塑料件卡扣连接设计指南.docx
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塑料件卡扣连接设计指南
塑料件卡扣连接设计指南
为指导本公司塑料件卡扣连接的开发，特制定了本设计指南。
集成在产品上的卡扣连接与散件紧固或焊、粘接相比功能产品单一，无需配套；不要求焊接、点胶等复杂的操作；锁紧功能件由模具成型，一致性好，互换性强，尤其适合汽车行业的大批量生产；装配及拆卸往往不需要工具，便利性强；省去或减少了螺钉、螺母等散件的使用数量，降低了生产成本；可用于对外观有要求而不能使用散件紧固的产品。
且由于塑料产品的材料和工艺特性特别有利于集成式卡扣的开发，所以卡扣连接是一种普遍应用于汽车塑料产品的连接形式。
然而塑料件卡扣连接的可靠性特别依赖设计，本指南旨在对卡扣设计进行介绍，使读者了解相关知识并能应用在本公司塑料产品的设计开发中。
本指南由公司产品管理部提出并归口。
本指南起草单位：
车身工程研究院。
本指南主要起草人：
黄闿鸣
本指南由车身工程研究院负责解释。
塑料件卡扣连接设计指南
1.范围
本指南主要从约束布置、定位功能件及锁紧功能件设计等方面对集成在塑料件上的卡扣连接进行介绍，也可为其他未集成在塑料件上的卡扣连接形式提供设计参考。
本指南用于指导本公司汽车塑料件卡扣连接的设计开发。
2.规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
JB/T6544-1993塑料拉伸和弯曲弹性模量试验方法
3.定义
塑料件的连接
通过机械、焊接、粘接等连接手段对塑料件形成特定约束的连接方式。
卡扣连接
卡扣连接是通过集成在零件上或分离的定位功能件和锁紧功能件共同作用对零件形成特定约束的连接方式，其中锁紧功能件在装配过程中发生形变，随后又恢复到它原始位置从而形成锁紧并提供保持力。
定位功能件
定位功能件是相对非柔性的约束功能件，它们保证装配件和基本件之间的精确定位，提供锁紧力以外的分离抵抗力，承受约束行为中主要的载荷。
锁紧功能件
锁紧功能件是在装配过程中弹性变形，并在装配到位后恢复到原始位置从而形成锁紧并提供保持力的约束功能件。
基体件
基体件是在连接过程中相对较大，在装配运动中可以视为静止不动的零件或总成，可以视为连接的基准。
以汽车为例，对大部分需要装配的饰件来说，车身就是基体件。
装配件
装配件是需要通过约束连接到基体件上的零件或总成。
4.塑料件卡扣连接概述
如本指南前言所述卡扣连接是一种可以降低制造成本，提高装配效率及便利性的连接方式，并且特别适合在塑料件上进行开发，但相应的其对设计和成型的要求也较高，尤其是良好的卡扣连接设计可以降低大部分连接层面的失效。
下面的概述部分主要从卡扣连接的关键要求和要素两个方面对卡扣连接的设计要点进行介绍，这些要点是在卡扣连接设计中需要重点关注的。
4.1卡扣连接的关键要求
卡扣连接的关键要求主要包括连接可靠性、约束完整性和装配协调性，它们是卡扣连接的基本目标。
其他要求还应该包括制造工艺的可行性、成本的高低，但不在此详细讨论。
4.1.1连接可靠性
连接可靠性是产品在使用寿命中确保连接符合设计的要求，产品的使用寿命包括但不局限于产品的装配、运输、用户操作、维修阶段，因此对连接可靠性的要求也包括：
●连接符合功能预期；
●连接强度；
●在用户操作过程中不发生分离、松动、破损、噪声；
●尤其是汽车塑料件的连接应能够适应使用过程中因环境因素引起的产品变形或蠕变；
●保证装配和维修拆卸的操作与设计预期一致。
其中接合强度是约束功能件（定位功能件及锁紧功能件）在产品使用寿命中承受装配、分离、载荷及变形力的能力，是连接可靠性最重要的要求，也是对约束功能件结构强度的要求。
4.1.2约束完整性
空间物体有6个自由度，并可沿每个自由度的正反两向运动，如图4.1。
约束是对零件之间相对自由度的控制，是由装配件和基体件上的约束功能件实现的。
通过约束恰好限制零件之间的全部12向运动是完全约束，这是大多数连接中需要的约束；也可能因为产品功能需要而不进行完全约束，保留产品的一部分相对运动，但该运动也是通过约束功能件进行限制和保证的。
约束刚好满足产品功能并与约束的运动方向数量恰好相对应是恰当约束。
图4.1装配件相对于基体件的6个自由度及12项运动
在连接中相对于恰当约束还存在过约束和欠约束，约束点多于需要约束的运动方向为过约束，少于需要约束的运动方向为欠约束。
其中过约束在一些较大的汽车塑料件中用于保证局部重点区域的配合，但极易由于精度、变形、应力等原因造成装配困难、约束失效、甚至产品损坏，使用时需要慎重。
欠约束应区别于为适应产品功能而保留的相对运动，通常是由于设计不合理或约束功能件薄弱而引起的约束问题，是卡扣连接必须避免的。
列举部分约束对于产品连接的影响如表4.1。
表4.1约束对产品连接的影响举例
受影响因素
约束完整性
恰当约束
过约束
欠约束
装配便利性
可按设计状态装配
装配困难
无影响
可靠性
可靠性依赖约束功能件的强度
因应力较大导致连接失效
1、因零件间相对运动导致锁紧失效
2、因缺少约束影响零件功能
噪声
无异响
无直接影响
因零件间相对运动存在异响
成本
需要的精度适当
需要较高精度
无直接影响
4.1.3装配协调性
装配协调要求装配（拆卸）过程中零件各要素与装配（拆卸）运动相适宜，以便装配操作。
图4.2及图4.3的两个例子都违反了装配协调性。
图4.2锁紧功能件与定位功能件的接合方向互相干涉
（a）设计未给悬臂钩在装配中的变形保留足够空间
（b）装配为推运动，然而拆解为翻转运动，翻转过程中一端卡扣可能因过度形变而损坏
图4.3装配和拆卸运动中违反装配协调性
为了满足装配协调性，在卡扣连接设计中应遵循以下原则：
●定义的装配运动应该与装配件和基体件的基本形状相适应（在本指南4.2.2中进行介绍）；
●装配件和基体件上所有有形要素应与装配运动相适宜；
●保留锁紧功能件形变所需的空间；
●转配和拆卸运动的方向应平行而反向。
4.2卡扣连接的要素
卡扣连接的要素在这里分为描述性要素和有形要素两部分，描述性要素包括功能、装配件和基体件的基本形状、最终装配运动和接合方向；有形要素包括定位功能件和锁紧功能件。
这些要素是表征卡扣连接的某一方面属性，设计者在方案初期就要进行规划。
4.2.1功能
功能是首先要规划的描述性要素，它是连接的基本目的，主要包括以下几方面：
4.2.1.1连接后两件的相对运动
装配件和基体件连接后的相对运动关系直接决定约束的布置，与4.1.2中提到的约束向匹配。
在完全固定的连接中，零件之间不存在相对运动，在12个运动方向上受到完全约束；在可动连接中，装配件和基体件存在受控相对运动，但在运动中不允许分离，在存在运动的方向上不设置约束。
连接后的相对运动由产品功能进行定义。
4.2.1.2连接精度
连接精度是对连接后装配件和基体件之间相对位置的精度要求，是约束准确性的体现，如汽车装饰件安装后与周边的间隙和段差要求。
4.2.1.3连接类型
卡扣连接可以是最终连接也可以是其他连接出现之前的临时连接。
当在产品的使用寿命中始终使用卡扣形式进行连接，则卡扣连接为最终连接；当卡扣仅将连接保持到其他连接出现，则卡扣连接为临时连接，临时连接也仅要求在该周期内保证连接可靠。
4.2.1.4连接后的保持
保持涉及锁紧副的特性：
永久锁紧和非永久锁紧。
保持特性由产品功能进行定义。
●永久锁紧是设计为连接后不再分离的，这种锁紧一旦接合必须借助工具才能分离，并且往往会造成零件的损坏，这样的连接是不能进行维修的。
●非永久性锁紧是设计为可在连接后进行分离的，这种连接的锁紧功能件可依靠分离力变形或人为施加变形力而与对手件脱开，非永久锁紧连接的锁紧功能件的脱开方式应在设计时进行定义。
图4.3和图4.4是对保持特性及锁紧功能件脱开形式的举例说明。
（a）永久性止逆锁紧（b）永久性悬臂钩锁紧
图4.4永久性锁紧示例
（a）依靠分离力脱开的非永久性锁紧（b）依靠人为施加变形力脱开的非永久性锁紧
图4.5非永久性锁紧示例
保持特性由产品功能进行定义。
4.2.2装配件和基体件的基本形状
基本形状描述的是装配件的整体及基体件的装配局部区域。
使用基本形状描述装配件和基体件可以使设计规划更形象，针对不同基本形状零件的连接对应不同的约束方案、装配运动和接合方向。
零件基本形状主要包括：
实体、板、壳体、面、开口、深孔，下面进行说明。
●实体
形状封闭为体、刚度较好的零件，如图4.6的开关，对实体的约束应该完整。
图4.6开关
●板
相对薄的零件，往往有弯曲和扭转的趋势，板只被定义为装配件的一种。
如图4.7的盖板，对板类零件的约束常在零件周边。
图4.7盖板
●壳体
壳体类零件有一到多个方向的开口，开口导致此类零件侧壁刚性较差，需要约束。
如图4.8的组合开关下包壳。
图4.8组合开关下包壳
●面
面只出现在基体件上，是与装配件配合的连接表面，面本身就产生约束作用。
图4.9，组合开关上包壳的面用于安装防尘皮套的卡板。
图4.9防尘皮套的卡板卡入组合开关上包壳的安装面
●开口
开口一般附着在面或与面近似的形状上，也是基体件的一部分，定位功能件常在开口的周边。
如图4.10，饰板上的开口与板类零件配合。
图4.10上图中的饰板卡入较大饰板的孔中
●深孔
深孔是开口的延续，出现在实体类基体件上，深孔对装配件的约束较为完整。
如图4.11开关支架。
图4.11开关卡入开关支架
对零件基本形状的定义不是绝对的，他们之间的关系也可视具体设计情况相互转化，如外壳的侧壁可在局部视为板。
这里给出最常见装配件和基体件基本形状的组合如表4.2，每种组合都有一些有助于确保卡扣连接可靠性的首选最终装配运动。
表4.2最常见的基本形状组合
装配件形状
基体件形状
实体
壳体
面
开口
深孔
实体
●
○
●
●
●
板
○
○
●
●
○
壳体
○
○
●
●
○
备注：
●——较常见组合；○——较少见组合。
4.2.3最终装配运动
装配件在与基体件通过卡扣连接时，完整的装配动作可能由多种装配运动组成，本要素描述的是这其中最后一种运动，在此运动过程中锁紧功能件发生作用。
最终装配运动与前述的关键要求以及功能、基本形状都密切相关，合理的最终装配运动定义有助于提高连接的可靠性，满足装配协调性，也可将装配力控制在合理的范围内。
最终装配运动概括为以下几种形式：
推、滑、翻转、转动。
●推
直线运动，装配件和基体件在锁紧前接触时间相对较短，某些具有导向作用的定位功能件应在锁紧件接触前先接触。
如图4.12。
图4.12推——板与孔
●滑
直线运动，但定位副先接触，装配件在锁紧前始终与基体件接触。
如图4.13。
图4.13滑——板与面
●翻转
旋转运动，装配件上的定位功能件首先与基体件接合，接合后绕定位副形成的轴作旋转直至锁紧。
如图4.14。
图4.14翻转——板与孔
●转动
旋转运动，装配件首先以推的方式与基体件定位副接合，再绕定位副形成的轴旋转直至锁紧。
转动与翻转的区别在于转动的定位副会定义较明确的轴线，且大部分转动比翻转旋转更大的角度。
如图4.15。
图4.15转动——实体与深孔
表4.3给出与常见基本形状组合相匹配的装配运动，作为定义装配运动时的设计参考。
表4.3与常见基本形状组合相匹配的装配运动
装配件形状
基体件形状
实体
壳体
面
开口
深孔
实体
推●
滑●
翻转●
转动●
（1）
N/A
推●
滑●
翻转●
转动●
（1）
推●
翻转●
转动●
（1）
滑○
转动●
（1）
板
推○
滑○
翻转○
N/A
推●
滑●
翻转●
推●
滑●
翻转●
N/A
壳体
推○
滑○
翻转○
转动○
（1）
推○
滑○
翻转○
推○
滑○
翻转○
转动○
（1）
推●
翻转●
转动●
（1）
N/A
备注：
1、转动一般不适合较大的装配件使用。
2、●——常用；○——少用。
4.2.4接合方向
接合方向与最终装配运动的切向平行，是卡扣连接中锁紧的方向。
确定卡扣连接的接合方向的重要原则是：
●与锁紧同向；
●满足装配协调性要求；
●尽量不与产品功能要求的较大的、长期的分离性质的载荷力同向或角度接近。
最后一项原则表明良好的接合方向设计可以使零件主要受力（主要是分离力）由定位副承担，在设计中如果此项原则不能满足应认真考虑采用或增加卡扣之外的散件（如螺钉）方式紧固。
4.2.5定位功能件
定位功能件在连接中提供大部分方向的约束，抵抗零件导致相对运动的大部分力，在可动连接中它们也用来限制运动方向。
定位功能件形式多样，常见类型包括：
●柱
●筋
●凸台
●卡爪
●插销
●表面
●边缘
●孔
●切口
●合页
汽车塑料件中各类定位功能件通常是这些元素中一种或几种的组合。
装配件上的定位功能件和基体件上的定位功能件应该成对出现才产生约束，成对出现的定位功能件是定位副。
关于各种类型定位功能件的匹配及设计要求详见第7节。
4.2.6锁紧功能件
锁紧功能件在装配的最后阶段发生作用，与最终装配运动相对应。
在卡扣连接中由于锁紧功能件必须发生形变，它们比定位功能件薄弱。
锁紧功能件形式同样较多，常见类型包括：
●悬臂梁型锁紧功能件
●平面型锁紧功能件
●止逆型锁紧功能件
●扭转型锁紧功能件
●圆环型锁紧功能件
与定位功能件类似，零件上的锁紧功能件需要与对手件上的约束功能件（出于可靠性考虑，通常是不发生形变的定位功能件）成对出现产生约束，它们一起构成锁紧副。
关于锁紧功能件设计要求详见第8节。
5.约束概述
连接的本质是约束，约束可理解为对装配件相对于基体件的运动控制。
在一般散件尤其是螺纹紧固的设计中紧固和约束往往是同时产生的，约束布置不会放在特别重要的位置予以考虑，但塑料件的卡扣连接有其特殊性，在设计之初使约束布置合理化是必不可少的。
下面从约束原理、约束原则、约束布置三方面进行介绍。
5.1约束原理
5.1.1完全约束或恰当约束
在前面4.1.2中已介绍过完全约束与恰当约束的概念，是用数量最少的约束点完全约束产品或达到产品功能要求的约束，意味着100%的连接效率。
完全约束或恰当约束是一种理论约束状态，可以为下面章节介绍的适当约束提供概念基础，同时在连接中恰好构成完全约束的部分往往是连接的主要基准。
图5.1矩形装配件的完全约束过程
在这里还有两点需要说明：
●本指南中描述的约束行为和定位行为需要在概念上进行区别，如图5.1，到（d）图中的步骤三为止按照3-2-1或6点定位原则完成了对装配件空间位置的定位，当不施加外力时，装配件相对于基体件的位置是不会移动的，但此时对装配件的完全约束并没有完成，直到施加三向锁紧力才完全约束了装配件。
在塑料件的卡扣连接中，施加锁紧力的可以是锁紧功能件，也可以是与定位基准对立的其他定位功能件。
●约束布置对连接稳定性影响很大，如图5.2，在同样都是完全约束的前提下，（a）图中的连接稳定性高于（b）图。
以6点定位举例，确定平面的三点应该布置在装配件最大投影面积的方向（或抵抗最大受力的方向），次大投影面积的方向布置两点定位，单点定位最后一个方向，在设计中应该尽可能考虑稳定性高的布置。
图5.2约束布置对稳定性的影响
5.1.2适当约束
如前述完全约束或恰当约束是一种理想的约束状态，但在塑料件卡扣连接中大部分约束状态是完全约束和满足连接关键要求之间的折中。
在考虑产品变形及公差范围的前提下，借助局部柔性接触调整，连接是近似合理的完全或恰当约束，我们称之为适当约束。
适当约束不允许欠约束，但可以包含适当的过约束。
同恰当约束的概念相同，适当约束的运动方向可以少于12。
适当约束的连接有如下特性：
●约束副以外连接不需要外力保持；
●对立的约束满足塑料件制造工艺所允许的公差精度；
●对立约束不限制因温度变化或受潮等原因造成的零件变形，或至少可以吸收这样的变形，不影响约束的可靠性；
●连接后不存在较大的应力，避免应力造成的连接失效。
5.1.3欠约束
对欠约束的狭义理解如4.1.2中所述：
约束点少于需要约束的运动方向为欠约束。
欠约束会造成连接存在可靠性及噪声方面的问题。
但也存在设计不当使部分约束失效造成欠约束，在此略举如下例子以便读者更形象体会此类问题：
●锁紧功能件承受了较大载荷从而损坏，约束布置中应尽可能使用定位功能件承受此类载荷；
●由于约束不适应制造公差或变形带来装配件与基体件之间的相对运动；
●定位功能件承受不了载荷损坏。
欠约束在连接中是不允许存在的。
5.1.4过约束
对过约束的狭义理解如4.1.2中所述：
约束点多于需要约束的运动方向为过约束。
由于塑料零件尤其是较大的塑料装饰件刚度较低，因此多于运动自由度的约束普遍出现在这类连接中。
但错误的过约束布置也会带来如前表4.1中列举的装配困难、较大装配应力、成本增加、不能适应零件变形等问题，因此在连接设计中应注意避免两点认识误区：
●约束越多连接强度及稳定性越高；
●规定极高的公差可以解决过约束问题。
常见的过约束情况包括多余约束和对立约束：
●多余约束的情况如图5.3，当两个或两个以上约束副提供共线作用力承担载荷时，其中一个约束副就是多余的。
由于制造、装配精度或变形等原因，多余的约束副往往并不实际承担载荷，反而增加了制造成本，因此保留一个强壮的约束副是较好的选择。
图5.3多余约束副
●对立约束的情况如图5.4（a），当两个或多个约束副提供的作用力平行但反向时，这两个约束副对立。
如图5.4（b）和5.4（c），对立的约束副可能造成装配困难或不能适应零件变形。
单纯提高制造和装配的公差精度可能可以解决对立约束的装配问题，但依然受到零件变形的影响。
更好的解决方案如图5.5，用柱/孔等在短距离内产生多向约束的定位副代替大尺寸间距的对立约束，或在约束中设置柔性接触（柔性接触的设计在下文中专门介绍）。
总之布置间隔尺寸较大的对立约束时应当谨慎，除非确定精度可以满足装配要求或变形可以被吸收，否则应避免此类布置。
图5.4对立约束
图5.5对立约束的优化
5.2约束原则
在前述约束原理讨论的基础上给出约束布置的原则：
●塑料件卡扣连接必须为适当约束，其中完全固定的连接其约束应该限制所有12个运动方向，可动连接可以按需要减少相应的约束方向；
●定位副提供的约束强度高于锁紧副，因此应该用定位副约束尽可能多的运动方向，锁紧副约束尽可能少的运动方向；
●滑、翻转、转动的最终装配运动靠定位副约束的运动方向较多；
●不允许欠约束；
●多余约束副应该避免；
●对立约束要适应制造和装配公差精度，应避免间隔尺寸较大的对立约束；
●部分对立约束可采用柔性接触设计补偿；
●用销/孔等小尺寸范围内的双方向定位副代替大尺寸间距的对立约束；
●控制同一转动自由度的两约束副距离越大约束越稳，所以应合理均匀地布置约束副；
5.3约束布置
在遵循约束原则的前提下，工程师可用表5.1作为工具对塑料件卡扣连接的约束布置方案检查和评价，其他形式连接的约束布置也可参照使用此表。
其中基准坐标的设置可以与整车坐标方向一致，也可以根据情况自行设置适合的装配件坐标。
本指南对该表进行了示范性填写。
表5.1约束布置表
约束布置表
基准坐标图
装配件约束位置图
约束分析项目
装配件自由度方向
平动自由度
转动自由度
-X
+X
-Y
+Y
-Z
+Z
-X
+X
-Y
+Y
-Z
+Z
约束要求
需要约束的方向
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
温度变化或受潮尺寸变形较大的方向
（一般与零件尺寸较大方向一致）
√
√
功能或外观需要对齐的方向
√
√
√
√
√
√
接合方向
√
因装配件刚度低可能变形的方向
√
√
受力情况
装配力
○
○
由加速度或重力产生的力
○
○
功能性载荷
非正常载荷（滥用力）
●
其他性质的分离力
○
备注：
1、对上表中受力情况以外的约束要求项目在对应的自由度栏目内打“√”；
2、在受力情况项目中，对一般程度的受力依据受力方向在对应的自由度栏目内画“○”,对较高受力画“●”。
3、受力方向为力在基准坐标内投影的主要方向。
约束功能件列表
序号
约束副布置描述
——
1
筋-表面★※
■
√
√
√
√
2
筋-表面★※
■
3
筋-表面★※
■
4
筋-表面★※
■
5
筋-表面★※
■
6
筋-表面★※
■
7
筋-表面★※
■
8
筋-表面★※
■
9
筋-表面★※
■
10
筋-表面★※
■
11
凸台-边缘★※
■
√
√
12
凸台-边缘★※
■
13
凸台-边缘★※
■
14
凸台-边缘★※
■
15
插销-边缘★
■
16
插销-边缘★
■
17
筋-边缘★※
■
18
筋-边缘★※
■
19
止逆-边缘★
◆
20
止逆-边缘★
◆
备注：
1、约束副布置描述栏目内填写约束副类型；
2、约束副序号按主要基准、局部基准、锁紧的顺序排列；
3、有足够接触长度或面积的约束副或成组出现的约束副才能约束转动自由度
4、刚性定位副在对应的平动自由度栏目内画“■”，柔性定位副在对应的平动自由度栏目内画“□”；
5、锁紧副在对应的平动自由度栏目内画“◆”；
6、限制转动的约束副在对应的转动自由度栏目内打“√”；
7、对装配件的定位功能件根据其属性在约束副布置描述栏目内的描述内容右侧顺次增加下列符号：
主要基准：
“★”，局部基准：
“☆”，便于后期模具调整的定位功能件:
“
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