墻壁開關(guān)按鈕卡扣接觸圓角對脫扣力的影響研究

彭武青 馬 騰 姚思捷 張志穎 龔光輝

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

圖1 分析結(jié)構(gòu)的示意圖

所以據(jù)此推導(dǎo)有效扣合量△Seffective，如下：

DC和BC是半徑，DC=BC=R。

不難證明，三角形ADC和三角形ABC是全等三角形，∠DAB被兩個三角形等分，有:

在三角形ABC中，有：

由于三角形ADC和三角形ABC是全等三角形，

式中：

R—按鈕卡扣的接觸圓角，如圖2所示。

圖2 扣合量削弱量△Sloss計算關(guān)系示意圖

α—按鈕卡扣的接觸坡角，如圖2所示。

在三角形ADF中，有

2 按鈕脫扣力的FEA仿真分析與試驗對標(biāo)

2.1 按鈕脫扣力的FEA仿真方法

FEA模型包含三個部分，按鈕，過渡件，固定架局部，如圖1所示。固定架局部為固定架與按鈕下邊緣接觸的局部，切出其局部是為了減少分析計算的時間。

2.1.1 FEA的接觸設(shè)置

1）按鈕卡扣與過渡件的接觸；

2）導(dǎo)向筋與過渡件的接觸；

3）按鈕與固定架局部的接觸。

2.1.2 FEA的約束設(shè)置

1）約束過渡件轉(zhuǎn)軸一端的中心UXUYUZ，約束過渡件轉(zhuǎn)軸另一端的中心UYUZ，見圖1。

2）約束固定架局部的底面UXUYUZ，見圖1。

2.1.3 FEA的加載

在如圖3所示的位置施加垂直按鈕邊緣平面向上的脫扣力。建立如圖1所示局部坐標(biāo)系，讓局部坐標(biāo)系的Z1軸垂直按鈕邊緣平面向上，然后在按鈕邊緣中央取5 mm寬的小面，小面上建一個RBE2，在RBE2的控制點施加沿局部坐標(biāo)系Z1方向的強迫位移0～5 mm。模擬試驗臺倒鉤勾住按鈕邊緣向上加載移動。

圖3 FEA軟件計算出的按鈕脫扣瞬間的卡扣接觸圓角應(yīng)力云圖

2.2 FEA分析所使用的材料參數(shù)

本文研究的按鈕的材料是PC，通過注塑成型的方式制造。但是高分子材料的注塑條件，比如注塑壓力和注塑速度，均會對注塑件的彈性模量造成很大影響[3]。

經(jīng)實測獲取FEA分析所使用的材料參數(shù),計算剛度時FEA軟件只需要輸入彈性模量E=1 970 MPa，泊松比μ=0.39，剪切模量G無需輸入，F(xiàn)EA軟件會根據(jù)E和μ自動計算出G[1]。

2.3 按鈕脫扣力試驗與FEA結(jié)果對比

使用本公司發(fā)明的專用脫扣力試驗機（專利號CN201811618593.2）對按鈕的脫扣力進行測試，夾持開關(guān)的固定架兩側(cè)，用特制掛鉤對按鈕側(cè)邊施加向上的力，緩慢加載，測量出最終的按鈕脫扣力值。由于高分子材料具有粘彈性，測試的時間將對結(jié)果影響明顯[2]，本文對測試時間的規(guī)定為5 s內(nèi)測量位移量。

某型開關(guān)的脫扣力試驗值如表1所示，F(xiàn)EA計算值與之非常接近，說明本文上述脫扣力FEA計算方案是可靠的。

表1 按鈕脫扣力(Y方向)的FEA計算值和試驗值

按鈕脫扣瞬間的卡扣接觸圓角的應(yīng)力云圖如圖3所示。有微小的灰色區(qū)域已經(jīng)屈服（框注區(qū)域）。

3 按鈕卡扣接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響研究

3.1 按鈕卡扣接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響曲線

假設(shè)按鈕脫扣力P與有效扣合量ΔSeffective成正比，有

式中：

K—按鈕的脫扣力剛度系數(shù)，可按表1的數(shù)據(jù)折算出K=85 N/mm。

R—按鈕卡扣的接觸圓角，如圖2所示。

α—按鈕卡扣的接觸坡角，如圖2所示。

讓接觸圓角R在0.1～0.5 mm之間變化，分別用公式（2）和FEA軟件進行計算出其對應(yīng)的脫扣力值，繪制出接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響曲線，如表2和圖4所示。

表2 接觸圓角R對開關(guān)按鈕脫扣力的影響敏感度

圖4 R對開關(guān)按鈕脫扣力的影響

根據(jù)表2按鈕脫扣力數(shù)據(jù)繪制出圖4。

根據(jù)圖4，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)R≤0.4 mm時，用公式算出的按鈕脫扣力和FEA計算的結(jié)果非常吻合，接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響曲線近似是一條直線。說明整體上公式(2)是準(zhǔn)確的，證明接觸圓角R確實對按鈕脫扣力有削弱作用，而且假設(shè)過渡件卡扣滑移到按鈕卡扣圓角切點卡扣即發(fā)生脫扣是合適的。

3.2 卡扣接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響敏感度曲線

變量對應(yīng)變量的影響敏感度定義為應(yīng)變量的變化率/變量的變化率。

根據(jù)表2影響敏感度的計算結(jié)果，繪制出卡扣接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響敏感度曲線，如圖5所示。

圖5 接觸圓角R對開關(guān)按鈕脫扣力的影響敏感度曲線

根據(jù)圖5，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)按鈕接觸圓角R接近卡扣扣合量ΔS=0.4 mm時，對按鈕脫扣力的影響面敏感度接近1，屬于高度敏感。當(dāng)按鈕接觸圓角R≤0.3 mm時，對按鈕脫扣力的影響面敏感度低于0.4。

4.優(yōu)化建議

4.1 按鈕接觸圓角R設(shè)計過大對產(chǎn)品性能的影響

1）接觸圓角R設(shè)計太大，會造成卡扣扣合量損失ΔSloss太大，有效卡扣扣合量ΔSeffective太小，如圖2所示，導(dǎo)致按鈕脫扣力太小，容易不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）如果接觸圓角R過大，可以通過加大卡扣扣合量ΔS來提升有效卡扣扣合量ΔSeffective，保證ΔSeffective不降低，也是一種可行的方法。但是似乎多此一舉，實踐證明，R不需要太大，R=0.2 mm就可以保持比較穩(wěn)定的按鈕脫扣力。

4.2 按鈕接觸圓角R設(shè)計過小對產(chǎn)品性能的影響

按鈕接觸圓角R如果設(shè)計太小，則接觸圓角可能被壓潰擠出，如圖6所示，導(dǎo)致脫扣力飆升；或者接觸圓角可能被削掉，導(dǎo)致脫扣力大幅下降。

圖6 某型四位開關(guān)按鈕卡扣接觸圓角壓潰變形照片

以某型四位開關(guān)的最左和最右側(cè)按鈕（左右對稱）脫扣力為例，圖紙上按鈕的卡扣的接觸圓角R未標(biāo)注尺寸和公差，造成很多接觸圓角R都是0.1 mm以下，可能造成接觸圓角可能被壓潰擠出，如圖6所示，或者接觸圓角可能被削掉。四位開關(guān)的最左側(cè)和最右側(cè)按鈕的脫扣力非常不穩(wěn)定，R=0.2 mm時按鈕脫扣力的FEA仿真結(jié)果為24.8 N，但實測出，最右側(cè)按鈕的首次脫扣力為36.1 N，偏差45.5 %，后續(xù)脫扣試驗的脫扣力不斷增加；相反,最左側(cè)按鈕的首次脫扣力只有19.1 N，偏差-23 %，后續(xù)脫扣試驗的脫扣力不斷減小。

5 小結(jié)

本文對按鈕卡扣的接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響進行了研究，首先推導(dǎo)了接觸圓角R對按鈕有效扣合量ΔSeffective的影響公式，由公式預(yù)測出接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響為線性關(guān)系。后續(xù)用FEA軟件對此預(yù)測進行了驗證。

先利用FEA軟件計算按鈕的脫扣力，并充分驗證影響FEA軟件計算結(jié)果的6大輸入?yún)?shù)：網(wǎng)格，接觸，約束，載荷，材料參數(shù)，摩擦系數(shù)等，以使FEA結(jié)果與試驗值6差距在10 %左右。然后利用該準(zhǔn)確的FEA分析模型，分析了不同按鈕卡扣接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響曲線和影響敏感度曲線。最后結(jié)合該影響曲線及試驗結(jié)果作出了接觸圓角R=0.2 mm是最佳值的結(jié)論。

本研究證明了FEA力學(xué)分析技術(shù)可以非常高效快速地協(xié)助設(shè)計，幫助解決產(chǎn)品力學(xué)性能問題，輔助研究產(chǎn)品的改善方向，是值得電工行業(yè)大力推廣的高科技研發(fā)技術(shù)。