门护板紧固件的设计策略

张超

神龙汽车有限公司，湖北武汉 430056

0 引言

门护板作为汽车内饰件的重要组成部分，具有包覆金属门板，提供满足人机工程、舒适性、功能性和方便性的优美外观的功能。门护板总成安装主要靠卡扣和螺栓连接。门护板需要安装在车门钣金、拉手支架等环境件；内开启手柄、小扬声器喇叭、开关面板等环境件需要安装在门护板上，而安装就需要螺栓、螺母、塑料卡扣等紧固件紧固。紧固件的优选策略保证了紧固的有效和可靠，不会产生外观和功能缺陷。

1 可拆卸式塑料卡扣

1.1 可拆卸式塑料卡扣的分类

卡扣的结构和分类如图1所示。

图1 卡扣的结构和分类

卡扣作为塑料紧固件的一种，有别于传统的螺纹紧固件机械连接，其主要通过弹性变形卡入装配孔，装入后卡扣回弹与孔形成过盈配合实现固定连接。可拆卸式塑料卡扣的结构最前面为锥形头，锥形头卡入钣金孔中；中间为带密封圈的盘，其密封圈用于密封钣金孔，防止钣金孔漏水到门护板内部；连接密封圈盘和尾部法兰盘的是中间轴，尾部法兰盘和密封圈盘中间间隙卡在卡扣基座上面，卡扣基座焊接在门护板本体上。可拆卸塑料卡扣根据尾部法兰盘的结构不同分尾部弹性大法兰盘型和尾部小法兰盘型。

1.2 可拆卸式塑料卡扣的优选

尾部弹性大法兰盘型和尾部小法兰盘型卡扣的定位原理是不同的。尾部弹性大法兰盘型的主要特征是其尾部法兰盘由4个薄壁的弹性爪均布而成，每个弹性爪外端有圆弧结构，4个圆弧结构围成一个外圆与基座大法兰盘内孔形成轴孔配合，如图2所示。由于弹性爪具有弹性，当锥形头与钣金孔中心线不在一条直线时，只要锥形头的头部可以插入钣金孔的边缘，在锥形头进入的过程中，卡扣的尾部法兰盘受到作用力，压缩弹性爪，使其往同心的方向移动，实现其自定心的作用。另外，由于大法兰盘的弹性爪的弹性缓冲作用，在振动环境下，弹性的大法兰盘可以起到缓冲降噪的作用。

图2 卡扣的定位原理

尾部小法兰盘的定位原理是利用卡扣的中间轴和基座的中间轴内孔形成轴孔间隙配合，如图2所示，间隙配合的作用也是为了其自定心作用。而轴和孔是小间隙配合，在振动环境下，轴与孔的磕碰容易产生噪声。另外，在设计时要考虑重力的影响，卡扣在卡扣座上面，由于受到重力作用，卡扣会往下沉，中间轴的下端外圆会与卡扣基座中间轴内孔下端的内孔相切接触。还要设计成不对中状态，预留一个下沉量，如下沉量设计不合理，会在后面造成卡扣与钣金孔的不对中。

综上所述，在选用门护板可拆卸卡扣时，为了避免异响噪声和卡扣与钣金孔不对中的风险，优先选择使用尾部弹性大法兰盘型卡扣。

1.3 可拆卸式塑料卡扣座的优选

卡扣座位于门饰板B面，与卡扣相连，根据不同用途其结构的设计也不同。卡扣座的作用是给可拆卸式塑料卡扣提供支撑和固定作用，同时防止卡扣从卡扣座中脱出,一般设计有防脱出结构。

防脱结构有两种结构设计：①在卡扣脱出方向设置防脱凸点；②设置防脱倒钩。结构设计如图3所示。

图3 两种防脱结构设计

防脱凸点是在脱出方向设置挡点，将卡扣在防脱方向挡住，为了安装方便防脱凸点的高度不宜太高，太高会挡住卡扣往里安装，设计成合适的高度，卡扣在安装时，克服凸点的摩擦阻力作用，进入卡扣座正确的位置。而防脱倒钩则是设计了一个薄壁的斜条倒钩，它是弹性的结构，在安装时，卡扣往里推，压着防脱倒钩，防脱倒钩产生弹性变形，便于卡扣进入卡扣座。当卡扣进入卡扣座正确的位置时，防脱倒钩不再受压力，恢复到原来的位置，其前端抵住卡扣的中间轴，防止卡扣脱出。

防脱凸点卡扣座由于凸点的高度不好把握：凸点高了，卡扣装入卡扣座困难；凸点低了，卡扣从卡扣座中的脱出力太小，卡扣容易在门护板运输和取放料过程中从卡扣座中脱出掉落，钣金孔没有卡扣的密封圈密封作用会产生淋雨检查漏水的缺陷。因此设计卡扣座防脱时，优先选择防脱倒钩结构。

2 防撞卡扣

2.1 防撞卡扣的结构

防撞卡扣是门护板和钣金的重要连接件。增加门护板紧固强度的防撞卡扣在车门侧碰中起到连接和缓冲作用，防止汽车侧碰时，门护板的塑料卡扣的脱出而导致的门护板与乘员发生碰撞。主要由卡扣、卡扣基座、拉环插销型卡夹等组成，如图4所示。

图4 防撞卡扣的组成及局部放大图

2.2 防撞卡扣的安装及工作原理

防撞卡扣的安装及工作原理如图5所示。

图5 防撞卡扣的安装及工作原理

由图5可知，防撞卡扣安装过程及工作原理为：卡扣座安装在车门钣金上,由弹性钢丝折弯而成的拉环插销型卡夹横插入卡扣座的孔槽中。卡扣大、小法兰盘安装在门护板的卡扣基座上，卡扣基座焊接在门护板本体上。安装门护板时，卡扣的锥形头插入卡扣座的孔并撑开拉环插销型卡夹两个半圆形组成的圆孔，两个半圆形的弹性钢丝越过锥形头的末端后，卡紧卡扣的中间轴，因两个半圆形组成圆孔的直径小于卡扣的中间轴的直径，卡扣的中间轴的直径小于锥形头末端的直径，钢丝夹住中间轴的中间位置。在侧碰时，撞击和冲击力大于门护板白色塑料卡扣的脱出力，防撞卡扣往外脱出时，其拉环插销型卡夹的两个半圆形钢丝移动到锥形头的末端台阶端面并紧紧箍住卡扣，从而防止门护板弹开、脱出，虚线的卡扣代表侧碰时的状态。另外，在侧碰过程中，卡扣被钢丝夹住，在这两个位置来回高频震荡吸能，减少碰撞能量对乘员的伤害。当需要拆下门护板时，使用钢丝钩子钩住外拉环插销型卡夹的拉环，拉环插销型卡夹由于具有弹性，其两个半圆形的钢丝部分在中间轴中被撑开，从卡扣基座中脱出。

2.3 防撞卡扣的定位原理

卡扣座的定位原理为：基座的轴和钣金的孔形成轴孔配合定位，定位精度按照轴孔的配合公差计算。

防撞卡扣的定位原理为：大法兰盘外端有6个“手枪形”的厚度为3 mm的薄壁爪。6个薄壁爪的外端圆弧构成一个圆。由于薄壁爪是塑料材质，其构成一圈为弹性爪，弹性爪外圆与卡扣基座的内孔配合，形成轴孔配合定位。大法兰盘外圈是弹性爪，其可以在卡扣脱出方向移动，以防止其脱出；小法兰盘和卡扣基座的配合面有两个凸台作为挡块，限制其脱出，此外其在脱出方向上的定位。防撞卡扣的定位原理如图6所示。

图6 防撞卡扣的定位原理

2.4 防撞卡扣基座的优选

防撞卡扣基座设计有两种。一种是普通的基座，另一种是在普通基座上面增加了爪子和筋，如图7所示。增加了两个爪子，两个爪子形成一个V型定位机构，将卡扣限定在原位，不让其向脱出方向移动，保证其满足与钣金卡扣孔的同轴度要求。加筋的作用是使得防撞卡扣和基座产生过盈配合，防止卡扣在向的间隙产生窜动导致异响。普通基座容易产生防撞卡扣不对中和向窜动噪声的缺陷，因此，优先选择带爪子和筋的防撞卡扣基座。

图7 防撞卡扣基座结构的对比

3 拉手螺栓

3.1 拉手螺栓的分类

目前市场主流门护板拉手盒位置的固定方案：以金属支架或塑料支架为中间连接件，将拉手盒和钣金进行连接，以实现门护板拉手盒位置的门护板的固定，达到满足强度的要求和拉手盒长期操作耐久要求。通过螺栓将门护板的拉手前盖板以及地图袋连接在拉手支架上面的簧片螺母上面，塑料拉手支架通过卡接卡在钣金上，其结构如图8所示。

图8 拉手螺栓结构

连接拉手支架和门护板拉手的螺栓有3种：带垫片的外六角螺栓、普通T30螺栓、大头T30螺栓，如图9所示。

图9 3种螺栓

普通T30螺栓的螺栓头比较小，因此支撑面积较小，使用规定扭矩的电动扳手有可能把门护板打出豁口，使得螺钉头陷入门护板的夹层中,如图10a所示。而带垫片的外六角螺栓在电动扳手套筒套住外六角头旋转时，套筒端头压着垫片产生的旋转摩擦扭矩，将垫片表面的黑色漆磨掉，显示出白色的金属亮点，造成外观质量缺陷，如图10b所示。综上所述，优先选择大头T30螺栓作为拉手支架的紧固件。

图10 普通T30螺栓和带垫片的外六角螺栓的缺陷

3.2 拉手螺栓的支撑结构优选

拉手支架支撑结构如图11所示。

图11 拉手支架支撑结构

螺栓通过拉手支架的簧片螺母将门护板的拉手前盖板和地图袋连接在一起，拉手前盖板和地图充当其支撑结构。如图11a所示，支撑结构仅在地图袋上有两个竖直方向的筋，竖直筋内部是中空结构，螺栓拧紧后，会将中空结构的没有支撑的拉手前盖板表面层压溃，螺栓头陷入拉手前盖板和地图袋的夹层中，使得螺栓不能被拆卸下来，影响其使用功能。如图11b所示，则是在地图袋两个竖直筋中间增加了圆环筋及辐条筋，这样在中空结构区域有筋的支撑作用，螺栓就不会将前盖板表面层压溃。

4 内开启手柄卡扣

4.1 内开启手柄卡扣的分类

内开启手柄挂在钣金上面，门护板安装在钣金上时，门护板的内开启手柄定位销插入内开启手柄的定位孔里面实现定位，门护板的内开启手柄卡扣卡入内开启手柄的卡接孔里面实现卡接。其卡扣结构可以分为两个半箭头型和封闭锥头型两类，结构如图12所示。

图12 内开启手柄卡扣结构

4.2 内开启手柄卡扣的优选

由于内开启手柄和门护板的相对位置有误差，两个半箭头型卡扣在和内开启手柄卡接的过程中，其中的某一个箭头卡扣和内开启手柄发生碰撞，造成其从根部折弯从而不能卡接到位，导致两者间隙大的质量缺陷，如图13所示。由于封闭型的卡扣为对称的一个封闭的整体，其卡扣强度很高，不容易发生折弯。因此，优先选择封闭锥头型卡扣。

图13 两个半箭头型卡扣根部折弯

5 结束语

门护板的紧固件为门护板和其环境件连接的重要零部件或结构。在设计中，若选用了不可靠的结构或型号，通常会造成紧固件的失效或功能外观质量问题。本文介绍了门护板的大部分紧固件及其结构，通过失效模式分析，对每种紧固件及其结构做出最优的选择，为汽车行业门护板的设计者提供经验反馈和设计参考。优选的设计策略对同行具有很好的借鉴意义。