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江南大学 硕士学位论文 塑料卡扣设计研究及CAD应用模块开发 姓名：陈燕 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：李世国 20060601 摘要 摘要 卡扣连接是装配中重要的连接形式，因其不需要增加额外零件和装配简单等 优点在诸多场合F 逐渐取代螺钉成为最主要的连接方法。 在传统的卡扣丌发中，设计人员通常是参考类似产品卡扣的几何参数，根据 需要对几何参数进行同比例放大或缩小，这种设计丝然过于粗糙：或者利用塑料 供应商埕供的参考设计准则进行殴汁，但是那些准则中提供的可参考卡扣类型比 较单一，而且包含有公式和图表，在设计使用时过了二繁琐。 本课题针对以上问题，整理归纳出几种常用卡扣原型，对其关键尺寸及装配 力学性能进行研究，并选择典型卡扣进行深入分析得到其最大应变计算公式。最 后利用V C + 十工具和P r o T o o l k i t 丌发工具包，丌发了基于P r o E 平台的卡扣设计 模块，其集设计与三维模型输出一体化的特点最大限度的简化了卡扣设计过程。 以P O s 机为例，利用卡扣设计模块对其装配忙扣进行设计，并对设计结果 用A N S Y S 进行验证，检验卡扣设计模块的应用效果。 因为设计用计算公式都是建立在些假设的前提下，所以本课题的卡手【l 设计 模块并不是提供最终精确设计结果，而是给分手i 的几何参数没计提供了有价值的 参考，其计算结果完全能够满足实际工程的要求。在f jd 口条件F ，# 扣设计的精 确结果无法完全通过简单的设计公式得到。 关键词：卡扣 A N s Y S回归分析v c 十十u D FP r o 1 o o l k i t P r o E 江南人学埘I 学位论殳 A B S T R A C T S n a p n ta t t a c h m e n ti st h ei m p o n ，柚tm o d e 【】rc o u p I j “gd u r 1 9a s s e m b l y B c c a u s e t h e r ei sn on e e dt o rs n a p _ n tt oa d da d ( 1 帅a IP a r t sa sw e l la sl tc a nb ee a s i l y a s s e m b l e dt h Ii Ii Hg r a d u l l 】yd i s p l a c 】n gs c r e w “) b eI h em 。s ti m p o r t a n ta t t a c h n l e n ti n s e v e f a Is j t u a t i o n s I nt r a d i t i o n a lc 。u r s co fd e v e l o p i n gs n a p - n t ，d e s j g n e r sc o m m o n l yt a k ea d v a n t a g e o f t h es n a p n tf r o ms i m i l a rp r o d u c t ，b ye n l a 喀eo rr e d u c et h eg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n s i ns c a l et omt h er e q u e s t I ti so b v i o u sl h a tt 1 1 ed c s i g ni sf a rf r o ma c c u r a t el n a d d m o n a Ls n a p 一靠tc a nb ed e s i g n e db y t h er e 证r e n c e sp r o v i d 甜 b yl h 。P l a S t i c c o m p a n i e s B e c a u s eo f 诧ws n a p mt y p c st 1 e yo f b ra n dq u i t eaI o t 。f 。q u a t i o n sa n d c h a r t st h er e f e r e n c e sc o n t I d i n ，i Ii s ( b v i o u s l yo v e r1 0 a d e dw i t hd e t a i l sj fr e f e r e n c e sa r e u s e dd u “n gd e s i g n A i ma t 山ep r o b i e m sa b o v e ，S n a p - 6 tD e s j g nM o d u l ew a sd e V e l 叩e di nt h ca r t i c l e T h ef u n c I i 。no fs n a p 一行td e s i g n i n ga n d3 Ds n a p - n tm o d e le x p o 一“gw a si n t c g r a t e di n i ta n dt h ec o u r s eo fd e s j g n i n gas n a p mw a sg r e a t l ys i m p 儿n c db yt h cS n a p - n tD e s i g n M o d u 【e S n 印一6 tD e s i g nM o d u l c 、帕sd c v c l o p c dd u r i n gt h eI o u rs t e p sa st l o I I o w s F I r s I s e v e f a lk i n d so fc o m m o n l yu s e ds n a p - n t sw e r cb yc o J l e c t e da n dg e n e r a l i 他d ，s e c o f l d ， h ek e yd i m e n s j o n s 朋dm e c h 丑n j c a JP r o p e r f j e so f 抽e mw e 陀s t u d 】刮，“r d ，o n eo f t y p i c a lk i n do f s n a p - n 【w a s c h o o s e na n df L l n h e rs t u d i e sw e r em a d et og e t t h ee q u a t i o n o f m a xs t m j nd l l r i n ga s s e m b l y ，a a s L ，b yu 硝“gt h et o o lo fV C 十十a n dP r o ，T b o l k i t ，t h e S n 叩士l tD e s i g nM o d u l eb a S e d0 1 1P r o 厄啪sd e v e l o p e d T a k 佃g 1 em a c h i n eo fP O Sf o re x a n l p l e ，d e s i g l l i n gt h cs n a p 6 t so fi tb yt a k i n g u S eo fS n 印一mD e s i g nM o d u J e T h er e s u l t sg o tf r D mS n a p f I tD c s i g nM o d u kw o u l d b ep r o v c db yt h es n a p - 6 ta n a l y s i sw h i c hw E I sm a d eb yA N s Y sT h m u 曲t h a t ，t I e e f r e c to fS n a p 丘tD e s i g nM o d u l cw o u l db ee x a m i n e d B e c a u s et h ea S s u m p t i o n s 、v e r cu s e dt og e h ee q u a t i o n su fs n a pn t s rt h er e s u l t s g o tb yt h ee q u a t i o n sc o u I d n tb ee x a c t l ya c c u m t e ， b u tt oo f r e r t l l eVa l u a b l er e f j r e n c e s f o rt h eg e o 矗e t r i c a lp a r a m c t c r sf o rt h ed e s i g no fs n a p n t 丁h er e s u l t sg o tf r o mt h e s n a p md e s i g nm o d e Ic a nc o m p l e t e l ys a t i s f yt h ed e m a l l do ft h ep r a c t i c a lp 叫e c t - A t p r e s e n t ，t h ee x a c t l yr c s u l t so f s n a p md e s i g T lc a nn o tb eg o tb ys i m p I ef o m m l a s K e y w o r d s ：s n a p - n t A N S Y Sr c g r e s s i o na n a l y s i s V C + +U D FP r o 1 _ o o I k i t P r o E I I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：瑙! 塾日期：如z 年上月髟日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：殛：垒导师签名：座至f 至1 日期：函年，月日 第1 节，j I 第l 章引言 1 1 课题研究背景 在当今的_ 二活中，我们t i J 以往玩其、背包、汽7 I 叫0 饰，铺、家川产：品或者嵌花 中随处看到卡扣( 图Il _ 1 3 ) f 1 1 踪影。卡扣是迎过装配过程t I f f J 弹性变形和到协 后的变形复原柬实现两零件之M 的州暇( 图1 4 ) 。 幽l l 悬臂钩f = _ 引】2 旋 0 式H f 6 ； 一 p p 匹霉 捕八方向_Jf 吾吲 简母 手 捅入时抻牲偏争f 近接后忡恢复 啦忡磊 定造接部分( 协：“ 块) 俐I4l 扪近接过捌示惫蚓 卡扣作为零部件的一 j I j l 重硬连结形式诅- 产t 协哎m q 囊I J 了J “泛地威删，其E 要原因有以下几个方丽： 1 ) 由于塑料制r 曷在生活巾的广一泛应用，人们刈于塑料性能的研究达到了 一定的深度，塑模：I 二艺也已经可以满足产品复杂结构的要求。 2 ) 随着现代制造技术的发展和需求水平的提高，人们对产品的设计要求 不仅仅是满足功能的实现，而是更关注科学技术与艺术的完美结合。 由于卡扣连接是一种隐藏在产品内部的连接形式，所以不会影响产品 的外观效果。 3 ) 大部分卡扣的装配主要是通过直线运动实现的，比起螺钉装配的旋转 加直线运动更为简单，所以更易在自动生产线上实现装配。 4 ) 卡扣是连接件内种结构形式，与螺钉相比，不需要增加额外零件。 卡扣虽然常见于在产品设计中，但其繁琐的殴计过程导致目 ” 扣设计的效 率较低。目前，大多数采用类比方法来简化卡扣设计过程，而真证意义上的卡扣 设计需经过查阅卡扣相关设计手册、讨算校核和卡扣建模等瑟夺步骤。实际上， 一个卡扣设计过程会涉及到列卡扣公式的理解和选择、参数选取、结果分析以及 建模等诸方面，完成整个显然会花费设计者大量的时删和精力。针对以上问题， 本课题在参阅有关卡扣设计文献的基础上，对目前常用的卡扣类型、特点和计算 江南人学坝I ：学位论文 方法等进行了系统地分析，提出了卡扣计算与建模一体化的方法，大大提高了卡 扣设计的效率。 1 2 卡扣研究的现状与发展趋势 1 2 1 国内外研究情况 国外早在2 0 世纪术就有多家聚合物公司提供了其自主研发的卡扣设计手 册，其卡扣计算公式主要通过理论计算和实验数据修证得到的。如德国b a y e r 公 司提供的手册主要针对最常用的悬臂钩卡扣、环形卡扣和u 形卡扣的设计进行 指导：美国T i c o n a 公司也给出了悬臂钩蕾扣、环形卡扣的计算公式1 2 l 。虽然给出 的卡扣原型( s n a p f i tp r o t o t y p e ) 较少，但是这些卡扣原型都是最常用的，所以 对卡扣的设计具有重要的指导意义。随着近年来对卡扣结构研究的深入和新方法 ( 特别是有限元分析方法) 的引用，使得卡扣设计研究突破了理论推导的限制， 更多的卡扣的研究者们从不同角度出发，提出了针肘不同类型卡扣设计的较优公 式。如1 9 9 7 年L e w i s 等人利用有限元分析的方法对刺钩指状卡扣进行了研究p J ， 给出了一定尺寸范围内的卡扣设计公式。 据可查阅的文献显示，囡内对卡扣的早期研究主要是卡扣连接的：亡作原理方 面引，对于具体的设计计算涉及较少，仅在文献【4 中( 1 9 9 5 年) 介绍了长度 方向具有双向斜面的悬臂钩卡扣的变形计算公式。其他的主要文献有：文献【5 】 中( 1 9 9 7 年) 介绍了环形及：悬臂钩卡扣的连接原理，文献【6 】( 2 0 0 4 年) 中给出 了U 形卡扣的工作原理等。不难看出，国内对卡扣的研究目前大部分停留在对 不同卡扣原型工作原理进行介绍的层面，在卡扣的关键尺寸的研究方面还局限在 悬臂粱和环形卡扣等较少类型，与国外差距较大。有关卡扣设计和三维建模一体 化C A D 模块方面的研究和丌发目前未见报道。 1 2 2 卡扣研究的发展趋势 1 ) 卡扣原型的多元化 从钩状卡扣( 图1 1 ) 、球状卡扣( 图1 、3 ) 到旋转式卡扣( 图1 2 ) ，不同的形 状和装配原理的卡扣应用情况大不相同，随着研究的深入，更方便有效的卡扣原 型会不断出现。 2 1 较优卡扣原型选用准则的扩充 在设计初要选择与应用情况最匹配的卡扣原型，就需要对几种卡扣原型进行 比较，如何确定这些原型的比较准则也是卡扣研究的方向一J 。 3 1 卡扣设计、分析和建模一体化 卡扣设计、分析和建模一体化将使得卡扣设计者最为迅速有效的得到满足要 求的卡扣模型，并可直接观察到卡扣装配的分析结果。在保证设计有效的前提下 节省了大量时问。 4 1 常用卡扣原型“零件”的标准化和系列化 卡扣Z F 众多场合替代了螺钉，如何使F 扪“零件”和螺钥。- 样达剑标准化和 系列化也是其发展的方向。 1 3 课题研究内容、意义及创新点 1 3 1 课题研究内容 本文主要对卡扣改计、建模一体化进行研究，研究内容大致如下： 1 ) 对现有最为腆骂! 的降_ j ：原型关键八i 1 和砹汁方法做系统化的总结归 纳。 2 ) 选择一典型卡扣原型，哎i I 实验刈其装配过程l r 的应变进行深入分析研 究，运用回归分析方法拟合得到应变的计算公式。 3 ) 利用V c 和P r o 7 1 、o o l k i I 丌发基于P r o ，I 三平台的卡扣殴讲模块，实现卡扣 没计与建模的一体化。 1 3 2 课题研究意义 本课题研究主要有以下几个意义： n 给出了刺钩指状卡扣的应变计算公式，给设计者判断设计有效提供依据。 2 ) 卡托I 发计模块使的卡扣的设计过程可视化，设计者可通过简单的选择输入操 作完成卡扣的设计。 3 )悟打设计模块中提供n 勺卡托】模型输f f 助能吱观使得I 捌殴汁肝自z 力生成降 扣三维模型，省去了发汁者手动建模过程。 1 3 3 课题创颥点 I ) 在现有所提供的指状刺钩卡扣力学计算公式的基础上，应用有限元力学分析 与数值回归分析的方法得到指状刺钧E 扣的应变汁算公式。 2 ) 丌发以三维软件为平台的卡扪l 殴计模块实现了膏扣设计、建模一体化。 江南人学坝卜学位论立 第2 章卡扣设计基础 卡扣在连接过程中会产生较大的弹性变形，主要用于塑料件问的连接，如手 机外壳的连接、电池盖与本体的连接以及其他数码产品的零部件连接等。 2 1 卡扣的组成与分类 2 1 1 卡扣的组成 一个完整的卡扣主要包括定位、锁紧和附属等部分。 1 1 定位部分 定位部分是提供抵抗跨结合面的力的强度和装配件与基体件的精确定位。定 位部分可以是附加在连接上的、提供精确定位的特殊功能部分，也可以用装配件 或基体件原先存在的功能部分，如起定位作用的壁面、表面或边缘，如图2 1 所 示。 高：苫鬲醪锁紧粉育口r 轵二一o 、耿累梆 “ 箸型， - = l ；l 紧軎l j 分 ， 、 固勇醺运卜 ( b ) 】州千j 定位功能部分 幽2I ：定位约束功能部分幽22 锁紧功能部分 2 1 锁紧部分 锁紧部分是保持零件定位和提供装配保持力的约束功能块。是卡扣的主体部 分。其比定位部件薄弱，因为锁紧部分必须能够偏斜彳能装配。只要装配件和基 体件装配到位，锁紧部分就将它们保持在这个位置上，如图2 2 所示。 3 ) 附属部分 附属部分是最容易被忽略的功能部分，它们不直接影响连接的强度，但对可 靠性会产生问接影响。其改善了连接对变量的孥固性和产品寿命中的使用条件， 也可以改善用户友好性。如采用导轨、问隙和引导易于装配，利用文字和符号来 指导用户操作，利用一些辅助件来保护薄弱、敏感功能件或保持、增强锁紧件等。 卡扣中起主导作用的是锁紧部分，其设计参数也是设计者最为关，心的，所以 本课题中主要对卡扣的锁紧功能部分进行研究。 翌! 塑堕! 竺! ! ： 2 1 2 卡扣的分类 通过从不同角度对卡扣的分类，使卡扣 殳计者从初始就l 刿确i 5 ； 计中需要什么 样的卡扣。 1 ) 按锁紧部分类型的分类 悬臂梁锁紧卡扛】：通过梁的弯曲来结合，利H 梁的拉1 I | 1 和弯或者拉仲和剪 切束保持，如图23 。 伊 庐伊 I ： | 23 ，岂臂梁锁鬃p “l 平面型锁紧件卡扣：其包含一个或两个能偏剁的壁，通常伟有个边缘和一 个壁上的卡爪。它们通过平板的偏删束结合，利用剪切强度和压缩强度以及板的 力学性能来保持，如图24 。 一 ? X 是卡爪 叫以足】| - 7 f 坑或 J m 扎构成的边缘 旧24 平面锁紧- 打 止逆型锁紧卡扣：通过梁的弯曲来结合( 与悬臂粱锁紧乍扣一样) ，但它们 的保持却是利用梁的压缩。止逆型卡扪可以提供非常结实的锁紧，如图2 5 。 蹲匹翁岱泌 = d 1 1 r 拆卸板一面止 逆件 心 b ) 表血 的旷i I ；卸，c ) 翼 的秆拆卸式 止逆件 止逆件 霜晶 c ) 用十实f 杠卒腔的止逆仆方案 幽251 r 逆艰锁紧什 扣 亨 藏号霉可 江南人学坝I 学位论文 扭转型锁紧卡扣：其将扭转行为用于装配的偏蒯。保持也取决于扭转件的特 性，如图2 6 。 雪圆簪 幽26 转，弘锁紧仆E 打l 圆环型锁紧卡扣：其将同心隆起之间的结合面用二| 二圆柱体的内和( 或) 外壁 上，依靠径向的弹性变形来实现装配和保持强度，如图27 。 留自网日 幽2 7 圆环口锁紧什p 扣 2 ) 按可提供零件自由度的分类 这罩指卡扣连接后，卡扣所连接的两装配零件体之问可进行的棚对运动。其 分类有两种： 固定卡扣：卡扣结合后，装配零件之问不存在相对运动，即零件在1 2 个运 动度上都受到限制，图21 所示的卡扣就属于固定式。 可动卡扣：卡扣结合后，装配零件之I 训存在相列运动，但在运动过程中绝不 可能分离，当没有约束条件限制这一运动时，它可自由运动，如图2 8 所示。 幽28 约求功能仆能够限制任何相对运动或能够控制运动 3 ) 按连接用途的分类 最终连接用卡扣：卡扣在初始设计时就与零件的有效寿命保持在一起。 l 临时连接用卡扣：只在零件实现最终连接的中问环节中出现，起到辅助连接 的作用。 4 ) 按保持情况分类 6 赫! 节f 、改汁J L 永久卡扣：花连接锁紧后是不打钟：拆) l W J ，虽然没有锁紧足永久的，蛆这种 锁紧一蚓结合便难以分丌，只有对卡扣或零件造成损伤后 能使连接分，r 。 非水久卡扣：在设计仞就打算拆丌的。 5 ) 按卡扣分离情况分类 可拆卸卡扣：可拆卸卡扣是打算拆丌的，当预定分离力施加剑零件上时，允 许零件分离。 非拆卸卡扣：非拆卸卡扣需要人：| = 使锁紧件偏制，如图29 所示。 a ) “J “ F 4 p J b ) 巾舢f 4 f jJ 凹29 f ：水久锁紧I 扣 以上两利，都属于非永久卡扣。 6 ) 按卡扣的连接体形状分类 主要可以分为实体与实体、实体与i = = = i I f i 、实体与孔、实体与空腔、板与j L 、 外壳与平面等连接类型。如图2 开示就是板与7 L 的连接。 7 ) 按装配运动分类 卡扣在连接时是直线运动的有： a ) 推运动卡扣：装配件和基体件在最终锁定之自d 产生的接触寸删帽对很短 如图21 0 f a l 。 b ) 滑运动卡扣：装配体诅：完成最终迎接胁始终与其接触，依靠附_ l f 的装配 运动沿直线运动，如图2 1 0 f b ) 。 卡扣在连接时是转运动的有： a 1 翻运动卡扣：装配件上的定位件首先与基体结合，仞始的结合依靠装配 体绕初始定位副的旋转，直到锁紧功能件完成结合，如图21 0 ( c ) 。 b 1 扭运动卡扣：带轴对称约束功能什的装配件首先以直线运动与基本体十臼 结合。装配件绕轴旋转，使其约束功能件与基体件上互补排列的约束功 能件相结合，如图2 1 0 ( d ) 。 c 1 转运动卡扣：装配件首先在一个定位副上以推运动与基体件相结合。如 图2 1 0 ( e ) 。 函 鸯 江南人学坝l j 学位论文 ( a ) 水一板，扎、实仆卒腔 前垒， b ) 坩一实- 。州曲 ( d ) 抓一共1 水J 窄腔( e ) 转一实休j I ，由 2 1 0 按装配运动分类的 扣 2 2 卡扣设计中的材料特性 在设计初期，设计者必须明确所设计卡扣需要达到的特定目标：卡扣装配力 ( 插入力) 、装配应变和保持力。在满足装配应变小于材料许用应变的前提下， 设计得卡扣具有合适的插入力和保持力是设计的主要目标之。 2 2 1 材料特性的一般性假设 对于卡扣用材料，设计分析时通常基于以下假没： 1 ) 塑料是线性弹性体 即应力一应变曲线在分析范围内是线性的。实际上，大多数塑料在有用范围 的应力一应变曲线都不是线性的。为了对这一点进行补偿，采用了在工作范围内 应力应变呈线性关系的假设。 2 ) 塑料是均质的 假设材料内部的组分在整个零件中都是一致的。即不单独考虑塑料在原料的 混合、模内流动和冷却时存在的组分不均现象。在计算中，可以通过适当安全系 数的设定进行补偿。 3 ) 塑料是各向同性的 即材料中任一点的物理性质是相同的，而与被测试件所处的方向无关。各向 同性的反义是各向异性。实际上，特殊填充的和玻璃增强的材料均未展现出各向 同性的行为。所以需要在零件和模具设计的时候适当确保将高性能定向在最终零 件的正确方向上。 染2 市忙 n 【奠I f 牡础 2 2 2 材料特性数据 卡扣在塑料件殴计中最为常见，所以本课题t pj 二要剥塑利H l J 进j ：_ 研究。 通常出现在卡扣分析计算中的材糊特性有删利r ：应力。或J i V 变e ，惮性模登 l ：和摩擦系数在设汁州，i 芟H 者应i 毁颅先从塑荆“! 应商手啦搿剑这些数掂。 其中应力应变曲线是卡扣改汁与分析州的酋选数n ! ：。塑料的应力一膨变行为的 三种基本类型如图21 1 所示，切性足列利料抗冲击缄衙的量度，可以用应力一 应变曲线下的面积表示。可以清楚地看到塑性材判的| ；：l J 性要高于硬( 脆) 与柔性 捌劓。韧性塑制是卡扣的酋选栩牡 。 耻( 舭) 利1 = = | ： J 、y 监( c ) 剀2I | 切性、脆性：、柔性塑料的比较 最大许用应变。、的确定： 有些卡扣i 殳计类手册中给 n 了不同捌料的最大许朋应变的数据，但因为每个 聚合物公司给出的材料特性存在一定的差异，手册数据只适用于设汁卡扣选利， 一旦材料确定后，最好用相应捌料数据表和玳确的应力一应变曲线束确定最大许 用应变。 材料的许用应变可以根据应力一应变曲线仙算得到，具体方法如F ： 1 ) 应变被固定时的应用 即卡扣功能件在装配过程中发生偏剩，之后在产品的使用寿命中始终保持一 定程度的偏斜。这是一种长期载荷条件。 a 1 对于塑性和高延伸性的塑料，设屈服点或屈服应变的2 0 处应变为最大 许用应变，无论哪个值都是比鞍低的，如图2 1 2 所示。 江南人学坝I ：学位论文 一 b R 翅 一 b R 翻 应变( )应变( ) f a ) 塑性帮商延伸性鳖辩p ) 脆性和低殛 率性璺料 幽2 1 2 川定f 妪变的殴计点 b ) 对于无明显屈服的脆性和低延伸恍塑料，设断裂点应变的2 0 处为最大 许用应变，如图21 2 所示。 2 ) 应变为变量时的应用 装配过程与应变变化相关的情况，如当偏剁发生的很快或装配时有冲击载荷 时，卡扣功能件的分析应该依据动态应变，而不是依掘应力或静态应变。因为塑 料的行为具有时问依赖性，当偏斜快速发生时，计算出的应力很可能超过屈服应 力但并未造成损伤。当载荷或挠曲快速出现时，如在装配过程中所发生的那样， 确定最大许用应变时应该用动态应变极限。当载荷或偏移出现的比较慢时，如在 拆卸或受持续载荷所发生的那样，计算中可以采用最大许用应力或静态应变值。 3 ) 有明确屈服点的材料 当装拆次数较少( 约1 1 0 次) 时，设屈服点处应变的7 0 为最大许用应 变；当装拆次数较多( l O 次) 时，设屈服点处应变的4 0 为最大许用应变。 4 ) 无明确屈服点的材料 当装拆次数较少( 约I I O 次) 时，设断裂点处应变的5 0 为最大许用应 变；当装拆次数较多( 1 0 次) 时，设断裂点处应变的3 0 为最大许用应变。 弹性模量E 弹性模量是指单位应力与单位应变之比。在弹性弯曲阶段，材料的弹性模量 是常数。而在超过的阶段，我们可以定义弹性模量为曲线的斜率，即正切模量。 在本文中采用了塑料是线性弹性体的假设，所以材料弹性模量是常量。 摩擦系数u 摩擦系数是作用在结合面上的法向力与结合面上的元件滑过另一元件所需 力之比。涧滑性好的材料摩擦系数较低，润滑性差的材料摩擦系数较高。摩擦数 据最好是根据实际条件测得，但这种情况很少。通常都是采用所发表的数据和润 滑性信息来确定摩擦系数。一般比较合理的是，低摩擦材料的u 值取0 2 ，高摩 擦材料的u 值取0 4 。卡扣设计中的摩擦系数采用的是动摩擦系数。摩擦系数可 变性会极大的影响装配和保持计算的可靠性和准确性。 讹3 学H | 1 砹I 川E w I 】段共“上J t0 第3 章卡扣设计准则及关键尺寸 【_ = | 1 二卡扣的原型段多，小文c t 以怂愕粱k 为例介耋f _ 。一扣i 殳训的i 小准 则，再分别对儿种热型原型卜扎l 的关雠J t 、J 进行i t 细晚 “ j 。 3 1 卡扣设计的基本准则介绍 悬臀粱卡扣是最为常见的卡扣，存K f | 的使用和研究过举，州，逐渐总结形成 了一些 态于实践和理论的设汁H i ：则，刈：j ：其它的原型卡= | = l ：J 发汁I ；l = l 也- 可以参照一 = 述 的基本准! j ! | j 。 1 ) 合理确定梁根部厚度 一般情况下，梁都是与母体壁而或表而成9 0 。仲出或在乎丽内。 如果粱是从壁丽突出来的，如图31 ( a ) 所示梁敞部的厚度应该约为蹙厚的 5 0 一6 0 。厚度小于5 0 豫厚。的粱订J 能会存杓允模和流动川趣。厚度人J 6 0 壁厚的梁其根部_ | ；J J 能会因厚俄m m f J ? m 拎、U 题，进而会爿敛人的残余心J 、 缩孔和缩痕，缩孔会削弱功能件，外观表丽上的缩痕也是不能接受的。 如果梁是壁面的延伸，如图31 ( b ) 所示。那么梁根部的厚度应等于壁的厚度。 如果粱的厚度必须小于壁厚的话，其厚度应该从壁两到所需厚度的部分沿粱的长 度方向逐渐变化，这样可以避免应力集l 【I 充模不足问题。 移一彦刍 粱根厚J 衄为壁厚的5 0 6 0 粱恨厚J 衄等J 一边缘厚度 剧3 1 粱根部的J 腰 2 ) F 确选择粱长与壁厚之比 悬臂梁卡扣的总长由梁的长度和保持功能件长度构成，如图32 所示。这两 段长度在计算时要分别考虑，因为计算弯曲时，只考虑粱的弯曲部分。此时，虽 然保持功能件的长度是未知的，但能够确定梁的长度。随后，将保持功能件长度 与梁的长度相加就能得到悬臂钩卡扣的总长。理想状念下，希望能自由的选择粱 的长度，但往往受到可利用空间和装配件尺寸的限制。 江南人学似! l + 学位论义 蟛爹 。 粱_ 胁 ： 庐 幽32 粱的K 度 一般情况下，梁的长度应该至少为5 倍的壁厚，但首选是1 0 倍的壁厚。若 梁的长度大于：】O 倍壁厚，可能会发生翘曲和充模问题。在确保功能件完全充满 和尺寸空帕J 允许的前提下，梁的长度可适当增加。 长度小于5 倍壁厚的梁将承受很大的剪切作用以及梁根部的弯曲。这样会增 大在装配过程中损坏的可能性，也会使分析计算( 粱理论) 变得很不准确。较短 梁的柔性较差，但在根部会产生较高的应变。较长的梁对装配来说柔性好，但保 持力差。 对于较硬的和较脆的塑料，推荐采用较大的长度与厚度的比值。 3 ) 插入面角度a ( 插入角) 不直太大 插入角会影响装配力。角度越陡，偏剁和使卡扣结合所需的力越大。实际上， 最大插入角应尽可能的小，以减小装配力。合理的角度在2 5 。一3 5 。之问。大 于或等于4 5 。的角度会使装配困难，应尽量避免。对于普通悬臂钩卡扣，初始 插入角应尽可能的取小。 签 书 图33 插入角o 4 ) 选取合理的保持面深度y 保持面深度有时也叫根切值，它决定了结合和分离时梁偏斜的程度。当梁的 长度与厚度之比在5 ：1 范围内时，初始保持面深度应小于梁的厚度，当厚度之 比接近1 0 ：1 时，初始保持面深度应等于梁厚度，如图34 所示。一般来说，厚 度比值较高或较低时，初始保持面深度值应做相应的调整。长度一定，较硬或刚 性较大塑料可产生的偏斜比较软的塑料要小。 f a ) 侏打血蹦膨 厶，瓦5 时J 7 ( b ) 人宽度的影响 _ 蚕埘 枷 崃较 一 r ， ，_=粱厂一 灼 黧 M 蚴枞二 户 剿瑚 一一 瓦 n 口卜 一 一 鳓势I点千I己 柏遁 一 一 使 善的 一 一 锥翌： 1 n L 可 庐彦 I c ) 盔度i ；：铋胜恳臀t q I 型36 粱的宽艘： 3 2 典型卡扣的关键尺寸 对于大多数卡扣性能计算来说，应变数据比应力更优先选用，J 衍以在本文1 扣 主要用材料最大许用应变值对卡扣i 殳计。肚能进行评估。 3 2 1 悬臂钩卡扣( c a n l c 、f c rH o o k ) 在利用传统梁汁钟：公式汛i 凶须别怂恃钩k 扣作适当的暇砹： a ) 梁的利粒 是均质的，存拉仲和压缩作用下具有相同的弹眺模量 b ) 梁是直的或在弯平面内具有曲率，率半径至少是梁厚度的1 0 倍 c ) 梁至少列称于一纵向平面 d ) 梁的宽度适当 e ) 最大应力不超过应力极限 n所施加载荷不是冲击载荷 根据经典的梁计算公式，我们可以训算在装配过程中，悬臂钩卡扣梁最大应 变值、插入力和保持力，其中引入的修i r 系数是通过反复的有限元分析和实验沦 i 1 ：得到。以下公式均来自文献【1 0 】。 保持块 梁根部 1 ) 梁根部最大弯曲应变 幽37 息臂钩 扣尺寸示意幽 ( Q ) 江南人学f ! J 。学位论史 ：1 5 毒生 0 Q K 系数Q ：恒矩形截面梁的偏剁放大系数( 见表3 1 ) 粱计算假设，基体而( 即壁面) 是无限刚性的。但实际上，基体会偏劓的， 而且对功能件特性的影响也是很明显的，所以这融引进了Q 值对计算应变进 行调整。 系数K ：厚度带锥度的梁的比例系数( 见表3 3 1 2 1 ) 因为公式的计算是基于矩形粱，所以引入K 值进行计算补偿。厚度带锥度 的粱( d 矾) 在减小应力、应变和插入力方面优于直梁( 可能的缺点是保 持强度的减小) ，其中2 ：1 的锥度值最为常用。 因为厚度2 ：1 的锥度值最为常用，所以表3 _ 2 还给出了厚度带2 ：1 锥度的矩形 横截面梁的偏斜放大系数。 2 ) 临界角 9 。矿t a n 。( 去 3 ) 偏斜力 p ：业堡 6 y Q 4 ) 插入力 纠等端 5 ) 保持力 纠锱 表3 1 恒矩形截面梁的偏斜放人系数( 0 ) 桀与鼙的相对位置如幽3 8 梁外形比值 4 l L ，b 粱L 鼙面且粱上肇面且梁上擘面且梁位丁肇边 梁上实体擎面 在肇面内上j 罐边平行与艟边平行且与罐共面 】51 6 02 1 22 4 06 5 08 O O 2 0l3 51 7 01 9 046 05 5 0 2 5I 2 2I4 5 I 6 5 3 5 04 0 0 301 I71 3 5l4 52 2 83 1 5 6 第3 书k l 砹l f 准则肚天l 址J t ：】 35ll51 2 8【3 82 4 02 6 5 4 0l1 42 S3 622 S24 0 45】I32 33 321 02 1 0 5 01 f22 ff2 8l9 52i O 55】f 1l 】92 78 59 5 6O l1 0l7 2 5l ，7 51 8 5 6 50 95l2 47 08 0 70l0 8l32 2l6 5l7 5 8O l0 6】1 0 J1 9J5 5 J6 5 850 5 0 9f8 5 06 0 9O0 40 8l74 5 5 7 9 5l0 30 71 64 05 5 l O Ol0 20 60 63 85 2 I O5l0 】lO Sl53 65 0 1 1 O0 45I3 54 7 幽38 梨与啦f F J 相对何盖示意罄f 表32 带2 ：l 锥度的矩形横截面粱的偏剁放人系数( 0 ) 粱外形比值粱与譬的相对化置 梨外形比值梁与楚的午H 对 = ；7 _ 茸 L b2 T5 TL b2 T 5 T 2 O1 6 035 0 70l1 4I 5 2 25 l5 030 07 5l1 3 I4 7 3 ol4 0 25 08O1 1 3 4 3 351 3 322 585 ll24 0 4 o 1 2 520 590 1 23 8 45l2 2l9 095 lI l1 3 5 5 o J ，2 0J ，8 01 0O1 1 l l3 2 7 江南人学顺l j 学位论史 5 51 1 71 7 0I O511 0l3 0 601 1 5 l6 5 l l011 0l2 8 6 51 1 4l5 8 表33J 早度带锥度的梁的比例系数( K ) d n | d Kd 、| dK d 1 | d K d n f d K O3 32l3 7O 5 0l6 3 6O6 7I3 3 8O8 4l1 3 8 O 3 42 0 9 8O 5 ll6 1 4O 6 8l3 2 4O8 51 1 2 8 O3 52 0 6 0O 5 21 5 9 3 06 9l3 1 0 O8 61 1 1 8 O3 620 2 4O 5 3I5 7 307 01 2 9 7O 8 711 0 9 O3 71 9 8 90 5 4I5 5 30 7 l2 8 4O8 8I1 0 0 O3 81 9 5 6O 5 5l5 3 4 O 7 2l2 7 2O8 9I 0 9 l 0 3 9l9 2 4O 5 61 5 1 5O7 3l2 5 9O 9 0 l0 8 2 0 4 01 8 9 305 71 4 9 7O 7 41 2 4 7O 9 l1 0 7 3 O4 ll8 6 305 81 4 7 907 5I2 4 509 2I0 6 4 04 2l8 3 4O 5 9I4 6 2 07 62 2 3O 9 31 0 5 6 0 4 3l8 0 6O6 0l4 4 507 7l2 1 2O9 41 0 4 7 O 4 41 7 8 0O6 ll4 2 9O 7 81 2 0 lO 9 51 0 3 9 0 4 51 7 5 4O6 21 4 l3 07 91 1 9 0O 9 61 0 3 l O 4 61 7 2 9O6 31 3 9 9O 8 0I 17 9 O9 71 0 2 3 O 4 71 7 0 4 06 4 1 3 8 2 O 8 ll1 6 8O 9 8lO l5 O 4 8l6 8 1O 6 5I3 6 70 8 21 15 8 O 9 91 0 0 8 0 4 91 6 5 8 O 6 61 3 5 2O8 3l1 4 81 O O10 0 0 3 2 2 环形卡扣( A n n u l a rS n a pC a I c u l a t o r ) 环形卡扣的计算公式是基于材料强度的理论得到的，具体公式l 如下 三一 幽3 9 环形 扣尺寸示意幽 口：插入角：保持角y ：根切值 d ：连接处直径 吐：凹形轴的内部直径哦：毂的外圈直径f ：插入力 C ：保持力 1 ) 最大应变e ： F ：上i 0 0 “ 2 ) 横向力，) f 1 = = ，c lE x 列于刚性毂和刚性轴儿何系数2 一，2n s ：耳历警等黼 列于刚性轴和弹性毂几何系数= “2n s z 耳瓦箍享李鬻 其中v 为泊松比。其枉利荆j l n 性变形范田内为定值列于大多数： ：程捌判 、，值分析i 在0 2 到O 4 之川l l “，然而缺省的O 3 5 已经足蟛。 3 ) 插入力F ： f 廿患 3 2 3 刺钩指状卡扣( B a y o n c t F i n g e r ) 刺钩指状卡扣装配是通过卡扣和装配体的共同变形实现的，两者变形相当， 因而建立一个精确的理论模型非常困难。基于数值分析的方法月j 发一种近似公式 是更为有效的途径。一系列基于不同几何参数和材料属性的有限元分析被应用到 卡扣上，从而得到一具体范围之内有效的公式，其中回归分析被利用柬获得最佳 近似公式。最后通过实验来证实其卡扣公式的准确性。文献【3 提供了计算公式。 表34 设计公式系的变数化范m 儿何参数 最人最小 支架角度( A ) I3 5 。I l O 。 保持角度( B )1 3 5 4 9 0 。 【指& ( c ) 1 9 0 5 m m63 5 m m l 刺钩厚度( D ) 25 4 m n l2 0 3 m m I 偏离尺寸( E ) I - 2 7 m m0 6 4 m m 畿 保 P J J ” f 江南人学f 哦l 。学位论义 幽3l O 刺钩指状 扣尺寸示意隆I 1 ) 插入力F F = 3 3 2 一O 1 6 9 A O 0 9 6 B 1 6 5 C + 9 7 5 D + 8 7 2 E 2 ) 保持力F 一：= 1 1 4 0 3 8 5 A 1 3 3 B 1 6 2 C 一1 0 1 D + 9 8 8 E 3 ) 最大应变e 在众多资料中均未给出其应变的计算公式，无法检验材料对于装配中的应变 是否满足要求，所以利用有限元方法，对以上尺寸范围内卡扣的应变变化情况做 分析，最后用回归分析方法，分析出与卡扣应变有关的关键尺i r 变量。分析回归 过程将在第四章给出详细说明，这早先给出其计算公式如下： s = 1 9 1 5 1 2 7 0 8 3 D + 15 0 0 5 D 2 一O 1 3 7 D B 3 2 4 悬臂孔卡扣( C a n f i I e v e 卜H o l e ) 悬臂孔卡扣设计公式是基于有穿孔的薄壁粱弯皑l 理论和添加应力集中系数 修F 获得，其中应力修F 系数则是通过反复的有限元分析和实验论证得到。具体 公式如下所示： 2 0 搿y 铺3 争净 1 1 酲计眦投共地J t i 】_ 一U r 1 ) 插入力F 其中肚硐研可鬻哥而可 铲普，一鲁 2 ) 保持力f ，? ：昱竺 K 其中S ，是弯曲应力( f l ex L I r a ls c l e s s ) ，【是粱的厚度。 上：oi3 2 丝+ 0 1 6 2 二+ 0 9 8 8 皇- 0 0 2 8 婴_ 0 0 3 5 氅- 0 0 3 6 銎 K m l 77 w旷厂 厂 “2 4 4 乓m 5 6 0 娑一。砸1 篓+ o 4 2 l 掣_ 0 0 9 4 ，w l 矿w 其中参数”介于1 5 0 和3 o o ，w 介于o0 5 和o 1 5 州”介于o2 5 和o 7 5 3 2 5 压力钩卡扣( C o m p r e s s i v eH o o k ) 压力钩卡扣与悬臂钩卡扣形状相似，但压力钩卡扣主要应用于受压的场合， 即卡扣的梁受到的是压力而非拉力，所以压力钩卡扣可以提供更加稳定和大的保 持力。以下数据主要参考文献C 1 4 。 2 湍 上卜 江南人学坝卜学位论义 梁 梁宽度为5 1 幽3 1 2 压力钩p 扣尺寸示意剀 表35 设计公式系数的变化范闱 保持块 ( E ) 儿何