汽車門內(nèi)飾板塑料緊固件概述

延偉華 黃龍輝 劉華龍 邢健

（1.泛亞汽車技術(shù)中心；2.上海通用東岳汽車有限公司）

汽車的普及使得普通顧客對汽車的認(rèn)識逐步提升，從最初的油耗到內(nèi)飾的配合，關(guān)注點(diǎn)變得越來越細(xì)。車門內(nèi)飾板與內(nèi)鈑金的配合處作為顧客易見區(qū)域而受到關(guān)注，為了保證該處的配合，多數(shù)整車廠通常使用一種塑料的鳥嘴型卡子進(jìn)行連接。此類塑料緊固件的開發(fā)在應(yīng)用環(huán)境和性能要求等方面具有共通性，了解這些共通性的原理，對更好地開發(fā)與應(yīng)用此類緊固件具有指導(dǎo)意義。文章將對門飾板塑料卡子從應(yīng)用環(huán)境、性能要求、材料選擇及失效模式等方面分別進(jìn)行論述。

1 應(yīng)用環(huán)境

圖1示出汽車門飾板卡子應(yīng)用環(huán)境示意圖。在安裝完成后，卡子將卡扣座和鈑金連接，其尾部固定在卡扣座上，頭部插入并卡住鈑金外側(cè)，傘面扣緊鈑金內(nèi)側(cè)[1]。

圖1 汽車門飾板卡子應(yīng)用環(huán)境示意圖

1）卡子與卡扣座的連接。為保證門飾板安裝過程中卡子能對準(zhǔn)鈑金孔，在基座中需要存在一定的活動(dòng)量，通常需要保證卡子中柱與卡扣座開孔單邊留有間隙，以增強(qiáng)卡子與鈑金孔的對中性；卡子與卡扣座之間上下方向也需要留有間隙，以保證卡子能順暢調(diào)整相對卡扣座的位置。

2）卡子與鈑金的連接。整車廠會(huì)針對車型的定位選擇不同厚度的門飾板鈑金，常用薄鈑金（0.5～1.0 mm）、厚鈑金（1.5～2.0 mm）及拼接鈑金，所以門飾板會(huì)相應(yīng)選用不同的卡子，不同的卡子則以不同顏色做區(qū)分；鈑金孔的大小由卡子決定，常用卡子的鈑金孔直徑范圍為6～9mm；同時(shí)卡子需要滿足鈑金孔±0.1 mm的制造誤差。鈑金一般經(jīng)過電泳和噴漆處理，鈑金孔為沖壓孔，這也會(huì)影響卡子的插拔力表現(xiàn)。

2 性能要求

根據(jù)門飾板塑料卡子的應(yīng)用環(huán)境，其性能要求主要表現(xiàn)在插拔力、裝配性和防水性3個(gè)方面。

2.1 插拔力要求

對于主要起緊固作用的螺釘來說，插拔力是最關(guān)鍵的要求。插入力影響到使用感知，過大的插入力會(huì)引起操作人員的抱怨；拔出力影響配合維修，拔出力過小，門飾板與鈑金配合差，拔出力過大，又會(huì)使返修門飾板困難。

不同的整車廠對卡子的插拔力要求不完全相同，但大致范圍基本一致，如圖2所示。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)及性能要求，因?yàn)殚T飾板使用手掌或拳頭拍入，卡子在門飾板總成上的插入力不大于80 N，而保持力的要求范圍為180～300 N。為保證卡子在門飾板總成的插拔力在適合人機(jī)工程學(xué)的范圍內(nèi)，單個(gè)卡子的插拔力要求必須比總成插拔力要小，一般插入力不大于60 N，拔出力為 150～270 N。

圖2 汽車門飾板卡子插拔力范圍的人機(jī)選擇

2.2 裝配性要求

卡子的裝配性要求主要是防錯(cuò)裝和防漏裝。由于同一門飾板對應(yīng)的鈑金可能是薄厚2種鈑金拼焊而成，所以門飾板上會(huì)安裝2種不同的卡子，這就對卡子提出防錯(cuò)與防漏的要求。防錯(cuò)主要通過卡子和卡扣座的卡接尺寸來區(qū)別，通過更改卡扣座的尺寸，只允許正確的卡子安裝進(jìn)去。門飾板卡子的防漏裝常用拍照檢測，故卡子可以設(shè)計(jì)成不同的顏色，來滿足防錯(cuò)防漏檢測要求。

2.3 防水性要求

緊固件的一般防水性測試方法是，將緊固件安裝到盛水容器上（容器事先安裝好鈑金治具），在一定高度的水柱下測試一定時(shí)間內(nèi)緊固件是否有水滴落，或者測試水滴的數(shù)量，如圖3所示，水柱的高低可以通過調(diào)整圖3中尺寸A來控制。

圖3 汽車門飾板緊固件防水性測試方法

緊固件的防水性主要是依靠額外的海綿墊圈或者二次注塑的TPE唇邊來實(shí)現(xiàn)。圖4示出不同防水性能的汽車門飾板緊固件。圖4中，卡子I是無防水要求的，而卡子II和卡子III的常規(guī)要求為在30 mm高的水柱下10 min內(nèi)無水滴漏出。

圖4 不同防水性能的汽車門飾板緊固件

如果緊固件跟鈑金貼合存在過大角度、唇邊的尺寸不合格或唇邊過硬，都會(huì)導(dǎo)致防水失效。一般來說，閉孔的EPDM發(fā)泡海綿墊圈比TPE的二次注塑唇邊的防水性更好，但價(jià)格也更高。

3 常用材料

塑料卡子的常用材料有PA66，PP，POM3種。

1）PA66有較好的強(qiáng)度、耐沖擊性和耐磨性，在較高溫度下也能保證較強(qiáng)的剛度和強(qiáng)度，但是吸濕性強(qiáng)，注塑成零件后，較強(qiáng)的吸濕性會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度下降[2]，并且尺寸穩(wěn)定性差，對緊固件來說非常不利。

2）PP基本不吸濕，耐沖擊性也較好，且有良好的染色性，但是PP偏軟，剛度不夠，耐磨性差，且易分解老化；PP的卡子易刮傷，難以多次使用。

3）POM有著很高的硬度和剛度，優(yōu)良的耐磨性、自潤滑性和耐疲勞性，反復(fù)沖擊性強(qiáng)，且有廣泛的溫度使用范圍。POM卡子不吸濕，且高低溫下POM卡子的插拔力變化不太大，但是，POM又稱聚甲醛，散發(fā)性略高。由于門飾板上塑料卡子的使用量不是太多，對汽車內(nèi)飾的整體散發(fā)性貢獻(xiàn)有限。POM卡子已基本取代PA66和PP，成為卡子的主要材料。

4 門飾板卡子常見失效模式分析

門飾板塑料卡子常見的失效模式主要有：

1）操作員工抱怨難以裝配，插入力大。造成此類問題可能的原因有：鈑金孔尺寸超差，油漆涂覆后尺寸變小；卡子與鈑金孔不對中；卡子在基座中的活動(dòng)量不足。

2）松動(dòng)異響。造成此類問題可能的原因有：鈑金孔尺寸超差；選用了不合適的卡子；門飾板邊緣與鈑金的配合設(shè)計(jì)不合理，造成卡子不易裝配到位。

3）安裝時(shí)斷裂。安裝時(shí)斷裂是門飾板卡子的主要失效形式，卡子不對中及POM低溫下變脆，是導(dǎo)致卡子安裝時(shí)易斷裂的主要原因。針對卡子受力較大的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能很好解決此類問題。

5 基于CAE的卡子斷裂分析

針對最常出現(xiàn)的安裝斷裂失效模式，文章應(yīng)用CAE模擬塑料卡子插入鈑金孔的過程，探索導(dǎo)致斷裂失效的主要原因。

采用某在產(chǎn)車型的門飾板卡子為原型，建立CAE分析模型。分析采用2D隱式算法，不考慮實(shí)際的摩擦因數(shù)，鈑金采用剛性體模擬，且卡子頂端約束固定，在此基礎(chǔ)上對卡子插拔過程進(jìn)行了CAE分析[3]，如圖5所示。

圖5 卡子正對鈑金孔插入的CAE分析過程

當(dāng)卡子正對鈑金孔進(jìn)行插拔時(shí)，卡子不會(huì)出現(xiàn)任何異樣變形。圖6示出卡子正對鈑金孔插入的CAE分析結(jié)果。從圖6可以看出，CAE分析得出的插入力最大值為41.5 N，跟實(shí)際物理試驗(yàn)測得的插入力均值（39 N）有2.5 N的偏差。分析偏差產(chǎn)生的原因主要是零件制造誤差以及鈑金的表面處理等制造因素，但此結(jié)果不影響CAE模擬的可靠性。

圖6 卡子正對鈑金孔插入的CAE分析結(jié)果

由于實(shí)際安裝過程中卡子跟鈑金孔的關(guān)系不一定是正對中的，所以卡子插入過程中很大程度上是偏心的。對卡子跟鈑金孔偏心插拔做CAE分析，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 卡子與鈑金孔偏心0.5 mm后的CAE分析過程

由于CAE模型中鈑金是剛性的且卡子頂端固定約束，故0.5 mm的偏心分析下就出現(xiàn)了應(yīng)力突變。在鈑金接近卡子卡腳最粗邊緣時(shí)，CAE網(wǎng)格出現(xiàn)撕裂，如圖8所示，力值曲線也有了下降的突變，最后發(fā)散。研究CAE模型發(fā)現(xiàn)，此時(shí)模型在鳥嘴受力大的一側(cè)出現(xiàn)網(wǎng)格撕裂。對比圖6中0.8 s左右出現(xiàn)的極值，圖8中在0.5 s就出現(xiàn)網(wǎng)格撕裂，說明卡子在拍入鈑金孔之前出現(xiàn)了斷裂。結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，卡子卡腳最寬處容易受剪切力發(fā)生撕裂，從而導(dǎo)致卡腳斷裂。

圖8 卡子與鈑金孔偏心0.5 mm后的CAE分析結(jié)果

通過搜集分析多個(gè)失效卡子發(fā)現(xiàn)，卡子的斷裂主要在卡接鳥嘴的根部上面一點(diǎn)，如圖9所示，跟CAE分析結(jié)果中出現(xiàn)發(fā)散的位置一致。由此得出，卡子斷裂失效的主要原因是，卡子插入過程中受到?jīng)_擊產(chǎn)生的剪切力將卡子根部附近剪切斷裂。

圖9 實(shí)際使用中汽車門飾板卡子斷裂圖

根據(jù)以上分析可以看到，解決卡子安裝斷裂的主要方式有：1）使用高韌性、抗剪切的材料；2）改進(jìn)卡子根部的結(jié)構(gòu)。通過材料性能和根部結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高其抗剪切能力是解決問題的關(guān)鍵。

6 門飾板塑料緊固件的發(fā)展方向

隨著門飾板和門鈑金等周邊環(huán)境件的工藝改進(jìn)，塑料緊固件也在發(fā)展。目前其發(fā)展方向主要有：

1）適用范圍的提升：可以適用于不同厚度的鈑金，適用的鈑金厚度區(qū)間越大，對整車廠來說越實(shí)用，可以實(shí)現(xiàn)多車型的共用，成為共用件；如此，供貨量會(huì)相應(yīng)提高，單價(jià)也就相應(yīng)更低。

2）適用于鋁合金板的卡子：汽車輕量化需求促進(jìn)了鋁合金板的應(yīng)用，鋁合金板材與先用鈑金的制造工藝會(huì)有很大差異，故急需開發(fā)適用于鋁合金板材的卡子。

3）低揮發(fā)性材料的應(yīng)用：目前廣泛應(yīng)用的POM材料揮發(fā)性超標(biāo)，隨著汽車內(nèi)飾材料揮發(fā)性要求的提高，低揮發(fā)高性能的材料將會(huì)廣泛用在包括卡子在內(nèi)的汽車零部件上。

4）增強(qiáng)抗剪切性能：抗剪切性能的提高會(huì)大大降低整車廠抱怨，提高卡子利用率。尤其是低溫下的抗斷裂能力的提高，會(huì)降低我國北方地區(qū)冬日汽車門飾板裝配和返修的難度及減少客戶抱怨。

5）應(yīng)用2級自插拔結(jié)構(gòu)：將塑料緊固件設(shè)計(jì)成2級，1級為緊固件跟鈑金件之間卡接，2級為緊固件內(nèi)部卡接；拆卸時(shí)，1級部分與2級分離，利用緊固件塑料材料之間的自潤滑作用，避免拆卸時(shí)鈑金刮擦緊固件出現(xiàn)斷裂或者保持力損失等失效，提高緊固件的反復(fù)使用率。

7 結(jié)論

文章從應(yīng)用層面對門飾板塑料緊固件的選擇和性能要求進(jìn)行了探索，將基于鈑金厚度的選擇基礎(chǔ)、人體工程學(xué)的插拔力要求及應(yīng)用位置的防水方式，作為門飾板卡子選擇與應(yīng)用的原則。為了防止卡子安裝失效，提出了將抗剪切能力作為衡量卡子性能的指標(biāo)之一。但目前尚無一個(gè)統(tǒng)一的試驗(yàn)方法來獲取卡子的抗剪切能力，這是本課題的進(jìn)一步研究方向。