塑胶件的结构设计：卡扣篇（下）

卡扣设计的原则

卡扣设计的最终目标是要实现两个零件之间的成功连接固定，要达到连接固定的效果，卡扣设计时需要从以下几方面进行考虑：连接可靠性、约束完整性和装配协调性，它们是卡扣连接成功的关键要求，其他要求还应该包括制造工艺的可行性、成本的高低等。

1. 连接可靠性

连接可靠性最核心的一点就是卡扣需要保证有足够的保持强度，以下为悬臂梁卡扣保持力的一般公式：

由以上公式可知，保持力Fr 跟Wb、E、Tb、Lb、μs、βe有关；其中

Wb：卡扣的宽度；

E：卡扣的弹性模量；

Tb：卡扣的厚度；

Lb：卡扣的长度；

Y：卡扣保持面的深度；

μs：卡扣的摩擦系数；

βe：卡扣的保持面角度。

上面参数，除了弹性模量E、摩擦系数μs跟卡扣所用的材料有关外，其他参数跟卡扣的结构设计相关；通过增大Wb、Tb/Lb的比值、Y、βe都可以增强卡扣的保持强度。

1）增大Wb

增大卡扣的宽度Wb，可以增大梁的刚度以及卡扣保持面与配合件的面积，理论上卡扣宽度越大，卡扣的保持强度就越大，但是实际设计中，考虑到制造与装配，常常通过设计多个小卡扣代替一个大卡扣。

卡扣的排布：卡扣应均匀设置在零件的四周，以均匀承受载荷，对于容易变形的地方（如零件的角落），可以考虑尽量让卡扣靠近这些地方。

整圈卡扣一般用在卡合量不大的零件或设计在较软材料上的零件上，常常采用强脱出模，比如常见的一些日化产品的瓶盖。

对于一些宽度较大的卡扣，为了提高母扣的强度，可以在大卡扣中设计两个小卡扣，如下图。

2）增大Tb/Lb的比值

增大Tb或减小Lb都可以增大Tb/Lb的比值，实际上也是增大梁的刚度，但是Tb不宜过大，否则会引起外观不良，合理的方式是通过增加加强筋或者局部淘胶，如下图。

Lb也不宜过小，否则难于装配（虽然保持强度增大了），如果因空间限制，Lb过小的情况下，需适当减小Tb，但为了兼顾卡扣的强度，可以考虑在卡扣根部添加加强筋，如下图。

3）增大Y

Y这里指的是卡扣保持面的深度，实际上卡扣的保持强度应该是跟卡合量有关，理论上Y值可以等于卡合量，但是在实际结构设计中，为了便于装配以及后续的调整，一般预留一定的间隙或余量，比如以下某卡扣的设计，前后都预留了0.2-0.5的间隙，预留空间方便后续通过改模增大Y值。

Y值越大，卡扣脱开需要的变形就越大，也就是保持强度越大；但是反过来，装配就变得困难，这之间是矛盾的，所以一般Y的取值在0.3-1.2之间，根据具体的应用可在0.3-1.2之间取值。

采用以下这种增强件结构，可以在Y值不变的情况下增强卡扣的保持强度，同时，通过一定的优化设计，可以兼容装配的方便性。

使用这种结构，卡扣装配后头部的保持元件被限位弹片（增强件）抵住，卡扣不易松脱，保持强度很高，稳定性好。

通过以上优化后，使其装配性更好，同时保持强度不会降低很多，缺点是如果卡扣在产品内部，拆卸性差，为了能够实现拆卸，必要的情况下可以在卡扣上方设计拆卸口，如下图，通过工具实现拆卸。

卡扣的卡合量（Y值）在装配后确定一个相对不变的值，但是在使用的过程中，外壳变形导致Y值减小而导致卡扣易松脱，以下这种限位筋（反插骨）对Y值起到一定的保持作用，限位筋离卡扣越近，卡扣的保持强度就越强，同时，限位筋应成对设计，才能有更好的效果。

但是为了兼顾装拆性能，限位筋与卡扣之间一般保持一定的距离。

对于一些特殊结构，也可以通过插入锁销填充卡扣背面的空间，防止卡扣偏斜导致卡合量Y值减小而脱开。

2. 约束完整性

卡扣在装配或拆卸的过程中，实际上是装配件相对于基体件的运动，装配件如果没有约束，其最终状态是不确定的，也是不稳定的；约束，就是装配件相对于基体件的运动控制。

约束的完整性包括定位和锁紧，如果说锁紧是卡扣连接的最终目标，那么约束就是实现最终目标最基本的关键要求。

常见的锁紧件包括钩爪、卡爪、环套、扭杆和止逆等，锁紧件与配合件组合形成锁紧副。

常见的定位件包括：销、锥销、导轨、楔、卡爪、表面、边缘、凸耳、凸台、槽、孔和活铰链等，定位件与配合件组合形成定位副。

锁紧副之前文章已经以悬臂梁卡扣为例进行大篇幅介绍，以下主要针对定位副做进一步介绍。

一个好的连接结构，应该是首先被导向，然后是定位，最后才是连接紧固，对卡扣连接而言，也应如是。

卡扣设计定位结构有以下好处：

l 定位结构起到导向作用，便于装配；

l 确定唯一装配位置，防止装配不当损坏卡扣；

l 提高卡扣的配合精度，从而提高卡扣的连接强度；

l 抵抗卡扣某方向上的分离力，从而提高卡扣的连接强度。

定位结构在零件上一般会以两种方式存在：

l 一种是零件本身就存在的，能起到局部定位功能的结构，如零件的边缘和表面等。零件本身的定位结构精度低，不易实现尺寸的控制与微调。

l 一种是经过特殊设计，用来实现某种定位功能的结构，比如凸台、柱子、孔、导轨、铰链等。这种定位结构精度高，容易实现尺寸的控制与微调。

在约束的设计上，完全约束是理想状态，实际设计中讲究的是适当的约束，尽量减少欠约束与过约束。

3. 装配协调性

装配的协调性考虑的是卡扣基体是基于人为装配还是机器装配，在目前阶段，我们大部分都是基于人为装配进行设计，所以，在设计过程中，除了考虑卡扣基体本身的活动空间外，还必须考虑人为操作空间（人机工程学）。

比如装配过程中，操作者需有一定的视野，如无法避免，需有导向结构。

比如有些需要经常拆卸的卡扣，拆卸位置需要有操作空间（手指空间、工具空间），且操作力应符合人机工程学要求。

4. 制造工艺的可行性、成本高低

1）如无必要，卡扣设计时应考虑避免增加模具的复杂度，把需要侧向抽芯机构的改为不需要要侧向抽芯的结构，降低模具成本。

2）如果卡扣是通过斜顶出模，需检查斜顶推出过程中是否有干涉；斜顶头部不能是斜面（顶面与出模方向的夹角小于90°），否则斜顶无法顺利退出。

3）如果顶面与出模方向的夹角小于90°，可以采取以下三种出模方式，但是模具结构变得复杂，模具成本增加。

a）两段斜顶结构

b）内滑块结构

c）滑块出斜顶结构

参考文献：

1. 著：保罗 R.博登伯杰，译：冯连勋、冯秀青、董力群、梁军，塑料卡扣连接技术。

2. 百度文库等其他网络公开资料。