塑料卡鉤的設計原理與分析

摘要：本文介紹了塑料卡鉤的結構特點、應用空間和材料選擇原則及計算校核方法。塑料卡鉤結構類似于金屬彈簧原理，由于塑料材料特點，其塑料卡鉤結構又不同于金屬彈性結構，可以實現其獨特的功能。在結構設計上使用塑料卡鉤結構，裝配簡單可靠，可減少螺釘使用量，減低成本和節省資源，有利于保護環境，而先進的CAE計算手段更助于復雜塑料卡鉤結構件的設計制造。

關鍵詞：塑料卡鉤結構；CAE

在設計中使用塑料材料制造塑料卡鉤結構能夠簡化結構、節省費用。塑料卡鉤結構的原理相似于金屬彈簧性結構，但不能簡單地套用金屬彈簧性結構的設計方法。一般來說，塑料卡鉤只能用于不需瞬時恢復的彈簧。塑料卡鉤最好是間歇工作，即對卡鉤部分產生一個短時間規定的力，而其他時間處于松弛狀態。塑料卡鉤的彈性恢復時間應至少等于處于載荷下的時間。但是，塑料卡鉤結構的應用并未因此而受到限制，因為大多數塑料卡鉤結構都是非連續使用的。在著手塑料產品設計時，必須考慮這個問題。雖然如此，塑料卡鉤結構在某些產品設計中的應用是非常成功的。如下圖1，鈕扣電池安裝原理圖所示意：按箭頭方向，鈕扣電池安裝后，不能脫落（圖2）；按箭頭方向，鈕扣電池可從電池托盤底座中拆出。

根據圖1和圖2內容，僅靠鈕扣電池托盤和電池托盤底座上的塑料卡鉤結構，實現鈕扣電池安裝和拆卸，在這種情況下采用塑料卡鉤是十分合理的。

1塑料卡鉤結構的優點和缺點:

金屬的特性對塑料來說是不可比擬的。例如，鋼的彎曲模數是常用注塑成型塑料件的30到100倍[2]。 塑料卡鉤結構在其特定的應用空間，它與金屬彈簧相比其優點如下：

零件整體化：在這一點上可與金屬彈簧競爭，金屬彈簧結構與塑料卡鉤結構存在著整合性差別。也就是說，設計師可以創造性地使用塑料卡鉤結構。零件整體化意味著結構簡化，可靠性高，易于安裝、成本更低，重量更輕。

形狀和尺寸穩定性：帶有金屬彈簧的零件，受加工方法和熱處理工藝水平限制，形狀穩定性差，量產部品的形狀和尺寸常常不能達到要求。塑料部品由注塑成型，形狀和尺寸靠模具保證，在生產工藝沒有變更情況下，量產部品的形狀和尺寸一致性好。

裝配性能：因塑料件表面質量自然光順 ，摩擦系數小，自潤滑性能好，在有粉塵存在的惡劣條件下，能正常工作。

包裝及倉儲：塑料件包裝和運輸較為容易，倉儲條件要求不高，金屬彈簧的零件因為易變形和氧化，在包裝和運輸方面要求較高。

環保方面: 塑料件的原料只要符合環保要求，其制品也能滿足環保要求，因金屬彈簧的零件須熱處理和表面處理，存在廢水排放等方面的環保要求。

抗蠕變方面[3]: 比起金屬來，用樹脂做的制品在持續載荷下會很快老化失效。ABS在1000小時（大約6周）后失去原有彈力的10%，10，000小時后（大約1年），失去原有彈力的15%，而100，000小時后（大約11年）失去原有彈力的三分之二。通常，聚本醚、聚碳酸酯、聚砜等塑料比聚乙烯和ABS有更好的抗蠕變性。如果模具溫度過低的話，在注塑成型過程的最后階段，材料的蠕變率將顯著上升。需要使用使用計算機軟件模擬注塑成型過程，計算出合適的模具溫度。

2塑料卡鉤結構材料的選擇

對于塑料卡鉤部品的材料選擇取決于所需要的特性。需考慮的因素有抗蠕變性、載荷、疲勞極限和耐化學侵蝕性。要注意金屬和塑料的彎曲模數的差異，材料的經濟性是重要的選擇因素。在材料中使用填充物可改善塑料材料特性。在材料中填充玻璃纖維增加了剛性和強度，但其撓度受到限制。環境溫度也影響塑料的性能。多數塑料在室溫下特性最好，如使用環境溫度高，必須使用耐高溫的樹脂原料，如聚苯醚（PPO）；聚砜。此外，要考慮防紫外線問題。如果塑料卡鉤部品安裝在產品內部，或者安裝在背光處，可以避免紫外線輻射引起的塑料老化問題。對那些戶外使用的產品，例如園林工具和體育運動設備，紫外線的照射可以破壞彈簧功效。 在這種條件下，必須根據材料的抗紫外線典型數據決定所選材料能否在紫外線暴露下工作。可供選擇的樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、尼龍和ABS。可用材料及它們的特性如下：

聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）成型溫度：150～300℃，成型收縮率:1.5～4%，密度0.9～0.965克／立方厘米，抗彎強度：42～56MPa。價格便宜，但拉伸恢復性差，抗蠕變性差。它們只能用于短期負荷，其疲勞響應中等，抗化學侵蝕性好。

聚碳酸酯（PC）成型溫度：250～300℃，成型收縮率:0.5～0.8%，密度1.18～1.20克／立方厘米，抗彎強度：94～130MPa。 耐沖擊性能好，加工性能好，不需要添加劑就具有UL94 V-0級阻燃性能。主要缺點：價格高，制品易應力開裂，易和其他物質發生化學作用（與氧化鈉和其它鹼清潔劑，能發生化學反應產生Bisphenol-A （C15H16O2）， 一種已知的內分泌干擾素 (影響生殖系統)）。PC在電子、電器工業被應用在接線盒、插座、插頭及套管、墊片，通訊電纜的連接件，電閘盒、電話總機、配電盤元件，繼電器外殼等。

聚苯醚（PPO）成型溫度：280～340℃，成型收縮率:0.5～0.8%，密度1.06～1.36克／立方厘米，抗彎強度：57～97MPa，最突出優點是高度耐水和耐蒸汽性。在 132 ℃的高壓蒸汽容器內處理 200 次，抗拉和抗沖擊強度沒有顯著變化。此外它還具有尺寸穩定性好 、蠕變小 、高絕緣性等特點 。主要缺點是熔融流動性差，價格高，加工成型困難，耐無機酸、堿、耐芳香烴、鹵代烴、油類等性能差，易溶脹或應力開裂，主要用于：醫療器械代替不銹鋼，能承受蒸汽消毒；有高絕緣性和耐高溫要求電子零部件。

尼龍（PA）成型溫度：230～300℃，成型收縮率:1.5～2.2%，密度1.14～1.15克／立方厘米，抗彎強度：60～110MPa， 尼龍在干燥條件下比較耐磨，但當它暴露在50%的相對濕度下時，其剛性下降達25%。

聚砜（PSU），成型溫度：315～400℃，成型收縮率:0.4～0.7%，密度1.24～1.61克／立方厘米，抗彎強度：99～106MPa。一般說，聚砜的熱變形溫度為175℃，長期使用溫度控制在160℃以下。主要缺點：耐紫外線和耐疲勞強度較差。成型加工后宜進行熱處理，消除內應力。主要用于：各種接觸器、接插件、變壓器絕緣件、可控硅帽 ，絕緣套管、線圈骨架、接線柱 ，印刷電路板、軸套、罩等。

丙烯腈、丁二烯和苯乙烯（ABS）成型溫度：200～240℃，成型收縮率:0.4～0.7%，比重:1.26～1.67克/立方厘米，抗彎強度：62～97MPa。。ABS樹脂是目前產量最大，應用最廣泛的聚合物，具有優良的綜合性能，有極好的沖擊強度、尺寸穩定性好、電性能、耐磨性、抗化學藥品性、染色性，成型加工和機械加工較好，耐水、無機鹽、堿和酸類，不溶于大部分醇類和烴類溶劑工程塑料的缺點：熱變形溫度較低，可燃，耐候性較差。用途：適于制作一般機械零件，減磨耐磨零件，傳動零件和電訊零件。

對于塑料卡鉤結構的彈簧來說，特別圖1所示制品，屬于電子產品，使用環境沒有高溫及紫外線存在，雖然ABS抗蠕變性沒有聚苯醚好，但對使用性能沒有影響，考慮到制品成本，選用ABS。

3.塑料卡鉤結構設計原理

在通常的機械設計中，金屬彈性零件往往是一個獨立的標準零件。不論是螺旋彈簧或板簧，其結構較為簡單，有足夠的彈性變形量即可。與金屬彈簧生產方式不同，塑料卡鉤結構的零件生產方法：注塑成型。從注塑成型使用模具制造難度上，塑料板型彈簧結構比螺旋彈簧更易于制造。因此，塑料板型彈簧結構優先被選用。

塑料板型彈簧結構，在力學結構上可以簡化成兩類受靜載荷梁，如圖3：懸臂梁 和圖4：簡支梁。 在比較懸臂梁和簡支梁的載荷和應力方程 (參見圖3和圖4 )時， 可以看到，相同的截面（W與t的乘積）和有效跨距（L）下，懸臂梁的應力載荷為簡支梁的16倍。然而， 在同樣撓度下，簡支梁彈簧的應力是懸臂梁彈簧的 4 倍。 在同樣的載荷下，簡支梁彈簧可以設計較大的跨距和較薄的截面。 但是，在塑料板型彈簧結構上， 按懸臂梁原理設計出的結構較為簡單，部品形狀也簡單，與之對應模具制造難度小。

3.1 設計公式

懸臂梁載荷和應力方程[2]：