【技術科普】卡扣設計參數對連接性能的(de)影響

随着汽車工業的(de)迅速發展，汽車已經進入了(le／liǎo)千家萬戶。消費者對内外飾舒适性、外觀、拆裝便捷性等要(yào / yāo)求不(bù)斷提高。卡扣作爲(wéi / wèi)零部件連接的(de)重要(yào / yāo)形式，具有結構簡單、拆裝方便和(hé / huò)經濟等優點，被越來(lái)越多的(de)應用到(dào)汽車中，以(yǐ)實現内外飾之(zhī)間以(yǐ)及内外飾與車身等其它零部件間的(de)連接。小小的(de)卡扣，若結構設計不(bù)合理、使用不(bù)當，不(bù)僅會引起車輛外觀不(bù)良（如門戶闆翹曲、配合件間隙增大(dà)），還會造成車門内飾闆抖動和(hé / huò)異響，甚至脫落，從而(ér)嚴重影響整車品質和(hé / huò)客戶體驗。

國(guó)外對卡扣的(de)研究起步較早， Hsieh.Ching C等人(rén)制定了(le／liǎo)兩套卡扣設計标準，一(yī / yì ／yí)套用于(yú)确定卡爪分布、交接點剛度以(yǐ)及幹涉，另一(yī / yì ／yí)套用來(lái)對倒角、卡扣的(de)長度、寬度等進行詳細設計。同時(shí)還指出(chū)，在(zài)進行卡扣設計時(shí)不(bù)僅要(yào / yāo)考慮插入力、容許變形和(hé / huò)保持力，還需要(yào / yāo)考慮鎖定系數、尺寸和(hé / huò)剛度、過插入力等。

近幾年國(guó)内的(de)汽車從業者們也(yě)對卡扣的(de)基本類型、連接原理、形狀、尺寸、設計參數與連接性能等多方面進行了(le／liǎo)研究。本文基于(yú)CATIA幾何模型通過有限元建模，通過對卡扣的(de)材料、卡爪角度、卡爪厚度等要(yào / yāo)素的(de)研究，确定影響卡扣性能的(de)主要(yào / yāo)因素和(hé / huò)卡扣的(de)最優結構。

卡扣的(de)基本結構見下圖

用作汽年内飾件的(de)塑料材料有多種，用來(lái)制造卡扣的(de)塑料材料一(yī / yì ／yí)般要(yào / yāo)求有良好的(de)力學性能，如：良好的(de)沖擊、耐磨性、尺寸穩定性及耐油性等。 PA6材料具備以(yǐ)上(shàng)性能要(yào / yāo)求，因此在(zài)卡扣生産中被廣泛應用。 但因其彈性模量較低，若用在(zài)對卡接力要(yào / yāo)求較大(dà)的(de)位置，則卡扣的(de)連接性能達不(bù)到(dào)使用要(yào / yāo)求。故需選取滿足該力學性能且彈性模量更高的(de)其它塑膠材料，如ABS和(hé / huò)POM等。其材料機械性能參數對比如表下所示。

研究發現彈性模量較大(dà)，泊松比大(dà)的(de)POM材料能取得更大(dà)的(de)卡接力。

同時(shí)，影響卡扣連接性能因素中，卡爪的(de)厚度也(yě)是(shì)主要(yào / yāo)影響因素之(zhī)一(yī / yì ／yí)。研究者分别選取卡爪厚度爲(wéi / wèi)1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm4個(gè)值爲(wéi / wèi)研究對象， 分析其對卡扣連接性能的(de)影響。當卡扣瓣厚增大(dà)時(shí)，插入力和(hé / huò)保持力也(yě)随之(zhī)增大(dà)，但在(zài)卡扣厚度從1.0mm增大(dà)到(dào)1.6mm的(de)過程中保持力僅僅增大(dà)19.6N，增大(dà)率僅爲(wéi / wèi)16％，而(ér)插入力卻增大(dà)了(le／liǎo)39.5N，增大(dà)率達到(dào)了(le／liǎo)92％，甚至增到(dào)1.6mm時(shí)，已不(bù)滿足插入力低于(yú)80N的(de)要(yào / yāo)求。雖然，卡扣瓣厚增大(dà)能提高原卡扣的(de)保持力，但其插入力的(de)提高更爲(wéi / wèi)明顯，所以(yǐ)，在(zài)設計過程中卡扣的(de)瓣厚不(bù)宜過厚，否則卡扣會更難安裝，一(yī / yì ／yí)般選擇1mm左右。

第三卡爪的(de)鼓起角度也(yě)是(shì)影響卡扣壓入和(hé / huò)拔插力的(de)主要(yào / yāo)因素，研究發現随着角度的(de)增大(dà)過程中，卡扣的(de)插入力和(hé / huò)保持力均減小，當角度達到(dào)150°，插人(rén)力減小13.4N，拔出(chū)力減小39.6N，減小率分别爲(wéi / wèi)31.2％和(hé / huò)32.3％。由此可得，增大(dà)角度，對插入力和(hé / huò)拔出(chū)力的(de)影響是(shì)相當的(de)，雖減小角度能使卡扣安裝過程避免被切削，但其保持力下降使卡扣的(de)連接性能受到(dào)影響。

所以(yǐ)，若要(yào / yāo)選用較大(dà)保持力的(de)卡扣，可選用POM材質，卡爪料厚可選取在(zài)1mm左右的(de)。卡爪角度在(zài)150度左右是(shì)可以(yǐ)有效解決卡扣插入時(shí)被切削問題，同時(shí)卡接力損失較小是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)比較合理結構角度。當然，卡扣的(de)卡接力并不(bù)是(shì)越大(dà)越好。若，車輛使用的(de)是(shì)較爲(wéi / wèi)廉價的(de)纖維闆基材的(de)内飾闆，則宜選用卡接力較小、更爲(wéi / wèi)柔韌的(de)PA材質的(de)卡扣，否則，安裝/拆卸時(shí)易造成内飾闆損壞。