塑胶件的结构设计

汇总：@馒头(mantou-kmicy)

一、卡扣的含义

卡扣：也称卡钩、卡口、扣位，是产品结构上常用的一种连接固定结构，一般需要另一与之配合的零件实现连接效果，尤其在塑胶件上较为常见，两个零件的连接方式有很多种，之前文章有总结过：

1. 两件塑胶件连接，有哪几种方式实现？**2. 五金件与塑胶件之间的连接方式

二、卡扣连接的优缺点：

优点

相对于其他连接方式，卡扣是一种比较经济、有效、简单便捷的塑胶连接方式，具体表现为：**

经济性：塑胶卡扣可以在塑胶件上直接成型，装配时无需其他紧锁配件，如螺丝、螺母等，节约成本。

有效性：卡扣的连接强度可以满足大部分产品设计，在一些需要更高连接强度的产品中，卡扣可以作为一种辅助连接，如螺丝+卡扣。

简单便捷性：通过合理设计，卡扣连接可以实现快速装配和拆卸，拆装过程甚至可以无需辅助工具。

同时，卡扣连接也是一种可以对产品外观的完整性保持良好的连接方式之一，特别是对外观有高要求的消费电子产品领域，卡扣连接是应用最广泛的连接方式。

缺点

模具成本高：除特别设计外（碰穿），卡扣在模具上成型一般需要设计斜顶或行位，这些模具结构的数量会影响到整个模具的成本。

精度要求高：卡扣的配合精度要求高，模具上一般难保证一次性做到位，需两到三次试模调配。

连接质量不易评估：某些卡扣装配连接后由于从外部看不到，无法有效判断最终的连接状态和效果，容易造成人为装配不到位而使连接质量打折扣。

连接强度不足：除非卡合量足够，否则卡扣容易由于塑胶件变形而松脱，特别是在一些需要过跌落测试的产品，只设计卡扣连接一般满足不了测试要求。

可拆卸次数有限：除一些采用韧性较好的材料或经过特殊结构设计的卡扣外，一般大部分卡扣的拆卸次数都有限，卡扣由于多次拆卸变形，导致卡合量减小，连接效果降低。

不可复原性：卡扣一旦断裂，即失效，无法再补救，整个零件可能因此报废。

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三、卡扣的类型

1、按拆卸难度分

塑胶卡扣连接主要利用的是塑胶的弹性变形后可回复原来形状的特性，所以区分以上三种卡扣的不同点在于卡扣的卡合面脱离基体件的配合面的难易程度。

所以，并不是卡合量多少的问题，有些卡扣卡合量虽然少，但是其变形空间小，此种卡扣就难拆卸或不可拆卸。有些卡扣卡合量大，但是其有足够变形空间，同时也方便通过手动或简易工具即可拆卸，此种卡扣就属于易拆卸卡扣。

2、按形状分

卡扣可分为悬臂式卡扣、圆环式卡扣、球型式卡扣。

2.1、悬臂式卡扣

这种卡扣最常见，用途最广泛，很多形式是以此种卡扣演变而成，因此，悬臂式卡扣又细分为以下三种：

1）钩型悬臂卡扣

最常用的悬臂式卡扣，其力的作用线与中性层有偏矩。

2）套型悬臂卡扣

不太常用，其力的作用线与中性层有重合。

> 3）异型悬臂卡扣

特殊场合常用，特点是可拆卸次数多，寿命长。

2.2、圆环式卡扣

2.3、球型式卡扣

3、按装配过程的运动轨迹

可分为直线运动卡扣和转运动卡扣，直线运动卡扣以推、滑运动为典型，转运动以翻、扭、转为典型。

1）推运动卡扣

装配件和基体件在最终锁定之前产生的接触时间相对较短。（某些导向功能件可在卡扣与基体接触之前先接触导向）

2）滑运动卡扣

装配件在完成最终连接前始终与约束体接触，同时做直线运动。

3）翻运动卡扣

装配件上的定位功能件首先与基体件接合，在初始接合时依靠装配体绕初始定位副的旋转，最后依靠锁紧功能件完成结合。

4）扭运动卡扣

带轴对称约束功能件的装配件首先以直线运动与基体件相接合，装配件绕轴旋转，装配时对卡扣施加外力，然后利用约束功能件之间的凹凸结构完成配合。

5）转运动卡扣

是依靠在一个定位副上以推运动与卡扣相结合。

四、卡扣连接的组成要素

1、基体件、装配件

卡扣实现连接需要
基体件
大多数情况，基体件是比较大的，且是相对静止或固定的，它可以是一个零件或者一个装配总成，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
同样也可以是一个零件或者一个装配总成，一般比基体件小，甚至可拿在手中，在装配过程中是运动的，最终与基体件实现连接。

2、定位件、锁紧件

不管是基体件还是装配件，对实现卡扣连接可靠性起到主要功能的部分称为约束功能件，约束功能件有两种：定位功能件和锁紧功能件，通常简称定位件和锁紧件，这是对于总成来说，如果对于零件来说，严格上应称为定位特征和锁紧特征，不过为了方便描述，还是统一叫定位件和功能件。

定位件

定位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，并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。

定位件的常见类型包括：销、锥销、导轨、楔、卡爪、表面、边缘、凸耳、凸台、槽、孔和活铰链等。

一个零件上存在定位件，意味着另一件上也存在与之配合的定位件，它们一起构成定位副。

锁紧件

锁紧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。

锁紧件的常见类型包括：钩爪、卡爪、环套、扭杆和止逆等。

一个零件上存在锁紧件，意味着另一件上也存在与之配合的配套件，一般来说，配套件相对锁紧件来说是个定位件，而不是另一个锁紧件，因为配套件是粗壮的、非柔性的功能件，锁紧件与配套件一起构成锁紧副。

3、锁紧件之——偏斜元件、保持元件

所有的锁紧件都有两个主要元件，一个是装配和拆卸时的偏斜元件，另一个是与装配功能件接触的保持元件。

在所有锁紧件中，悬臂梁锁紧件是最常见的，且种类变化多样，所以，以下主要是针对悬臂梁卡扣进行相关介绍。

偏斜元件——梁

在悬臂梁卡扣中，偏斜元件多为悬臂梁，梁的形状和截面形式设计比较自由，可以有多种变化，可以是矩形、扇环形、U形、T形等。其中矩形截面最常用，U形、T形实际上是矩形的变种，目的是增加梁的截面积，提供梁的刚度。

保持元件——卡爪

在悬臂梁卡扣中，保持元件的选择可以与偏斜元件（梁）本身无关，保持元件和偏斜元件可以任意搭配，以适应不同的要求，但是在实际应用中，最常见的还是钩型和套型。

4、保持原件之——钩型保持元件、套型保持元件

钩型保持元件

其有一个特点，就是当分离力作用在锁紧件上时，无论钩型保持元件的形状如何，反作用力的作用线都不可能沿梁的对称轴（梁的中性层），总有一个偏移量d，这样，在受到较大分离力时，梁注定会弯曲，且弯曲总会发生在悬臂梁最薄弱的方向。

即使是带有90°或接近90°保持面角度的钩爪，也会在很大力的作用下脱钩，但是保持元件根部容易断裂而造成失效。

如果钩爪和配合件上的角度都大于90°，那么保持强度会明显增大，这种设计一般应用在保持强度要求较大的场合，常见于一些背包上的插扣。

套型保持元件

此类型末端为空框或是边状保持元件，其特点是，其分离力的反作用力的作用线经过梁的对称轴（梁的中性层），所以没有偏斜力作用，梁不会发生弯曲，悬臂卡扣的保持强度由材料的拉伸和剪切强度决定，因此，套型保持元件具有很高的保持强度。


但是套型保持件有一缺点，就是其本身强度偏低，主要是因为在注塑成型的过程中，在套环的某处会形成一条熔接线（当熔体流动至一些孔洞时，两股融体料流前锋的汇合处就会形成熔接线）。

熔接线会使保持件末端的结构强度降低，强度降低的程度除了跟材料本身的力学性能有关外，还与料流前锋的温度以及料流前锋表层的熔合能力有关。在有填充物（玻纤）的情况下，由于纤维不易跨过溶解线流动，导致熔接线处的料流熔合不充分，使得熔接线处的强度明显降低。

改善措施：
虽然熔接线无法避免，但是可以通过对套型保持件的结构调整来提高强度，比如局部加大保持件的厚度、改变熔接线的位置。

同时，在有应力集中的拐角应导圆角，还有，如果空间允许，可以在背部加胶，使套型保持件由穿孔的改为盲孔的，或者在背部增加加强筋。

五、卡扣设计的原则

卡扣设计的最终目标是要实现两个零件之间的成功连接固定，要达到连接固定的效果，卡扣设计时需要从以下几方面进行考虑：连接可靠性、约束完整性和装配协调性，它们是卡扣连接成功的关键要求，其他要求还应该包括制造工艺的可行性、成本的高低等。

连接可靠性，是卡扣设计中最重要的一个设计指标，一般会从以下几个方面去考虑：
l 连接符合功能预期；
l 连接强度；
l 在用户使用过程中不发生分离、松动、破损、噪声；
l 能够适应使用过程中因环境因素引起的产品变形或蠕变；
l 保证维修拆卸的功能与设计预期一致。

实际上，在产品设计过程中，会根据产品的定位、部件的功能以及成本去选择需要满足的连接可靠性要求，并不是每个设计都需要完全满足以上要求，
比如有些设计不需要经常拆卸或维修，那么设计符合前三点就可以，如果需要经常拆卸，那么就需要考虑拆后卡扣的功能与设计预期一致，此时卡扣设计的类型选择或具体设计参数上就会有所改变，
比如下图中同样是电池盖，但是应用在充电宝和遥控器上卡扣的设计就会不同。

🚩连接强度计算分析

一、悬臂梁卡扣参数：

1、梁根部的厚度Tb

Tb一般为壁厚Tw的50%~60%，太小可能会存在充模和流动问题，太大可能会存在冷却问题，进而会导致大的残余应力、缩孔和缩痕。当梁是从壁面延伸出来时，Tb可等于Tw。

2、梁的长度Lb

悬臂梁卡扣的总长（Lt）由梁的长度（Lb）和保持元件长度（Lr）组成，Lb取值范围一般为5Tb~10Tb，大于10Tb时，可能会存在翘曲和充填问题，小于5Tb时，梁的柔性较差，梁的根部承受较大的弯曲，从而增大损坏的可能性。（对于较硬或较脆的塑料，应采用较大的长度与厚度的比值）。

3、插入面角度α

插入面角度会影响装配力，角度越大，装配力就越大，一般合理的角度在25°~35°之间，如果因空间问题（即α越小，保持元件的长度Lr越长），最大不要超过45°。

4、保持面角度β

保持面角度会影响保持强度和分离力，角度越大，保持强度和分离力就越大，保持面角度β应根据拆卸情况而定：
l β≈35°，用于不需要外部分离力的可拆卸锁紧件；
l β≈45°，用于需小的外部分离力的可拆卸锁紧件；
l β≈80°~90°，用于需很大外部分离力的非拆卸锁紧件；

如果，卡扣需要有足够的保持强度，保持面角度可在极限角度与90之间取一个角度值，（由于接触面之间存在摩擦，接近90°的保持面角度仍然与90°角起到的作用是一样的）。根据基本保持力方程，极限角：

由此可见，摩擦系数越大，极限角度越小，但考虑到注塑成型后的影响，一般选择接近90°，保持面角度选择在80°~90°之间还有下图好处：

5、保持面深度Y

它决定了接合和分离时梁偏斜的程度，一般情况下，
l 当Lb/Tb≈5时，Yl 当Lb/Tb≈10时，Y=Tb；
l 当Lb/Tb较大或较小时，Y值应做相应调整，同时，对于较硬或刚性较大的塑胶，Y值相应取小些。（保持面最大深度应≤材料最大许用应变）

还有，保持面深度应尽量接近等于偏斜量（Y=δ），这样卡扣上的分离力会尽可能接近梁的中性轴，保持强度得到提高。

6、保持元件处的梁厚度Tr

一般情况下，Tr常常接近梁根部的厚度Tb（为了出模，只是有很小的出模斜度），但当梁的长度较短时（Lb/Tb＜5时），装配力会很大且梁根部应变大，采用锥形梁（锥度比Tr/Tb在0.5~0.8之间），可以将应变均匀地分布在梁的各处，减小梁根部应力集中，但胶厚会有较大的残余应力（收缩）。

当Tr/Tb=0.5时，卡扣的综合性能较好。

7、梁的宽度Wb

常见的卡扣，梁的宽度从根部到保持面变化不大，只有较小的出模斜度，此时梁的宽度不影响最大装配应变，但影响装配力、分离力和保持强度，当梁的宽度大于长度的1/2时，此时的悬臂梁不像梁而更像平板，应用梁理论计算时，误差较大。

梁在宽度上也可以像梁厚度一样带锥度，宽度带锥度的梁可以减小梁根部的应变，但不如厚度带锥度那么有效。（梁的宽度带4:1锥度时，才能得到与梁厚度带2:1锥度时同样量级的应变减小效果）

8、梁的根部半径R

应力集中会造成梁根部的实际应变增大，在梁的根部导R角可以减小应力集中，R的取值为梁宽度的50%时，综合性能较好。

二、悬臂梁卡扣的相关计算：

为了确保卡扣性能能够满足实际应用要求，需要进行详细计算分析和终端应用试验。一般计算偏斜力、装配力、分离力、最大变形量。以下以恒定矩形截面的悬臂梁卡扣为例介绍具体计算步骤。

在实际设计时，通过上述介绍，可以首先确定卡扣的以下尺寸参数。

1、梁根部初始应变的计算

由悬臂梁理论可推导出以下应变公式：

将计算结果与材料的最大许用应变相比较。（许用应力：机械设计或工程结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值）

2、最大偏斜力的计算

最大偏斜力（Fp）：使卡扣悬臂梁末端在许用应变内发生偏斜（δ）时所需要的力。一般情况下，悬臂梁最大量δmax就是卡扣保持面深度Y。

但，在实际产品结构设计中，我们更关心的是保持面与配合功能件之间的搭接量Z（卡合量），对于需拆卸的结构，搭接量Z＜Y，越小越容易装配和拆卸，但保持强度越低，反之亦然。
对于可拆卸无冲击、碰撞、跌落测试要求的产品结构，搭接量Z=0.3~0.6之间，反之，搭接量Z可设计在0.7~1.2之间，甚至更大。

同样由悬臂梁理论可推导出以下公式：

实际上，计算结果与实际相比会偏大，那是因为装配过程中，卡扣壁面的偏斜、配合功能件的偏斜都会对卡扣的性能有影响，当壁面偏斜时，梁的实际力、强度、应力、应变都比计算值小，当梁长度与厚度的比值越小时，偏斜的影响就越明显。

卡扣在不同壁面上对偏斜放大的影响是不同的，如下图。

同样，在装配的过程中，配合功能件也可能发生偏斜，如果偏斜明显的话，对计算结果也会产生影响，主要影响装配力、拆卸力、保持强度和应变。

因此，需要对以上初始应变、偏斜力进行修正，引入壁面偏斜放大系数Q、配合功能件放大系数K，如下：

此时，通过以上公式，也可以计算出在一定偏斜力Fp的作用下，卡扣末端最大变形量Y。

3、装配力的计算

由于悬臂卡扣的特性，卡扣在装配的过程中悬臂梁会发生偏斜，插入面角度会跟随变化，装配力也发生变化，很显然，最大插入面角度出现在悬臂梁偏斜最大时，因此，为了计算最大装配力，必须先确定偏斜最大时的角度。

插入面角度变化的简化公式为：

由以上受力分析图可列出力平衡方程：

4、分离力、保持力的计算

卡扣在脱开的情况有两种，一种是有意的，即人为分离卡扣零件所需要的力，叫做分离力；另外一种是无意的，即锁紧件抵抗无意脱开的力，叫做保持力。
所以，如果我们关心的是分离（可拆卸卡扣）的难易程度，则要计算最大分离力；如果我们关心的是保持强度，即保持力，则要计算最小分离力。

实际上这两种力区别不大，只是在保持面角度因悬臂卡扣中的剩余偏斜存在时（卡扣装配后，由于误差原因，悬臂梁无法回复到原位而存在一个偏斜角度），需要计算实际角度。

保持面角度计算方法与插入面类似：

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由以上受力分析可列出力平衡方程：

在实际结构设计中，卡扣悬臂梁与配合功能件之间一般留有间隙，故一般不存在剩余偏斜，计算时可直接用设计的保持面角度β。

举例：

有如下卡扣，Tb=1，Lb=7，Wb=5，Y=1，α=30°，β=50°，材料为ABS，求装配力和保持力。

通过查资料可知，弹性模量E=2100Mpa，摩擦系数μ=0.5，εmax=2.5%，由于Lb/Tb=7，查表，取偏斜放大系数Q=1.13，配合功能件放大系数K=1.25，把上述值代入以下公式：

可得， ε=2.17%<εmax，满足要求；Fp=5.4N；

计算插入面有效角度：

代入计算得，αe=38°；

代入计算得，Fa≈14N，（同种材料，C取1.2）

代入计算得，Fr≈34N；

所以装配力为14N，保持力为34N。

1. 连接可靠性

连接可靠性最核心的一点就是卡扣需要保证有足够的保持强度，以下为悬臂梁卡扣保持力的一般公式：

由以上公式可知，保持力Fr 跟Wb、E、Tb、Lb、μs、βe有关；其中

Wb：卡扣的宽度；
E：卡扣的弹性模量；
Tb：卡扣的厚度；
Lb：卡扣的长度；
Y：卡扣保持面的深度；
μs：卡扣的摩擦系数；
βe：卡扣的保持面角度。

上面参数，除了弹性模量E、摩擦系数μs跟卡扣所用的材料有关外，其他参数跟卡扣的结构设计相关；通过增大Wb、Tb/Lb的比值、Y、βe都可以增强卡扣的保持强度。

1）增大Wb

增大卡扣的宽度Wb，可以增大梁的刚度以及卡扣保持面与配合件的面积，理论上卡扣宽度越大，卡扣的保持强度就越大，但是实际设计中，考虑到制造与装配，常常通过设计多个小卡扣代替一个大卡扣。

卡扣的排布：卡扣应均匀设置在零件的四周，以均匀承受载荷，对于容易变形的地方（如零件的角落），可以考虑尽量让卡扣靠近这些地方。

整圈卡扣一般用在卡合量不大的零件或设计在较软材料上的零件上，常常采用强脱出模，比如常见的一些日化产品的瓶盖。

对于一些宽度较大的卡扣，为了提高母扣的强度，可以在大卡扣中设计两个小卡扣，如下图。

2）增大Tb/Lb的比值

增大Tb或减小Lb都可以增大Tb/Lb的比值，实际上也是增大梁的刚度，但是Tb不宜过大，否则会引起外观不良，合理的方式是通过增加加强筋或者局部淘胶，如下图。

Lb也不宜过小，否则难于装配（虽然保持强度增大了），如果因空间限制，Lb过小的情况下，需适当减小Tb，但为了兼顾卡扣的强度，可以考虑在卡扣根部添加加强筋，如下图。

3）增大Y

Y这里指的是卡扣保持面的深度，实际上卡扣的保持强度应该是跟卡合量有关，理论上Y值可以等于卡合量，但是在实际结构设计中，为了便于装配以及后续的调整，一般预留一定的间隙或余量，比如以下某卡扣的设计，前后都预留了0.2-0.5的间隙，预留空间方便后续通过改模增大Y值。

Y值越大，卡扣脱开需要的变形就越大，也就是保持强度越大；但是反过来，装配就变得困难，这之间是矛盾的，所以一般Y的取值在0.3-1.2之间，根据具体的应用可在0.3-1.2之间取值。

采用以下这种增强件结构，可以在Y值不变的情况下增强卡扣的保持强度，同时，通过一定的优化设计，可以兼容装配的方便性。

使用这种结构，卡扣装配后头部的保持元件被限位弹片（增强件）抵住，卡扣不易松脱，保持强度很高，稳定性好。

通过以上优化后，使其装配性更好，同时保持强度不会降低很多，缺点是如果卡扣在产品内部，拆卸性差，为了能够实现拆卸，必要的情况下可以在卡扣上方设计拆卸口，如下图，通过工具实现拆卸。

卡扣的卡合量（Y值）在装配后确定一个相对不变的值，但是在使用的过程中，外壳变形导致Y值减小而导致卡扣易松脱，以下这种限位筋（反插骨）对Y值起到一定的保持作用，限位筋离卡扣越近，卡扣的保持强度就越强，同时，限位筋应成对设计，才能有更好的效果。

但是为了兼顾装拆性能，限位筋与卡扣之间一般保持一定的距离。

对于一些特殊结构，也可以通过插入锁销填充卡扣背面的空间，防止卡扣偏斜导致卡合量Y值减小而脱开。

2. 约束完整性

卡扣在装配或拆卸的过程中，实际上是装配件相对于基体件的运动，装配件如果没有约束，其最终状态是不确定的，也是不稳定的；约束，就是装配件相对于基体件的运动控制。

约束的完整性包括定位和锁紧，如果说锁紧是卡扣连接的最终目标，那么约束就是实现最终目标最基本的关键要求。

常见的锁紧件包括钩爪、卡爪、环套、扭杆和止逆等，锁紧件与配合件组合形成锁紧副。

常见的定位件包括：销、锥销、导轨、楔、卡爪、表面、边缘、凸耳、凸台、槽、孔和活铰链等，定位件与配合件组合形成定位副。

锁紧副之前文章已经以悬臂梁卡扣为例进行大篇幅介绍，以下主要针对定位副做进一步介绍。

一个好的连接结构，应该是首先被导向，然后是定位，最后才是连接紧固，对卡扣连接而言，也应如是。

卡扣设计定位结构有以下好处：

l 定位结构起到导向作用，便于装配；
l 确定唯一装配位置，防止装配不当损坏卡扣；
l 提高卡扣的配合精度，从而提高卡扣的连接强度；
l 抵抗卡扣某方向上的分离力，从而提高卡扣的连接强度。

定位结构在零件上一般会以两种方式存在：

l 一种是零件本身就存在的，能起到局部定位功能的结构，如零件的边缘和表面等。零件本身的定位结构精度低，不易实现尺寸的控制与微调。
l 一种是经过特殊设计，用来实现某种定位功能的结构，比如凸台、柱子、孔、导轨、铰链等。这种定位结构精度高，容易实现尺寸的控制与微调。

在约束的设计上，完全约束是理想状态，实际设计中讲究的是适当的约束，尽量减少欠约束与过约束。

3. 装配协调性

装配的协调性考虑的是卡扣基体是基于人为装配还是机器装配，在目前阶段，我们大部分都是基于人为装配进行设计，所以，在设计过程中，除了考虑卡扣基体本身的活动空间外，还必须考虑人为操作空间（人机工程学）。

比如装配过程中，操作者需有一定的视野，如无法避免，需有导向结构。

比如有些需要经常拆卸的卡扣，拆卸位置需要有操作空间（手指空间、工具空间），且操作力应符合人机工程学要求。

4. 制造工艺的可行性、成本高低

1）如无必要，卡扣设计时应考虑避免增加模具的复杂度，把需要侧向抽芯机构的改为不需要要侧向抽芯的结构，降低模具成本。

2）如果卡扣是通过斜顶出模，需检查斜顶推出过程中是否有干涉；斜顶头部不能是斜面（顶面与出模方向的夹角小于90°），否则斜顶无法顺利退出。

3）如果顶面与出模方向的夹角小于90°，可以采取以下三种出模方式，但是模具结构变得复杂，模具成本增加。

a）两段斜顶结构

b）内滑块结构

c）滑块出斜顶结构

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