基于ABAQUS的某型號耳機座插拔力研究

東莞市廣業電子有限公司研發中心實驗室 武繼輝

耳機作為電子消費品家族中的重要一員，對市場的需求更是有增不減。同時，耳機作為一款電子連接器，跟其他的連接器一樣屬于一種機械電子系統，用于不同設備或者系統之間的連接。利用強大的有限元分析軟件——ABAQUS，對耳機插拔力大小進行仿真實驗，并通過實驗設備實際測試結果作對比，得出某型號耳機插拔力大小及精度的模擬方法，對相關連接器生產廠商，有借鑒、指導意義。

1 介紹

1.1 插拔力介紹

電子連接器公端與母端對插和分離時所用的力的大小，對于不同類型的連接器，行業也規定了相應的插拔力大小標準。測量插拔力大小的原因是為了防止用戶在插入或者拔出時，不會因為力過大或過小導致連接器損壞或不能插入等狀況的出現。

1.2 關于摩擦理論

摩擦定義：兩個接觸物體表面在外力作用下相互接觸并產生相對運動或相對運動趨勢時，在接觸的表面之間產生切向運動阻力，該阻力大小與運動方向或運動趨勢方向相反。

摩擦力理論公式：

f——摩擦力；μ——摩擦系數，由兩接觸表面的材料屬性決定；G——物體本身重量或施加在其上的載荷。

圖1 經典摩擦力示意圖

插拔力的產生就是基于摩擦理論，公母端在對插時產生接觸界面，從微觀層面上來看，公母端子之間并非是通過表面接觸，而是通過表面一個個凸起的點（A-port）進行連接的，但是由于正向力的存在，來破壞這種點對點連接，形成穩定的連接，同事也能提供所要求的插拔力。在電子連接器的設計中，塑膠之間的摩擦很小，大部分是可以忽略不計的，因此插拔力的大小主要取決于公母端子間的摩擦力。針對本次仿真實驗，采用的是簡化模型，即忽略鍍層金屬影響且假定接觸方式為端子基材之間的面面接觸，因此也遵循經典摩擦力理論計算。

通過查閱《機械工程師手冊》，得知不同摩擦副間的摩擦系數見表1。

在進行接觸摩擦參數設置的時候，由于忽略了鍍層金屬之間的影響（忽略了邊界摩擦），因此所選用的摩擦系數會比實際測量時的偏大。

表1 不同摩擦副之間的摩擦系數（部分）

2 仿真分析

2.1 分析模型以及網格劃分

某型號音頻接口座由7部分組成，分別是外殼，塑膠底座，左動端子，左靜端子，右動端子，右靜端子，下端子（如圖2所示）。由于公頭和母座塑膠口采用的是過盈配合，摩擦力可以忽略不計，因此此次研究的插拔力只是公頭與端子之間的摩擦所提供，對需要研究的部分進行網格劃分，采用8節點六面體線性減縮積分單元（C3D8R），本次共劃分成85512個單元，107988個節點，如圖3所示。

圖2 某型號音頻接口座組成

圖3 端子網格劃分

2.2 材料選取

電子連接器的端子和金屬外殼一般采用銅合金和不銹鋼材料，常用的端子材料為磷青銅或者磷銅，相關材料參數如表2所示。本文研究所采用的端子材料是磷青銅——C5191。

表2 常用端子材料參數

2.3 載荷與邊界條件設置

按照裝配情況，固定端子腳以及與塑膠底座配合的部分。由于公端相對于母端端子變形很小，為了便于計算，采用剛體模擬公端，設置接觸表面以及公端位移大小與方向，裝配位置如圖4來進行仿真計算。

圖4 裝配位置

2.4 結果與后處理

公端到達工作位置時，各端子的應力應變云圖如圖5所示，此時所有動端子達到最大形變，根據應力變化指示表可知，最大應力，超出該材料的屈服極限，會產生微小的永久塑性變形，此后的插入力會變小，但是該應力值遠小于其抗拉強度。從圖6操作力-位移曲線上可以得知，插入力最高點為14.35N，拔出力最高點為6.31N。

圖5 端子應力應變云圖

圖6 操作力-位移曲線

3 機械測試

按照電子工業協會電子產品插拔力測試標準（EIA-364-13E）進行測試，測試前先進行一次插拔，使用設備是順瑩全自動插拔力試驗機（型號：1220S）并設置好設備運行參數，速度要求25.4mm/min。

本次測試共有5件樣品，分別按照測試標準程序進行測試。測試結果數據如表3、圖7所示。

表3 機械測試數據

圖7 機械測試插拔力曲線

4 總結和展望

4.1 總結

通過軟件仿真和機械測試，得出結果如表4所示：

表4 測試結果

分析誤差結果顯示，軟件仿真與機械測試的分析誤差值均小于5%，屬于高精度有限元分析方法。

通過對比仿真曲線與機械測試曲線可知：拔出力的最大值貢獻最大的是下端子，欲提高此連接器的拔出力，可對下端子的材料和結構進行優化調整來實現。

4.2 展望

通過有限元的方法可以精準快速的獲得連接器產品的插拔力，過程需要對接觸面的理解與定義、摩擦系數的選取、邊界條件的設置等有充分的了解與認識。該仿真方法可以極大的縮短連接器產品開發前期的設計驗證時間，對于產品開發周期有很大的幫助。

針對不同類型的產品，需要進行大量的驗證，找出一般參數選取規則，現在只是對插拔力進行了仿真分析，接下來，通過分析軟件，對連接器在使用時的溫度變化以及在熱循環過程中形狀變化等問題進行驗證評估。