塑料件卡扣连接设计指南.doc

塑料件卡扣连接设计指南Q/JAS CXXX20171.范围12.规范性引用文件13.定义14.塑料件卡扣连接概述24.1卡扣连接的关键要求24.2卡扣连接的要素45.约束概述125.1约束原理125.2约束原则165.3约束布置166.定位功能件设计216.1定位功能件类型216.2定位副的组合及其适配性296.3定位副与装配306.4定位副与保持337.锁紧功能件设计367.1锁紧功能件类型367.2锁紧功能件的结构设计与计算527.3对锁紧功能件装配与保持行为的分离76III 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。 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。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：l 连接符合功能预期；l 连接强度；l 在用户操作过程中不发生分离、松动、破损、噪声；l 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；l 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受影响因素约束完整性恰当约束过约束欠约束装配便利性可按设计状态装配装配困难无影响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1、因零件间相对运动导致锁紧失效2、因缺少约束影响零件功能噪声无异响无直接影响因零件间相对运动存在异响成本需要的精度适当需要较高精度无直接影响4.1.3 装配协调性装配协调要求装配（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（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：l 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）；l 装配件和基体件上所有有形要素应与装配运动相适宜；l 保留锁紧功能件形变所需的空间；l 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。4.2.1.3 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。l 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。l 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 （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。l 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l 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l 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l 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。图4.9 防尘皮套的卡板卡入组合开关上包壳的安装面l 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l 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靠性的首选最终装配运动。表4.2 最常见的基本形状组合装配件形状基体件形状实体壳体面开口深孔实体板壳体备注：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。l 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l 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。图4.13 滑板与面l 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l 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装配件形状基体件形状实体壳体面开口深孔实体推滑翻转转动（1）N/A推滑翻转转动（1）推翻转转动（1）滑转动（1）板推滑翻转N/A推滑翻转推滑翻转N/A壳体推滑翻转转动（1）推滑翻转推滑翻转转动（1）推翻转转动（1）N/A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：l 与锁紧同向；l 满足装配协调性要求；l 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：l 柱l 筋l 凸台l 卡爪l 插销l 表面l 边缘l 孔l 切口l 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：l 悬臂梁型锁紧功能件l 平面型锁紧功能件l 止逆型锁紧功能件l 扭转型锁紧功能件l 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。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：l 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。l 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：l 约束副以外连接不需要外力保持；l 对立的约束满足塑料件制造工艺所允许的公差精度；l 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；l 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：l 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；l 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；l 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：l 约束越多连接强度及稳定性越高；l 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：l 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l 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。图5.4 对立约束图5.5 对立约束的优化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：l 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；l 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；l 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；l 不允许欠约束；l 多余约束副应该避免；l 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；l 部分对立约束可采用柔性接触设计补偿；l 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；l 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1516111218171097861235414131920约束分析项目装配件自由度方向平动自由度转动自由度-X+X-Y+Y-Z+Z-X+X-Y+Y-Z+Z约束要求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接合方向因装配件刚度低可能变形的方向受力情况装配力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。约束功能件列表序号约束副布置描述1筋-表面2筋-表面3筋-表面4筋-表面5筋-表面6筋-表面7筋-表面8筋-表面9筋-表面10筋-表面11凸台-边缘12凸台-边缘13凸台-边缘14凸台-边缘15插销-边缘16插销-边缘17筋-边缘18筋-边缘19止逆-边缘20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“”； 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:“”。约束检查约束合理性及尺寸适应性已约束的方向约束是否完整 约束完整 欠约束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 在公差范围内 超差对立约束是否限制装配件因温度变化或受潮造成的变形 未限制装配件变形 限制了装配件变形是否为对立约束设置了柔性接触 设置了柔性接触 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。对齐及调整是否布置了满足对齐要求的约束 有用于对齐的约束 无用于对齐的约束用于对齐的刚性定位功能件是否便于模具调整 便于模具调整 模具调整困难装配协调性是否布置了导向或预安装 有导向或预安装 无导向或预安装各约束副是否影响装配运动 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“”。约束可靠性约束副布置均匀且使装配件稳定 均匀 不均匀针对装配件低刚度方向进行的约束受力情况约束要求中提出的受力是否均有对应约束 已对应 未对应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 不存在较大力矩 存在较大力矩针对高受力需要注意强度的约束功能件1、2、3、4、5、6、7、8、9、10问题备注及分析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+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“”。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。l 柱的有效定位面分布在结构周圈；l 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）；l 与柱配合的定位功能件多为孔或切口；l 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。l 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；l 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；l 与筋配合的定位功能件多为表面或边缘；l 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。l 凸台的有效定位面分布在结构周圈；l 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；l 与凸台配合的定位功能件多为孔或切口；l 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。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。l 卡爪的有效定位面位于如图所示的拔模较小的那一侧面；l 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；l 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；l 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。l 插销的有效定位面是“L”形状尾部的上表面；l 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；l 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；l 插销主要与表面或边缘配合；l 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。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。l 如图6.6（a），滑轨的有效定位面与插销相同；l 滑轨自身仅能约束1向平动及4向转动；l 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。l 整个表面都是有效定位面；l 表面可以约束1向平动和4向转动；l 表面常与筋、插销配合，部分情况下也与卡爪配合；l 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；l 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。l 边缘的有效定位面如图6.8所示；l 边缘最多可以约束1向平动和2向转动；l 边缘常与筋、卡爪、插销配合。图6.8 边缘示例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。l 孔的有效定位面根据情况不同分布在孔壁；l 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）；l 孔常与柱、凸台配合；l 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。l 切口的有效定位面分布在侧壁上；l 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）；l 切口的约束效果有时与边缘相同；l 切口常与柱、凸台配合；l 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。l 合页固定约束10向运动，只有与合页同轴的转动不被约束；l 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；l 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（其中为合页变形区域的厚度；为合页中性层的弯曲半径）估算，该应变应小于材料断裂伸长率的30%。l 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。l 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。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凸起型定位功能件表面型定位功能件孔类别功能件柱筋凸台卡爪插销滑轨表面边缘孔切口功能件约束运动方向2-812-411551-32-81-7凸起型定位功能件柱2-8筋1凸台2-4（1）卡爪1（2）插销1滑轨5表面型定位功能件表面5（2）（3）（4）边缘1-3（1）（4）孔孔2-8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l 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；l 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。l 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；l 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；图6.12 翻转形式与推形式的约束比较l 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定位副约束运动方向的最大数量定位副对接合方向的约束推9无约束翻转11部分约束滑11完全约束转动11完全约束6.3.2 定位副的装配协调性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。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：l 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；l 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最终装配运动形式推翻转滑转动柱孔（圆孔）柱孔（长孔）柱切口筋表面（边缘）凸台孔（1）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：l 定位装配件与基体件连接的相对位置，其衡量标准是精度；l 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：l 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；l 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：图6.15 定位副的布置应与连接的对齐要求相协调l 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，被考察的点A到卡爪1与卡爪2连线的垂向距离为，当卡爪2在Y向的精度偏差为时，点A在X向的晃动为。通过计算可以得到，当较小时，近似的有。这个例子说明，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。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：l 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；l 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