塑料卡扣的設計與計算

上圖是兩個卡扣梁在偏振光下的照片，其中變形力P和變形位移y相同。

TOP：上圖不好的設計，懸臂梁的截面不變。梁上的非均勻的線條意味著外層纖維的受力極不均勻。這個設計比下面的設計用了多出17%的材料和高46%的應變。

Bottom：優化後的梁，截面積線性減少30%，實現外層纖維應變在整個長度上的均勻分布。

卡扣設計的一般情況

1、特徵

卡扣設計是一種非常簡單，經濟，快速連接兩個不同零件的方法。連接之後，卡扣處在無應力的狀態。卡扣可實現可拆卸和不可拆卸的設計。必須注意一下兩點：

· 裝配過程中的機械負載。

· 所必須的裝配力的大小

2、卡扣連接的類型

· 懸臂梁卡扣

負載類型主要是彎曲應力

下圖一為一個控制面板帶有4個卡扣耳，能夠實現牢固的裝配，並且可拆卸。

圖二也是4個卡扣，但是右邊兩個設計成剛性，靠左邊兩個可變形裝配。這種設計特別適合連接兩個相同的外殼，並且可拆卸的設計。

圖三的蓋子通過圖示的卡扣連接，能夠可觀的力傳遞，並且也可以通過按兩個卡舌，實現拆卸。

圖四是用懸臂梁的卡扣實現類似與環形卡扣的設計，它的設計計算，定義尺寸，按懸臂梁來做。

類似與懸臂梁卡扣

主要受剪切應力

下圖五是一個儀器的盒子的扭轉卡扣，這種卡扣用的不多。圖中的搖杆的變形力p主要是來扭轉其中的扭轉軸，這個扭轉軸和卡扣搖杆，是在同一零件的一次注塑成型一體。

主要是圓周對稱結構，受多軸應力狀態。

圖六是這種卡扣的一個典型應用，燈罩。一個非常小的倒扣，可實現比較強的連接。最好是一次裝配。

1、設計計算

下面的計算都是假定卡扣中的一個零件是剛性的，如果兩個零件的剛性相同，那麼計算時，變形量分配到兩個零件上去。如果一個剛性強於另一個，及更複雜的情況，後面再討論。

另外注意的是，如果材料的應力應變出了彈性範圍，那麼需要用到材料獨立的割線模量，而不是普通的彈性模量。

大部分的設計還是基於圖七中的懸臂梁。它的截面是矩形或其他更複雜的情況，見表一。

設計建議，這個卡扣指的厚度h和寬度b最好採用漸變的設計，從根部向右逐漸減小。這樣局部的受力和截面更匹配，最大應力可以減小，並且節省材料。

推薦，高度h從根部到最右端變為和h/2，寬度b變為b/4.見表一，設計2，3. 應力最敏感的地方還是在根部。所以特別注意出現應力集中。圖八給出了應力集中和圓角的關係，乍一看，R/h=0.6之後的曲線驅平。然後這樣的圓角還是太大，造成局部料厚不均。但是，測試顯示，圓角最好不要小於0.4mm。

表一

Notes：

1）根據實際受力情況，a，b可以互換

2）C形狀中，如果受拉在凸起邊緣使用K2，見圖九，如果受拉在凹下的邊緣，使用K1

3）C是中性平面到最外層的距離。

4）截面模量，C型中，參照圖十。其他形狀，見機械手冊。

允許的倒扣量（變形量），圖十一中的y，也與許用的模量E相關。

一般情況下，一次簡單的倒扣裝配，對於半結晶塑料來說，應力可用到屈服點的應變，對非結晶塑料來說，用到屈服點應變的70%。對加玻纖的材料，沒有明顯的屈服點，用到拉斷應變的50%。如圖十二。

變形力：

根據表一公式計算。其中注意的是割線模量的使用。如圖十三。

裝配力：

裝配過程中主要克服的就是變形力P和摩擦力F。如圖十四。

裝配力按下面公式計算：

W=P tan(a+p)=P (u+tana)/(1-utana), 數值(u+tana)/(1-utana),可從圖十五中獲得。摩擦係數見表二。

後續會有具體實例。