卡扣产品设计指南 | 产品设计系列

我以前讨论过各种 塑料产品连接方法其中提到卡扣是一种常见的连接方法。在产品设计中，卡接件的形状多种多样，主要用于连接、调整和更换部件。了解卡接件对于产品设计师来说至关重要。今天，我将详细介绍产品设计中与卡扣配合相关的所有内容。

卡扣的定义

卡接是产品设计中常用的一种连接和紧固结构。它通常需要另一个辅助部件来实现连接效果，在塑料部件中尤为常见。

卡入式连接的优缺点

优势

与其他连接方法相比，卡扣是一种经济、有效、简单、方便的塑料部件连接方法。其具体优势如下

经济型:塑料卡扣可直接模压在塑料零件上，装配时无需额外的锁定部件，如螺钉或螺母，从而节约成本。

有效:卡扣的连接强度可满足大多数产品的设计要求。在需要较高连接强度的产品中，卡扣可与螺钉一起用作辅助连接。

简单方便:如果设计得当，卡入式连接可以实现快速组装和拆卸，甚至不需要额外的工具。

此外，卡入式连接还能保持产品外观的美观完整性，因此被广泛应用于对外观要求极高的消费电子产品中。

缺点

不过，卡接式连接也有一些缺点：

成型成本高:除特殊设计的机箱（通孔）外，在下列情况下形成卡接件 注塑模具 一般要求设计 滑动条 或 升降机.这些模具结构的数量会影响模具的总体成本。

高精度要求:卡扣式安装要求安装精度高。一般来说，很难在一次安装中达到正确的配合。 霉菌试验通常需要两到三次试模调整。

难以评估连接质量:由于有些卡入式连接在装配后无法从外部看到，因此很难有效判断最终的连接状态和效果。这可能导致装配不当，影响连接质量。

连接强度不足:除非卡扣啮合充分，否则卡扣很容易因塑料部件变形而松动。这在需要通过跌落测试的产品中尤为突出，因为仅靠卡扣连接可能无法满足测试要求。

有限的重用性:除了由高弹性材料或特殊结构设计制成的卡扣外，大多数卡扣的拆卸周期都是有限的。频繁拆卸会导致变形，降低卡扣啮合和连接效果。

不可逆转:一旦卡接件断裂，就会完全失效，无法修复，可能导致整个部件报废。

卡入式连接的组件

卡入式连接需要两个部件：底座部件和装配部件。

底座部件

在大多数情况下，基座部件较大、相对固定或固定，可以是单个部件或组件。它是连接的基准。例如，在汽车中，车身是大多数需要组装的装饰部件的基础部件。

装配部件

它也可以是单个部件或组件，一般比基础部件小，在装配过程中可以拿在手上。它在装配过程中移动，并最终与基本部件连接。

无论是基础部件还是装配部件，确保卡接连接可靠性的主要功能区都称为约束功能元件。有两种类型：定位元件和锁定元件，通常称为定位器和锁定器。对于组装件，这些元件被专门称为定位元件和锁定元件，但为简单起见，我们将其称为定位器和锁定器。

定位器

定位器是一种相对不灵活的约束元件，可确保装配部件和基座部件之间的精确定位，并提供除锁定力以外的分离阻力。它们在约束过程中承担主要负载。

常见的定位器类型包括：销、锥销、导轨、楔、爪、表面、边缘、凸耳、凸台、槽、孔和活铰链。

当一个部件有定位器时，另一个部件也会有相应的定位器与之匹配，共同组成定位对。

储物柜

锁定器是一种约束元件，在组装过程中会发生弹性变形，组装完成后会恢复到原来的位置，形成锁定并提供保持力。

常见的锁具类型包括：钩、爪、环、扭杆和棘轮。

当一个部件有锁定器时，另一个部件也会有相应的匹配部件。一般来说，匹配部件是定位器，而不是另一套锁具，因为它们是坚固的非柔性元件。锁定器和与之匹配的部件共同组成一对锁定装置。

所有储物柜都由两个主要元件组成：用于组装和拆卸的偏转元件以及与组装功能元件接触的固定元件。

最常见、最多变的锁扣类型是悬臂卡扣式锁扣，下面将对此进行详细讨论。

偏转元件：

在悬臂快装系统中，变形元件通常是悬臂梁。梁的形状和横截面设计非常灵活，可选择矩形、扇形、U 形或 T 形。矩形横截面是最常见的，U 形和 T 形是旨在增加横梁横截面积和提供刚度的变体。

保持元件：

在悬臂扣件中，固定元件的选择可以与变形元件（梁）本身无关。固定元件和挠度元件可以结合使用，以满足不同的要求。最常见的形式是钩型和套筒型。

对于挂钩式挡块来说，一个独特的特点是当分离力作用在锁扣上时，反作用力的作用线永远不会与梁的中轴线（对称轴）对齐。总是存在偏移 (d)，导致横梁在巨大的分离力作用下发生弯曲，尤其是在横梁最薄弱的方向。

即使是固定面角度为 90° 或接近 90° 的挂钩，也会在巨大的力作用下脱钩，固定元件的根部可能会断裂，从而导致故障。

当挂钩和匹配部件的角度都大于 90°时，固定强度会显著增加。这种设计通常用于需要较高固定强度的应用场合，如背包上的搭扣。

对于套筒式固定元件，其两端为开放式框架或边缘元件。其特点是反作用力的作用线穿过梁的中轴线，避免了挠曲力，防止了梁的弯曲。悬臂卡扣的固定强度由材料的抗拉和抗剪强度决定，因此套筒型固定元件具有很高的固定强度。

然而，套筒式固定元件有一个缺点：固有强度低。在注塑成型过程中，套筒中的某一点（熔融材料的两个前端交汇处）会形成焊缝，从而降低固定元件末端的结构强度。

改进措施：

虽然焊缝是不可避免的，但可以通过调整套筒型固定元件的结构来提高强度，例如局部增加厚度或改变焊缝位置。此外，将应力集中的角落修圆、在背面增加材料将通孔改为盲孔或增加加强筋也能提高强度。

通过了解并有效利用这些要素，产品设计师可以优化各种应用中的卡扣连接。

卡扣类型

塑料卡扣可根据拆卸难度分为可拆卸卡扣（活卡扣）和不可拆卸卡扣（死卡扣）。可拆卸按扣又可分为易拆卸按扣和难拆卸按扣。

易于拆卸的卡扣式配件:这是一种卡接式连接，无需工具即可拆卸。

难以拆卸的卡扣配件:这些卡扣式连接需要工具才能拆卸。

不可拆卸卡扣:这些连接只能通过破坏部件来拆卸。

塑料卡接连接主要利用塑料材料的弹性变形和恢复特性。这三种卡扣的区别在于卡扣的啮合面与基座零件的配合面难以分离。

因此，这与啮合量无关。有些卡接件的啮合量较小，但由于变形空间有限，很难或无法拆卸。相反，一些啮合量大的卡扣可能有足够的变形空间，使其易于手动或用简单的工具拆卸。

按形状分类

卡紧装置根据其形状可分为悬臂卡紧装置、环形卡紧装置和球形卡紧装置。

1.悬臂卡扣：

这是最常见、使用最广泛的卡扣类型，并在此基础上演变出多种形式。悬臂式卡扣还可进一步细分为：

钩型悬臂卡扣:最常用的悬臂卡入式，力线与中轴线有偏移。

套筒式悬臂卡扣配合:较少使用，力线与中轴重合。

特殊形状的悬臂卡扣:用于特殊场合，以拆卸频率高、使用寿命长而著称。

2.L 形/U 形卡扣式

这两种卡扣因其独特的形状而得名。L 形卡扣具有明显的直角转弯，而 U 形卡扣则呈半圆或弧形。

常用于需要特定角度或方向的接头。

环形卡入式

这种卡扣的特点是环形或圆形结构，适用于需要环绕或固定零件的应用场合。

3.扭转卡入式

扭转卡入式设计非常方便用户使用，可通过旋转进行连接或拆卸。

具体来说，旋转卡扣的旋转部分采用了精密的齿轮设计，以确保旋转平稳顺畅。

4.暗扣式

暗扣的主要特点是隐蔽，通常不易被发现。它们通过弹簧夹或其他装置进行内部固定，外观整洁，适用于要求外观整洁的应用场合。

5.卡扣式皮带扣

在皮带设计中，常见的带扣类型包括平扣和钩扣。

平扣外观平直，质地坚实，通常用螺丝固定。钩扣则呈 S 形或钩形，也用螺丝固定，但更方便耐用。

按大会运动轨迹分类

卡合还可分为直线运动卡合和旋转运动卡合。直线运动卡合涉及推动或滑动运动，而旋转运动卡合涉及翻转、扭转或转动运动。

1. 推动式卡扣:在最终锁定之前，装配部件和底座部件之间的接触时间相对较短（某些导向元件可能在卡扣接触底座之前就已接触）。
2. 滑动运动卡扣:装配部件在进行线性运动时与约束体保持接触，直至实现最终连接。
3. 翻转运动卡扣:装配部件上的定位元件首先与基座部件啮合，初始啮合依赖于绕初始定位对的旋转，最终啮合由锁定元件实现。
4. 扭转运动卡扣:带有轴对称约束元件的装配部件首先以直线运动与底座部件啮合，然后绕轴线旋转，在装配过程中对卡合件施加外力，并通过约束元件的联锁结构完成啮合。
5. 旋转运动卡扣:这些装置依靠推动运动和定位对上的卡接啮合。

卡入式设计原则

卡接设计的最终目标是实现两个部件之间的成功连接和固定。要实现这一目标，设计必须考虑连接可靠性、约束完整性和装配协调性，这些都是卡接连接成功的关键要求。其他考虑因素包括 工艺性 和成本效益。

1.连接可靠性

连接可靠性是卡接设计中最关键的设计标准，一般从以下几个方面考虑：

• 连接符合功能预期。
• 连接强度足够。
• 在用户操作过程中，连接保持完好，不会松动、断裂或产生噪音。
• 它可以适应产品变形或 蠕变 在使用过程中因环境因素造成的损坏。.
• 确保拆卸维修符合设计预期。

在产品设计中，所需的连接可靠性水平是根据产品的定位、组件功能和成本来选择的。并非所有设计都需要满足上述所有要求。例如，如果设计不需要经常拆卸或维护，满足前三点可能就足够了。但是，如果需要频繁拆卸，卡扣必须在拆卸后保持功能，这就会影响卡扣类型或特定设计参数的选择。例如，电源箱和遥控器的电池盖设计各不相同。

2.约束完整性

在装配或拆卸卡扣时，必须控制装配部件相对于基座部件的运动。如果没有约束，装配部件的最终状态将是不确定和不稳定的。约束可确保装配部件相对于基本部件的正确运动。

约束完整性包括定位和锁定。如果锁定是卡入式连接的最终目标，那么约束就是实现这一目标的基本要求。

常见的锁定元件包括钩、爪、环、扭杆和棘轮。这些锁紧元件及其配合部件形成锁紧对。

常见的定位元件包括销、锥销、导轨、楔、爪、表面、边缘、凸耳、凸台、槽、孔和活铰链。这些定位元件及其配合部件组成定位对。

上一节以悬臂卡接为例，广泛介绍了锁定对。下面，我们将进一步讨论定位对。

良好的连接结构应首先引导，然后定位，最后连接和固定。这一顺序同样适用于卡扣连接。

以卡扣式结构设计定位结构的好处：

• 定位结构可引导组装，使组装更容易。
• 它们确定独特的装配位置，防止装配不当而损坏卡扣。
• 它们提高了卡扣的配合精度，从而增强了连接强度。
• 它们能抵御某些方向的分离力，从而增强卡入式连接的强度。

定位结构一般以两种方式存在于零件上：

• 提供局部定位功能的零件本身固有的结构，如边缘和表面。这些固有的定位结构通常精度较低，难以控制和微调尺寸。
• 为特定定位功能而专门设计的结构，例如凸台、立柱、孔、导轨和铰链。这些结构精度更高，更易于尺寸控制和微调。

在设计约束时，完全约束是最理想的，但实际设计强调适当的约束，尽量减少欠约束和过约束。

3.装配协调

装配协调考虑的是卡接底座是为手工装配还是机器装配而设计的。目前，大多数设计都是基于手动装配。因此，在设计过程中，除了考虑卡接底座本身的运动空间外，还必须考虑人的操作空间（人体工程学）。

例如，在装配过程中，操作员应有一定的视野。如果无法避免，则应提供导向结构。

对于需要经常拆卸的卡扣，应有足够的操作空间（手指空间、工具空间），操作力度应符合人体工程学要求。

4.可制造性和成本

1. 为避免不必要的复杂性，卡入式设计应考虑避免使用侧抽芯机构。将需要侧抽芯的结构转换为不需要侧抽芯的结构，从而降低模具成本。

2. 如果卡入式模具采用斜角顶出，请检查斜角顶出过程中是否存在干扰。角度顶出装置的头部不能倾斜（顶面与顶出方向的夹角应大于 90°），否则角度顶出装置无法顺利顶出。

3. 如果顶面与顶出方向的夹角小于 90°，可采用以下三种顶出方法，但这些方法会增加模具的复杂性和成本：a) 两级斜角顶出结构 b) 内滑块结构 c) 滑块顶出结构

卡入式产品设计案例研究

01 KEEPY

KEEPY 是一款防丢助手，每件产品都标有独特的二维码和 ID 码，并配有专用应用程序。

标签设计经久耐用，能够抵御极端天气和环境条件。

激光打标技术确保了表面印迹的可读性和耐磨性。由可回收材料制成，更加环保。

每个标签都标有唯一的 QR 码，只需扫描即可管理联系信息。

在丢失或发生紧急情况时，可以快速检索到有关物主或所附物品的重要信息。

侧面的缝隙配有卡扣，可将其悬挂在各种地方。

02 普通手表

设计师的目标是重新设计手表，提升用户体验。

设计师没有把重点放在差异化上，而是重新设计了展示架。

显示屏设计成正方形，以最大限度地显示信息。

其柔软的形状使其易于互动和触摸。

显示屏略呈凹形，在触摸和滚动时能带来触感体验。

硅胶表带采用卡扣式结构，便于组装。

温度和心率传感器位于背面。

表带用磁铁固定在手腕上，确保完美贴合。

03 二进制城市扣环

这款卡扣的设计灵感来自使用打火机时拇指轻弹的动作，可用于各种城市用途，而且很容易上锁。

它由铝制成，表面经过粉末涂层和阳极氧化处理，质感上乘。

04 便携式时间管理蓝牙扬声器

这是一款复古、精致、小巧的蓝牙音箱，方便携带。前盖可以更换，以适应不同的使用场景。

在桌面使用时，前面板具有时间管理器的功能，将时间管理概念与稳定的性能和低功耗融为一体，从而提高效率和专注度。

在休闲时刻，前面板设有环境照明，通过温暖的灯光效果增添气氛。

由于其便携性，这款扬声器可以在户外、远足或露营时使用，并提供照明。

05 Circulab

这是一个模块化吹风机。

每个部件既可单独使用，也可组合成不同的产品。

更换外壳并移除加热部件后，电吹风的风扇就变成了空气循环器的风扇。

空气循环器的电池集线器可以成为造型工具的底座。

定型工具的水箱可用作口腔冲洗器或加湿器的容器。

加湿器的顶部可以变成吹风机的喷嘴。

只要它还能发挥作用，就会形成一个几乎无限的循环，为多种用途服务。