淺談常見塑料緊固特征

黃勇

摘要：隨著汽車產品向節能、環保、輕量化、小型化發展，汽車高強度緊固件越來越受到重視。汽車緊固件是汽車的主要連接件、功能件，它占汽車總重量的40%左右。汽車分商用車和乘用車兩大類。據統計，一輛輕型汽車或乘用車緊固件約500種規格，4000件左右。其中塑料緊固件又具有操作簡單，降低產品成本，能替代螺絲、螺母等昂貴金屬件功能的優勢。塑料緊固件沒有像焊接技術那樣復雜，而且能重拆卸使用。塑料緊固件的特征以扎帶、卡扣、螺柱套扣為主要的特征。其特征的設計也是有規律可循。

關鍵詞：汽車零部件;塑料緊固件;注塑;卡扣

中圖分類號：TU532.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0039-02

1? 緊固特征之扎帶

扎帶是非常常見的塑料緊固零件，被廣泛的用于建筑、電器、醫療、汽車等行業，在日常生活中也經常見到。但是隨著應用領域的不同，其扎帶要求的性能也不一樣，對于汽車行業來說，扎帶會被應用到汽車的各個位置，例如發動機艙、底盤、駕駛室、乘客艙等等。不同位置的應用，扎帶的性能要求也不一樣。比如發動機艙，就需要扎帶能耐高溫，需要做高溫的驗證，在底盤就需要做冷熱循環的交變的疲勞實驗，如果使用在乘客艙對耐久性的性能有較高的要求。

扎帶最基本的特性是要求能扎緊，不松脫。使用時，插入力要小，不費力。脫離力要求大，不能產生基本的功能失效。

在設計時需要充分考慮到帶條上的齒間的角度，間距與鎖舌的間距配合。這2點特征的設計是關系到扎帶基本功能的前提條件。圖1為鎖舌的設計，圖2為帶條的齒的設計。

齒條的齒斜度通常是40度，深度為0.5mm，齒間距為0.15mm為適合。對于鎖舌的角度需要控制在10度，因為在帶條插入到鎖舌時，鎖舌會有一個壓入的彈性變形，這個變形量的大小決定了插入力的數值，如果過大，人工使用起來會感覺費力。如果太小，會發生鎖舌和齒條之間的配合不良，最終會導致鎖止失效。

如圖3顯示了插入后失效狀態。處于失效狀態的零件，配合間隙非常大，扎帶的基本功能失效。非常容易產生脫落的問題。可以通過改進齒條的角度設計，來解決這個問題。對于正常配合狀態的零件，插入力的要求為小于70N，脫離力要求大于120N。

此外，對于影響扎帶的其它性能，需要在選擇材料上給予定義。扎帶最常用的材料是尼龍類的材料，具備較好的彎曲性能，能耐溫性能。對于發動機艙位置的扎帶，需要選擇耐到200度長期工作溫度的材料。扎帶最常見的問題是斷裂，因此對于彎曲模量不夠的產品，需要進行調濕處理，以提高扎帶的彎曲性能。

2? 緊固特征之卡扣

卡扣是緊固件中最常見的特征。大致上可分為三大類：長臂式卡扣，圓環卡扣，球形卡扣。塑料卡扣的最大優點就是節約成本，操作簡單，而且可以反復使用。但是也存在一些缺點：比如很難做到完全密合，又時會出現松動。如果設計不合理，會出現斷裂、脫落等質量問題。因此合理的設計顯得至關重要。

2.1 長臂式卡扣

它的截面是無變化的規則矩形帶勾特征。如果卡勾的材料物理特性確定不變的情況下，以下四個參數是可以自由控制的：

卡勾扣住部份的寬度：此寬度尺寸直接影響卡勾的有效性，防止卡勾脫落。

卡勾的厚度：此厚度影響卡勾強度及壓力的傳播，其中最省力的臂是錐形臂，此厚度尺寸影響了卡扣的彈性效果，直接決定了卡扣的插入力的大小。特別需要注意的是卡扣根部需要有R角設計，避免應力集中發生的插入斷裂問題。R角的大小決定了卡扣的強度。

卡勾臂的長度：臂的長度以次方的形式影響臂的變形度。長度尺寸需要重復考慮對配合件的厚度不可干涉。

卡勾的寬度：它是與變形阻力成正比的，增強卡勾的強度。

2.2 圓環及球形卡扣

圓球環形卡勾是由外凸勾體的圓筒/球頭與內凹勾體的圓筒/母頭組合而成，一般我們把凸體部份假設成不變形體，而凹部份考慮成變形體，當施加壓力做卡合動作的時候，凹部份將會發生整周圓的變形量。球形卡扣的最大特點是：相互裝配后，可以實現360度的自由旋轉，又稱為旋轉卡扣。是利用的塑料彈性變形原理實現裝配的。其插入力比較大，需要制作工裝夾具輔助安裝。此卡扣廣泛的用于固定件之間需要自由調整和變化方向的應用。

3? 緊固特征之螺柱套扣

螺柱套扣是常用于車身鈑金上的一種緊固形式。主要是能夠快速的卡入金屬的螺柱上，具備插入力小、拔出力大、安裝快捷等優點。廣泛的用于乘客艙內的地毯的固定，或者底盤的管夾的固定。

3.1 設計要求

螺柱套扣的關鍵特性就是插入/拔出力的大小。要求在設計時要充分考慮到這個要求，并要求做足夠的分析。以滿足這個要求。

插入力要求<30N，拔出力>100N，分析如下：

①首先材料應力曲線的分析是非常必要的，決定了材料本身是否能滿足要求。

②通過分析，我們能夠知道插入力承受的位置和拔出力承受的位置是不一樣的。因此我們需要在設計時，增加某一位置的壁厚，從而有效的增大拔出力，并且插入力僅僅是很有限的增加。圖4為結構設計和尺寸要求。

3.2 材料選擇

聚丙烯是一款比較好的非線性的材料。實際的材料彈性模量是能夠滿足這個要求的。從應力應變曲線可以看出，其屈服應力的比例是同樣可以滿足要求的。

3.3 邊界條件模型分析

①因為零件是對稱的，我們切取1/4的數模分析，最終的力將根據零件的對稱性，完全考慮。

②考慮到摩擦力的因素，系數定義為0.1。

③見圖5為插入力的數模分析，峰值小于30N。

④參考圖6的模擬分析，可以看出拔出力為100N情況下的受力情況。紅色圈處顯示出了抗拉應力集中的地方。

我們可以清楚看到，在拉出力和拔出力二種不同的狀態下，零件的受力位置也是不同的。因此我們可以局部性的對零件進行設計調整。增加局部的壁厚，控制齒狀特征的厚度在0.3mm，以達到在有限提高插入力的前提下，增大拔出力的效果。

4? 結束語

本文闡述了常用的緊固件的特征，并以實際的案例介紹如何更好的從設計角度來提高產品的性能并分析幫助我們解決實際問題，有效縮短產品開發周期，降低開發成本。

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