手機耳機失效形式分析及疲勞壽命預(yù)測研究

蘇和堂，雷經(jīng)發(fā)，付騰飛，扈 靜

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，安徽 滁州 239000；2.安徽建筑大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；3.合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

隨著我國智能終端設(shè)備的普及，耳機市場得到快速發(fā)展。2013年我國耳機生產(chǎn)量為17.81億副，銷量為15.79億副，約占了全球耳機產(chǎn)業(yè)份額的一半[1]。我國耳機產(chǎn)品主要為中低端產(chǎn)品，質(zhì)量不高，壽命短，總體不合格率達到51.2%[2]。由2013年的行業(yè)規(guī)?？矗舳鷻C平均壽命延長一個月，一年將節(jié)約1.2億元人民幣。探究耳機的失效形式，延長耳機的使用壽命具有顯著的經(jīng)濟效益。本文通過在線問卷調(diào)查，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中提取耳機的失效形式及損傷原因，通過耳機導(dǎo)線的疲勞失效模擬，進行失效部位特征分析，并提出相應(yīng)的改進措施。

1 手機耳機損傷失效統(tǒng)計

手機耳機的使用壽命與使用者的行為習慣及使用頻率密切相關(guān)，耳機在使用過程中，服役狀態(tài)較為復(fù)雜，在存放時也多是隨意揉捏一團。整個壽命周期受拉力、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切等共同作用力，難以用簡單的公式進行描述。本文通過在線問卷調(diào)查的形式統(tǒng)計手機耳機使用及損壞的相關(guān)數(shù)據(jù)，回收有效問卷343份，結(jié)合拆解經(jīng)驗，推斷耳機故障易發(fā)部位，根據(jù)統(tǒng)計在耳機的損傷形式中插頭處斷裂最多，占76%，其次是線控板處斷裂，兩者共占耳機總故障的92%。耳機導(dǎo)線斷裂的原因主要有疲勞、過載和外界損傷，插頭處最易斷裂是由于耳機在使用中線材處于彎曲狀態(tài)，接頭處出現(xiàn)應(yīng)力集中所致，若耳機線材處于抖動狀態(tài)，會形成交變載荷，在接頭處很容易發(fā)生疲勞斷裂致使導(dǎo)線斷路。多數(shù)耳機通過添加節(jié)點的方式緩解彎曲疲勞損傷，但效果并不明顯。

2 耳機線纜分析模型的建立

目前采用OMTP標準接口和CTIA標準接口的手機耳機至少有四根導(dǎo)線，左聲道線、右聲道線、麥克風線和地線，地線承載的電流比較大，通常比其它線粗。高端耳機為增強信號質(zhì)量，麥克風線會單獨連接一根導(dǎo)線。每根導(dǎo)線由銅質(zhì)的漆包線絞合而成，連同有抗拉作用的尼龍纖維一起封裝成線，耳機線纜結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

1.右聲道線 2.地線 3. 尼龍纖維 4.麥克風線 5.左聲道線 6.外皮

圖1耳機線材結(jié)構(gòu)簡圖

由前述統(tǒng)計結(jié)果手機耳機損壞的原因是插頭處疲勞斷裂，為減少計算量，采用接頭連接處一根導(dǎo)線做疲勞分析。導(dǎo)線長5mm，由7股(包括6個側(cè)絲與1個芯絲)直徑0.06mm的導(dǎo)線絞合而成，捻距為1.2mm，導(dǎo)線模型與實物如圖2和圖3。

圖2耳機導(dǎo)線示意圖圖3耳機導(dǎo)線的體視顯微圖

3 拉伸疲勞分析及壽命預(yù)測

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

建立三維模型并導(dǎo)入到workbench中。材料選擇nCode DesignLife軟件材質(zhì)庫中的銅，銅的基本物理參數(shù)如表1，材質(zhì)庫有該材料的其余物理參數(shù)，包括N-S曲線和E-S曲線。

表1 銅的物理參數(shù)

采用六面體為主的網(wǎng)格劃分方式，本次模擬單元數(shù)量為62070，節(jié)點數(shù)為304663。網(wǎng)格模型對彎曲疲勞分析同樣有效，網(wǎng)格效果圖如圖4所示。

1.側(cè)絲1 2.側(cè)絲2 3.側(cè)絲3 4.側(cè)絲4 5.側(cè)絲5 6.側(cè)絲6 7.芯絲

圖4耳機單股導(dǎo)線模型網(wǎng)格剖分效果圖

3.2 靜力學(xué)求解

彎曲疲勞分析模擬中對導(dǎo)線的一端七個面全部施加固定約束。由于耳機單股導(dǎo)線由直徑為0.06mm細銅絲絞合而成，受一個很小的力即可產(chǎn)生彎曲，本文在導(dǎo)線另一端七個面施加一個與導(dǎo)線軸向垂直的力，大小為0.01N。本模擬忽略導(dǎo)線之間的摩擦，接觸方式為No Separation，探測方式為gauss point，同時設(shè)置5um的穿透值。求解項包括變形、應(yīng)力、應(yīng)變，運行軟件進行靜力學(xué)彎曲疲勞模擬，結(jié)束后調(diào)出分析結(jié)果，彎曲位移云圖如圖5，應(yīng)力云圖如圖6，由圖6知，導(dǎo)線的最大應(yīng)力達到550.55MPa。

彎曲疲勞模擬與拉伸疲勞模擬操作步驟與設(shè)置相似，分析結(jié)果見圖7，各個銅絲的疲勞壽命最小值見表2。

圖5 彎曲位移云圖

圖6 彎曲應(yīng)力云圖

圖7 彎曲疲勞壽命云圖

部位整體側(cè)絲1側(cè)絲2側(cè)絲3最小次數(shù)613.841065.2963.091947.6部位芯絲側(cè)絲4側(cè)絲5側(cè)絲6最小次數(shù)1900.41064.9613.841946.8

在導(dǎo)線外套上內(nèi)徑0.18mm，外徑0.25mm的熱縮管，該材質(zhì)的楊氏模量為172MPa，泊松比為0.439，以六面體為主的網(wǎng)格劃分方式對熱縮管網(wǎng)格劃分。熱縮管在溫度升高后會產(chǎn)生頸縮，對銅絲產(chǎn)生擠壓粘貼，故熱縮管內(nèi)壁與銅絲的接觸方式設(shè)為綁定，開始靜力學(xué)與疲勞分析。本次模擬不考慮熱縮管的疲勞壽命，疲勞分析時將熱縮管抑制。模擬的位移云圖如圖8，壽命云圖如圖9，每根銅絲的壽命分析結(jié)果見表3。

圖8 增加熱縮管的導(dǎo)線彎曲變形云圖

圖9 增加熱縮管的導(dǎo)線疲勞壽命云圖

部位整體側(cè)絲1側(cè)絲2側(cè)絲3最小次數(shù)705.721018.31078.42780.5部位芯絲側(cè)絲4側(cè)絲5側(cè)絲6最小次數(shù)2349.81017.6705.722776.5

由彎曲疲勞分析知：直接對導(dǎo)線進行彎曲疲勞分析，其最大位移發(fā)生在端面荷載處，最大位移量為0.95669mm，增加熱縮管后，導(dǎo)線載荷面的最大位移量為0.88907mm，兩者位移變化不大。但比較圖5和圖8，后者導(dǎo)線固定端的彎曲度明顯降低。沒有增加熱縮管的導(dǎo)線有效壽命為1947.6次，出現(xiàn)在側(cè)絲3上，易損部位在固定端面處最明顯。增加熱縮管后，整個絞合導(dǎo)線的有效壽命提高到2780.5次，有效壽命同樣出現(xiàn)在側(cè)絲3上。相比之下，導(dǎo)線壽命延長了42.77%。計算側(cè)絲3在兩種狀態(tài)下的疲勞敏感性，結(jié)果如圖10所示。

圖10 側(cè)絲3在兩種狀態(tài)下的疲勞敏感性

整個彎曲疲勞模擬顯示，相對于0.49N的軸向拉力，徑向0.01N的彎曲力更容易使耳機導(dǎo)線疲勞折斷，故在耳機設(shè)計時應(yīng)在接頭處添加緩沖裝置，如使用熱縮管保護導(dǎo)線，減小彎曲疲勞損傷。

4 結(jié) 論

建立分析模型，施加0.49N的軸向拉力進行拉伸疲勞分析，耳機導(dǎo)線的有效壽命達到24406次，表明正常單純的循環(huán)拉伸不會造成導(dǎo)線的疲勞破壞。

直接對導(dǎo)線施加0.01N的徑向拉力進行彎曲疲勞分析，導(dǎo)線有效疲勞壽命為1947.6次。與拉伸疲勞分析相比，彎曲疲勞是影響耳機導(dǎo)線的使用壽命的主導(dǎo)因素。通過在導(dǎo)線外增加熱縮管的方式緩解彎曲度，導(dǎo)線的壽命達到2780.5次，壽命提高42.77%。

本文所用方法能為同類電子產(chǎn)品線纜以及工程機械鋼絲繩等的疲勞壽命預(yù)測提供參考。