汽車中控臺旋鈕卡扣的結構分析及優(yōu)化設計

倪敏明，王金娥（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州　215021）

汽車中控臺旋鈕卡扣的結構分析及優(yōu)化設計

倪敏明，王金娥
（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215021）

摘要：設計汽車中控面板上空調(diào)旋鈕的卡扣，并利用ABAQUS軟件的優(yōu)化功能和仿真結果對其結構形式提出了改進的優(yōu)化設計方案，從而得到滿足設計要求的卡扣結構，保證了產(chǎn)品使用的可靠性。

關鍵詞：汽車中控面板；卡扣；ABAQUS；優(yōu)化設計

0　引言

卡扣作為零部件的一種重要連結形式，由于具有不影響整體外觀、裝配方便和不增加額外零件的優(yōu)點[1]，在汽車產(chǎn)品的設計中得到了廣泛應用。卡扣連接主要是通過裝配過程中先發(fā)生彈性變形，到位后變形復原來實現(xiàn)兩零件的相聯(lián)。卡扣的傳統(tǒng)設計方法是根據(jù)設計要求和工程經(jīng)驗先設計出樣品，然后進行產(chǎn)品裝配檢驗，根據(jù)檢驗結果進行改進，從而得到一種比較好的設計方案。這種傳統(tǒng)的設計方法造成開發(fā)周期長、成本高和模具精度下降。鑒于此，本文提出一種先行設計方法，即利用有限元分析軟件ABAQUS首先對零件進行設計仿真，通過仿真計算并對裝配關系進行分析，從而在設計初期就能得到一種比較合理的優(yōu)化設計方案，不僅節(jié)約了設計成本，也大大提高了開發(fā)效率。

1　卡扣的原始設計

1.1設計參數(shù)

由于汽車空調(diào)旋鈕的外形尺寸及內(nèi)部結構限制，并考慮人工裝配的影響，目前卡扣的結構如圖1所示，其設計參數(shù)為：旋鈕卡扣和軸套母扣過盈量0.7 mm，旋鈕卡扣的材料為PC/ABS和定位輪的材料POM卡扣脫開角64°，其他系數(shù)參照3D模型，詳見圖2和圖3。

圖1　旋鈕和定位輪的裝配3D模型

圖2　裝配截面圖

圖3　原始設計（設計一）

1.2力學計算及其設計缺陷

懸臂梁卡扣的受力示意圖如圖4所示。

圖4　懸臂梁卡扣的受力示意圖

其中，W是分離力，P為折彎力，α為插入角，β為導出角，b為卡扣懸臂寬度，L為卡扣臂長度，h為卡扣壁厚，Y為根切深度，μ為摩擦系數(shù)；E為材料彈性模量[2]。根據(jù)經(jīng)典懸臂梁理論公式計算：

卡口的最大應變?yōu)椋?/p>

折彎力為：

分離力為：

在實際使用中，卡扣的設計，與經(jīng)典懸臂梁理論公式計算存在很大的差異，原因主要有以下幾點[3]。

（1）圖4示意圖中假設偏斜力P作用于卡扣的根部，但實際上這個力的接觸點位置是不斷變化的。

（2）卡扣壁厚過大，遠遠超過卡扣長度的1/5，而且卡扣本身的形狀大小不規(guī)則，根據(jù)懸臂梁理論公式計算產(chǎn)生的結果是不準確的。

（3）根據(jù)理論計算，卡扣底部支撐部分是剛性的，而實際上是會發(fā)生變形，從而對計算結果產(chǎn)生影響，實際的結果應該比計算值小。

（4）在根部的過渡圓角實際上可以減少應力集中，而理論計算則沒有涉及到這部分。

為了解決上述問題，采用ABAQUS對卡扣進行有限元分析，并且通過一些分析曲線圖和應力分布圖直觀了解卡扣脫開過程中應力和應變的變化情況。

2　有限元分析及優(yōu)化設計

2.1卡扣的有限元分析模型

利用CATIA或者UG軟件建立3D圖形，轉入ABAQUS的模擬模塊進行分析，為減少計算時間，刪掉了影響較小的旋鈕外部橡膠部分[4]，如圖5所示。

旋鈕卡扣的材料的PC/ABS和定位輪的材料POM，旋鈕卡扣的彈性模量為2 300 MPa，泊松比0.3，屈服極限5%，斷裂極限150%，定位輪彈性模量2 830 MPa，泊松比0.4。在模擬模塊中定義旋鈕卡扣為非線性，定位輪為線性。

卡扣脫開時屬于面接觸，設定旋鈕卡扣為接觸關系中的接觸體，定位輪為目標體，之間的靜摩擦系數(shù)為0.1。

圖5　卡扣脫開力分析模型

因為設計機構對稱，將組件分割成三部分并對其中一部分進行四面體網(wǎng)格劃分。

卡扣的脫開力其實是通過旋鈕卡扣和定位輪的相對運動實現(xiàn)，設定定位輪底部為全約束，而X，Y方向約束，向Z的正方向運動，如圖6所示。因設計機構對稱，針對一個卡扣進行力的分析，而后累加。

2.2計算結果及分析

如圖7，從原始設計的應變圖來看，由于卡扣厚度比較大，而且懸臂部分有一圈材料包圍，卡扣臂有很強的支撐，變形集中在卡扣頂端，在脫開瞬間分離力對卡扣頂端造成的應變較大，在沒有足夠過盈量的情況下，卡扣很快脫開。而受力分析計算結果也顯示，卡扣在0.75 mm左右就脫開了，而且分離力只有63.1 N，不滿足設計要求，需要進行設計優(yōu)化。

圖6　邊界條件及加載情況

圖8　增加平臺和0.15 mm卡扣頂端壁厚（設計方案二）

圖9　增加平臺和0.15 mm卡扣頂端壁厚及圓角（設計方案三）

圖10　增加0.3 mm卡扣頂端厚度（設計方案四）

2.3優(yōu)化后的結構與分析

因為此滾輪設計是不需要拆卸，所以原設計設計的拔出角64°對于需要很大分離力的非拆卸鎖緊件是不夠的，拔出角最好處于80°～90°[5]，而且由于本身結構的局限，卡扣和定位論之間的過盈量也不夠，導致測試發(fā)現(xiàn)拉拔力不夠。考慮實際情況和成本，針對性地對原設計方案改善，衍生出其他三種設計方案，如圖8～10所示。設計二是增加平臺和0.15 mm卡扣頂端壁厚，主要增加卡扣分離角和過盈量，設計三增加平臺和0.15 mm卡扣頂端厚度及圓角，比方案二增加根部圓角，強度增加。而方案四增加0.3 mm卡扣頂端厚度，只是單純地增加了卡扣量。

利用ABAQUS軟件重新進行分析，應變圖如圖11～13所示。

和原始設計一樣，三種優(yōu)化方案的最大應變也集中卡扣部分，但由于卡扣厚度增加，最大變形位置相對內(nèi)移，變形量有所增加，進而使分離力增加。

方案二增加平臺和卡扣壁厚，增了加導出角和跟切深度從而增加脫開力，從圖11來看脫開時應變有所變大，但是此時分離力卻增加到77.4 N，在位移0.8 mm后，卡扣開始脫開。

方案三在方案二基礎上加入根部0.5 mm圓角后，卡扣根部應力集中有所減弱，圓角區(qū)域等效應力均勻分布。但由于卡扣懸臂的厚度比較厚，所以對應變的影響不大。卡扣在位移0.8 mm后脫開，分離力此時為77.7 N。

方案四則是增加更大的跟切深度，由于卡扣過盈量增加，所以也能快速提升卡扣的脫開力。卡扣在位移0.84 mm后脫開，分離力為69.5 N。

上述三種方案和原始方案一樣，因為最大應變均超過了極限屈服應變，所以卡扣是永久變形。

綜合以上的分析結果來看，設計二和設計三比較類似，受力情況前者稍遜于后者。設計四雖然相比設計二、三來看受力略小，但滿足設計要求，只是對于裝配力來說會增大不少，所以舍棄。最后選擇設計三作為最終方案。

圖11　增加平臺和0.15 mm卡扣頂端壁厚（設計二）

圖12　增加平臺和0.15 mm卡扣頂端壁厚及圓角（設計三）

圖13　增加0.3 mm卡扣頂端厚度（設計四）

3　實驗驗證

按照設計方案三來進行模具方案的調(diào)整，得出產(chǎn)品進行組裝，可正常裝配。對卡扣進行拉拔力測試，得出的結果203 N，和仿真的結果很接近且滿足設計要求。而在后續(xù)量產(chǎn)和振動測試中，均驗證了方案三的可靠性，完全滿足使用要求。

4　結束語

傳統(tǒng)的理論提供了優(yōu)化設計的方向，但傳統(tǒng)的理論公式卻只適用于比較簡單的懸臂梁卡扣，對于復雜的卡扣結構則運用ABAQUS進行分析是比較合適的方案。通過ABAQUS模擬分析，并通過動態(tài)顯示卡扣脫開過程及生成計算曲線，可以驗證不同方案的可行性和正確性，提高設計效率，大大節(jié)約了制造成本。而實踐也證明了此方案為一種有效、可行的設計。

參考文獻：

［1］喬丹.羅泰澤爾.塑料連接技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2006.

［2］謝堅良.塑料卡扣的設計與應用［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2013（11）：2-3.

［3］紀海慧.ANSYS Workbench在卡扣裝配分析中的應用［J］.現(xiàn)代制造工程，2008（8）：2.

［4］劉容余，世浩，李霞.基于ABAQUS的呼吸防具卡扣裝配設計［J］.中國個體防護裝備，2010（2）：3.

［5］保羅R.博登伯.塑料卡扣連接技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.3.

(編輯：向飛)

The Wheel Hook of ICP Structure Analysis and Design Optimized

NI Min-ming, WANG Jin-e
（School of Mechanical and Electronic Engineering of Soochow University, Suzhou215021，China）

Abstract:Make the design for the wheel hook of ICP (Internal Control Panel), then utilizing ABAQUS software analyze the structure and propose improved request.According to the results of simulation and its optimum function, it proposed optimum solution on mechanical structure design simulation.So it can meet the design specification and insure reliability in testing and end user.

Key words:ICP（Internal control panel）；hook；ABAQUS；optimum design

作者簡介：第一倪敏明，男，1982年生，江蘇蘇州人，碩士研究生，工程師。研究領域：汽車中控面板機械研發(fā)。

收稿日期：2015－02－11

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.041

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0145－04