塑料件卡扣连接设计指南

塑料件卡扣连接设计指南

目 次

1. 2. 3. 4.

4.1 4.2 5.

5.1 5.2 5.3 6.

6.1 6.2 6.3 6.4 7.

7.1 7.2 7.3

范围 ............................................................................................................................................................ 1 规范性引用文件 ........................................................................................................................................ 1 定义 ............................................................................................................................................................ 1 塑料件卡扣连接概述 ................................................................................................................................ 2 卡扣连接的关键要求 ............................................................................................................................ 2 卡扣连接的要素 .................................................................................................................................... 4 约束概述 .................................................................................................................................................. 12 约束原理 .............................................................................................................................................. 12 约束原则 .............................................................................................................................................. 16 约束布置 .............................................................................................................................................. 16 定位功能件设计 ...................................................................................................................................... 21 定位功能件类型 .................................................................................................................................. 21 定位副的组合及其适配性 .................................................................................................................. 29 定位副与装配 ...................................................................................................................................... 30 定位副与保持 ...................................................................................................................................... 33 锁紧功能件设计 ...................................................................................................................................... 36 锁紧功能件类型 .................................................................................................................................. 36 锁紧功能件的结构设计与计算 .......................................................................................................... 52 对锁紧功能件装配与保持行为的分离 .............................................................................................. 76

Ⅱ

前 言

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。

Ⅳ

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/T 6544-1993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。

1

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

2

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

约束完整性 受影响因素 恰当约束 装配便利性 可按设计状态装配 过约束 装配困难 欠约束 无影响 1、因零件间相对运动导致可靠性 可靠性依赖约束功能件的强度 因应力较大导致连接失效 锁紧失效 2、因缺少约束影响零件功能 噪声 成本 4.1.3

装配协调性

无异响 需要的精度适当 无直接影响 需要较高精度 因零件间相对运动存在异响 无直接影响 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

3

（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

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

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

（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

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。

5

 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。

6

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

7

靠性的首选最终装配运动。

表4.2 最常见的基本形状组合

基体件形状 装配件形状 实体 实体 板 壳体 ● ○ ○ 壳体 ○ ○ ○ 面 ● ● ● 开口 ● ● ● 深孔 ● ○ ○ 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。

8

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

9

基体件形状 装配件形状 实体 推● 实体 滑● 翻转● 转动●（1） 推○ 板 滑○ 翻转○ 推○ 壳体 滑○ 翻转○ 转动○（1） 推○ 滑○ 翻转○ N/A N/A 壳体 面 推● 滑● 翻转● 转动●（1） 推● 滑● 翻转● 推○ 滑○ 翻转○ 转动○（1） 开口 推● 翻转● 转动●（1） 推● 滑● 翻转● 推● 翻转● 转动●（1） N/A N/A 深孔 滑○ 转动●（1） 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

10

 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。

11

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。

12

 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；

13

 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。

14

图5.4 对立约束

图5.5 对立约束的优化

15

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 16 15 16

12 2 11 1 5 3 4 17 6 10 9 8 18 7 13 14 19 20 装配件自由度方向 约束分析项目 平动自由度 转动自由度 -X +X -Y +Y -Z +Z -X +X -Y +Y -Z +Z 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 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 17

√ √ √ √ √ √ 约束要求 接合方向 因装配件刚度低可能变形的方向 装配力 ○ √ √ √ ○ 受力情况 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。 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 约束功能件列表 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 约束副布置描述 筋-表面★※ 筋-表面★※ 筋-表面★※ 筋-表面★※ 筋-表面★※ 筋-表面★※ 筋-表面★※ 筋-表面★※ 筋-表面★※ 筋-表面★※ 凸台-边缘★※ 凸台-边缘★※ 凸台-边缘★※ 凸台-边缘★※ 插销-边缘★ 插销-边缘★ 筋-边缘★※ 筋-边缘★※ 止逆-边缘★ 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“√”； 18

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:“※”（如用筋接触代替面接触,一般是刚性定位功能件），带有导向或预装功能的定位功能件:“¤”。 已约束的方向 约束是否完整 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ □ 约束完整 √ 欠约束 约束合理性及尺寸适应性 多余约束 尺寸较大距离上的对立约束 对立约束是否满足公差要求 对立约束是否限制装配件因温度变化或受潮造成的变形 是否为对立约束设置了柔性接触 □ 在公差范围内 □ 未限制装配件变形 □ 设置了柔性接触 □ 超差 □ 限制了装配件变形 □ 未设置柔性接触 备注：1、在已约束方向对应的自由度栏目内打“√”； 2、在多余约束对应的自由度栏目内打“√”； 3、在存在尺寸较大距离上的对立约束对应的自由度栏目内打“√”； 4、其余各项根据约束情况在对应的“□”内打“√”； 5、公差要求参照相关公差列表。 约束检查 是否布置了满足对齐要求的对齐及调整 装配协调性 约束 用于对齐的刚性定位功能件是否便于模具调整 是否布置了导向或预安装 各约束副是否影响装配运动 √ 有用于对齐的约束 □ 无用于对齐的约束 □ 模具调整困难 √ 无导向或预安装 √ 便于模具调整 □ 有导向或预安装 √ 无运动干涉 □ 存在运动干涉 备注：根据约束布置情况在对应的的“□”内打“√”。 约束副布置均匀且使装配件稳定 针对装配件低刚度方向进行的约束 √ 均匀 □ 不均匀 √ √ 约束可靠性 受力情况 约束要求中提出的受力是否均有对应约束 是否存在由于力作用点到对应约束的距离较远产生的较大力矩 针对高受力需要注意强度的约束功能件 □ 已对应 √ 未对应 √ 不存在较大力矩 □ 存在较大力矩 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 19

1、-X向缺少定位副限位； 2、零件本身较小，又选择了翻转作为最终装配运动，所以可以不用安装导向。 3、在零件装配过程中存在一个方向为+X的插入力，虽然整个连接系统中布置了限制问题备注及分析 +X向平动的“筋-边缘”定位副，但在插销插入时该定位副尚未发生接触，故装配力造成的运动不能被很好限制，导致零件在翻转运动开始前的位置与预期设计存在偏差，可能造成装配运动干涉。 4、较好的修改是在零件的X双方向外轮廓边缘布置“筋-边缘”定位副，保证限位，取消17、18两处定位副。 备注：1、针对装配件低刚度方向进行的约束项目在对应的自由度栏目内打“√”； 2、针对高受力需要考虑加强措施的约束功能件在后面的表格内记录约束功能件序号； 3、其余各项根据约束情况在对应的“□”内打“√”。

20

6. 定位功能件设计

我们已在概述和约束的章节里介绍过定位功能件是实现对装配件约束的重要功能件——在装配过程中，定位副最先发生接触，提供导向并使装配件逐步约束完整，并在其后的保持状态下承受最多方向和最主要的载荷——这类功能件的结构通常并不复杂，是一些基本的几何形状，大部分有塑料件结构设计经验的工程师都可以熟练运用这些元素。

本章节不再论述如何设计定位功能件/定位副的结构，而是要帮助读者梳理归纳，并给出一些原则来评价设计的优劣。 6.1 定位功能件类型

4.2.5中列举了一些常见定位功能件的类型，但我们也可以从几何关系上将它们归为四大类，即凸起型定位功能件、表面型定位功能件、孔及合页。 6.1.1

凸起型定位功能件

凸起型定位功能件是零件母体上附加的凸起型结构，包含柱、筋、凸台、卡爪、插销。 6.1.1.1 柱

柱是附着于零件母体上的竖直凸起状定位结构，如图6.1（a）及6.1（b）展示了常用的两种柱的类型。

 柱的有效定位面分布在结构周圈；

 单个的柱最多可以约束8向运动（与柱垂直的4向平动，以柱为轴的转动以外的4向转动）；  与柱配合的定位功能件多为孔或切口；

 由于脱模需要，柱常常带有拔模，因此柱应该联合肩部特征共同使用才能保证定位精度。

图6.1 柱示例

21

6.1.1.2 筋

筋是附着于零件母体上的片状的凸起定位结构，如图6.2展示了筋的一般用法。

 筋的有效定位面是如图所示的端部，由于筋的侧面强度不高，不推荐作为定位面使用；  单个的筋只能约束1向平动，成组且同向的筋联合使用可以额外约束4向转动；  与筋配合的定位功能件多为表面或边缘；

 作为定位功能件的筋要通过合理的高度和厚度设计保证强度。

图6.2 筋示例

6.1.1.3 凸台

凸台是附着于零件母体上的带有较大拔模的凸起定位结构，凸台的定位作用与柱类似，但是强度好于柱，如图6.3（a）及6.3（b）展示了常用的两种凸台的类型。

 凸台的有效定位面分布在结构周圈；

 由于凸台的高度不足，不能用来约束转动，因此单个的凸台最多可以约束4向平动；  与凸台配合的定位功能件多为孔或切口；

 由于凸台带有较大拔模，定位副的对手定位功能件应该与凸台附着的母体壁面保持接触才能保

证定位精度。

22

图6.3 凸台示例

6.1.1.4 卡爪

卡爪是附着于零件母体上的楔状突起定位结构，卡爪的定位作用与筋类似，但是强度好于筋，如图6.4（a）及6.4（b）展示了常用的两种卡爪的类型。

 卡爪的有效定位面位于如图所示的拔模较小的那一侧面；

 虽然定位面面积大于筋，但单个的卡爪仍然只约束1向平动，成组且同向的卡爪联合使用可以

额外约束4向转动；

 由于出模方向，与卡爪配合的多为边缘，部分情况下卡爪也与表面配合；  卡爪可以作为锁紧功能件的保持区域使用，后文会详细介绍。

图6.4 卡爪示例

23

6.1.1.5 插销

插销是附着于零件母体边缘的“L”形突起定位结构，如图6.5是插销的一般用法。  插销的有效定位面是“L”形状尾部的上表面；

 图6.5（a）中比较了含有插销的定位副的配合方式的优劣：其中错误的配合方式使用了插销的

非定位面进行定位，在装配协调性和和定位精度方面都会存在问题；

 插销自身仅能约束1向平动，图6.5（b）及图6.5（c）建议设计者将插销与筋联合使用；  插销主要与表面或边缘配合；

 插销可替代锁紧功能件主要承受分离方向的载荷，因此设计中需要保证插销具有良好的强度。

24

图6.5 插销示例

插销的一种变型是滑轨，滑轨的形式如图6.6。  如图6.6（a），滑轨的有效定位面与插销相同；  滑轨自身仅能约束1向平动及4向转动；

 分离方向的载荷完全由滑轨承担，滑轨必须具有良好的强度。

图6.6 滑轨示例

25

6.1.2

表面型定位功能件

表面型定位功能件可以视为与对手定位功能件配合的平整表面，往往借用零件母体的固有结构或稍作变形，包含表面和边缘。 6.1.2.1 表面

表面是母体上平整的表面，一般有一定的面积，如图6.7为表面示例。  整个表面都是有效定位面；  表面可以约束1向平动和4向转动；

 表面常与筋、插销配合，部分情况下也与卡爪配合；

 两个表面可以互相配合，但由于精度不能通过微调模具进行控制，不推荐这样做；

 由于面积较大，表面不易在模具上进行调整，因此通常设置在基体件（或尺寸较大的件）上，

定位精度通过调整对手件的定位面控制。

图6.7 表面示例

6.1.2.2 边缘

边缘是母体表面侧面的小面，与表面相比面积较小，如图6.8为边缘示例。  边缘的有效定位面如图6.8所示；  边缘最多可以约束1向平动和2向转动；  边缘常与筋、卡爪、插销配合。

图6.8 边缘示例

26

6.1.3

孔

孔类型的定位功能件是零件母体上各种形状的全孔、半孔或切口，包含孔和切口。 6.1.3.1 孔

孔是开在零件母体表面完整的孔洞特征，如图6.9为孔示例。  孔的有效定位面根据情况不同分布在孔壁；

 单个的孔最多可以约束8向运动（与孔垂直的4向平动，以孔心为轴的转动以外的4向转动）；  孔常与柱、凸台配合；

 对于需要约束转动或有强度要求的孔建议通过增加翻边延伸孔壁的面积，保证定位的稳定性。

图6.9 孔示例

27

6.1.3.2 切口

切口笼统的理解为开在零件母体表面外缘的半孔和切口，不能形成完整的孔。切口至少比孔少约束1向运动，设计中往往由于出模或装配协调等原因用切口代替孔。如图6.10为切口示例。

 切口的有效定位面分布在侧壁上；

 切口最多可以约束7向运动（与切口垂直的3向平动，以切口的中心轴为轴的转动以外的4向

转动）；

 切口的约束效果有时与边缘相同；  切口常与柱、凸台配合；

 与孔类似，切口同样可以通过增加翻边提高定位稳定性。

图6.10 切口示例

6.1.4

合页

合页是一类特殊的定位功能件，被合页连接的两部分实际是同一个零件的两个功能部位，因其不像锁紧功能件在装配过程中弹性变形，并在装配到位后恢复到原始位置，本指南将其定义为定位功能件。合页可以约束绝大多数方向的运动并提供较高的约束强度。

 合页固定约束10向运动，只有与合页同轴的转动不被约束；

 图6.11（b）为合页变形的说明，其中中性层外侧的材料发生拉伸变形，中性层内侧的材料发生

压缩变形；

 合页结构不能应用于脆性材料。合页结构的最大应变用公式MAXh（其中h为合页变形区2r域的厚度；r为合页中性层的弯曲半径）估算，该应变MAX应小于材料断裂伸长率的30%。  由估算公式可以看出合页的变形区域厚度要适中，否则会因较大的应变断裂。  涉及合页的模具应注意控制熔接线不要出现在合页的变形区域及其附近。

28

图6.11 合页示例

6.2 定位副的组合及其适配性

前文介绍了定位功能件的类型，也提到在连接行为中，装配件上的定位功能件与基体件上的定位功能件必须配对成定位副才能实现约束。本小节将可行的定位功能件配对归纳为表6.1，以供读者参考。

表6.1 定位功能件配对

—— 类别 —— 类别 功能件 功能件 约束运动方向 柱 2-8 筋 1 凸起型定位功能件 凸台 2-4 卡爪 1 插销 1 滑轨 5 表面型定位功能件 表面 5 边缘 1-3 孔 2-8 孔 切口 1-7 29

柱 筋 凸起型定位功能件 凸台 卡爪 插销 滑轨 表面型定位功能件 表面 边缘 孔 孔 切口 1-7 ● ● 注：●为常用定位副； ○为可用定位副，但不推荐使用；

（1）由于凸台具有较大拔模，其与边缘配合的定位副容易产生错动；

（2）卡爪和表面的配合没有可靠性方面问题，往往因为影响产品直接出模不在常用设计中； （3）和（4）这两种定位副因为适配后的模具可调整性差不在常用设计中。

6.3 定位副与装配

 5.2的约束原则中提到，定位副提供的约束强度高于锁紧副，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，而约束副的布置必须与装配相适应；

 4.2.4在谈到结合方向时指出，接合方向与最终装配运动的切向平行，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。 因此卡扣连接的可靠性与设计者选择的装配方式息息相关。 6.3.1

定位副与最终装配运动

2-8 1 2-4 1 1 5 5 1-3 2-8 ● ● ● ○（1） ● ○（2） ● ● ● ● ● ● ○（2） ● ● ● ○（1） ● ● ● ● ● ● ● ○（3） ○（4） ○（4） 装配方式中对约束副布置影响最大的是最终装配运动，4.2.3中将卡扣连接的最终装配运动归结为推、翻转、滑、转动这四种形式。

 推形式的最终装配运动由定位副约束的运动方向最少，且定位副不能提供接合方向的约束；  翻转形式的最终装配运动由定位副约束的运动方向多于推形式，其连接的可靠性也好于推形式，

但依然不能完全提供结合方向的约束,翻转形式与推形式的约束比较见图6.12；

30

图6.12 翻转形式与推形式的约束比较

 能否选择滑形式和转动形式作为最终装配运动要视连接的功能要求而定，这两种形式的装配运

动与翻转形式相比并不能使定位副提供更多的约束方向，但却可以完全约束接合方向，因此连接的可靠性最好。

表6.2对四种最终装配运动的约束情况进行了归纳。

表6.2 定位功能件配对

最终运动形式 推 翻转 滑 转动 6.3.2

定位副的装配协调性

定位副约束运动方向的最大数量 9 11 11 11 定位副对接合方向的约束 无约束 部分约束 完全约束 完全约束 装配协调性是卡扣连接的关键要求之一，要实现这一要求必须保证定位副与装配方式相协调。设计者一旦选定一种最终装配运动，相应可用的定位副也就基本确定了。以翻转为例，如图6.13，柱——圆孔构成的定位副与这种装配显然不协调，将此定位副换成适应最终装配运动的柱——长圆孔，问题就解决了。通过上面的例子我们看到约束布置完成后根据装配方式进行运动干涉检查的必要性。

31

图6.13 定位副应与装配运动协调

在装配过程中先发生接触的约束副往往附带导向功能，导向对装配过程起引导和保护的作用，即：  在装配过程（区别于最终装配运动）之初引导装配件对正大体位置，保证装配按照预设的运动

完成；在连接到位前对较大的零件提供一定的支承，为装配操作提供便利；

 零件的部分功能区域或锁紧功能件往往易在不正确的装配运动中损坏，需要强度较高的导向区

域在装配中为它们提供保护。

由于导向的上述两项特点，附带导向功能的约束副往往是定位副。图6.14是柱——圆孔构成的定位副为以推为最终装配运动形式的装配件提供导向的例子，而关于导向的设计我们将在后续设计优化的章节专门进行讨论。

图6.14 由定位副提供导向的示例

32

表6.3对常用定位副与最终装配运动的适应性进行了归纳，便于读者在设计中参考。

表6.3 常用定位副与最终装配运动的适应性

常用定位副类型 柱——孔（圆孔） 柱——孔（长孔） 柱——切口 筋——表面（边缘） 凸台——孔 凸台——切口 卡爪——表面（边缘） 插销——表面（边缘） 滑轨 注：●为常用匹配； ○为可用匹配，但不推荐使用；

（1）由于凸台具有较大拔模，视情况也可用于翻转形式的装配； 6.4 定位副与保持

在卡扣连接的保持过程中，所有约束副的主要功能有二：  定位装配件与基体件连接的相对位置，其衡量标准是精度；

 抵抗可能使连接错动或分离的潜在受力，保证连接可靠，其衡量标准是强度和稳定性。 下面我们从这两方面对定位副与保持的关系进行简述。 6.4.1

定位精度

最终装配运动形式 推 ● ● ● ● ● ● ● 翻转 ● ● ● ○（1） ● ● ● 滑 ● ● ● 转动 ● ● ● ● ● ● ● 相当多的卡扣连接对于装配件和基体件的某些区域是有对齐要求的，这就要求设计者必须考虑如何控制该区域的定位精度。我们除了在图纸上对定位精度提出要求，也需要掌握如下定位副设计原则：

 用来保证零件对齐的定位副是高精度定位副，它们的强度应该较高，不能因为受到错动力而变

形；同时高精度定位副中一方的定位功能件应为易于模具调整的特征，便于试装后对精度的微调；

 在零件尺寸较大的连接中，放松与高精度定位副形成对立约束的定位副的精度要求，为对立约

束的定位副设置柔性接触；

图6.15展示了高精度定位副及为其对立约束的定位副的布置思路：

33

图6.15 定位副的布置应与连接的对齐要求相协调

 约束相同运动方向的成组定位副的间距应在合理范围内尽可能大（且布置均匀），这会增加定位

的尺寸稳定性。如图6.16，装配件通过两个卡爪——边缘构成的定位副约束对Y向平动和以Z为轴的转动进行约束。其中卡爪1和卡爪2之间的距离为l，被考察的点A到卡爪1与卡爪2连线的垂向距离为h，当卡爪2在Y向的精度偏差为h时，点A在X向的晃动为l。通过计算可以得到，当h较小时，近似的有lhh。这个例子说明，约束相同运动方向的成组定位l副的间距应在合理范围内尽可能大（且布置均匀），这会增加定位的尺寸稳定性。

34

图6.16 定位副间距对尺寸稳定性的影响

6.4.2

定位强度与稳定性

定位强度与稳定性是保证连接可靠的必要条件。在设计之初，工程师就要罗列零件连接后的潜在受力：

 对于某向受力，如果该力的作用范围较小（即载荷较为集中），与之对应的定位副可以单独布置，

也可以成组布置，设计者需要确保定位副具有足够抵抗该力的强度。但单独布置的定位副提供的抵抗力可能与零件受力形成力偶，不利于零件定位的稳定性；

 零件也可能受到沿同一方向分散分布的载荷或造成转动的力矩，为了使定位稳定，对应的定位

副应成组布置，成组的定位副间与载荷垂直方向的距离越大定位越稳定，该距离至少应该超过载荷的分布宽度。

图6.17展示了定位稳定性的实例：

图6.17 定位的稳定性

35

7. 锁紧功能件设计

锁紧功能件是另一种约束功能件，其定义在前文已有介绍，此类功能件在卡扣连接中主要表现为装配、保持和分离行为，其行为的力学特性遵循弹性变形的拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲的状态。需要注意的是，锁紧功能件在不同连接行为中表现的力学特性不尽相同，合理利用这种差异有助于工程师在结构设计中解决对锁紧连接的装配、保持行为的性能需求矛盾。

在这里列举一些关于锁紧功能件的一般性原则：

 在一组锁紧副中，通常只有一边的功能件为可以变形的锁紧功能件，如果需要的变形幅度较大，

也可能会出现锁紧副中两边的功能件同时可以变形的情况，但此种设计使得连接行为的分析难度增大；

 锁紧功能件由于存在失效风险，一般布置在较小或成本较低的零件上，有时也会根据力学性能

要求布置在材料较适宜（如韧性更高）的零件上；

 大部分锁紧功能件仅能限制一个自由度，但环型锁紧功能件至多可以限制5个自由度（除去轴

向转动），本指南推荐由定位功能件限制大部分自由度；

 锁紧功能件应尽量避免承担功能性、较大的或长期性载荷，最好不要承担分离力以外的力；对

较大或刚度不足的装配件来说，靠近锁紧副应该布置有相应的定位副，避免锁紧副承担其他方向的力导致连接失效；

 大部分锁紧功能件在注塑零件上产生--出模方向的倒扣，设计时应与制造工艺结合分析。 7.1 锁紧功能件类型

如图7.1，所有锁紧功能件都有分别对应装配（分离）变形和保持这两种行为的主要功能区域：变形区域和保持区域，而本指南主要按照变形区域的差异区分锁紧功能件类型。

图7.1 悬臂梁型锁紧功能件的功能区域

7.1.1

悬臂梁型锁紧功能件

悬臂梁型锁紧功能件通过梁的弯曲实现装配变形，主要通过梁的拉伸/弯曲保持锁紧，这是塑料件卡扣连接中最常见的一种锁紧功能件类型，本指南也在此着重进行探讨，该类锁紧功能件的行为原理特别是保持区域的相关原理，同样可推广到其他类型的锁紧功能件上。

36

7.1.1.1 变形区域

悬臂梁型锁紧功能件的变形区域是悬臂梁，在设计中可以认为梁是在弹性范围内弯曲变形的，对其行为分析也是以此为基础。梁的形状和截面可以有多种，图7.2，其中最为推荐的是使用矩形截面的直梁或楔形梁，计算分析较为简单。

图7.2 一些可用的梁的形状和截面

7.1.1.2 保持区域

保持区域是锁紧功能件上相对刚性的部分（可在定位功能件的形式中选择），其形状有较多可选项，保持区域一般又分为保持面与插入面（如图7.1）。保持区域通过与变形区域的搭配以适应不同的连接需要（如功能、空间或制造工艺等要求）。

 悬臂梁型锁紧功能件较常见的一类保持区域是凸起型，如凸台或卡爪，其中最典型的锁紧副组

合——带有卡爪的悬臂梁型锁紧功能件与对手件件边缘的连接——就是一例。图7.3是一些凸起型保持区域的示例。

图7.3 一些凸起型保持区域示例

37

凸起型保持区域的保持强度有限，因为锁紧副接触面上的相互作用力对梁形成弯矩，且在梁的弯曲过程中随着锁紧副之间的滑移保持角逐渐变小（如图7.4（a）），所以即使对于非拆卸形式的连接，其卡爪或凸台的保持角为90°或接近90°，锁紧依然会在较大的分离力下失效——此种保持面的保持角已形成自锁（锁紧副自锁会在7.2节中说明），分离力引起的锁紧副接触面上的相互作用力理论上不能造成梁的弯曲变形，当分离力过大时，局部的材料破坏会造成锁紧副在保持面上的滑移，如图7.4（b）。

图7.4 锁紧副的分离

如图7.5，修改凸起部分的保持角，使之大于90°可改变锁紧副接触面上的相互作用力产生弯矩的方向从而提高保持强度。但这样的连接需要在锁紧副中保留间隙以便装配（最典型的例子是箱包类的带扣），否则梁连接过程中的回弹不能完成，并且留有间隙的锁紧不是适当约束，在汽车塑料件的连接中使用可能造成松动和异响。

图7.5 保持角大于90°的锁紧副

 悬臂梁型锁紧功能件另一类常见的保持区域是梁末端的空框，由于该区域特征像绳套一样，此

类保持区域我们称之为环套型。环套型保持区域还可以变型为“T”型或“L”型，如图7.6。锁紧副中与环套配合较多的对手件是卡爪。

38

图7.6 一些环套型保持区域示例

对于非拆卸的连接（卡爪保持角为90°或接近90°），带有环套型保持区域的悬臂梁型锁紧功能件锁紧时，锁紧副接触面上的相互作用力在梁的中性面内，不对梁形成弯矩，因此梁只发生拉伸变形，如图7.7，这种连接保持的强度取决于框体下部的力学特性；在可拆卸的连接中，锁紧副接触面上的相互作用力会对梁形成弯矩，但其保持特性依然优于凸起型（主要表现在梁弯曲过程中卡爪的保持角度不变）。

图7.7 非拆卸的环套型锁紧功能件无弯曲变形

如图7.8（a），环套型保持区域的问题在于注塑产品成型时在框体下部形成熔接线，会破坏该区域的机械强度，因此应控制熔接线位置使其不出现在框体的拐角位置（此处弯矩最大，如图7.8（b））并且必须在框体内部倒圆角减小相关应力。

图7.8 环套型保持区域的熔接线问题

39

7.1.1.3 锁紧功能件受力说明

前面已经介绍了悬臂梁型锁紧功能件的变形和保持区域，从本节开始指南内容越来越多地涉及到锁紧功能件的受力，以带卡爪悬臂梁型锁紧功能件为例，此处对这种受力关系作一说明。如图7.9。

图7.9 带卡爪悬臂梁型锁紧功能件的静力关系

注：图中为插入角；为保持角；F为锁紧副接触面上的相互作用力；为锁紧副接触面上的静/动摩擦系数（视锁紧副相对静止还是已发生滑移）；F为锁紧副接触面上的摩擦力；FP为F与F共同作用沿梁的垂直方向对梁产生的弯曲合力；FR为F与F共同作用沿梁的方向对装配/分离力的抵抗力，装配行为中FR为抵抗力，保持行为中FR为保持力；

有如下静力关系：

 如图7.9（a），在带卡爪悬臂梁型锁紧功能件的装配行为中，有：

FA为装配力；FS为分离力。

FAFR （标量相等，方向相反） 公式7.1

FRsinFcosF 公式7.2

FPcosFsinF 公式7.3

在本指南7.2中读者将会了解到，FP易由梁的挠度公式求得，因此由以上公式可以得到：

FAFPtan 公式7.4 1tan公式7.4是用于校核悬臂梁型锁紧机构装配力的重要公式。

40

 如图7.9（b），在带卡爪悬臂梁型锁紧功能件的保持行为中，类似地，有：

FSFPtan 公式7.5 1tan公式7.5是用于校核悬臂梁型锁紧机构分离力的重要公式。

需要读者注意的是上述校核公式只对梁与装配/分离力方向平行时适用，其他情况读者可仿照上例推广分析。

7.1.1.4 悬臂梁型锁紧功能件实例

对一些悬臂梁型锁紧功能件的实例分析如图7.10，需要指出的是梁与母体件的连接方向（如垂直于母体件、呈一定角度伸出或从面的边缘横向伸出）并不影响其保持效果，但会影响锁紧副接触面上相互作用力抵抗分离力的效率。

41

图7.10 悬臂梁型锁紧功能件实例

7.1.1.5 悬臂梁型锁紧功能件的装配行为

对于常见的带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件来说，装配过程中随着功能件插入，一方面受力点到梁根部的距离减小，另一方面插入角也不断增大，如图7.11，这导致克服抵抗力需要的装配力的增长速度非常快。

图7.11 带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的装配行为

这样的装配行为会给装配者带来不好的操作体验，其装配力——挠度曲线如图7.12（a）。改进的装配力——挠度曲线如图7.12（b），可以减小一部分装配力，对于需要反复拆装的零件，较小的装配力意味着更长的寿命。而更进一步的改进如图7.12（c），图中所示的曲线表明装配力的增长斜率不断下降，这反馈给装配者一种“恰当”的卡接感觉，是一种良好的操作体验。

42

图7.12 装配力——挠度曲线示意

 对带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件较为简单的优化方式是修正插入面的廓型，如图

7.13，廓型的修改计算在下面章节中讨论。

图7.13 插入面廓型作外凸状修改

如图7.14，相较于凸起型保持区域，带有环套型保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的装配力——挠度曲线斜率几乎不变，更接近于图7.10（b），因为在装配过程中对手件上卡爪的插入角不会变化，受力点到梁根部的距离在装配的大部分过程中也没有减小，这使得环套的装配操作体验要好于凸起。更进一步，如果对锁紧副中另一个件上的卡爪装配面的廓型进行修改，我们还可以得到图7.10（c）类型的装配力——挠度曲线，使卡接的感觉更“恰当”。

图7.14 带有环套型保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的装配行为

43

7.1.1.6 悬臂梁型锁紧功能件的保持和分离行为

在前面介绍保持区域时已对悬臂梁型锁紧功能件的保持行为进行了初步的介绍，下面以保持区域为卡爪的悬臂梁型锁紧功能件为例进一步说明：

 悬臂梁型锁紧功能件仅能限制一个自由度，这也意味着它不能抵抗分离力以外的力；对于这类

锁紧功能件来说，长期或高频的分离力即使不大也可能造成功能件局部蠕变进而锁紧失效；相反，一个较大瞬时力带来的能量会被设计良好（结构合理，材料的韧性足够）的锁紧副吸收。  对于带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件，其分离行为是装配的反过程。以可拆卸的锁紧

副为例，如图7.15（a），当对装配件施加一个分离力，对应产生的弯曲合力使锁紧功能件的梁弯曲，两件在锁紧副的保持面上滑移，装配件与基体件开始分离。随着梁的挠度变大，保持区域旋转加大，保持角减小，同时受力点到梁根部的距离增加，分离力——挠度曲线——如图7.15（b）——的斜率显著下降。这种斜率下降的情况对拆卸者的反馈是“锁紧机构产生了滑移，连接显得不牢固”。非拆卸的带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的分离行为与此相同，如前述，虽然连接在理论上是自锁的，但只要分离力足够大，两件在锁紧副的保持面上出现滑移，连接就会失效。总之，带有凸起型保持区域的悬臂梁型锁紧功能件受梁力学特性的限制，其保持强度有限。

图7.15 带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的分离行为

悬臂梁型锁紧功能件的保持可以通过如下一些方式改进：

 修正保持面廓型。在可拆卸连接中，类似于7.1.1.5中介绍的为插入面设计补偿角度的方法在

保持面上也适用，如图7.16的修改可以改善分离力——挠度曲线的斜率变化，避免拆卸时“连接松动”的感觉；在非拆卸连接中，7.1.1.2中介绍的大于90°的保持角可以加强保持强度。

44

图7.16 保持面廓型作内凹状修改

 用环套作为保持区域。在可拆卸连接中，环套类锁紧副的保持角和受力点到梁根部的距离在分

离过程中基本不发生变化，因此这种连接的分离力——挠度曲线的斜率在分离过程中也保持恒定，如图7.17；在非拆卸连接中，除非分离造成的拉应力超过材料极限，否则锁紧是不会脱开的。

图7.17带有环套型保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的分离行为

 将凸起型的保持区域旋转90°。如7.1.1.4中图7.10（g）所示，这一变化使梁的装配弯曲和

分离弯曲朝向不同的方向，用于计算分离弯曲的截面模量显著大于装配弯曲的截面模量，这是一种将锁紧功能件的装配行为和保持行为分离考虑的设计思路，在7.3中将对这种思路进一步讨论。但此种形式的锁紧功能件需要较大的结构空间，对应的注塑模具结构也并不总能实现，应用范围有限。

 增加保持优化结构。如图7.18对锁紧功能件的悬臂端增加一个附加的支承，限制梁的弯曲，但

这一优化会影响拆卸，对需要拆卸的连接要谨慎使用。

45

图7.18 对锁紧功能件的悬臂端增加一个附加的支承限制梁的弯曲变形

7.1.2

平面型锁紧功能件

平面型锁紧功能件的卡爪与能偏斜的壁连接，通过壁变形实现装配，通过壁的平面力学性能保持锁紧。如图7.19（a），该型锁紧功能件较多的应用于壳体形状件之间的连接，这样的配合布置可以用较小的布置空间和工艺成本完成锁紧。图7.19（b）是一个典型的平面型锁紧功能件构成的锁紧副的连接断面，从断面的角度来说平面型锁紧功能件与带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件类似，但正如定义里所述，其装配和保持的力学特性是平面的变形，因此平面型锁紧功能件的保持强度高于悬臂梁型锁紧功能件。

图7.19 平面型锁紧功能件示例及断面

46

不管是可拆卸还是非拆卸的平面型锁紧功能件在较大的分离力作用下依然会脱开，如图7.19（b）的断面，锁紧副保持面上的相互作用力并不在壁的中型面上，因此力会扭曲壁面并最终导致连接分离。

一部分材料指出平面型锁紧功能件可以通过卡爪和孔的配合共约束三向自由度，但本指南认为此种设计不利于产品后期在模具上的调整，推荐读者在设计时尽量将定位功能件与锁止功能件进行分离。 7.1.3

止逆型锁紧功能件

止逆型锁紧功能件与悬臂梁型锁紧功能件类似，通过梁的弯曲实现装配变形，但保持锁紧时其力学特性则是弯曲/压缩。由于保持特性差异较大，该型锁紧功能件还可分为可拆卸及非拆卸两种。

图7.20 止逆型锁紧功能件装配行为

该型锁紧功能件的装配和保持/分离行为均与悬臂梁型锁紧功能件迥异：装配时，如图7.20所示，随着装配件与基体件的接合，锁紧副在插入面上的接触点——锁紧副接触面上的相互作用力的作用点向着远离梁根部的方向运动，同时由于梁的旋转，插入角也在减小；对于可拆卸止逆型锁紧功能件分离是装配的逆向过程。通过上述分析我们可以发现，止逆型锁紧功能件的装配和保持/分离行为与悬臂梁型锁紧功能件相反（保持角及锁紧副接触面上相互作用力到梁根部的距离变化），因此止逆型锁紧功能件的装配、保持、拆卸特性均优于单纯的悬臂梁型锁紧功能件。这一类型的锁紧功能件以各种形式在汽车零件的连接中大量使用，图7.21是一些示例。

47

图7.21 汽车零件中常用的可拆卸的止逆型锁紧功能件示例

7.1.3.1 止逆型锁紧功能件的装配行为

止逆型锁紧功能件的装配行为如前所述，因此它的装配力——挠度曲线如图7.12（c），装配力的斜率随着装配的进行在下降，给装配者的卡接操作带来“恰当”的体验。 7.1.3.2 止逆型锁紧功能件的保持和分离行为

前文已述及，止逆型锁功能件分为可拆卸及非拆卸两种且保持/分离行为差异较大。可拆卸止逆型锁紧功能件的保持区域集成在锁紧功能件上，锁紧副的接触形式为锁紧功能件的保持面和对手件边缘配合；非拆卸止逆型锁紧功能件保持区域为梁的顶端，锁紧副的接触形式为梁的顶端和对手件表面配合。下面我们来看一下这两种类别的止逆止逆型锁紧功能件的保持/分离行为：

 可拆卸止逆型锁紧功能件的分离行为前文已述及，它的分离力——挠度曲线如图7.22，分离力

的斜率随着拆卸的进行在上升，有较好的保持特性，同时给操作者“连接牢固”的感觉。对于可拆卸止逆型锁紧功能件，其保持面应小于达到自锁的角度，否则会增加拆卸难度。

图7.22 可拆卸止逆型锁紧功能件的分离力——挠度曲线示意

48

 非拆卸止逆型锁紧功能件保持锁紧时的力学特性不是梁的弯曲，而是压杆，如图7.23，因此连

接强度非常高，在零件不损坏的前提下连接几乎是不可分离的。汽车上最常见的非拆卸止逆实例是线束扎带的连接，除非剪断扎带，一般的分离力都不能导致连接失效。

图7.23 非拆卸止逆型锁紧功能件示意

非拆卸止逆型锁紧功能件的较为常见的失效模式是压杆失稳。如图7.24所示，当止逆锁紧副的接触点区域摩擦力对梁根部的弯矩不足以克服锁紧副接触面上的相互作用力对梁根部的弯矩时，锁紧副在保持面上产生滑移，随着滑移增大，压杆失稳，梁会在较大的弯曲变形下损坏导致连接失效。

图7.24 非拆卸止逆型锁紧功能件的失效示例

针对止逆的失效模式我们应在设计中注意如下两点：

 对止逆型锁紧功能件需要设计为自锁，也就是需要锁紧副接触点区域摩擦力对梁根部的弯

矩大于锁紧副接触面上的相互作用力对梁根部的弯矩，如图7.25。

49

图7.25 非拆卸止逆型锁紧功能件自锁静力关系

注：图中为梁与锁紧副接触面法线的夹角；l为梁的长度； F为锁紧副接触面上的相互作用力；为锁紧副接触面上的静摩擦系数；F为锁紧副接触面上的摩擦力；力。

对锁紧现象用公式7.6描述：

coslFsinlF 公式7.6

进而得到夹角的自锁设计值如公式7.7：

FS为分离

arctan 公式7.7

 在材料摩擦系数较小或结构不允许夹角过小的情况下可通过附加特征限制梁的侧向滑移，

图7.26是对此类设计思路的一个示例。

图7.26 通过附件特征限制梁的侧向滑移

50

 对非拆卸止逆型锁紧功能件的一个有趣应用是“证据功能件”，这样的锁紧副不需要做的很强，

不适当的拆卸会导致其损坏，从而为未被许可的拆卸留下“证据”。 7.1.4

扭转型锁紧功能件

扭转型锁紧功能件相对其他类型锁紧功能件并不常见，此类型锁紧功能件的装配和保持行为特性都是扭转，由于装配和保持行为的力学特性一致，其保持强度不高，但可以应用于不借助工具完成拆卸的连接中。图7.27是一些扭转型锁紧功能件的示例。

图7.27 扭转型锁紧功能件示例

7.1.5

圆环型锁紧功能件

圆环形锁紧功能件可以看成是绕在圆柱面上的卡爪和绕在另一组配合圆柱面上的边缘，此类型锁紧功能件的装配和保持行为特性都是圆柱面的切向拉伸。需要特别注意的是环形分布但分段断开的卡爪/边缘或止逆/边缘的锁紧副不是环形锁紧功能件，因为他们的主要力学特性是梁的弯曲。环形锁紧功能件最常见的应用是笔帽，其他一些示例如图7.28。

图7.28 圆环形锁紧功能件示例

如前文所述，环型锁紧功能件至多可以约束除轴向转动以外的5个自由度。

51

7.2 锁紧功能件的结构设计与计算

通过7.1的讨论，我们已经了解各类锁紧功能件的构成要素——变形区域及保持区域——及其在装配和分离过程中的行为，本节将进一步介绍锁紧功能件的结构设计原则和计算方法。在此我们依然以极具代表性的带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件为基础展开讨论，其中部分数据、公式可以推广到其他类型的锁紧功能件上，但我更希望读者了解这其中的思路和方法并应用到自己的设计中。 7.2.1

带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的结构设计

如前所述，锁紧功能件最基本的构成要素是变形区域和保持区域，我们通过选择适当的尺寸来设计它们的结构。

为了便于后面的讨论，在此给出带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的各部分尺寸定义，如图7.29。

图7.29 带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件（梁截面为矩形）尺寸定义

注：图中t为锁紧功能件所在母体壁面的厚度；h为梁根部厚度；i为梁根部厚度与保持区域厚度之比；hb为梁保持区域厚度；b为梁根部宽度；j为梁根部宽度与保持区域宽度之比；为梁保持区域宽ji度；l为保持区域到梁根部长度，le为锁紧副接触面上的相互力作用点到梁根部的距离；为卡爪与对手件连接时的过盈，在装配过程中梁的挠度为y，y的最大值即；为插入角；为保持角；r为梁根部圆角半径。

7.2.1.1 梁的厚度

悬臂梁型锁紧功能件可以从其所在零件母体壁面突出（如图7.30（a）），也可以是壁面的延伸（如图7.30（b）），但不论属于哪种情况，梁根部的厚度h都是由母体壁面的厚度t决定的，所以应该首先被定义。

52

图7.30

梁根部的厚度会从如下方面影响产品：

 锁紧功能件所能提供的保持力FR与h3成正比，梁根部较厚的锁紧功能件保持强度较高；  装配和分离变形过程中的最大应变（通常在梁根部）与h成正比，梁根部较厚的锁紧功能件

在相同挠度变形下产生较大的应变；

 梁根部过厚的锁紧功能件会在制品冷却过程中产生较多收缩问题，首先是梁上较大的残留应力

或缩痕反而降低梁的机械性能，其次对于从其所在零件母体的外观背面突出的梁会引起不可接受的外观缩痕。

 如果尺寸上允许，梁的截面厚度也不必保持等值，根部厚度相同但带有正向拔模的梁可以使应

变更均匀的分布于其上，进而减小最大应变。

在这里通过表7.1给出一些推荐的梁根部厚度与母体壁面的比值比i的设计参数：

表7.1 梁厚度设计参数

梁壁面关系 壁面是否外观 制品表面 电镀或高光 梁从壁面突出 非外观 梁是壁面的延伸 —— 外观 非电镀或高光 —— —— 上表只给出了一般情况下梁厚度的设计参数，但也可以通过一定的结构设计规避梁厚度对产品壁面造成的收缩影响，如图7.31，锁紧功能件本该从产品外观的背面直接突出，设计在两者中间增加了狗窝（doghouse）结构作为转接从而放松了梁根部厚度的设计约束。另外上表参数对尺寸较大的塑料制品更敏感，尺寸较小的塑料制品的外观可以调整注塑工艺得到改善。

塑料材料收缩率 —— ≥1% ＜1% —— —— 0.5-0.6 1 1-3 h及梁根部厚度与保持区域厚度之th t0.3-0.4 i 1-2 53

图7.31 通过狗窝与母体壁面连接的锁紧功能件

7.2.1.2 梁的宽度

我们先看一下梁根部宽度对连接的影响：

 锁紧功能件所能提供的保持力FR与b成正比；

 装配和分离变形过程中的最大应变不受梁根部宽度影响。

通过分析我们看到梁根部宽度的增加可以在不加大应变的前提下提高连接的保持力（虽然对保持力增幅贡献不如厚度），并且由于这个参数受到母体件的约束较小，因此可以在设计中灵活设置。但需要读者注意的是，当梁根部宽度与长度比值合用梁挠度变形方法进行分析。

与梁的厚度相同，梁的宽度同样可以设计拔模，对于根部厚度和宽度给定的梁，宽度方向的拔模可以减小变形过程中的最大应变，相应的也会降低一些保持力。梁根部宽度与保持区域宽度之比j的设计范围可以为1到4。 7.2.1.3 梁的长度

悬臂梁型锁紧功能件的总长由变形区域梁的长度和保持区域的长度叠加，保持区域的长度由保持面的深度、插入角和保持角决定，因此实际上独立的设计参数只有梁的长度l。该长度较为准确的理解是梁根部到保持区域的长度，近似等于锁紧副接触面上的相互力作用点到梁根部的距离。

 锁紧功能件所能提供的保持力FR与l3成反比；  装配和分离变形过程中的最大应变与l2成反比。 这里推荐梁长度与梁厚度（或梁根部厚度）的比值在5b0.5时，功能件的变形行为更接**面型锁紧功能件，不再适ll10的范围内。锁紧功能件的梁过长则h保持力低；过短则会在根部出现较大应变，同时也不适合用挠度变形方法进行分析。梁长度与厚度的比值可以参考材料的应力应变曲线设定，较脆的材料（曲线中斜率较大但应变范围较低）适用较大的比值。

54

7.2.1.4 保持面的深度

保持面深度由锁紧副中两功能件之间的间隙和卡爪与对手件连接时的过盈叠加，其中间隙值可度设计为0.5mm，过大的间隙值使保持面上作用力的作用点偏离梁中性面太远，降低保持强度；则是影响连接性能的重要参数：



等于梁在装配过程中的最大挠度ymax；

 锁紧功能件所能提供的保持力FR及其在装配和分离变形过程中的最大应变均与成正比。 初始设计时建议设定该参数等于梁的根部厚度，即h，当梁的长度与梁厚度比值较低或锁紧功能件这一侧零件所用材料较脆的时候可以适当减小此参数，但最终应该取决于计算校核的结果。 7.2.1.5 插入角

推荐插入角范围在25°至35°之间。

 较大的插入角造成装配力过大，插入角超过45°时装配过程困难而且增加运动的不确定性。 7.2.1.6 保持角

保持角影响锁紧功能件的保持和分离行为：  保持角与保持强度及拆卸需要的分离力正相关；  较大的保持角可在连接中形成自锁。

因此对于需要拆卸的零件需要定义较小的保持角，无需拆卸的零件可将保持角设计成自锁。同时读者也应该注意，85°以上的保持角未给装配过程中变形的回复预留足够的导向，并不推荐。对于不同工况要求的锁紧功能件在这里推荐一些保持角参数如表7.2。

表7.2 梁厚度设计参数

承担的分离载荷 连接后的保持定义 分离作为使用功能的一部分，操作者手工分离 较小载荷 可拆卸连接 维护性拆卸，需要借助工具 非拆卸连接 较大或长期载荷 7.2.1.7 保持角的自锁值

如前文述及，所谓自锁是指锁紧副接触点区域摩擦力F对梁根部的弯矩大于锁紧副接触面上的相互作用力F对梁根部的弯矩，这样的静力关系如前图7.9（b）。公式描述如下

—— —— ——  ≈35° ≈45° 80°-90° sinlFcoslF 公式7.8

进而得到：

55

arctan1 公式7.9 当保持角设计为大于等于材料静摩擦力倒数的反正切时，锁紧功能件自锁，连接在理论上不会因为外部分离力脱离。

7.2.1.8 插入面廓型的修正

在8.1.1.5中我们讨论过可以通过修正插入面廓型改善带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件在装配行为中的装配力——挠度曲线，以达到较好的装配操作体验。

假定一个已经完成断面绘制的锁紧功能件按照7.2.1.5中给定的范围设定了插入角为。在装配初始时，如图7.32（a），锁紧副刚好接触，梁无挠度变形，插入角为初始；随着装配行为进行，锁紧副在某一装配过程中点P接触，梁产生挠度变形，如图7.32（b）。此时梁的挠度易知，假定为ye，P点到梁根部的距离易知，假定为le，则保持区域发生的偏转为：

arctan此时实际插入角为实际初始。

ye 公式7.10 le

图7.32 装配过程中保持区域偏转

在设计中，为了补偿这种偏转带来的插入角增大，用如图7.33的方法修正：

 在已经完成断面绘制的锁紧功能件上等距取若干过程中点P1、P2...（2到3个点即可）；  计算出过程中点P1、P2位置的保持区域偏转1arctan 则带有补偿的过程中点P1、P2位置的设计插入角应为：

ye1y、2arctane2； le1le2设计1初始1

设计2初始2 公式7.11

 为了达到图7.12（c）中 “恰当”的卡接感觉，还可以在插入角的计算中增加附加角度的补偿，

附加角度附加可以设定为2°至3°，则有：

56

设计1初始1附加

设计2初始2附加 公式7.12

 保持面深度不变，逆序以点P2、P1...为中点顺次连接带有插入面补偿角度的折线段；  将这些这线段的中点顺次以平滑样条曲线连接起来，即得到新的插入面廓形。

图7.33 插入面廓形的修正

7.2.1.9 保持面廓型的修正

带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的分离力——挠度曲线同样可以通过修正保持面廓形得到改善。与7.2.1.8类似，具体修正方法不再详细介绍，修正后的过程中点保持角为：

设计初始 公式7.13

其中偏转补偿为：

arctan修正后的保持面廓形内凹，图7.16已有说明。

7.2.1.10 锁紧功能件圆角

ye 公式7.14 le悬臂梁型锁紧功能件梁截面突变的地方就会出现应力集中，应力集中使零件的实际应变较计算分析大，因此凡是梁变截面的转角都应该作倒圆角处理。根据梁挠度变形分析，悬臂梁型锁紧功能件最大应变位于梁与母体壁面连接的根部外侧，因此这里圆角的半径尺寸r要特别进行定义，且后文会提到，该定义影响梁的应变计算。

 梁根部倒圆角过小会造成应力集中；

 梁根部倒圆角过大则容易造成塑料件母体表面的缩痕，影响外观及梁机械性能。

57

此处推荐梁根部的倒圆角半径r不小于0.5mm，并可根据制品母体壁厚适当调整。 7.2.1.11 对其他类型锁紧功能件的设计推广

这里介绍的结构设计规则是以带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件为基础展开的，但其中很多内容可以推广到其他类型的锁紧功能件上，例如插入角和保持角的定义可以应用于平面或扭转型甚至是圆环形锁紧功能件，只要他们使用了类似卡爪的保持区域；梁弯曲的设计规则适合止逆型锁紧功能件；而这种通过分析锁紧功能件的装配和保持/分离行为对各设计参数进行定义的思路在塑料件的卡扣连接设计中则是共通的。

7.2.2

对锁紧功能件计算所需的前提条件

为了对锁紧功能件准确而有效的计算，设计者应确认下文列出的各类前提条件，保证计算是在条件允许范围内进行的，并核对如应力——应变曲线、摩擦系数等参数的准确性。 7.2.2.1 对材料机械性能的假设前提

除非另行说明，否则对锁紧功能件的所有分析计算（尤其是依据梁变形理论进行的计算）主要依据三项假设，即计算对象的材料是线弹性体、材料均质且各向同性，事实上，大部分塑料并不能完全满足上述条件，然而这些假设对于计算的简化却又是十分必要的。大多数情况下，对塑料件卡扣连接行为的分析并不需要特别的精确，本指南后面的章节中会提到需要针对某些情况进行计算补偿，跟这些情况比在上述假设前提下得到的计算结果是可以被接受的。

在此针对上述三项假设作一说明：  材料是线弹性体

这一假设包含两个要点，即受分析零件的材料其应力——应变曲线在分析范围内是线性的且在此范围内保持弹性变形。事实上大多数材料在弹性范围内的应力——应变曲线都不是线性的，因此我们会在分析中选取材料的正割模量（或按供应商提供的拉伸或弯曲模量）代入计算。如果对锁紧功能件的分析是使用有限元方法并借助计算机辅助工程（CAE）进行计算的，则可以直接采用相应材料的应力——应变曲线代入计算。  材料均质

这一假设要求受分析零件的材料组分在整个零件上都是一致的，零件上任意局部的材料具有与整个零件相同的物理性质。但是在塑料零件的这一性质会受到注射成型过程中原料的混合、流动路径以及冷却的影响，因此材料均质只能被理解为是合理的近似。  材料各向同性

这一假设要求受分析零件上任意一点的各向机械性能是一致的，与该点所处的位置和这些机械性能的向量无关。事实上一些塑料的机械性能会展现较大的方向差异性，如带有纤维增强的材料在和流动相同的方向上具有更好的机械新能，对使用这类材料的零件进行分析时，应选用能够反映这一特点的参数代入计算（如应力应变曲线受测试样的制备方向应合理才能与实际的使用工况一致）。

58

7.2.2.2 简易计算和有限元计算的适用性

在着手对锁紧功能件进行计算分析前我们应该了解适用的计算方法，锁紧功能件的变形行为符合梁变形理论是可以简易计算的边界，越过此边界的情况推荐使用相关CAE软件进行有限元分析。适用有限元方法分析的情况包括但不限于以下的这些例子：

 尺寸比例不符合梁变形理论或挠度过大的悬臂梁型锁紧功能件和止逆型锁紧功能件；  平面型锁紧功能件；  其他形状复杂的锁紧功能件；  增加了其他保持性能优化的锁紧连接；  应力——应变曲线复杂的材料。

7.2.2.3 材料的应力——应变曲线及其在分析中的应用

应力——应变曲线是对锁紧功能件进行计算分析的必要条件输入，当得到一个应力——应变曲线时，我们应当关心此曲线是在何种环境条件下的何种实验中获得的。

 温度、湿度、材料的制备（制备的式样是否与实际的使用工况一致）都会对实验产生影响，因

此实验的环境及材料试样应与零件的主要使用工况相近；

 我们从材料供应商处或公开资料中取得的应力——应变曲线往往是在拉伸试验中获得的，然而

对悬臂梁型锁紧功能件来说弯曲是其主要变形模式，在这种情况下通过弯曲性能试验获得的曲线更适合作为输入条件（上述两种试验方法详见JB/T 6544-1993）。但在不那么精确的计算中，对于试样制备合理的大部分塑料材料通过这两种试验获得的应力——应变曲线以及由此得到的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量E都可以使用。（两种模量的实验结果差别主要由于材料的各向异性导致，实际表征的是相同的物理量。） 如图7.34是4种塑料材料的应力——应变曲线。

图7.34 4种塑料材料的应力——应变曲线

59

图中各个点的含义为：  比例极限（A）

比例极限是材料在不偏离应力与应变正比关系（胡克定律）条件下所能承受的最大应力，在材料的应力——应变曲线图中体现为直线段的最大应力值。 在此要为读者引入初始模量的概念：

部分塑料材料比例极限前的线段较长，材料在该线段内的应力——应变关系都可以被视为是线性的，该线段（OA）的斜率即为材料的初始模量。但也有部分塑料材料的应力——应变曲线根部不存在线性线段，因此选取曲线上应变为1%的点，将该点与点O连线的斜率定位初始模量(实际为1%应变的正割模量，见正割模量说明)。  屈服点（B）

屈服点是应力——应变曲线上当应变开始增加而应力却不增加的起始点，曲线在此点的斜率为0。需要注意的是，如图7.34中的曲线4所代表的某些材料没有屈服点。  极限强度（C）

极限强度是对材料施加载荷时材料所能承受的最大应力。  弹性极限（D）

材料受载荷达到某一限度之前，若除去载荷，其变形即消失而恢复原状，弹性极限即是这一限度，当载荷超过这一限度材料将发生塑性变形。在展示屈服的材料的应力——曲线上，弹性极限的应力小于屈服点的应力。  正割模量（E）

正割模量是由应力——应变曲线上的指定点向原点引一直线，该直线的斜率，可以视为该段曲线的弹性模量均值。  屈服强度（F）

屈服强度为屈服点处的应力。在应力——应变曲线上，对于展示屈服的材料，屈服强度即B点处应力；对如图7.34中的曲线4所代表的材料，需要通过选取超过弹性极限点D一定应变的点

F处的应力建立一个屈服强度，以便于后续的计算分析。

点F可以通过作图的方法取得：

在图中，选取应变坐标线上代表2%应变的一点H，通过点H构建一条与初始模量平行的直线，该直线与应力——应变曲线4的交点即点F。因为点H代表2%的应变偏置量，所以由此得出的点F称为“应变偏置2%处的屈服强度”，它的物理含义是超出弹性极限2%应变所对应的应力。 材料的应力——应变曲线主要为锁紧功能件的分析提供如下重要参数：  屈服点位置对应的应力和应变；

 断裂伸长率，即图7.34中各曲线尽头x处对应的应变；  用于计算的弹性模量：

60

7.2.2.4中将介绍设计点（根据工况选定的许用应力和应变对应的点）的选取，该点的正割模量

E用于代入锁紧功能件的计算。

在部分情况下输入并不包含应力——应变曲线，这种情况下我们至少应该从输入方得到材料的拉伸弹性模量或弯曲弹性模量、材料屈服对应的应力及应变、极限强度（或抗拉强度）、断裂伸长率，这是输入计算的最低要求。

材料的应力——应变曲线除了为计算提供参数支持，还可以通过它看到材料的韧性。韧性代表材料抵抗冲击载荷而不损坏的特性，实际物理描述为材料断裂前可以吸收的冲击能量，在应力——应变曲线图中用曲线以下所围成的面积表达。图7.35是塑性、脆性、柔性塑料材料的应力——应变曲线对比，可以看到塑性材料的应力——应变曲线以下围成的面积高于脆性和柔性材料，韧性高的塑料材料无疑有更好的卡扣连接适性。需要说明，工程上一般定义断裂伸长率小于5%的材料为脆性材料。

图7.35 塑性、脆性、柔性塑料材料的应力——应变曲线对比

7.2.2.4 选取设计点

设计点代表为被评估零件（或零件的功能局部）选定的许用应力和应变。选取设计点用于对锁紧功能件变形行为引起的最大应力和应变的校核，并且可以由此得到需要代入计算的正割模量E。

选取设计点首先要判断被评估零件的材料特性和零件功能局部的使用工况，依据材料特性（或得到输入资料情况）以及相应的工况确定许用应变，进而根据许用应变得出设计点，如表7.3。

61

表7.3 根据工况和材料选定许用应变

非长期载荷 材料特性 长期载荷 拆装次数较多 （10次以上） 选择屈服或“应变塑性和高延伸率材料 无屈服输入 脆性材料 其中承受长期载荷的情况形如锁紧功能件的连接后依然保持弯曲变形或需要长期抵抗持续的分离力，而短期载荷则指锁紧功能件仅在装配和拆卸过程中承受弯曲力。

对于输了应力——应变曲线的塑料材料，设计点的选取示例如图7.36。

有应力——应变曲线或屈服输入 偏置2%处屈服”的20%应变为许用应变 选择断裂伸长率的20%应变为许用应变 选择屈服或“应变偏置2%处屈服”的40%应变为许用应变 选择断裂伸长率的30%应变为许用应变 拆装次数较少 （10次以内） 选择屈服或“应变偏置2%处屈服”的70%应变为许用应变 选择断裂伸长率的50%应变为许用应变

图7.36 设计点的选取

经过上述方法确定锁紧功能件的许用应变后，该应变在应力——应变曲线上对应点的正割模量E可作为参数代入后续计算中。

62

7.2.2.5 材料的摩擦系数

摩擦系数是两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值，依运动的性质，它可分为静摩擦系数和动摩擦系数。

7.1.1.3中提到对锁紧功能件的装配力和分离力的计算涉及到锁紧副接触面上的摩擦系数，因此摩擦副中两种材料间的相对静/动摩擦系数是应力——应变曲线以外的另一个必要的条件输入。

常用材料间的摩擦系数在公开资料中并不难找到，设计者也可以根据具体情况要求材料供应商提供此参数，指南中不再一一列举。 7.2.2.6 其他影响计算的因素

对锁紧功能件的力学行为产生影响的还有一些其他常见因素，尽管他们不会出现在理论计算的公式中，但在计算后的分析校核过程中我们还是应该予以考虑：

 蠕变及应力松弛

在一定温度和恒定应力作用下，高分子材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象为蠕变； 在一定温度和恒定应变条件下，高分子材料的应力随时间增加而逐渐衰减的现象为应力松弛； 高分子材料具有慢性的粘性流变，这种流变与时间相关，以应变滞后于应力的形式体现在材料的机械性能上，因此蠕变和应力松弛实际是高分子材料这一特性不同方面的表现。 作为高分子材料塑料具有蠕变和应力松弛的特性，图7.37是蠕变曲线示例。

图8.37是蠕变曲线示例，蠕变/应力松弛与温度高低和应力/应变大小有关（但要在一定温度和应力范围内，超过此范围时材料发生形变而不是蠕变）：温度低，应力/应变小，则蠕变/应力松弛很小而且很慢；温度高，应力/应变大，则蠕变/应力松弛效应明显。

图7.37 蠕变曲线示例

作为高分子材料塑料具有蠕变和应力松弛的特性，因此对于承受长期载荷的锁紧功能件应该保证按照表7.3选取合理的设计点。  温度影响

温度对锁紧功能件力学行为的影响是多方面的：

首先如上文所述较高的温度会使塑料材料的蠕变/应力松弛加速，塑料材料在玻璃化温度（高分

63

子材料在高弹态和玻璃态之间转化的温度，是无定型聚合物大分子链段自由运动的最低温度，在此温度以上材料表现为高弹或柔性，在此温度以上材料变现为脆性，本指南中讨论的可以通过卡扣连接的零件其材料均主要在玻璃态以下工作。）附近的蠕变/应力松弛行为非常明显，卡扣连接更易失效，因此对于长期处于此工况下的零件我们应考虑其他更为可靠地连接方式。 其次塑料材料的应力——应变曲线对温度较为敏感，这也是前文建议设计者明确应力——应变曲线获取条件的重要原因。

最后塑料的热膨胀效应非常显著，零件的尺寸变化对锁紧功能件配合会产生影响，设计者应该考虑这种尺寸变化是否会造成卡扣连接的失效。  疲劳

周期性载荷可能会造成锁紧功能件因机械性能降低而失效，材料的疲劳耐久性与载荷大小负相关，因此对于承担周期性载荷的锁紧功能件（较常见的例子是一些开关的档位限位机构）应确保其最大应力在安全范围内。这里要进行说明的是对于有限次数的维修拆卸而言，拆卸行为本身不会造成锁紧功能件疲劳，锁紧功能件因拆卸失效的主要原因是塑性变形和局部损失材料。对于重要锁紧功能件的疲劳分析应借助合理工况下的S—N曲线进行确认，图7.38是一种UHMPE（超高分子量聚乙烯）材料的S—N曲线示例。

图7.38 一种UHMPE（超高分子量聚乙烯）材料的S—N曲线示例

 吸水

吸水会造成塑料晶体结构的变化，部分塑料材料因为吸水而出现较大的尺寸和机械性能改变。如未改性的PA66在烘干和吸水饱和两种状态间的尺寸变化率可接近0.5%，且弹性模量、屈服和抗拉强度均有下降，因此如尼龙类塑料的供应商常常会给出材料在烘干和相对湿度50%两种条件下的机械性能。

塑料吸水的特性对锁紧功能件的影响很难在计算和分析中加以量化，但对于湿度敏感的塑料材料，我们应该规避其尺寸变化和机械性能下降带来的失效可能。

64

7.2.3

截面为矩形的带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的计算介绍

当需要对一个锁紧功能件计算分析时，我们最关心的有三点问题：

 装配过程中该锁紧功能件能否完成我们需要的弯曲而不损坏（装配行为中的弯曲应变是否在许

用应变范围内）？

 完成装配操作需要施加多大的装配力？

 连接是否可靠（锁紧后它能提供多大的保持力）？

为了回答这些问题，我们需要知道锁紧功能件在给定挠度变形下的如下参数：  最大应变  最大装配力

 最大保持力（或与之对应的最大分离力） 7.2.3.1 最大弯曲力、最大应力及最大应变的计算

如图7.29，对于已经完成断面绘制的锁紧功能件我们有如下分析：

 当悬臂梁型锁紧功能件的梁在装配或分离过程达到最大挠度时，对手件对梁的弯曲力FP达到

最大，记为FPMAX，这一情形如图7.39；

 当弯曲力FP达到最大时，梁的应力、应变相应达到最大，根据材料力学易知它们是出现在梁根

部的正应力、正应变，正应力记为MAX，正应变记为MAX。

图7.39 锁紧功能件的梁达到最大挠度

图中挠度变形的原点设定在梁的末端，其中定义ldlel。

根据以上分析对悬臂梁型锁紧功能件的计算应优先得到最大弯曲力FPMAX与最大挠度之间的关系。

下面介绍相关计算方法：

 梁截面为恒定矩形的悬臂梁型锁紧功能件的计算

根据材料力学梁上任意截面位置的挠度与弯矩的关系有：

65

y''M(x) 公式7.15 EI挠度最大时，弯曲力FPMAX对梁任意截面的弯矩M(x)(xld)FpMAX；梁截面对弯曲方向中

bh3性面的转动惯量I。 12解微分方程并将初始条件y'(l)0及y(l)0代入可求得：

y(0)进而有梁的最大弯曲力公式为：

2l2(2l3ld)FPMAXEbh3 公式7.16 FPMAXEbh3 公式7.17 22l(3lel)这就是梁截面恒定的悬臂梁型锁紧功能件最大弯曲力FPMAX与最大挠度之间的关系公式。 根据材料力学有梁根部的应力：

MAX且由于：

hM(l)6leFPMAX 公式7.18 22IbhMAXEMAX 公式7.19

最大应变与最大弯曲力的关系公式为：

MAX因此得到关于梁的最大应力公式为：

6leFPMAX 公式7.20 2Ebh3Eleh 公式7.21 l2(3lel)MAX最大应变公式为：

MAX3leh 公式7.22 2l(3lel)当锁紧副接触面上的相互力作用点到梁根部的距离近似等于保持区域到梁根部长度，即lel时，有：

FPMAXEbh3 公式7.23 34lMAX3Eh 公式7.24 22lMAX3h 公式7.25 22l66

公式7.23、7.24、7.25常见于各类对塑料卡扣连接进行介绍的手册中，但使用上述公式进行近似计算时应明确适用条件。

 矩形截面但宽度恒定、厚度带有正向拔模的悬臂梁型锁紧功能件的计算

由于梁截面不恒定，转动惯量I(x)随梁的位置发生变化，根据7.15引申得到：

y''M(x) 公式7.26 EI(x)bh(x)3同样有M(x)(xld)FpMAX；但I(x)。 12其中：

h(x)代入7.26，得到:

hhx(i1)hl(h)(x) (i1) 公式7.27 iilili1m(xld) 公式7.28 (xn)3 y''12i3l3FPMAXl其中m；。 ni1(i1)3Ebh3解微分方程并将初始条件y'(l)0及y(l)0代入可求得：

yC1xC2m[ln(xn)其中C1m[nld] 公式7.29 2(xn)nldnld1；]Cm[ln(ln)]C1l。 2ln2(ln)22(ln)因此在梁的末端有：

nld6i[(2i2lni3i24i1)l(i1)3ld]l2FPMAX y(0)C2m[lnn]2n(i1)3Ebh3公式7.30

进而得到：

FPMAX(i1)3Ebh3 公式7.31 6i[(2i2lni3i24i1)l(i1)3ld]l2为了与梁截面恒定的悬臂梁型锁紧功能件形成比较，令：

(i1)3l 公式7.32 K1223i[(2ilni3i4i1)l(i1)(lel)]则：

FPMAXK1Ebh3 公式7.33 6l367

相应的有梁的最大应力公式为：

MAX最大应变公式为：

K1Eleh 公式7.34 3lK1leh 公式7.35 3lMAX(i1)3对于公式8.32，当lel时，有K1，通过如图7.40的曲线我们可以i(2i2lni3i24i1)看到K1随着i增大呈现下降的趋势，这也印证了8.2.1.1中提到的结论：根部厚度相同但带有正向拔模的梁可以使应变更均匀的分布于其上，进而减小最大应变。

图7.40 K1与i的关系曲线

 矩形截面但厚度恒定、宽度带有正向拔模的悬臂梁型锁紧功能件的计算

与宽度恒定、厚度带有正向拔模的悬臂梁型锁紧功能件类似，梁的挠度的二阶导数为公式7.26，

b(x)h3但I(x)。 12其中：

b(x)代入7.26，得到:

bbx(j1)bl(b)(x) (j1) 公式7.36 jjljlj1 y''p(xld) 公式7.37 3(xq)68

其中pl12jlFPMAX；。 qj1(j1)Ebh3解微分方程并将初始条件y'(l)0及y(l)0代入可求得：

x2yC3xC4p{(ldq)(xq)[ln(xq)1]} 公式7.38 2l2其中C3p[(qld)ln(lq)l]；C4p{(ldq)[lqqln(lq)]}。 2因此在梁的末端有：

6j[(2lnjj24j3)l2(j1)(jlnj1)ld]l2FPMAXy(0)C4p[(ldq)q(lnq1)](j1)3Ebh3 公式7.39

进而得到：

FPMAX(j1)3Ebh3 公式7.40 226j[(2lnjj4j3)l2(j1)(jlnj1)ld]l为了与梁截面恒定的悬臂梁型锁紧功能件形成比较，令：

(i1)3l 公式7.41 K2j[(2lnjj24j3)l2(j1)(jlnj1)(lel)]则：

FPMAX相应的有梁的最大应力公式为：

K2Ebh3 公式7.42 36lMAX最大应变公式为：

K2Eleh 公式7.43 3lMAXK2leh 公式7.44 l3(i1)3对于公式7.41，当lel时，有K2，通过如图7.41的曲线我们可以2j(2lnjj4j3)看到K2随着j增大同样呈现下降的趋势，即根部宽度相同但带有正向拔模的梁可以减小最大应变，但效果不如在梁的厚度方向拔模那样明显。

69

图7.41 K2与j的关系曲线

 对宽度及厚度均带有正向拔模的矩形截面悬臂梁型锁紧功能件的计算说明

对此类锁紧功能件的数学描述是i1且j1，因此只要把公式7.27及公式7.36带入公式7.26，用同样的方法求解微分方程即可，此处不再详细进行介绍。  公式小结

由于前文中计算最大弯曲力、应力及应变的公式对锁紧功能件的校核具有重要意义，此处特别挑出这些公式，在表7.4中再作一总结，以便读者查阅。

表 7.4 矩形截面悬臂梁型锁紧功能件最大弯曲力、应力及应变公式总结

锁紧功能件类型 项目 最大应变与—— 最大弯曲力的关系 梁截面恒定 最大弯曲力 lel lel MAX6leFPMAXEbh2 MAX6lFPMAXEbh2 FPMAXEbh3 22l(3lel)3Eleh 2l(3lel)FPMAXEbh34l3 最大应力 梁截面恒定 最大应变 宽度恒定、厚度带有正MAXMAXMAXK1Ebh36l3 3Eh 2l23h 2l2MAX3leh 2l(3lel)FPMAX最大弯曲力 70

向拔模 最大应力 MAXK1Eleh 3lK1leh 3lMAXK1Eh 2lK1h 2l最大应变 MAXMAXK1 最大弯曲力 (i1)3l K1i[(2i2lni3i24i1)l(i1)3(lel)](i1)3 K122i(2ilni3i4i1) FPMAXK2Ebh36l3厚度恒定、宽度带有正向拔模 最大应力 MAXMAXK2Eleh l3K2leh 3lMAXMAXK2Eh l2K2h 2l最大应变 K2 (i1)3l K2j[(2lnjj24j3)l2(j1)(jlnj1)(lel)](i1)3 K2j(2lnjj24j3) 7.2.3.2 最大装配力、最大分离力的计算

通过前文的计算我们得到各种情况下悬臂梁型锁紧功能件的最大弯曲力FPMAX，对于保持区域是卡爪的锁紧功能件，我们根据公式7.4及公式7.5可以得到相应的最大装配力FAMAX及最大分离力FSMAX：

FAMAXFPMAXFSMAXFPMAXtanMAX动1动MAXtanMAX动 公式7.45 1动tanMAX 公式7.46 由于带有卡爪的悬臂梁型锁紧功能件的最大装配力和最大分离力都是在锁紧副相对运动过程中发生的，因此公式中需要使用动摩擦系数动。

7.2.3.3 补偿计算说明

前文对锁紧功能件的计算分析是以分析对象完全符合梁变形的理想模型为基础的，在实际设计中我们还会遇到诸如应力集中、锁紧功能件附着母体壁面变形、保持区域偏转导致插入/保持角变化等带来的影响，因此我们需要在计算中为这些影响加入补偿。

 对应力集中的补偿计算

悬臂梁型锁紧功能件的最大应变位于梁与母体壁面连接的根部外侧，由于该位置存在转角，因此应力的集中会使最大应变进一步增加。7.2.1.10中已经从设计角度对该位置的倒圆角要求进行了说明，此处我们给出应力集中系数P，如图7.42，该系数是梁根部的倒圆角半径与梁根部

71

厚度比值rr的函数，随增大而减小。对应力集中的补偿公式为： hhMAX实际PMAX 公式7.47 MAX实际PMAX 公式7.48

在实际设计中要求P1.0是不切实际的，考虑到倒圆角半径过大会引起塑料件收缩等缺陷，r0.5基本就是设计极限值，此时P1.5；另外如前文所述，建议梁根部的倒圆角半径r不h小于0.5mm。 图7.42 P与 对锁紧功能件附着母体壁面变形的补偿计算

如图7.43，锁紧功能件附着的母体壁面在梁挠曲过程中会发生变形，变形对锁紧功能件的影响往往不能忽略。母体变形使锁紧功能件的应力、应变及弯曲力下降，梁的刚性越强（母体的刚性越差，这种变形及相应的影响也就越显著。 r的函数关系曲线 hl越小），h 图7.43 装配与分离行为中母体壁面的变形

72

当母体壁面局部附近有诸如加强筋、其他立体几何结构影响时，变形的情况较为复杂，应结合有限元手段进行相应分析。但对于可以简化为如图7.44情况的一些锁紧功能件和母体壁面的组合，我们用表7.5和表7.6中给出的母体壁面变形补偿系数Q对锁紧功能件相应计算结果作近似补偿计算。

图7.44 不同类型梁与母体壁面相对位置的图示

补偿公式为：

FPMAX实际FPMAX 公式7.49 QMAX实际 MAX实际MAXQ 公式7.50 MAXQ 公式7.51 需要注意的是当计算涉及公式7.20时，系数Q不要对弯曲力FP和应变同时进行补偿，这会导致补偿结果被错误放大。

表 7.5 梁截面恒定的锁紧功能件母体壁面变形补偿系数Q

梁长度与厚度的梁与母体壁面的相对位置 l比值 h1.5 1 梁垂直于母体且母体为实体 2 梁垂直于母体壁面且在壁面内 3 梁垂直于母体壁面且在壁面边缘 4 梁垂直于母体壁面且在壁面边缘 5 梁为母体壁面的延伸 1.60 2.12 2.40 6.50 8.00 73

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 表 7.6 梁厚度带有正向拔模（i2）的锁紧功能件母体壁面变形补偿系数Q

梁长度与厚度的梁与母体壁面的相对位置 梁长度与厚度的梁与母体壁面的相对位置 1.35 1.70 1.90 4.60 1.22 1.45 1.65 3.50 1.17 1.35 1.45 2.82 1.15 1.28 1.38 2.40 1.14 1.25 1.36 2.25 1.13 1.23 1.33 2.10 1.12 1.21 1.28 1.95 1.11 1.19 1.27 1.85 1.10 1.17 1.25 1.75 1.09 1.15 1.24 1.70 1.08 1.13 1.22 1.65 1.07 1.11 1.20 1.60 1.06 1.10 1.19 1.55 1.05 1.09 1.18 1.50 1.04 1.08 1.17 1.45 1.03 1.07 1.16 1.40 1.02 1.06 1.15 1.35 1.01 1.05 1.15 1.35 1.00 1.04 1.15 1.35 注：对于梁与母体壁面的各相对位置说明见图7.44(a) 5.50 4.00 3.15 2.65 2.40 2.20 2.10 1.95 1.85 1.80 1.75 1.70 1.65 1.60 1.57 1.55 1.52 1.50 1.47 l比值 h2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 1 梁垂直于母体壁面且在壁面内 2 梁为母体壁面的延伸 l比值 h1 梁垂直于母体壁面且在壁面内 2 梁为母体壁面的延伸 1.60 3.50 7.0 1.14 1.50 3.00 7.5 1.13 1.40 2.50 8.0 1.13 1.33 2.25 8.5 1.12 1.25 2.05 9.0 1.12 1.22 1.90 9.5 1.11 1.20 1.80 10.0 1.11 1.17 1.70 10.5 1.10 1.15 1.65 11.0 1.10 1.14 1.58 —— —— 注：对于梁与母体壁面的两种相对位置说明见图7.44(b) 1.52 1.47 1.43 1.40 1.38 1.35 1.32 1.30 1.28 ——  插入角和保持角的补偿计算

在前文中，我们讨论过带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件其插入角在装配过程中增大，保持角在分离过程中减小的特点，并给出了通过修正插入/保持面的廓形补偿这一变化带来的不利影响的方法。此处我们延续7.2.1.8中的思路，说明对于无廓形修正保持区域的补偿计算: 在装配/分离过程中梁挠度最大时，保持区域的偏转也达到最大，根据公式7.10得到此时的插入角增量为：

74

arctan保持角减量为：

le 公式7.52 arctan则对应的实际插入/保持角度分别为：

le 公式7.53 MAX实际MAX 公式7.54

MAX实际MAX 公式7.55

代入公式7.45及7.46我们得到装配力和分离力的补偿结果应为：

FAMAX实际FPMAXFSMAX实际FPMAX 补偿计算小结

tanMAX实际动1动MAX实际tanMAX实际动 公式7.56 1动tanMAX实际 公式7.58 在这里对上述三种情况可能产生的影响作一总结，归纳为表7.7。

表 7.7 需要补偿的三种情况对计算结果的影响

项目 应力集中（P） 母体壁面变形（Q） 保持区域偏转 无影响 无影响 无影响 7.2.3.4 对其他类型锁紧功能件的计算推广

本小节主要针对带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的计算进行了介绍，然而由于装配和保持行为的差异，其中大部分公式并不能用于其他类型锁紧功能件的计算，甚至相当多类型的锁紧功能件的计算需要通过有限元分析才能完成，那么本小节讨论的这些计算方法是否因此失去意义？

编者建议读者再回顾一下本节初始提出的三个问题，我们是否已经明确对于锁紧功能件哪些参数是需要通过计算得到的；这些参数的相互关系是什么；在实际工程中有哪些影响是需要我们在计算中作出相应调整的。如果读者可以理顺这些思路并在实际设计中加以运用，本小节介绍的内容也就可以在其他锁紧功能件的计算中得到推广了。

75

增大 减小 对最大弯曲力的影响 无影响 减小 对最大应力的影响 增大 减小 对最大应变的影响 增大 减小 对最大装配力的影响 无影响 减小 对最大分离力的影响 无影响 减小

7.3 对锁紧功能件装配与保持行为的分离

当设计者从连接的层面对锁紧功能件的装配和保持行为进行分析时会发现我们对锁紧功能件在这两种行为中的功能要求是矛盾的：一方面我们希望卡扣连接易于装配，即锁紧功能件的变形区域在装配行为过程中刚性不能太强，可以轻易达到变形幅度；另一方面我们又希望连接可靠，这需要锁紧功能件提供强度较好的保持锁紧。

对这两种看似悖论的要求我们用公式进行描述：FA表示装配力，FS表示分离力，定义锁紧效率

EL算）。

FS，我们无疑希望锁紧效率EL足够大（装配力和保持力都以变形区域发生最大变形时的力值计FA如何满足这一要求？最恰当的方式是对锁紧功能件的装配与保持行为进行分离，所谓分离是对这两种行为进行差异化设计，分离的程度越高，锁紧效率也就越大。

以带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件为例，其装配行为受到梁弯曲性能、卡爪高度、卡爪插入角、材料摩擦系数的影响；其保持行为受到梁弯曲性能、卡爪高度、卡爪保持角、材料摩擦系数的影响，其中梁弯曲性能、卡爪高度、材料摩擦系数是两种行为共同的影响因素，而插入角和保持角则是有差异的影响因素。本节所介绍的分离主要从这些影响因素入手进行其中的差异化设计，在较高级的分离中，两种行为共用的影响因素依然可以产生差异。 7.3.1

无分离（0级）

如图7.45所示带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件的插入角和保持角等值（），如果忽略插入和分离运动到梁最大变形时的受力点到梁根部距离的变化和保持区域的旋转，其装配力与分离力基本相等。

图7.45 插入角和保持角等值的带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件

这个实例中锁紧功能件的装配和保持行为几乎没有区别，锁紧效率接近于1，我们认为这是无分离的设计。 7.3.2

1级分离

图7.46所示的实例也是带有卡爪保持区域的悬臂梁型锁紧功能件，与图7.45中实例的区别在于采用了差异化的插入角和保持角，对于此锁紧功能件的装配和保持行为的分析在7.1中已详细介绍过，虽然保持区域角度的变化可以导致分离力大于装配力，但装配行为和保持行为依然受到相同的梁变形模式的影响，在此意义上，这两种行为并未完全分离。

76

图7.46 差异化的插入角和保持角

上面的例子通过控制插入角和保持角大小实现了对装配力和保持力公式中某些变量具体数值的改变，我们认为这是1级分离。1级分离是最低限度的分离，虽然分离效果一般，却简单易行。 7.3.3

2级分离

图7.10（g）中所示的悬臂梁型锁紧功能件保持区域旋转了90°，这是一种2级分离。其实质是在保持/分离行为中将悬臂梁在装配行为中的弯曲方向旋转了90°，如图7.47。

图7.47 梁的弯曲方向旋转了90°

根据：

FAMAXFPMAX

tanMAX动 公式7.45 1动MAXFSMAXFPMAX及通过公式7.23及7.25合并得到

tanMAX动 公式7.46 1动tanMAXFPMAXEbh2MAX 公式7.59 6l图7.47中锁紧功能件分别在装配和保持/分离行为中对公式7.59的b和h进行对调，相应的提升了

77

保持/分离行为中梁的截面模量。当两种行为的最大应变MAX相同时，分离力FS相对装配力FA有了显著提升。

通过上面例子的分析，我们认为通过改变描述分离力和装配力公式中变量的方式进行的差异化设计是2级分离。 7.3.4

3级分离

7.1.1.2中介绍的非拆卸的带有环套型保持区域的悬臂梁型锁紧功能件是一种3级分离；7.1.3中介绍的非拆卸的止逆型锁紧功能件同样一种3级分离。

当同一锁紧功能件的装配行为和保持/分离行为需要使用不同公式进行描述的时候，这样的差异化设计是3级分离。3级分离装配行为和保持/分离行为之间的独立性更强，设计者可以分别对他们进行控制。3级分离的锁紧功能件具备更高的锁紧效率。

7.3.5

4级分离

4级分离不能通过集成在零件上的锁紧功能件实现，实现4级分离的差异化设计需要在装配行为和保持/分离行为中使用不同的功能件。如图7.48，以汽车内饰常用的开尾按扣为例，在装配过程中先向对手件的安装孔中推入易于变形的母扣，在母扣卡插入到位后再推入销子，由于销子限制了母扣上带有倒刺的悬臂弯曲变形，在销子不脱离母扣的情况下连接失效等于材料破坏，可见这种按扣的保持强度很高。

图7.48 开尾按扣

4级分离的差异化程度最高，理论上可以具备最高的锁紧效率。

78

79