板的緊固件為門護(hù)板和其環(huán)境件連接的重要零部件或結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，若選用了不可靠的結(jié)構(gòu)或型號(hào)，通常會(huì)造成緊固件的失效或功能外觀質(zhì)量問題。本文介紹了門護(hù)板的大部分緊固件及其結(jié)構(gòu)，通過失效模式分析，對(duì)每種緊固件及其結(jié)構(gòu)做出最優(yōu)的選擇，為汽車行業(yè)門護(hù)板的設(shè)計(jì)者提供經(jīng)驗(yàn)反饋和設(shè)計(jì)參考。優(yōu)選的設(shè)計(jì)策略對(duì)同行具有很好的借鑒意義。