2017(10)4遣汽车工_师application I^
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2.上海k願j j g汽车有限公!
摘要：市场上常见车型的门内饰板与内钣金配合普遍采用外形各异但结构类似的塑料紧固件，为了解此类塑料紧固件的开 发在应用环境和性能要求等方面的共通性，更好地指导开发和使用，根据对多个车型的对标分析，总结出此类紧固件的应用 环境要求、常用材料选择及性能要求，结合CAE的分析手段对其最常见的断裂失效模式进行分析，确定安装过程中的剪切 力是主要原因，并给出材料与结构方面的解决方向3对门内饰板塑料紧固件的发展方向做出推测a
关键词：汽车；门内饰板；紧固件；塑料卡子；失效模式；发展方向
Overview of Automobile Door Trim Plastic Fasteners
Abstract: Plastic clip is commonly used on the connection between door inner trim and sheet metal. The study of intercommunity of such clip on performance requirement and application environment, can lead to a better development and usage. Based on benchmark analysis and work experience, this paper offered a comprehensive analysis on door trim plastic fasteners of automobile, including application envir
onment, material choice and performance requirements. A failure model analysis result based on CAE was compared with physical part test. And shear stress during insert was detected as root cause of failure, which can be solved or improved by proper material selection and better structure design. Development direction of door trim plastic fasteners was predicted.
Key words：Automobile; Door trim; Fastener; Plastic clip; Failure model; Development direction
汽车的普及使得普通顾客对汽车的认识逐步提 升，从最初的油耗到内饰的配合，关注点变得越来越 细。车门内饰板与内钣金的配合处作为顾客易见区域 而受到关注，为了保证该处的配合，多数整车厂通常使 用一种塑料的鸟嘴型卡子进行连接。此类塑料紧固件的 开发在应用环境和性能要求等方面具有共通性，了解这 些共通性的原理，x^t更好地开发与应用此类紧固件具有 指导意义。文章将对门饰板塑料卡子从应用环境、性能 要求、材料选择及失效模式等方面分别进行论述。
1应用环境
图1示出汽车门饰板卡子应用环境示意图。在安 装完成后，卡子将卡扣座和钣金连接，其尾部固定在 卡扣座上，头部插人并卡住钣金外侧，伞面扣紧钣金 内侧⑴。
图1汽车门饰板卡子应用环境示意图
1)卡子与卡扣座的连接。为保证门饰板安装过程 中卡子能对准钣金孔，在基座中需要存在一定的活动量，通常需要保证卡子中柱与卡扣座开孔单边留有间 隙，以增强卡子与钣金孔的对中性；卡子与卡扣座之间 上下方向也需要留有间隙，以保证卡子能顺畅调整相 对卡扣座的位置。
2)卡子与钣金的连接。整车厂会针对车型的定位选 择不同厚度的门饰板钣金，常用薄钣金(0.5〜1.0m m)、厚 钣金（1.5〜2.0 m m)及拼接钣金，所以门饰板会相应选用不 同的卡子，不同的卡子则以不同颜做区分；钣金孔的大 小由卡子决定，常用卡子的钣金孔直径范围为6〜9m m；同时卡子需要满足钣金孔± 0.1 m m的制造误差。钣金一 般经过电泳和喷漆处理，钣金孔为冲压孔，这也会影响 卡子的插拔力表现。
2性能要求
根据门饰板塑料卡子的应用环境，其性能要求主 要表现在插拔力、装配性和防水性3个方面。
2.1插拔力要求
对于主要起紧固作用的螺钉来说，插拔力是最关 键的要求。插人力影响到使用感知，过大的插人力会引 起操作人员的抱怨；拔出力影响配合维修，拔出力过 小，门饰板与钣金配合差，拔出力过大，又会使返修门 饰板困难。
不同的整车厂对卡子的插拔力要求不完全相同，但大致范围基本一致，如图2所示&
根据人机工程学及
0 50
100
150
插入力/N
图2
汽车门饰板卡子插拔力范围的人机选择
2.2装配性要求
卡子的装配性要求主要是防错装和防漏装。由于同 一门饰板对应的钣金可能是薄厚2种钣金拼焊而成，所 以门饰板上会安装2种不同的卡子，这就对卡子提出防 错与防漏的要求。防错主要通过卡子和卡扣座的卡接尺 寸来区别，通过更改卡扣座的尺寸，只允许正确的卡子安 装进去。门饰板卡子的防漏装常用拍照检测，故卡子可以 设计成不同的颜，来满足防错防漏检测要求。2.3防水性要求
紧固件的一般防水性测试方法是，将紧固件安装 到盛水容器上(容器事先安装好钣金治具），在一定高 度的水柱下测试一定时间内紧固件是否有水滴落，或 者测试水滴的数量，如图3所示，水柱的高低可以通过 调整图3中尺寸4来控制。
图3
汽车门饰板紧固件防水性测试方法
紧固件的防水性主要是依靠额外的海绵垫圈或者 二次注塑的TPE 唇边来实现。图4示出不同防水性會g 的汽车门饰板紧固件。图4中，卡子I 是无防水要求 的，而卡子I I 和卡子I I I 的常规要求为在30 m m 高的 水柱下10 m in 内无水淌漏出C 3
性能要求，因为门饰板使用手掌或拳头拍入，卡子在门 饰板总成上的插人力不大于80 N ，而保持力的要求范 围为180〜300 N 。为保证卡子在门饰板总成的插拔力在 适合人机工程学的范围内，单个卡子的插拔力要求必 须比总成插拔力要小，一般插人力不大于60 N ，拔出力 为 150〜270 N 。
i 拆卸困难
推荐范围
易脱出
卡子K 无防水性）
c 卡子III (TPE 唇边防水）
图4
不同防水性能的汽车门饰板紧固件
如果紧固件跟钣金贴合存在过大角度、唇边的尺 寸不合格或唇边过硬，都会导致防水失效。一般来说， 闭孔的EPD M 发泡海绵垫圈比T P E 的二次注塑唇边 的防水性更好，但价格也更高。
3
常用材料
塑料卡子的常用材料有PA 66，PP，POM 3种。1 )PA 66有较好的强度、耐冲击性和耐磨性，在较
高温度下也能保证较强的刚度和强度，但是吸湿性强， 注塑成零件后，较强的吸湿性会导致其强度下降R ]，并 且尺寸稳定性差，对紧固件来说非常不利。
2)P P 基本不吸湿，耐冲击性也较好，且有良好的 染性，但是PP 偏软，刚度不够，耐磨性差，且易
分解
老化;P P 的卡子易刮伤，难以多次使用。
3 )POM 有着很高的硬度和刚度，优良的耐磨性、自 润滑性和耐疲劳性，反复冲击性强，且有广泛的温度使 用范围。POM 卡子不吸湿，且高低温下PO M 卡子的插 拔力变化不太大，但是，PO M 又称聚甲醛，散发性略高# 由于门饰板上塑料卡子的使用量不是太多，对汽车内 饰的整体散发性贡献有限。POM 卡子已基本取代PA 66 和PP ，成为卡子的主要材料。
4
门饰板卡子常见失效模式分析门饰板塑料卡子常见的失效模式主要有：1)
操作员工抱怨难以装配，插入力大。造成此类问
题可能的原因有：钣金孔尺寸超差，油漆涂覆后尺寸变 小；卡子与钣金孔不对中；卡子在基座中的活动量不足6
2) 松动异响。造成此类问题可能的原因有：钣金孔
尺寸超差；选用了不合适的卡子；门饰板边缘与钣金的 配合设计不合理，造成卡子不易装配到位。
3)
安装时断裂。安装时断裂是门饰板卡子的主要失
效形式，卡子不对中及POM 低温下变脆，是导致卡子安 装时易断裂的主要原因。针对卡子受力较大的部位进行
APPLICATION E ‘f 汽车工 g 师2017年10月
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5 0 5
2
2
1
1
1
学
结构优化，能很好解决此类问题。
5
基于
CAE 的卡子断裂分析
针对最常出现的安装断裂失效模式，文章应用C A E 模拟塑料卡子插人钣金孔的过程，探索导致断裂失效的 主要原因。
采用某在产车型的门饰板卡子为原型，建立C A E 分析模型。分析采用2D 隐式算法，不考虑实际的摩擦因 数，钣金采用刚性体模拟，且卡子顶端约束固定，在此基 础上X 才卡子插拔过程进行了 C A E 分析I 如图5所示〇
f f
货
f
a
初始状态
b 卡子进入钣金孔C 卡子进入一半d
卡子变形最大
图5卡子正对钣金孔插入的C A E 分析过程
当卡子正对钣金孔进行插拔时，卡子不会出现任何 异样变形。图6示出卡子正对钣金孔插人的C A E 分析 结果。从图6可以看出，C A E 分析得出的插入力最大值 为41.5 N ，跟实际物理试验测得的插人力均值(39 N )有 2.5 N 的偏差。分析偏差产生的原因主要是零件制造误 差以及钣金的表面处理等制造因素，但此结果不影响
C A E 模拟的可靠性。
由于C A E 模型中钣金是刚性的且卡子顶端固定 约束，故0.5 m m 的偏心分析下就出现了应力突变。在 钣金接近卡子卡脚最粗边缘时，C A E 网格出现撕裂，如 图8所示，力值曲线也有了下降的突变，最后发散B 研 究C A E 模型发现，此时模型在鸟嘴受力大的一侧出现 网格撕裂。对比图6中0.8 s 左右出现的
极值，图8中 在0.5 s 就出现网格撕裂，说明卡子在拍人钣金孔之前 出现了断裂。结合应力应变曲线发现，卡子卡脚最宽处 容易受剪切力发生撕裂，从而导致卡脚断裂。
图8
卡子与钣金孔偏心0.5 m m 后的C A E 分析结果
通过搜集分析多个失效卡子发现，卡子的断裂主 要在卡接鸟嘴的根部上面一点，如图9所示，跟C A E 分析结果中出现发散的位置一致。由此得出，卡子断裂 失效的主要原因是，卡子插人过程中受到冲击产生的 剪切力将卡子根部附近剪切断裂。
a
失效样件1
b
失效样件2
c
失效样件3
图9
实际使用中汽车门饰板卡子断裂图
根据以上分析可以看到，解决卡子安装断裂的主 要方式有：1)使用高韧性、抗剪切的材料;2)改进卡子 根部的结构s 通过材料性能和根部结构优化来提高其 抗剪切能力是解决问题的关键。
6
门饰板塑料紧固件的发展方向
随着门饰板和门钣金等周边环境件的工艺改进，
塑料紧固件也在发展。目前其发展方向主要有：
(下转第
58页）
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
时间/s
图6
卡子正对钣金孔插入的C A E 分析结果
由于实际安装过程中卡子跟钣金孔的关系不一定 是正对中的，所以卡子插人过程中很大程度上是偏心 的。对卡子跟钣金孔偏心插拔做C A E 分析，分析结果 如图7所示。
a
卡子与钣金 b
卡子始 c
卡子持续变形
d
卡子变形最大
孔未接触
汽车内饰接触钣金
图7
卡子与钣金孔偏心0.5 m m 后的C A E 分析过程
第10期
En
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APPLICATION
APPLICATION
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2017年10月
碳层与基体交错位置。渗碳组织为针状马氏体；未渗碳 部分离表面近处为由板条状马氏体逐渐过渡为贝氏体a
a
400倍光学显微镜下
b
1 000倍光学显微镜下
图8进口某M n C r 低碳合金钢热处理次表层组织
图9示出进口试样中心部位的金相组织。由于芯 部冷速低，所以芯部组织为贝氏体并带有少量珠光体 组织，
a
400倍光学显微镜下
b
1 000倍光学显微镜下
图9进口某M n C r 低碳合金钢热处理芯部组织
从渗碳处理的金相组织可以看出，在预定的热处 理工艺下，组织达到要求，但2种材料在表层渗碳通道 上存在一^定的差异。2
结语
(上接第55页）
1)
适用范围的提升：可以适用于不同厚度的钣金，
适用的钣金厚度区间越大，对整车厂来说越实用，可以 实现多车型的共用，成为共用件；如此，供货量会相应
提高，单价也就相应更低。2) 适用于铝合金板的卡子：汽车轻量化需求促进 了铝合金板的应用，铝合金板材与先用钣金的制造工艺 会有很大差异，故急需开发适用于铝合金板材的卡子。
3)
低挥发性材料的应用：目前广泛应用的P 0M 材 料挥发性超标，随着汽车内饰材料挥发性要求的提高， 低挥发高性能的材料将会广泛用在包括卡子在内的汽 车零部件上。
4)
增强抗剪切性能：抗剪切性能的提高会大大降 低整车厂抱怨，提高卡子利用率。尤其是低温下的抗断 裂能力的提高，会降低我国北方地区冬B 汽车门饰板 装配和返修的难度及减少客户抱怨。
5)
应用2级自插拔结构：将塑料紧固件设计成2级， 1级为紧固件跟钣金件之间卡接，2级为紧固件内部卡 接；拆卸时，1级部分与2级分离，利用紧固件塑料材料
1)
进口棒料的热处理要求更合理。国产和进口材
料在棒料的热处理状态上存在差异，国产材料的退火态 更利于加工，但根据毛坯采用的热锻造+等温正火的I ： 艺来看，热轧态的棒料已经能满足要求。因此在材料座 用时，材料供应商和毛坯供应商应当充分合作和沟通， 减少不必要的热处理要求，达到降低成本的目的。
2)
渗碳淬火工艺下，国产和进口材料的热处理金 相组织均能满足要求。
3)
国产和进口材料渗碳淬火的表面碳通道存在一
定差异，进口材料的热处理碳通道更加均勻。初步认为 进口材料在均匀性上占优势，具体的影响因素需要进 行进一步的研究和确认。
综上，国产钢材和进口钢材在性能上已经趋于一 致，但在材料均匀性方面，国产材料仍然有提升的空 间。希望国产材料供应商、毛坯研发制造商和齿轮研发 制造企业充分合作，从品质、设计和技术要求方面全面
提升，为实现制造强国而努力。
参考文献
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(收稿日期= 2017-07-24)
之间的自润滑作用，避免拆卸时钣金刮擦紧固件出现 断裂或者保持力损失等失效，提高紧固件的反复使用率。
7结论
文章从应用层面对门饰板塑料紧固件的选择和性 能要求进行了探索，将基于钣金厚度的选择基础、人体
I 程学的插拔力要求及应用位置的防水方式，作为门
饰板卡子选择与应用的原则。为了防止卡子安装失效，
提出了将抗剪切能力作为衡量卡子性能的指标之一。 但目如尚无一^个统一^的试验方法来获取卡子的抗剪切 能力，这是本课题的进一^步研究方向。
参考文献
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与应用[M ].关正西，
强洪夫5译.4版.西安：西安交通大学出版社，
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(收稿日期=
2017-07-14)
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