勾狀型塑膠卡扣設計與結構分析Plastic Snap Design of Hook Model and Structure
Analysis
研究生：林俊成（Chun-Cheng Lin）
指導教授：王照明（Prof. Chao-Ming Wang）
大同大學
機械工程研究所
碩士論文
Thesis for Master of Science
Department of Mechanical Engineering
Tatung University
中華民國九十六年一月
摘要
本研究乃針對勾狀型塑膠卡扣模組設計一個完整的研發流程並使用CAE進行分析研究。由於卡扣資料並不多見而且卡扣設計種類繁多，所以尋找資料製作並不容易。本研究為追求接近真實，因此材質模擬分析方面乃與奇美公司索取相關材質資料。卡扣設計方面參考卡扣設計計算式與模具塑膠件成形經驗值來定義求出卡扣的長、寬、厚度等等設計參數尺寸。本研究使用Pro/ENGINEER繪圖製作出第一個模組，當第一個卡扣模組設計完成後，再使用有限元素軟體Pro/MECHANICA分析得到最佳化形狀，之後依此最佳解去添加對卡扣有影響的特徵來改善形狀，例如增加倒圓角(Round)、肋 (Rib)與移除材料 (Remove material)等特徵去分析模擬，直到各個模組收斂找出最佳解數值，藉分析各個特徵模組最佳化結果再探討求解出這個開發過程理想的卡扣形狀，並將此經驗傳承使往後卡扣結構設計者得到適當改善建議參考。
本文採用之分析評估模式，採用較嚴謹的方式來求取最佳化卡扣形狀，幫助設計者於開發初期預估產品強度、發掘並改善問題，使之縮短設計開發時間與降低成本，進而提高設計者的判斷經驗與提升產業競爭力。
Abstract
The research is design a complete and development procedure for plastic snap design of hook model. The research also uses CAE to conduct the optimization analysis research. Because the data of snap is not easy to find and the design type are various, therefore to collect the related information are not easy. In order to approaches the reality , this research got the related material data from Chi-Mei Corporation for simulation and experiment. The research design use traditional mechanics operation regard as max stress and experience design value calculating the plastics pieces lengt h、width and thick design parameter size.
The research uses Pro/ENGINEER soft to make first snap drawing module. After finish design the first snap module then use Pro/MECHANICA to analyze to get the optimization shape. Then according the best module to add feature improve snap shape. For example add rib、lead round corner and remove material to analyze simulation , until each module find out optimization number value. Then we can use the analyze result to find optimization of snap shape and use the experience reference for this structure designer in the future. The analyze of this research is use more conscientious way to find the optimization shape of snap .It help the designer in initial stage developing and assess the structure good or not of products. Explore and improving the question in advance, make design construction period shorten and lower costs. In the future more experience in use CAE not only can improve designer's judgement experience and can improve industry's competitiveness.
誌 謝
在進入社會工作4年後，能有機會在自己專業領域上繼續作深入研究，首先要感謝恩師王照明教授的悉心指導。恩師在學業與論文研究上諸多啟發、逐字校正與及敦敦教誨並用嚴謹、誠懇的治學態度及對學生的容忍關切使本論文終能順利完成。在日常生活裡的處事態度更是使學生獲益良多，恩師對學生的時刻關心，並在學生遇到挫折時耐心給予關懷與支持、細心輔導學生解決難題，由衷得敬意感謝謹誌於此，師恩永銘於心。
在論文口試時，也感謝口試委員施議訓博士與張英俊教授的細心審閱並提出寶貴的批評與建議，使得論文更臻完善，學生在此特致最高謝忱。另外要感謝我的父母親、兄弟嫂嫂親朋好友同事同學在我研究求學期間所給予的鼓勵、包容及無限的關愛，使我學業得能順利進行無後顧之憂，能夠專心的研究求學並完成學業。在此僅將完成論文的喜悅獻給我最親愛的親朋好友。再次感謝與祝福所有關心與協助過我的人，願與大家共同分享這份成果與喜悅。
林俊成 謹誌
中華民國九十六年一月
於大同大學機研所電腦繪圖研究室
iii
目 錄
中文摘要 (i)
英文摘要 (ii)
誌謝 (iii)
目錄 (iv)
圖目錄 (vii)
表目錄 (x)
符號索引 (xi)
第一章 緒論 (1)
1.1 前言 (1)
1.2 研究動機與目的 (2)
1.3 研究範圍 (3)
1.4 研究架構圖 (5)
1.5 論文架構 (6)
第二章 文獻回顧 (7)
第三章理論探討 (11)
3.1 卡扣資料研究 (11)
3.2 卡扣作動原理 (12)
3.2.1 卡扣外型參數數值設計研究 (13)
3.2.2 卡扣外型尺寸定義 (15)
3.3 Pro/MECHANICA介紹 (16)
3.3.1 結構化(Structure)的設定要項 (17)
3.3.2 結構模擬分析主要步驟 (20)
3.4 Pro/MECHANICA有限元素法分析卡扣理論架構 (21)
第四章Pro/MECHANICA靜態模擬分析 (22)
4.1 有限元素分析方法及分析流程介紹 (22)
4.1.1 設計規範說明 (25)
4.1.2 有限元素分析步驟解析 (25)
4.1.3 使用設備 (26)
4.2 卡扣模組設計與Pro/MECHANICA參數設定執行 (27)
4.2.1 材質係數介紹 (28)
4.2.2 卡扣模組負載限制參數設定 (30)
4.2.3 卡扣模組材質參數設定 (30)
4.2.4 電腦數值分析結果 (31)
4.3 卡扣模組最大應力計算與Pro/MECHANICA模擬結果比較分析 (32)
4.4 卡扣模擬靈敏度分析 (33)
4.4.1 卡扣區域靈敏度分析 (34)
4.4.1.1 卡扣區域靈敏度參數設定 (35)
4.4.1.2 建立卡扣區域靈敏度設定 (37)
4.4.2 卡扣全域靈敏度分析 (39)
4.5 卡扣最佳化分析 (41)
4.6 卡扣模擬加入倒圓角、肋與移除材料最佳化模擬分析 (42)
4.6.1 卡扣最佳化模組加入倒圓角(Round)特徵模擬分析 (43)
4.6.2 卡扣最佳化模組加入肋(Rib)特徵模擬分析 (47)
4.6.3 卡扣最佳化模組移除材料特徵(Remove material)模擬分析 (54)
第五章結論 (59)
5.1 結論 (59)
5.1.1 卡扣模擬全模組分析結果 (60)
5.1.2 卡扣模擬全模組評估結果 (62)
5.2 結論探討 (63)
5.3 未來展望................................................................. (63)
參考資料 (65)
作者簡介 (67)
圖 目 錄
圖編號頁數圖1.1 研究方法及主體撰寫流程架構圖 (5)
圖3.1 卡扣作動原理圖 (12)
圖3.2 塑膠卡扣外型尺寸參數示意圖 (14)
圖4.1 含CAE設計概念之產品開發流程分析架構圖 (23)
圖4.2 模擬及測試程序圖 (24)
圖4.3 卡扣模組尺寸外型設定 (28)
圖4.4 應力與應變圖 (29)
圖4.5 卡扣模組參數設定圖 (30)
圖4.6 卡扣模組材質參數設定圖 (31)
圖4.7 卡扣模組應力分析完成結果 (31)
圖4.8 卡扣模組應力與位移分析結果 (33)
圖4.9 Pro/MECHANICA參數設定 (36)
圖4.10 Pro/MECHANICA厚度參數設定範圍 (36)
圖4.11 Pro/MECHANICA長度參數設定範圍 (37)
圖4.12 Pro/MECHANICA寬度參數設定範圍 (37)
圖4.13 Pro/MECHANICA靈敏度參數設定 (38)
圖4.14 Pro/MECHANICA參數設定 (38)
圖4.15 Pro/MECHANICA區域靈敏度分析結果 (39)
圖4.16 Pro/MECHANICA全域靈敏度分析參數設定 (40)
圖4.17 Pro/MECHANICA全域靈敏度分析結果 (40)
圖4.18 Pro/MECHANICA最佳化分析參數設定 (41)
圖4.19 Pro/MECHANICA最佳化分析結果 (42)
圖4.20 卡扣模組最佳化增加倒圓角模擬分析原始圖 (43)
圖4.21 卡扣模組增加倒圓角模擬應力分析圖 (44)
圖4.22 卡扣模組增加倒圓角模擬區域靈敏度分析設定圖 (44)
圖4.23 卡扣模組增加倒圓角模擬區域靈敏度分析結果 (45)
圖4.24 卡扣模組增加倒圓角模擬全域靈敏度分析設定圖 (45)
圖4.25 卡扣模組增加倒圓角模擬全域靈敏度分析結果 (46)
圖4.26 卡扣模組增加倒圓角模擬最佳化分析設定圖 (46)
圖4.27 卡扣模組增加倒圓角模擬最佳化分析結果 (47)
圖4.28 卡扣模組最佳化增加肋特徵模擬分析原始圖 (48)
圖4.29 卡扣模組增加肋特徵模擬應力分析圖 (49)
圖4.30 卡扣模組增加肋特徵模擬區域靈敏度分析設定圖 (49)
圖4.31 卡扣模組增加肋特徵模擬區域靈敏度分析結果 (50)
圖4.32 卡扣模組增加肋特徵模擬全域靈敏度分析設定圖 (51)
圖4.33 卡扣模組增加肋特徵模擬全域靈敏度分析結果 (52)
圖4.34 卡扣模組增加肋特徵模擬最佳化分析設定圖 (53)
圖4.35 卡扣模組增加肋特徵模擬最佳化分析結果 (53)
圖4.36 卡扣模組增加肋特徵模擬最佳化分析圖示結果 (54)
圖4.37 卡扣模組最佳化移除材料特徵模擬分析原始圖 (54)
圖4.38 卡扣模組移除材料特徵模擬應力分析圖 (55)
圖4.39 卡扣模組除材料特徵模擬區域靈敏度分析設定圖 (55)
圖4.40 卡扣模組移除材料特徵模擬區域靈敏度分析結果 (56)
圖4.41 卡扣模組移除材料特徵模擬全域靈敏度分析設定圖 (56)
圖4.42 卡扣模組移除材料特徵模擬全域靈敏度分析結果 (57)
圖4.43 卡扣模組移除材料特徵模擬最佳化分析設定圖 (57)
圖4.44 卡扣模組移除材料特徵模擬最佳化分析結果 (58)
圖5.1 卡扣全部模組特徵模擬最佳化分析結果 (61)
表 目 錄
表編號頁數
表3.1 Pro/MECHANICA的系統單位 (17)
表4.1 PC塑膠材質性質表 (28)
表4.2 相關敏感尺寸參數範圍 (35)
表5.1 原型卡扣模組經驗值與最佳化分析所得數值比對 (60)
表5.2 全部卡扣模組模擬結果 (62)
符號彙編Symbol Meaning
Y偏斜量
F施加力量
L卡扣長度
T卡扣厚度
E 楊氏係數
I慣性矩
M 力矩
S 最大應力值
第一章緒論
1.1 前言
隨著近幾年市場競爭激烈，設計者為了追求高品質產品與降低生產成本衍生出許多變通的方法。使用卡扣結合定位來取代傳統螺絲鎖緊定位就是一種降低成本的最佳範例。卡扣可以減少使用螺絲的成本又可以有良好組裝功能，設計良好的卡扣甚至能不用工具就拆卸下來，可以說集結了所有優勢於一身，也難怪現在很多產品都有應用到卡扣設計。生活中最常見的，舉例來說像是手機上下蓋塑膠殼的結合也是利用卡扣方式來設計。使用卡扣結合可以把兩個結構件緊緊結合，嚴格要找缺點的話，塑膠卡扣使用過度將有斷掉的隱憂，所以如果可以在卡扣形狀與品質上突破求得更好的強度穩定性，相信就能減少耗費大量時間與金錢的風險。而要事先預測卡扣的穩定性，最方便及不耗費成本的方式就是藉由電腦輔助工程分析方法（Computer Aided Engineer，CAE）去模擬試驗。運用有限元素方法的理論來建構及模擬幾何模型，使得設計者不需經過製造的程序作測試驗證，即能得知產品結構特性。一旦設計者想修改產品結構外形，只要再透過電腦輔助工程分析軟體對產品結構做分析調整後，即可迅速得到修改後產品的理想結構形狀，這將可以降低產品設計成本及縮短產品上市時間，並使產品在市場上更具競爭力與良好品質穩定性。
一般產品設計使用CAE軟體分析，目的是為了事先確認產品結構強度和使用功能沒問題，並確認量產的可行性。當分析結束確認沒問題後，再進行原型機（Prototype）製造與實際測試，經過實際測試確定狀況良好便可以生產上市。相對於實際的原型機，我們先前以電腦建構出的3D CAD外型與CAE分析的應力結果，其實可以視為一個虛擬原型機（Virtual prototype）。虛擬原型機在電腦中被3D CAD 建構出來，接著被CAE分析測試，這兩個項目類似於實際原型機在現實世界中的製
造與實測。虛擬原型機可以節省很多的不必要成本，因為物體在電腦中建構與分析花的僅是電腦資源與工程師的腦力；然而若研發流程全部使用實際原型機，不使用CAE分析，往往會因為頻繁的試誤（Trial and errors）過程，花上大筆原型機的材料與製造成本。若事先經由虛擬原型機的CAE分析，相信可以降低下一階段實際原型機的測試次數；換句話說，假如沒有使用CAE分析的設計流程，可能需要做很多台實際原型機來測試，甚至需要測試很多次才能修正到最好的設計結果。因此有了CAE的模擬分析，電腦對於虛擬原型機可以預先做多次的設計修正，後續工作相信也可以製作較少台實際原型機就達到確認設計無誤的效果，還可以縮短產品上市的時間（Time-to-market），這對於節省研發成本有著莫大的幫助。本文對卡扣結構乃先使用公式計算方式結合模具成型經驗理念設計再使用CAE分析模擬，希望能做到理論分析與實際製作都可確實量產的理想結構，除了整理出一個卡扣設計的完整模式並提供往後相關研究人員能更快找到相關資料切入主題。
1.2 研究動機與目的
產品設計重點在於快速、有效地達到理想設計，使產品交到客戶手中後穩定好用，並讓產品功能發揮到最佳狀況。就其設計流程重點取決於創新、品質、成本以及產品開發時間的長短。傳統的設計流程會先搜尋相關資料規劃設計，然後經過實體測試再改善不良的地方，不過為了降低成本、節省時間，許多設計者多年來一直希望把耗費時日的實體模型測試次數減到最低。隨著科技的進步伴隨虛擬實體測試電腦輔助分析（CAE）軟體的誕生，利用這種分析軟體能使製造商得以用較低成本，更快速地評估更多款的設計。本文乃是應用CAD套裝軟體Pro/ENGINEER整合CAE
套裝軟體Pro/MECHANICA，研發卡扣流程的分析與研究，以求得卡扣結構擁有良好強度與更耐用的穩定性。
卡扣結構是近年來很盛行的一種物件結合固定設計方式，對於生產線組裝縮短時間上面有很大的效率助益。雖然卡扣設計越來越普遍，但卻很少看到有人專門針對此結構作研究與分析，儘管卡扣在整個成品只是個小小結構，但不代表其不重要，相反的卡扣對整個成品的組裝品質有著很大的影響力。本文將使用計算方式與模具經驗值求得卡扣雛形，再使用電腦輔助軟體來做應力、位移、靈敏度、最佳化分析來求得最終理想卡扣形狀。除了提供一個完整的卡扣設計模式，並藉著本文研究找出卡扣的理想形狀與常見增加的結構特徵對卡扣的影響做一個完整的卡扣研究分析。
1.3 研究範圍
對於產品的設計，有許多功能、品質上的考量。像是造型、結構、包裝、組裝性與製造等都可以藉著CAD軟體的標準功能來製作執行，不過在評估其結構設計良與劣時，除了使用實體模型測試驗證外，想在設計初始階段就得知結論，就需要使用電腦輔助分析軟體預測分析結果了。藉著分析結果，可以使我們於設計初期了解在不同設計方式下會發生的情形，進而改善與減少後續的不良問題產生。
本文主要是以研究卡扣設計良劣為主，希望透過分析結果找出卡扣的理想化結構形狀。測試的性質屬於靜態分析，分析的部份為模擬卡扣被使用者手指扳開拆卸的力量，在定義適當位移量後分析所產生的最大應力與位移結果，以評估判斷及強化改善卡扣結構，希冀藉以得到結構更耐用的卡扣。若是像以往透過實驗的方式來驗證，等到實驗結束才發現問題時，往往必須要花費更多的額外成本來解決問題。
因此若是能在設計之初透過CAE軟體就能發現問題，那麼在解決上就變得簡單多了。在使用電腦輔助分析的技巧時，首先必須要將所設計的產品在3D CAD軟體中建構出來，然後利用電腦輔助分析軟體來進行處理以得到結果，再對結果進行評估。
在電腦輔助分析軟體中，一般最常使用的就是有限元素法了。有限元素法只要用繪圖軟體建構出3D實體幾何形狀，並賦予適當的材料屬性及設定相關限制與邊界條件，就可以使幾何形狀有效的轉換成有限元素模型再進行計算。計算時只要選擇所要的軟體功能模態的解題方式，並設定各項所要求解的條件，執行後加以評估分析再改善就可以求得最後我們想要的結果。分析部份乃利用Pro/MECHANICA軟體來分析卡扣在受力時的幾何變形及應力分佈狀況，並進而做最佳化分析與設計改善。本論文分析流程為：
1.在Pro/ENGINEER建立簡化的幾何模型。
2.在Pro/MECHANICA中設定材質。
3.設定分析條件，包括限制條件、負載等。
4.進行應力及位移分析，歸納出受力對卡扣變形量的影響。
5.進行區域及全域靈敏度分析，以了解設計參數對量測值及應力的影響。
6.以最佳化分析得到理想設計尺寸，並與原始設計做比較呈現改善效果。
7.增加會影響卡扣的特徵，例如倒圓角、長肋、移除材料等並同樣進行
上述最佳化分析。
8.將所有最佳化分析結果做比較評估並驗證加入特徵對卡扣設計的影
響。
9.評估結果得到此次設計最理想的卡扣形狀。
本論文提供卡扣結構設計一個完整的分析與參考模式，並藉由Pro/ENGINEER 與Pro/MECHANICA的整合介面，縮短操作者的學習曲線並縮短產品的開發時間及減少設計的變更費用，內容寫出了完整的卡扣設計與分析流程並提供了後面相關研究者的參考應用。
1.4 研究架構圖
本文運用研究方法及架構主體撰寫流程如下圖1.1
理論與文獻探討
評估可行性
可行
1.5 論文架構
本論文架構共分為五章，各章節內容分別摘述如下：
第一章緒論
本章主要說明本論文之研究動機與目的，並描述本論文的架構。
第二章文獻回顧
本章介紹本文找到與使用到的參考文獻資料與及此文獻資料在本文的應用參考範圍。
第三章理論探討
本章節說明卡扣作動原理與相關設計資料探討，並簡易介紹Pro/MECHANICA 分析軟體的應用與功能。
第四章 Pro/MECHANICA靜態模擬分析
本論文以Pro/ENGINEER建立卡扣幾何模型為基礎，再利用有限元素分析理論，以虛擬實體測試模擬卡扣結構受到負載力後產生的應力與位移分析，並做靈敏度與最佳化分析來評估最理想卡扣形狀。
第五章結論與未來研究建議
本論文使用模擬靜態分析評估塑膠卡扣形狀研究，使用模型建構法的研究分析與評估改善，提供一個完整的卡扣設計分析方法流程，並讓未來相關研究人員有相關參考資料運用。
2.4,扣位 2.4.1,扣位也称卡扣,是塑胶件连接固定的常用结构,在强度要求不高的情况下可以用于代替螺丝固定.扣位设计在于“扣”,需要结合紧密,保证测试强度,达到安装目的即可.卡扣常做在装饰件固定,面底壳组装,屏固定,按键限位,盖体扣合,方向球等结构处. 2.4.2,卡扣分公扣,母扣,公扣为凸,母扣为凹.卡扣原理: 扣合前:有导向斜角引导扣合方向,公母扣均做导入角,一般取60°,45°. 扣合中:公扣弹性臂变形压入,弹性臂要保证变形,强度要足够,一般变形量≧扣合量. 扣合后:公扣凸与母扣凹贴合,分离方向不易取出,要求扣合面或扣合角小于导向斜角. 2.4.3,卡扣常见形式及尺寸 a.装饰件扣合,一般为一端插入,另一端扣合,扣合量0.3-0.7mm,插入0.6-1.5mm,如装饰片,电池盖,屏固定及充电器面底壳扣合等,也有全扣位结构,扣位较多,还会增加辅助导向骨.如手机盖,在此不做介绍. 图2.4.3a b.下图结构常见内部隐藏扣,不易拆卸,死扣结构;在公扣部件上做插穿结构,可通过插穿孔方便拆卸. 如路由器将公扣结构作在面壳壁厚内侧,母扣做在底壳内部,很难拆卸.液晶显示屏外壳也做类似死扣. 图2.4.3b c.下图结构常见面底壳组装,第一组图在组合后常会在公扣端加管位骨限制错开,第二组则可以不用特别要求.母扣与公止口组合,公扣与母止口组合;和母扣与母止口组合,公扣与公止口组合的两种情况可以按下面两组图结构进行相应修改即可,安装方式类似.
图2.4.3c d.强脱扣位,由材质,韧性决定,材质越软可以强脱越多.一般单边强脱ABS:0.3mm,PC:0.5,PP:0.8, TPE:1.5等,强脱同所承载的壁厚韧性有关,韧性足可以稍微加大强脱深度.具体依结构实际情况定. 图2.4.3d e.手感扣,通常作在滑动结构上,如电池盖,旋转环等结构.一端为弹扣状,另一端为齿或圆柱. 另一种不作弹扣,直接强扣强出,扣合量一般在0.3-0.8之间.
塑料卡扣连接技术 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。 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 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：
塑料件卡扣连接设计指南
目次 1.范围 (1) 2.规范性引用文件 (1) 3.定义 (1) 4.塑料件卡扣连接概述 (2) 4.1卡扣连接的关键要求 (2) 4.2卡扣连接的要素 (4) 5.约束概述 (12) 5.1约束原理 (12) 5.2约束原则 (16) 5.3约束布置 (16) 6.定位功能件设计 (21) 6.1定位功能件类型 (21) 6.2定位副的组合及其适配性 (29) 6.3定位副与装配 (30) 6.4定位副与保持 (33) 7.锁紧功能件设计 (36) 7.1锁紧功能件类型 (36) 7.2锁紧功能件的结构设计与计算 (52) 7.3对锁紧功能件装配与保持行为的分离 (76)
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。
卡扣结构设计 卡接是射出零件常用的安装方法。这种方式在很多年以前就已经开始使用了，出于安装简便和成本上的考虑，现在他们变得越来越重要了。卡接的优势在于避免了螺纹连接，夹紧，粘贴等其他的连接方法。这些卡接结构是采用模具成型的，不需要额外把他们连接起来。另外，如果设计得当，还可以达到重复安装和拆卸而不损伤零件。卡接结构可以设计成一次性的和多次使用的。一次性的卡接是指零件安装以后不需要再拆下来。多次使用的卡接结构则多用在需要便于拆卸的场合。 卡接结构的设计需要考虑很多问题。设计一个卡接的结构需要考虑的远比设计螺纹连接要多。卡接结构所需要的模具也比较复杂和昂贵。一般说来，在装配时节省的资金要比制作工艺上增加的成本多。 通常有三种主要的卡接结构：环形，悬臂，扭转 1．环形卡接 图一，有时钢笔会用到这种环形卡接结构来固定笔帽 图二，瓶盖也会采用环形卡接结构 图三，球和球座也是一种环形卡接结构 上面这三种都是采用环形卡接结构的例子。由于这些零件在装配时整个圆周都有很大的应力，所以，只有那些在屈服点有很大延展性的材料才能应用。关于计算最大变形量的问题请参见下一章的计算公式。（计算公式的一章，需要时间翻译----笔者）。 2．悬臂卡接结构
悬臂卡接是应用最广的卡接结构。有相当多的计算公式和 工程经验确保我们能设计出一个出色的卡接机构。这一小节介绍不同的设计方法。关于悬臂卡接具体尺寸的计算可以参看下一章。 图四展示了为了拆卸而设计的四种不同的设计方法。图四a 是采用90°的挂钩和90°的凹槽连接。这种结构无法拆卸。图四b是在挂钩和凹槽的部分都设计了一定的角度，便于安装和拆卸。这个上盖取下和扣上的力是相同的。图四ｃ和图四ａ一样有90°的直角，不同的是设计者加了一个“窗户”在下面的零件上。这样就可以方便的进行拆卸了。图四d采用了“U”字形的结构来使上盖可以自由变形而方便拆卸。 图四c中有一个潜在的问题就是这个卡接结构有可能被推的很远；没有止推的结构。如果这个结构被推的过大而断裂了就再也无法修复了。所以设计者通常会考虑设计一个止推的结构来防止悬臂超过应力。图四d的设计就有这样的停止（止推）结构（仅仅是考虑采用推力）。 图五展示了悬臂卡接的机械原理，是如何通过采用倾斜的表面结构来达到便于安装和拆卸的目的的。 U形的悬臂卡接结构通常用在像电池盒和盖子中。图六表示了这种结构是如何工作的。采用这种结构，塑料不会有太大的应力，所以，这样的塑料有多次的弯曲是可能的。而且，它有一个止推结构，这样就不会由于变形太大而破裂。
产品结构设计准则--扣位( Snap Joints ) 基本设计手则 扣位提供了一种不但方便快捷而且经济的产品装配方法，因为扣位的组合部份在生产成品的时候同时成型，装配时无须配合其他如螺丝、介子等紧锁配件，只要需组合的两边扣位互相配合扣上即可。 扣位的设计虽可有多种几何形状，但其操作原理大致相同：当两件零件扣上时，其中一件零件的勾形伸出部份被相接零件的击缘部份推开，直至击缘部份完结为止；及後，藉着塑胶的弹性，勾形伸出部份即时复位，其後面的凹槽亦即时被相接零件的击缘部份嵌入，此倒扣位置立时形成互相扣着的状态，请参考扣位的操作原理图。
扣位的操作原理 如以功能来区分，扣位的设计可分为成永久型和可拆卸型两种。永久型扣位的设计方便装上但不容易拆下，可拆卸型扣位的设计则装上、拆下均十分方便。其原理是可拆卸型扣位的勾形伸出部份附有适当的导入角及导出角方便扣上及分离的动作，导入角及导出角的大小直接影响扣上及分离时所需的力度，永久型的扣位则只有导入角而没有导出角的设计，所以一经扣上，相接部份即形成自我锁上的状态，不容易拆下。请叁考永久式及可拆卸式扣位的原理图。 永久式及可拆卸式扣位的原理 若以扣位的形状来区分，则大致上可分为环型扣、单边扣、球形扣等等，其设计可参阅下图。
球型扣（可拆卸式） 扣位的设计一般是离不开悬梁式的方法，悬梁式的延伸就是环型扣或球型扣。所谓悬梁式，其实是利用塑胶本身的挠曲变形的特性，经过弹性回复返回原来的形状。扣位的设计是需要计算出来，如装配时之受力，和装配後应力集中的渐变行为，是要从塑料特性中考虑。常用的悬梁扣位是恒等切面的，若要悬梁变形大些可采用渐变切面，单边厚度可渐减至原来的一半。其变形量可比恒等切面的多百分之六十以上。
关于内外饰使用卡扣的相关规范 在逆向阶段为了能正确反映标杆车通过卡扣装配件的配合关系和尺寸，结合目前K项目拆车所得数据，为了规范逆向阶段主断面、数模的设计，作如下规定，定位孔中心线应平行，安装孔面尽可能做成平面且要平行，配合面应是偏置面，卡扣连接应考虑卡扣轴向回弹量和侧面压入压缩量，一般轴向回弹量0.3 mm，侧面压入压缩量（卡接量）为0.5～0.75 mm左右，同一个装饰板上的卡扣座开口方向，在同一个方向上的要设计成相反方向，即是形成作用力与反作用力的关系；按照装配位置划分如下： 1.门护板与钣金的装配； 2.侧围护板及门槛护板与钣金的装配； 3.顶棚、行李舱的装配； 4.前后保及安装支架的装配，发动机下部导流板的装配；轮罩挡泥 板的装配； 1，门护板总成与钣金的装配是通过内藏式圆卡扣、螺钉固定在门内板上，门护板的装配不是通过卡扣定位的，相关尺寸； ⑴卡扣最大工作尺寸Ф10mm； ⑵钣金安装孔Ф8.30+0.2mm； ⑶径向卡接量0. 8mm； ⑷钣金壁厚0.8～1.4mm； ⑸钣金和饰件总厚度为5.3mm； ⑹轴径Φ5.6mm；
⑺卡扣座卡扣安装孔Ф9mm； 后背门下装饰板与门护板所使用卡扣相同，数据参照门护板； 安装断面如图所示： 2，侧围护板及门槛护板与钣金的装配； 2.1；A柱上护板、备胎盖板前盖板所用固定卡扣相同，是通过弹簧钢制的簧卡固定在内板上，相关尺寸如下； ⑴簧卡最大工作尺寸10X7mm； ⑵钣金安装孔长圆孔8X15mm（15mm尺寸可根据需要调整）； ⑶径向卡接量1mm； ⑷钣金壁厚0.6～1.6mm； ⑸钣金和饰件总厚度为5.6mm（参考尺寸）； ⑹最小根部尺寸7.4X5； ⑺簧卡安装孔7X7mm；安装状态详见下图
扣位裝配法 (Snap Fastening) 扣位不但提供一種簡單及快捷的裝配模式，更是一種低成本而可靠性的緊接技術。 扣位的優點 扣位裝拆容易，充份發揮設計作裝配﹝Design for Assembly﹞的意念。由於扣位與產品同時成形，並且在裝配過程中無需配合額外的物料，如螺絲緊固件或接著劑，因此扣位是一種低成本的裝配方法。再者，扣位的裝配過程亦非常簡單，一般只需一 個插入的動作，無需作旋轉運動或裝配前產品定位的工作，快捷簡便。 扣位的缺點 扣位裝置經過多次裝入、拆除的動作後，因為疲勞效應，扣位底部連接產品的部份容易斷裂。斷裂後的扣位裝置難以修補。 這情況對使用脆性或充填塑料的零件特別容易發生。由於扣位作為產品零件的一部份，扣位的損壞亦即產品零件的損壞，唯一的補救方法就是更換零件。此外，扣位在產品設計方面，特別在公差上的控制較為嚴謹，公差不當容易產生裝配過鬆或過緊 的現象。 應用範圍 扣位的應用非常廣泛，環形的扣位常見於樽蓋、食物盒的頂蓋。長形的扣位則應用於皮袋或背囊的開關部份。U形的扣位亦普遍應用於電器用品、玩具的電池盒蓋等等，實在不勝不枚舉。
基本設計手則 扣位提供了一種不但方便快捷而且經濟的產品裝配方法，因為扣位的組合部份在生產成品的時候同時成型，裝配時無須配合 其他如螺絲、介子等緊鎖配件，只要需組合的兩邊扣位互相配合扣上即可。 扣位的設計雖可有多種幾何形狀，但其操作原理大致相同：當兩件零件扣上時，其中一件零件的勾形伸出部份被相接零件的 凸緣部份推開，直至凸緣部份完結為止；及後，藉著塑膠的彈性，勾形伸出部份即時復位，其後面的凹槽亦即時被相接零件 的凸緣部份嵌入，此倒扣位置立時形成互相扣著的狀態，請參考扣位的操作原理圖。 如以功能來區分，扣位的設計可分為成永久型和可拆卸型兩種。永久型扣位的設計方便裝上但不容易拆下，可拆卸型扣位的 設計則裝上、拆下均十分方便。其原理是可拆卸型扣位的勾形伸出部份附有適當的導入角及導出角方便扣上及分離的動作，導入角及導出角的大小直接影響扣上及分離時所需的力度，永久型的扣位則只有導入角而沒有導出角的設計，所以一經扣上，相接部份即形成自我鎖上的狀態，不容易拆下。請參考永久式及可拆卸式扣位的原理圖。 永久式及可拆卸式扣位的原理 若以扣位的形狀來區分，則大致上可分為環型扣、單邊扣、球形扣等等，其設計可參閱下圖。 扣位的設計一般是離不開懸樑式的方法，懸樑式的延伸就是環型扣或球型扣。所謂懸樑式，其實是利用塑膠本身的撓曲變形的特性，經過彈性回復返回原來的形狀。扣位的設計是需要計算出來，如裝配時之受力，和裝配後應力集中的漸變行為，是要 從塑料特性中考慮。常用的懸樑扣位是恆等切面的，若要懸樑變形大些可採用漸變切面，單邊厚度可漸減至原來的一半。其 變形量可比恆等切面的多百分之六十以上。 不同切面形式的懸樑扣位及其變形量之比較 扣位裝置的弱點是扣位的兩個組合部份：勾形伸出部份及凸緣部份經多次重覆使用後容易產生變形，甚至出現斷裂的現象， 斷裂後的扣位很難修補，這情況較常出現於脆性或摻入纖維的塑膠材料上。因為扣位與產品同時成型，所以扣位的損壞亦即 產品的損壞。補救的辦法是將扣位裝置設計成多個扣位同時共用，使整體的裝置不會因為個別扣位的損壞而不能運作，從而 增加其使用壽命。扣位裝置的另一弱點是扣位相關尺寸的公差要求十分嚴謹，倒扣位置過多容易形成扣位損壞；相反，倒扣 位置過少則裝配位置難於控制或組合部份出現過鬆的現象。
塑胶件卡口设计 1.3 设计考虑因素 在设计卡扣时许多问题需要考虑。 包装在卡扣连接周围需要足够的空间。其周围需要足够的空间让卡钩卡槽运动及达到功能需要，同时也要足够的空间在装配或拆装时让手和工具能够接触到零件。 零件也需要有一个图标来指导维修或从装配件中拆除零件。 另外一个早期需要考虑的因素是卡扣结构装配在使用和从供应商到装配线运输过程中的工 作载荷。工作载荷包括重力载荷，操作载荷及冲击载荷等。 在一些应用场合需要卡扣具有除卡紧固定功能外的其他一些功能。卡扣能够设计具有防水功能，防尘功能甚至是对空气密封等。在这些案例中，需要使用合适的O形密封圈或其他类似的零件达到密封的效果。 当需要卡扣结构传递载荷时必须确保零件嵌套在一起即有一定的机械干涉量。卡扣此时仅维持两零件间此种嵌套关系。 在有些时候，两个刚性塑料或金属材料的零件需要连接但其变形不适合使用卡钩卡槽结构，为解决此问题，可以设计第三个件来卡住或包住两个零件，将两零件紧紧卡住。 确定装配件载荷需要在卡扣设计中是重要的一环。无论是手工还是自动装配，都必须考虑在装配过程中的载荷。在设计阶段必须确定零件在装配过程中的位置。对于手工和自动装配，位置指示都应设计在零件上。而在自动装配定位销应当在装配夹具中设计。 图1-5 双向卡扣，等截面梁：(a)矩形截面 (b)方形截面 (c)圆形截面 (d)梯形截面 (e)三角形截面 (f)环形截面 (g)上凸扇形截面 (h)内凹扇形截面 磨擦系数是影响到在安装和拆装零件时的卡紧力和脱开力的重要因素。人体工程学研究表明在连续的手工操作中，手受到27N(6 lbf)的力,大拇指受到11N(2.4 lbf)力，手指受到9N(2 lbf)的力时，人身伤害就会发生。重复的手工装配操作动作应当是线性的，推比拉更好，对于竖直方向上的装配应当将零件件从上往下装配进去。与此动作相关的位置应该与操作人员站立或坐着的位置垂直。
卡扣连接的设计原则和技巧 曹渡 07-07-14 汽车工程研究院
塑料卡扣连接设计 1、连接类型 卡扣可以是最终连接，或者也可以是其他连接出现之前的临时连接。 临时连接时，卡扣仅将连接保持到其 他连接出现。仅要求它们是足够坚固而有 效的，能够将装配件与基本件定位保持到 最终连接的出现。 永久锁紧件是不打算拆开的，如图 2.15所示。没有锁紧真正是永久的，但这 种锁紧一旦结合便难以分开。如图 2.15 （a）为止逆锁紧件，其中锁紧倒刺装在 不带拆卸通道的结合面中。图2.15（b） 是钩爪与壁上的带状功能件的结合。所需 要的装配力很大。 非永久锁紧件是打算拆开的。非永久锁紧用两种锁紧类型加以区别。 可拆卸锁紧件被设计成，当预定分离力施加到零件上时，允许 零件分离，如图2.16（a）所示。 非拆卸锁紧件需要人工使锁紧件偏斜，如图2.16（b）所示。
2、悬臂钩的简明设计规则 以下规则总体上是正确的，但对于具体产品，材料、零件以及加工的变化都会影响其适用性。 2.1梁根部厚度 ）应该约如果梁是从壁面突出来的，如图6.11（a）所示，那么梁根部的厚度（T b
为壁的厚度的50％－60％。壁厚大于60％壁厚的梁的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（最大应力点），外观表面上的缩痕是不能接受的。 如果梁是壁面的延伸，如图6.11（b）所示，那么T b 应等于壁的厚度。如果梁的厚度必须小于壁厚的话，那么梁的厚度应该从壁面到所需厚度的部位沿梁的长度方向逐渐变化（斜率1：3），这样可以避免应力集中和充模问题。 2.2 梁的长度 悬臂钩的总长（L t ）由梁的长度（L b ）和保持功能件长度（L r ）构成，如图6.12 所示。
卡扣结构 卡扣结构是确定产品各零件间结合的最有效的一种连接方式。起到一种简单和快捷的装配作用。 卡扣结构的优点：在考虑机械装配工作中，单独的紧固件常常是劳动强度最大。为降低与单独紧固件相关的装配费用，对于塑胶成型零件来说，各种类型设计完美的卡扣都可以提供可靠的、高质量的紧固配置使得产品的装配效率极高。再者，扣位的装配过程简单，一般只需一个插入的动作，无需做旋转运动或装配前产品定位的动作，快捷简便。 卡扣结构的缺点：随着使用次数多之后，容易产生断裂等，且断裂位置难以修补。在塑胶成型的零件上用于不拆卸的装配，若能拆卸只有更换零件。卡扣设计在公差配合上的需要经验的积累。 卡扣设计： 一、设计参数 1.搭扣的有效长度：Lb=(5-10)Tb 搭扣厚度见下图说明： 第一种结构：Tb=Tr 第二种结构：Tb=2*Tr
2.插入角度：α=25-30° 3.有效长度：当Lb/T b≈5 Y
5.搭扣宽度要求： 第一种结构：没有锥度，即：Wb=Wr（Wr<=Lb）主要使用在低安装强度情况下 第二种结构：有锥度，即：Wb=4Wr 主要使用在高安装强度情况下 注：Wr>=2Tr 在插入角的情况下端部要比Tr小，以便于装配插入。 二、常用结构形式： 1.
3． 4.
6.
塑胶件卡扣设计1 塑胶卡扣是连接两个零件的一种非常简单、经济且快速的连接锁定方式；所有类型的卡扣接头都有一个共同的原理，即一个部件的突出部分，如卡钩、螺柱或珠，在连接操作过程中会短暂地偏转，并在配合部件的凹陷(咬边)处卡住。在连接操作后，卡合功能应该恢复到无应力状态。根据卡扣扣合面的形状，卡扣可以是可分离的或不可分离的;根据不同的设计，分离卡扣所需的力有很大的不同。在设计卡扣时，特别需要考虑以下几个因素： ?装配过程中的操作力 ?拆除过程中的拆除力 卡扣设计有很大的灵活性，由于在配合过程中需要一定的弹性，故卡扣连接结构常用在塑胶零件上。 卡扣主要有如下几种基本形式： ?悬臂卡扣悬臂卡扣装配时主要承受弯曲力 ?U型卡扣U型卡扣是由悬臂卡扣衍生的卡扣结构 ?扭力卡扣装配时卡扣主要承受扭力（剪切力） ?环形卡扣轴对称结构，卡扣装配时承受多方向应力 ?球形卡扣一整圈连续的卡扣，实现两个零件的连接 悬臂卡扣： 图1面板模块上的四个悬臂卡扣可将模块牢牢地固定在底座上，同时扣合面带有一定斜度，在需要时仍可将模块移除。
（图1） 图2面板通过一侧的刚性卡扣与另一侧的弹性悬臂卡扣结合，也可以实现经济可靠的卡扣连接。 （图2）
图3所示的卡扣连接方式具有很大的保持力。同时从箭头处缺口按压弹臂卡扣，也可以实现轻松拆卸。
（图3） 图4所示非连续环形卡扣设计，与后面所说环形卡扣近似；在环形卡扣上增加一些切口，使卡扣具有更好的弹性，同时安装时卡扣受力也变为主要承受弯曲力；所以这种卡扣我们也归类为悬臂弹性卡扣。
（图4） U 型卡扣 属于悬臂弹性卡扣的一种，在简单悬臂卡扣基础上，增加U 型结构，进一步增加卡扣弹性。U 型卡扣可以具有很大的扣合保持力，同时，U 型槽的存在，使得拆卸时可以手动拨动卡扣，方便拆卸。这种卡扣结构常见于电池盖及一些需要多次拆卸的卡扣结构。
塑料卡扣连接设计 1、连接类型 卡扣可以是最终连接，或者也可以是其他连接出现之前的临时连接。 临时连接时，卡扣仅将连接保持到其 他连接出现。仅要求它们是足够坚固而有 效的，能够将装配件与基本件定位保持到 最终连接的出现。 永久锁紧件是不打算拆开的，如图 2.15所示。没有锁紧真正是永久的，但这 种锁紧一旦结合便难以分开。如图 2.15 （a）为止逆锁紧件，其中锁紧倒刺装在 不带拆卸通道的结合面中。图2.15（b） 是钩爪与壁上的带状功能件的结合。所需 要的装配力很大。 非永久锁紧件是打算拆开的。非永久锁紧用两种锁紧类型加以区别。 可拆卸锁紧件被设计成，当预定分离力施加到零件上时，允许 零件分离，如图2.16（a）所示。 非拆卸锁紧件需要人工使锁紧件偏斜，如图2.16（b）所示。
2、悬臂钩的简明设计规则 以下规则总体上是正确的，但对于具体产品，材料、零件以及加工的变化都会影响其适用性。 2.1梁根部厚度 ）应该约如果梁是从壁面突出来的，如图6.11（a）所示，那么梁根部的厚度（T b
为壁的厚度的50％－60％。壁厚大于60％壁厚的梁的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（最大应力点），外观表面上的缩痕是不能接受的。 如果梁是壁面的延伸，如图6.11（b）所示，那么T b 应等于壁的厚度。如果梁的厚度必须小于壁厚的话，那么梁的厚度应该从壁面到所需厚度的部位沿梁的长度方向逐渐变化（斜率1：3），这样可以避免应力集中和充模问题。 2.2 梁的长度 悬臂钩的总长（L t ）由梁的长度（L b ）和保持功能件长度（L r ）构成，如图6.12 所示。
1卡扣： 1.1简介 类似压配合，卡扣也是一种不使用多余零件或紧固件将两个零件装配的 简单装配方式。卡扣结构运用了锁臂原理，由卡钩和卡槽组成。装配过 程中，卡钩配合件使之变形或部分变形。一旦卡入卡槽，卡钩回弹到其 原来位置。卡钩和卡槽相互作用使卡扣具有卡紧力。 卡扣结构可以用于联接不相似的两个聚合物材料零件或完全不同材料的 零件，如金属件和塑料件。卡扣被广泛用于安装工具，机箱，电子元件， 包装盒，玩具，汽车零部件，医疗器械等成千上万种产品上。现在存在 一种简化制造成本的趋势，而卡扣通过本身具有的结构起到坚固作用正 好符合此趋势。卡扣不需要额外的装配工具简化了紧固安装。依靠良好 的设计，在最终产品中卡扣结构可以隐藏于不能直接看到的地方。成功 的卡扣结构依赖于精确的工程技术，尽管此结构已经被使用多年，但直 到近些年制造上的需要才促成更多的可靠的卡扣设计问世。 卡扣有两个主要的大类。永久卡扣或一次装配的卡扣，经常使用在一次 性消费产品上，此类卡扣在产品制造工序中安装且永不会拆开。多次卡 扣使用在多次使用产品上，如笔帽和瓶盖，会多次打开合上，还比如维 修时需要拆开的汽车零部件。 两类卡扣结构都包括一些设计原理。一个悬臂梁，卡扣结构使用该结构 轴向插入与之配合零件的卡槽中。一个弯曲梁，悬臂梁的变体，即悬臂 梁弯曲。环形卡扣是一种圆形或椭圆形的连接被用在如笔帽和瓶盖中。 球形卡扣卡入一个具有缺口的配合件。扭转梁用剪切力保证其位置固定。 卡扣结构于制造工艺大有裨益。通过减少零件数，能够节省仓储费用， 节省人力成本，减少库存，减少供应商数量，削减运输处理及所有由额 外零件带来的费用。同时也能够节省装配时间。 但卡扣结构也比其他工艺更依赖于前期的设计。不正确的卡扣结构在装 配中甚至装配前可能会出现断裂的情况。 本章将深入讨论三种不同的卡扣结构，材料选择的原则，几何及性能等 设计细节分析。 1.2 材料考虑因素 材料对于卡扣结构影响极大。聚合物通常能分为刚性或柔性两种。不同的使用场合 两种特性都适合卡扣使用。 由于卡扣经常使用与连接有外观面的零件，因此材料必须同时满足功能和美观的要求。不同的使用场合，工程师应当考虑许多因素。 紫外线颜色稳定性。外观面可能要求抗紫外线，否则材料的颜色和机械性能会变坏导致最后失效。 可喷涂性。如果零件将喷漆，应当选择适合喷涂的材料否则漆、涂料会侵蚀聚合物。 模内颜色。一些添加的颜色，特别是镉红，会降低材料性能。 热塑极限。零件在不同的温度改变下以不同的比率膨胀或收缩。在塑料对塑料装配时比率可能相差1到2倍，在塑料对金属装配时比率可能相差5到10倍。 抗裂纹扩张。设计卡扣时选用低的裂纹扩张特性材料非常重要。
卡扣设计
产品结构设计准则--扣位( Snap Joints ) 基本设计手则 扣位提供了一种不但方便快捷而且经济的产品装配方法，因为扣位的组合部份在生产成品的时候同时成型，装配时无须配合其他如螺丝、介子等紧锁配件，只要需组合的两边扣位互相配合扣上即可。 扣位的设计虽可有多种几何形状，但其操作原理大致相同：当两件零件扣上时，其中一件零件的勾形伸出部份被相接零件的凸缘部份推开，直至凸缘部份完结为止；及後，藉着塑胶的弹性，勾形伸出部份即时复位，其後面的凹槽亦即时被相接零件的凸缘部份嵌入，此倒扣位置立时形成互相扣着的状态，请参考扣位的操作原理图。
扣位的操作原理 如以功能来区分，扣位的设计可分为成永久型和可拆卸型两种。永久型扣位的设计方便装上但不容易拆下，可拆卸型扣位的设计则装上、拆下均十分方便。其原理是可拆卸型扣位的勾形伸出部份附有适当的导入角及导出角方便扣上及分离的动作，导入角及导出角的大小直接影响扣上及分离时所需的力度，永久型的扣位则只有导入角而没有导出角的设计，所以一经扣上，相接部份即形成自我锁上的状态，不容易拆下。请叁考永久式及可拆卸式扣位的原理图。 永久式及可拆卸式扣位的原理 若以扣位的形状来区分，则大致上可分为环型扣、单边扣、球形扣等等，其设计可参阅下图。
球型扣（可拆卸式） 扣位的设计一般是离不开悬梁式的方法，悬梁式的延伸就是环型扣或球型扣。所谓悬梁式，其实是利用塑胶本身的挠曲变形的特性，经过弹性回复返回原来的形状。扣位的设计是需要计算出来，如装配时之受力，和装配後应力集中的渐变行为，是要从塑料特性中考虑。常用的悬梁扣位是恒等切面的，若要悬梁变形大些可采用渐变切面，单边厚度可渐减至原来的一半。其变形量可比恒等切面的多百分之六十以上。
弹性卡扣设计规范 弹性卡扣安装适用于无法用安装座和可选转支架的槽中,弹性卡扣靠的是卡扣的弹性力夹紧灯具。弹性卡扣的卡位须卡在灯具的高度的2/3处左右，使卡口的重心在卡位一下，且卡位一般选择灯具上2mm左右槽宽的位置，卡扣厚度根据受力情况确定，大约在0.6~1.2mm之间。 1.窄槽安装 窄槽安装要注意槽的宽度，灯具装上弹性卡扣之后的最大宽度不要超过槽的宽度。如果卡扣厚度较薄，最多不能超出1mm，在宽度不够是时，卡扣厚度可以做薄，厚度可以薄到0.4mm 2.宽槽安装 宽槽安装不能利用安装槽夹紧灯具，所以弹性卡扣强度要高，厚度0.8mm以上，因为宽度足够可以增加卡扣与灯具干涉宽度增加强度，弹性卡扣卡扣位置宽度可以比型材上对应位置宽度少3~5mm 3.卡缺口安装座安装 卡缺口位安装安装槽一般较宽，型材上大一点的槽，卡扣位置宽度可以比型材上同等位置宽度少4~8mm
4.弹性卡扣抬高灯具 弹性卡扣上留出凸台，凸台承受灯具压力，凸台下面可以向内倾斜一定角度（1~3°）,卡扣厚度相对未抬高要厚一些。厚度1MM以上 抬高卡扣可以做成下长上短增加弹性卡扣的左右方向的强度，下长上短的安装卡扣相对来说厚度可以减少一些，厚度应0.8mm以上。 5.弹性卡扣加支架抬高灯具 弹性卡扣过高受力点距支点较远，力矩较大，可以在弹性卡扣下加支架以减少弹性卡扣高度，弹性卡扣与支架之间用螺纹联结。支架高度根据灯具抬高高度确定。此安装适合于宽槽安装。
6.灯具安装方向与弹性卡扣的关系 灯具宽槽横向安装：灯具宽槽横向安装，灯具所受重力完全压在卡扣的一边，因此应增加卡扣厚度。 灯具窄槽横向安装：灯具窄槽横向安装的，卡扣厚度可以相对薄一些。 灯具竖向安装：灯具竖向安装，灯具所受力完全靠卡扣的弹性力夹紧，所以卡扣卡位宽度要减少一些。
卡扣结构设计 卡接就是射出零件常用的安装方法。这种方式在很多年以前就已经开始使用了,出于安装简便与成本上的考虑,现在她们变得越来越重要了。卡接的优势在于避免了螺纹连接,夹紧,粘贴等其她的连接方法。这些卡接结构就是采用模具成型的,不需要额外把她们连接起来。另外,如果设计得当,还可以达到重复安装与拆卸而不损伤零件。卡接结构可以设计成一次性的与多次使用的。一次性的卡接就是指零件安装以后不需要再拆下来。多次使用的卡接结构则多用在需要便于拆卸的场合。 卡接结构的设计需要考虑很多问题。设计一个卡接的结构需要考虑的远比设计螺纹连接要多。卡接结构所需要的模具也比较复杂与昂贵。一般说来,在装配时节省的资金要比制作工艺上增加的成本多。 通常有三种主要的卡接结构:环形,悬臂,扭转 1. 环形卡接 图一,有时钢笔会用到这种环形卡接结构来固定笔帽 图二,瓶盖也会采用环形卡接结构 图三,球与球座也就是一种环形卡接结构 上面这三种都就是采用环形卡接结构的例子。由于这些零件在装配时整个圆周都有很大的应力,所以,只有那些在屈服点有很大延展性的材料才能应用。关于计算最大变形量的问题请参见下一章的计算公式。(计算公式的一章,需要时间翻译----笔者)。 2. 悬臂卡接结构
悬臂卡接就是应用最广的卡接结构。有相当多的计算公式与 工程经验确保我们能设计出一个出色的卡接机构。这一小节介绍不同的设计方法。关于悬臂卡接具体尺寸的计算可以参瞧下一章。 图四展示了为了拆卸而设计的四种不同的设计方法。图四a 就是采用90°的挂钩与90°的凹槽连接。这种结构无法拆卸。图四b就是在挂钩与凹槽的部分都设计了一定的角度,便于安装与拆卸。这个上盖取下与扣上的力就是相同的。图四ｃ与图四ａ一样有90°的直角,不同的就是设计者加了一个“窗户”在下面的零件上。这样就可以方便的进行拆卸了。图四d采用了“U”字形的结构来使上盖可以自由变形而方便拆卸。 图四c中有一个潜在的问题就就是这个卡接结构有可能被推的很远;没有止推的结构。如果这个结构被推的过大而断裂了就再也无法修复了。所以设计者通常会考虑设计一个止推的结构来防止悬臂超过应力。图四d的设计就有这样的停止(止推)结构(仅仅就是考虑采用推力)。 图五展示了悬臂卡接的机械原理,就是如何通过采用倾斜的表面结构来达到便于安装与拆卸的目的的。 U形的悬臂卡接结构通常用在像电池盒与盖子中。图六表示了这种结构就是如何工作的。采用这种结构,塑料不会有太大的应力,所以,这样的塑料有多次的弯曲就是可能的。而且,它有一个止推结构,这样就不会由于变形太大而破裂。