接上篇：塑膠件的結構設計：卡扣篇（上）。

卡扣設計的原則

卡扣設計的最終目標是要實現兩個零件之間的成功連接固定，要達到連接固定的效果，卡扣設計時需要從以下幾方面進行考慮：連接可靠性、約束完整性和裝配協調性，它們是卡扣連接成功的關鍵要求，其他要求還應該包括制造工藝的可行性、成本的高低等。

連接可靠性，是卡扣設計中最重要的一個設計指標，一般會從以下幾個方面去考慮：

l  連接符合功能預期；

l 連接強度；

l 在用戶使用過程中不發生分離、松動、破損、噪聲；

l 能夠適應使用過程中因環境因素引起的產品變形或蠕變；

l 保證維修拆卸的功能與設計預期一致。

實際上，在產品設計過程中，會根據產品的定位、部件的功能以及成本去選擇需要滿足的連接可靠性要求，并不是每個設計都需要完全滿足以上要求，比如有些設計不需要經常拆卸或維修，那么設計符合前三點就可以，如果需要經常拆卸，那么就需要考慮拆后卡扣的功能與設計預期一致，此時卡扣設計的類型選擇或具體設計參數上就會有所改變，比如下圖中同樣是電池蓋，但是應用在充電寶和遙控器上卡扣的設計就會不同。

下面針對懸臂梁卡扣的連接強度計算進行分析介紹：

一、常見的懸臂梁卡扣的主要有以下參數：

1、梁根部的厚度Tb

T b 一般為壁厚T w 的50%~60%，太小可能會存在充模和流動問題，太大可能會存在冷卻問題，進而會導致大的殘余應力、縮孔和縮痕。當梁是從壁面延伸出來時，T b 可等于T w 。

2、梁的長度Lb

懸臂梁卡扣的總長（L t ）由梁的長度（L b ）和保持元件長度（L r ）組成，L b 取值范圍一般為5T b ~10T b ，大于10T b 時，可能會存在翹曲和充填問題，小于5T b 時，梁的柔性較差，梁的根部承受較大的彎曲，從而增大損壞的可能性。（對于較硬或較脆的塑料，應采用較大的長度與厚度的比值）。

3、插入面角度α

插入面角度會影響裝配力，角度越大，裝配力就越大，一般合理的角度在25°~35°之間，如果因空間問題（即α越小，保持元件的長度L r 越長），最大不要超過45°。

4、保持面角度β

保持面角度會影響保持強度和分離力，角度越大，保持強度和分離力就越大，保持面角度β應根據拆卸情況而定：

l  β≈35°，用于不需要外部分離力的可拆卸鎖緊件；

l  β≈45°，用于需小的外部分離力的可拆卸鎖緊件；

l  β≈80°~90°，用于需很大外部分離力的非拆卸鎖緊件；

如果，卡扣需要有足夠的保持強度，保持面角度可在極限角度與90之間取一個角度值，（由于接觸面之間存在摩擦，接近90°的保持面角度仍然與90°角起到的作用是一樣的）。根據基本保持力方程，極限角：

由此可見，摩擦系數越大，極限角度越小，但考慮到注塑成型后的影響，一般選擇接近90°，保持面角度選擇在80°~90°之間還有下圖好處：

5、保持面深度Y

它決定了接合和分離時梁偏斜的程度，一般情況下，

l  當L b /T b ≈5時，Y<T b ；

l  當Lb/Tb≈10時，Y=Tb；

l  當Lb/Tb較大或較小時，Y值應做相應調整，同時，對于較硬或剛性較大的塑膠，Y值相應取小些。（保持面最大深度應≤材料最大許用應變）

還有，保持面深度應盡量接近等于偏斜量（Y=δ），這樣卡扣上的分離力會盡可能接近梁的中性軸，保持強度得到提高。

6、保持元件處的梁厚度Tr

一般情況下，T r 常常接近梁根部的厚度T b （為了出模，只是有很小的出模斜度），但當梁的長度較短時（L b /T b ＜5時），裝配力會很大且梁根部應變大，采用錐形梁（錐度比T r /T b 在0.5~0.8之間），可以將應變均勻地分布在梁的各處，減小梁根部應力集中。

當Tr/Tb=0.5時，卡扣的綜合性能較好。

7、梁的寬度Wb

常見的卡扣，梁的寬度從根部到保持面變化不大，只有較小的出模斜度，此時梁的寬度不影響最大裝配應變，但影響裝配力、分離力和保持強度，當梁的寬度大于長度的1/2時，此時的懸臂梁不像梁而更像平板，應用梁理論計算時，誤差較大。

梁在寬度上也可以像梁厚度一樣帶錐度，寬度帶錐度的梁可以減小梁根部的應變，但不如厚度帶錐度那么有效。（梁的寬度帶4:1錐度時，才能得到與梁厚度帶2:1錐度時同樣量級的應變減小效果）

8、梁的根部半徑R

應力集中會造成梁根部的實際應變增大，在梁的根部導R角可以減小應力集中，R的取值為梁寬度的50%時，綜合性能較好。

二、懸臂梁卡扣的相關計算：

為了確保卡扣性能能夠滿足實際應用要求，需要進行詳細計算分析和終端應用試驗。一般計算偏斜力、裝配力、分離力、最大變形量。以下以恒定矩形截面的懸臂梁卡扣為例介紹具體計算步驟。

在實際設計時，通過上述介紹，可以首先確定卡扣的以下尺寸參數。

1、梁根部初始應變的計算

由懸臂梁理論可推導出以下應變公式：

將計算結果與材料的最大許用應變相比較。

2、最大偏斜力的計算

最大偏斜力（F p ）：使卡扣懸臂梁末端在許用應變內發生偏斜（δ）時所需要的力。一般情況下，懸臂梁最大量δmax就是卡扣保持面深度Y。

但，在實際產品結構設計中，我們更關心的是保持面與配合功能件之間的搭接量Z（卡合量），對于需拆卸的結構，搭接量Z需小于Y，越小越容易裝配和拆卸，但保持強度越低，反之亦然。 對于可拆卸無沖擊、碰撞、跌落測試要求的產品結構，搭接量Z建議取值在0.3~0.6之間，反之，搭接量Z可設計在0.7~1.2之間，甚至更大。

同樣由懸臂梁理論可推導出以下公式：

實際上，計算結果與實際相比會偏大，那是因為裝配過程中，卡扣壁面的偏斜、配合功能件的偏斜都會對卡扣的性能有影響，當壁面偏斜時，梁的實際力、強度、應力、應變都比計算值小，當梁長度與厚度的比值越小時，偏斜的影響就越明顯。

卡扣在不同壁面上對偏斜放大的影響是不同的，如下圖。

同樣，在裝配的過程中，配合功能件也可能發生偏斜，如果偏斜明顯的話，對計算結果也會產生影響，主要影響裝配力、拆卸力、保持強度和應變。

因此，需要對以上初始應變、偏斜力進行修正，引入壁面偏斜放大系數Q、配合功能件放大系數K，如下：

此時，通過以上公式，也可以計算出在一定偏斜力F p 的作用下，卡扣末端最大變形量Y。

3、裝配力的計算

由于懸臂卡扣的特性，卡扣在裝配的過程中懸臂梁會發生偏斜，插入面角度會跟隨變化，裝配力也發生變化，很顯然，最大插入面角度出現在懸臂梁偏斜最大時，因此，為了計算最大裝配力，必須先確定偏斜最大時的角度。

插入面角度變化的簡化公式為：

受力分析：

由以上受力分析圖可列出力平衡方程：

4、分離力、保持力的計算

卡扣在脫開的情況有兩種，一種是有意的，即人為分離卡扣零件所需要的力，叫做分離力；另外一種是無意的，即鎖緊件抵抗無意脫開的力，叫做保持力。

所以，如果我們關心的是分離（可拆卸卡扣）的難易程度，則要計算最大分離力；如果我們關心的是保持強度，即保持力，則要計算最小分離力。

實際上這兩種力區別不大，只是在保持面角度因懸臂卡扣中的剩余偏斜存在時（卡扣裝配后，由于誤差原因，懸臂梁無法回復到原位而存在一個偏斜角度），需要計算實際角度。

保持面角度計算方法與插入面類似：

受力分析：

由以上受力分析可列出力平衡方程：

在實際結構設計中，卡扣懸臂梁與配合功能件之間一般留有間隙，故一般不存在剩余偏斜，計算時可直接用設計的保持面角度β。

舉例：

有如下卡扣，T b =1，L b =7，W b =5，Y=1，α=30°，β=50°，材料為ABS，求裝配力和保持力。

通過查資料可知，彈性模量E=2100Mpa，摩擦系數μ=0.5， ε max =2.5%，由于L b /T b =7，查表，取偏斜放大系數Q=1.13，配合功能件放大系數K=1.25，把上述值代入以下公式：

可得，  ε =2.17%< ε max ，滿足要求；F p =5.4N；

計算插入面有效角度：

代入計算得， α e =38°；

代入計算得，F a ≈14N，（同種材料，C取1.2）

代入計算得，Fr≈34N；

所以裝配力為14N，保持力為34N。

本篇介紹到此，以上大部分內容其實參考以下文獻，如讀者遇到不是很清楚地方，建議去看看原文獻，里面會講得比較清楚。

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