塑料卡扣设计研究及CAD应用模块开发_.pdf

第 3 章 卡扣设计准则及关键尺寸 11 第第 3 章章 卡扣设计准则及关键尺寸卡扣设计准则及关键尺寸 由于卡扣的原型较多 本文中先以悬臂梁卡扣为例介绍卡扣设计的基本准 则 再分别对几种典型原型卡扣的关键尺寸进行详细说明 3 1 卡扣设计的基本准则介绍卡扣设计的基本准则介绍 悬臂梁卡扣是最为常见的卡扣 在长期的使用和研究过程中 逐渐总结形成 了一些基于实践和理论的设计准则 对于其它的原型卡扣设计中也可以参照下述 的基本准则 1 合理确定梁根部厚度 一般情况下 梁都是与母体壁面或表面成 90 伸出或在平面内 如果梁是从壁面突出来的 如图 3 1 a 所示 梁根部的厚度应该约为壁厚的 50 60 厚度小于 50 壁厚的梁可能会存在充模和流动问题 厚度大于 60 壁厚的梁其根部可能会因厚截面而存在冷却问题 进而会导致大的残余应力 缩孔和缩痕 缩孔会削弱功能件 外观表面上的缩痕也是不能接受的 如果梁是壁面的延伸 如图 3 1 b 所示 那么梁根部的厚度应等于壁的厚度 如果梁的厚度必须小于壁厚的话 其厚度应该从壁面到所需厚度的部分沿梁的长 度方向逐渐变化 这样可以避免应力集中和充模不足问题 图 3 1 梁根部的厚度 2 正确选择梁长与壁厚之比 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 3 2 所示 这两 段长度在计算时要分别考虑 因为计算弯曲时 只考虑梁的弯曲部分 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 理想状态下 希望能自由的选择梁 的长度 但往往受到可利用空间和装配件尺寸的限制 梁根厚应为壁厚的 50 60 梁根厚应等于边缘厚度 a 与壁面垂直 平面外 b 从边缘的内平面 江南大学硕士学位论文 12 图 3 2 梁的长度 一般情况下 梁的长度应该至少为 5 倍的壁厚 但首选是 10 倍的壁厚 若 梁的长度大于 10 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 和尺寸空间允许的前提下 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 梁理论 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 插入角 不宜太大 插入角会影响装配力 角度越陡 偏斜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 25 35 之间 大 于或等于 45 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 图 3 3 插入角 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 10 1 时 初始保持面深度应等于梁厚度 如图 3 4 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 保持元件 梁 25 30 45 第 3 章 卡扣设计准则及关键尺寸 13 图 3 4 保持面深度和角度 一般来说 对于借助梁弯曲来装配的卡扣 充足的保持面深度有利于钩的偏 斜和复位 所以保持面深度应该等于偏斜量 这样有助于确保在保持功能件上出 现的分离力尽可能接近梁的中性轴 以将作用在梁端部的旋转力减至最小 避免 发生无意识的脱开 用材料的已知应变极限进行分析计算时 可以确定最大的许用偏斜 然后将 保持面最大深度设定为等于最大许用偏斜 5 正确设定保持面角度 保持角 保持面角度会影响到保持和分离行为 角度越陡 保持强度和分离力就越大 对于不需要作用在装配件上的外部分离力的拆卸式锁紧件 保持面角度一般 取 35 左右 确切的角度取决于材料间的摩擦系数和锁紧件材料的实际刚度 如果产品需要经常拆卸 应首选较小的角度值 以减小作用在锁紧件和配合功能 件上的周期载荷 如果锁紧件的装拆次数有限 那么保持角应尽可能取大些 如果需要比较小的外部分离力的话 则保持面角约为 45 是较合理的起点 而且还要考虑摩擦和钩的刚度 这些锁紧件也可能仍然是可拆卸的 因此不推荐 大的人工分离力和太多的装拆次数 如果锁紧件必须抵抗大的外部分离力 那不推荐采用拆卸式锁紧 而应该设 计成永久式或非拆卸功能件 拆卸时需人为偏斜 保持面角度应近似等于 90 保持面角度也没有必要精确到 90 由于两功能件接触面之间存在摩擦 小于 90 角的作用仍然与 90 角是一样的 摩擦系数为 0 3 时 极限角近似为 80 这就意味着大于 80 的任何角度作用与 90 角都是一样的 极限角是摩擦系数 的函数 并且是可以计算的 如果摩擦系数已知 利用基本保持力方程 就可以 计算出极限角度 tan 1 1 6 保持功能件处的梁厚度与梁的根部厚度应满足一定关系 保持面处的梁厚度 r T 常常等于梁根部的厚度 b T 然而 当梁的根部的应变较 高时 全长带锥度的梁可以将应变均匀的分布在梁上 减少根部产生过应变的概 5 bb LT 时 b YT 率 如图 3 5 所示 常见的锥度比在 1 25 1 2 1 范围内 梁较短时 变锥可 以使梁根部的应变减少 60 但同时也使保持强度降低 当设计的约束迫使梁 违背了长度与厚度的最小比值为 5 1 的设计规则时 锥形梁时解决高应变的可 行方法 不要将悬臂梁从保持面到根部都成锥形 这样几乎会把所有的应变都移 到了梁的根部 反而更容易损坏 图 3 5 梁端部厚度 恒截面且带锥度 7 确定适宜的梁宽 大多数梁从根部到保持面的宽度不变 当梁的宽度 b W 不变时 它不影响最 大装配应力 却影响插入力和保持力 因为梁宽度 b W 不变时 应变不是宽度的 函数 梁的强度可以通过增加梁的宽度得到改善 而不会造成应变的增大 这可 以作为需要更大保持强度时而增加梁厚度的替代方案 如图 3 6 所示 梁的宽度也可以带锥度 这种梁可以减小梁根部的应变 但不如厚度带锥度 那么有效 装配力和保持强度较小 对于其他等效形式悬臂 钩 最大应变不会随梁宽 度改变 装配力和保持强度较大 a 宽度上无锥度 此悬臂钩具有与 板相似的行为 b 大宽度的影响 a 无锥度 br TT b 锥度 2 1 2 br TT 最常见 c 不适当锥度 br TT 改善应变沿梁的分布意味着壁面 处的应变小 尤其是梁较短时 第 3 章 卡扣设计准则及关键尺寸 15 图 3 6 梁的宽度 3 2 典型卡扣的关键尺寸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 所以在本文中 主要用材料最大许用应变值对卡扣设计性能进行评估 3 2 1 悬臂钩卡扣 悬臂钩卡扣 Cantilever Hook 在利用传统梁计算公式前 必须对悬臂钩卡扣作适当的假设 a 梁的材料是均质的 在拉伸和压缩作用下具有相同的弹性模量 b 梁是直的或在弯曲平面内具有曲率 曲率半径至少是梁厚度的 10 倍 c 梁至少对称于一纵向平面 d 梁的宽度适当 e 最大应力不超过应力极限 f 所施加载荷不是冲击载荷 根据经典的梁计算公式 我们可以计算在装配过程中 悬臂钩卡扣梁最大应 变值 插入力和保持力 其中引入的修正系数是通过反复的有限元分析和实验论 证得到 以下公式均来自文献 10 图 3 7 悬臂钩卡扣尺寸示意图 1 梁根部最大弯曲应变梁根部最大弯曲应变 宽度带 4 1 锥度的梁 宽度和厚度都带锥度的梁从边缘伸出的梁 c 宽度带锥度悬臂钩 江南大学硕士学位论文 16 2 1 5 by L QK 系数 Q 恒矩形截面梁的偏斜放大系数 见表 3 1 梁计算假设 基体面 即壁面 是无限刚性的 但实际上 基体会偏斜的 而且对功能件特性的影响也是很明显的 所以这里引进了 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 2 因为公式的计算是基于矩形梁 所以引入 K 值进行计算补偿 厚度带锥度 的梁 0 dd 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 临界角临界角 1 1 tan critical 3 偏斜力偏斜力 2 6 by E P yQ 4 插入力插入力 tan 1tan i FP 5 保持力保持力 tan 1tan r FP 表3 1 恒矩形截面梁的偏斜放大系数 Q 梁与壁的相对位置如图3 8 梁外形比值 L b 1 梁 实体壁面 2 梁 壁面且 在壁面内 3 梁 壁面且 与壁边平行 4 梁 壁面且 与壁边平行 5 梁位于壁边 且与壁共面 1 5 1 60 2 12 2 40 6 50 8 00 2 0 1 35 1 70 1 90 4 60 5 50 2 5 1 22 1 45 1 65 3 50 4 00 3 0 1 17 1 35 1 45 2 28 3 15 第 3 章 卡扣设计准则及关键尺寸 17 3 5 1 15 1 28 1 38 2 40 2 65 4 0 1 14 1 25 1 36 2 25 2 40 4 5 1 13 1 23 1 33 2 10 2 20 5 0 1 12 1 21 1 28 1 95 2 10 5 5 1 11 1 19 1 27 1 85 1 95 6 0 1 10 1 17 1 25 1 75 1 85 6 5 1 09 1 15 1 24 1 70 1 80 7 0 1 08 1 13 1 22 1 65 1 75 8 0 1 06 1 10 1 19 1 55 1 65 8 5 1 05 1 09 1 18 1 50 1 60 9 0 1 04 1 08 1 17 1 45 1 57 9 5 1 03 1 07 1 16 1 40 1 55 10 0 1 02 1 06 1 06 1 38 1 52 10 5 1 01 1 05 1 15 1 36 1 50 11 0 1 1 04 1 15 1 35 1 47 图3 8 梁与壁的相对位置示意图 表3 2 带2 1锥度的矩形横截面梁的偏斜放大系数 Q 梁与壁的相对位置 梁与壁的相对位置 梁外形比值 L b 2T 5T 梁外形比值 L b 2T 5T 2 0 1 60 3 50 7 0 1 14 1 52 2 5 1 50 3 00 7 5 1 13 1 47 3 0 1 40 2 50 8 0 1 13 1 43 3 5 1 33 2 25 8 5 1 12 1 40 4 0 1 25 2 05 9 0 1 12 1 38 4 5 1 22 1 90 9 5 1 11 1 35 5 0 1 20 1 80 10 0 1 11 1 32 3 1 24 5 江南大学硕士学位论文 18 5 5 1 17 1 70 10 5 1 10 1 30 6 0 1 15 1 65 11 0 1 10 1 28 6 5 1 14 1 58 表3 3 厚度带锥度的梁的比例系数 K 0 dd K 0 dd K 0 dd K 0 dd K 0 33 2 137 0 50 1 636 0 67 1 338 0 84 1 138 0 34 2 098 0 51 1 614 0 68 1 324 0 85 1 128 0 35 2 060 0 52 1 593 0 69 1 310 0 86 1 118 0 36 2 024 0 53 1 573 0 70 1 297 0 87 1 109 0 37 1 989 0 54 1 553 0 71 1 284 0 88 1 100 0 38 1 956 0 55 1 534 0 72 1 272 0 89 1 091 0 39 1 924 0 56 1 515 0 73 1 259 0 90 1 082 0 40 1 893 0 57 1 497 0 74 1 247 0 91 1 073 0 41 1 863 0 58 1 479 0 75 1 245 0 92 1 064 0 42 1 834 0 59 1 462 0 76 1 223 0 93 1 056 0 43 1 806 0 60 1 445 0 77 1 212 0 94 1 047 0 44 1 780 0 61 1 429 0 78 1 201 0 95 1 039 0 45 1 754 0 62 1 413 0 79 1 190 0 96 1 031 0 46 1 729 0 63 1 399 0 80 1 179 0 97 1 023 0 47 1 704 0 64 1 382 0 81 1 168 0 98 1 015 0 48 1 681 0 65 1 367 0 82 1 158 0 99 1 008 0 49 1 658 0 66 1 352 0 83 1 148 1 00 1 000 3 2 2 环形卡扣 环形卡扣 Annular Snap Calculator 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 11 如下 图3 9 环形卡扣尺寸示意图 插入角 保持角 y 根切值 d 连接处直径 i d 凹形轴的内部直径 0 d 毂的外圈直径 i F 插入力 r F 保持力 1 最大应变 最大应变 第 3 章 卡扣设计准则及关键尺寸 19 100 y d 2 横向力横向力P Py d E X 对于刚性毂和刚性轴刚性毂和刚性轴几何系数 22 11 0 62 11 ii W ii d dd d XX d dd dv 对于刚性轴和弹性毂刚性轴和弹性毂几何系数 00 22 00 11 0 62 11 N dddd XX ddddv 其中v为泊松比 其在材料弹性变形范围内为定值 对于大多数工程材料 v值分布在0 2到0 4之间 12 然而缺省的0 35已经足够 3 插入力插入力 i F tan 1tan i FP 4 保持力保持力 r F tan 1tan r FP 3 2 3 刺钩指状卡扣 刺钩指状卡扣 Bayonet Finger 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开发一种近似公式 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来获得最佳 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3 4 设计公式系的变数化范围 几何参数 最大 最小 支架角度 A 135 110 保持角度 B 135 90 指长 C 19 05mm 6 35mm 刺钩厚度 D 2 54mm 2 03mm 偏离尺寸 E 1 27mm 0 64mm 江南大学硕士学位论文 20 图3 10 刺钩指状卡扣尺寸示意图 1 插入力插入力 i F i F 33 2 0 169A 0 096B 1 65C 9 75D 8 72E 2 保持力2 保持力 r F r F 1140 3 85A 1 33B 16 2C 101D 98 8E 3 最大应变 3 最大应变 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寸变量 分析回归 过程将在第四章给出详细说明 这里先给出其计算公式如下 2 19 151 27 08315 0050 137DDDB 3 2 4 悬臂孔卡扣 悬臂孔卡扣 Cantilever Hole 悬臂孔卡扣设计公式是基于有穿孔的薄壁梁弯曲理论和添加应力集中系数 修正获得 其中应力修正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 13 如下所示 第 3 章 卡扣设计准则及关键尺寸 21 图3 11 悬臂孔卡扣尺寸示意图 1 插入力插入力 i F 1 i Tan FF Tan 其中 33 333 3 1 20931 2681 Yh l lh yE I I F LlhILLlhI 3 12 h wt I 3 12 l Wt I 2 保持力2 保持力 r F U r New S wt F K 其中 U S 是弯曲应力 flexural stress t是梁的厚度 2 222 22 2223 1 0 1320 1620 9880 0280 0350 036 1 2440 5600 4210 4210 094 New WrhWWrWh Kwwwwww rrhhWrh wwww 其中参数W w介于1 50和3 00 r w介于 0 05和0 15 h w介于 0 25和0 75 3 2 5 压力钩卡扣压力钩卡扣 Compressive Hook 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 14 江南大学硕士学位论文 22 图3 12 压力钩卡扣尺寸示意图 表3 5 设计公式系数的变化范围 几何参数 最大 最小 梁长 A 10 2mm 2 5mm 梁厚 B 2 5mm 1 0mm 偏离 C 2 0mm 1 0mm 座角长 D 5 1mm 2 5mm 结合处距离 E 0 0 8 摩擦系数 F 0 12 0 6 1 插入力插入力 i F 22 2 29 0 063A 16 8B 16 7C 6 19D42 3F 0 86A 9 35B 6 19AB2 15AC6 55AF 21 4BC7 43BD 39 9BF 31 7CF i F 2 保持力2 保持力 r F 22 3727 47A 111B333C 14 4D 112E 109C 147E 7 84AB 21 1AE 25 6BD94 1BE38 2DE r F 3 比列极限 3 比列极限pl 22 36 6 1 64A 167B45 2C 33 2D74 9E0 99A36 4B 4 80AB 5 63AC7 24AE 14 8BD 37 1BE pl 3 2 6 L 状钩卡扣 状钩卡扣 L Shaped Hook L状卡扣的装配主要是利用作用在梁上的偏斜力实现的 如图所示P方向 力 其装配力与拆卸力同为P力 以下给出的公式主要是利用梁的偏斜量Y来 计算出需要施加的偏斜力 第 3 章 卡扣设计准则及关键尺寸 23 图3 13 L状钩卡扣尺寸示意图 偏斜力偏斜力P与偏斜值与偏斜值Y的关系式的关系式 15 2 322 11121 432812 12 P YLRLRL RLLR EI 其中 3 12Ibt 3 2 7 U 状钩卡扣 状钩卡扣 U Shaped Hook U状钩卡扣与L状钩卡扣工作原理相似 不同的是U状钩卡扣几何形状决 定了其能提供更大的变形 从而更易实现装配和拆卸 第一种 力被施加于卡扣的基准上 第二种 力被施加于卡扣的基准下 图3 14 U状钩卡扣尺寸示意图 偏斜力偏斜力P与偏斜值与偏斜值Y的关系式的关系式 15 第一种 3222 11121122 6928633 18 P YLR LLRRLLL LL EI 第二种 332 1211 42328 6 P YLLR LLRR EI 江南大学硕士学位论文 24 第第 4 章章 卡扣装配的力学分析与回归分析在卡扣计算公式中 的应用 卡扣装配的力学分析与回归分析在卡扣计算公式中 的应用 为了更进一步