墻壁開關過渡件導向筋槽斜削對按鈕側向脫扣力的影響研究

方 毅 姚思捷 陳旭波 胡友才

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

為了保證墻壁開關按鈕在撥打使用的過程中不會輕易脫扣，按照企業標準，要求按鈕的脫扣力在（10～45）N 之間。通常，按鈕脫扣力的定義是指縱向脫扣力，如圖1（a）所示。而側向脫扣力一般是不被關注的，如圖1（b）所示。但是事實上如果側向脫扣力太小，按鈕同樣容易在撥打時脫扣。

圖1 按鈕的縱向脫扣力和側向脫扣力

按照傳統的設計，按鈕導向筋與過渡件導向筋槽的接觸面積較大，間隙較小，按鈕的側向脫扣力一般都足夠大，但是結構工程師出于方便裝配的考慮，將部分產品的過渡件導向筋槽大幅度斜削，之后便出現了側向脫扣力過小的問題。

本文分析了側向脫扣力的傳力原理，使用FEA 軟件分析按鈕的側向脫扣力，研究了導向筋斜削對按鈕側向脫扣力的影響，并介紹了一種增加側向脫扣力的方法。在進行側向脫扣力分析時，提出了一種測算按鈕材料的彎曲彈性模量的方法，令使用FEA 軟件精確分析按鈕的力學性能從難以實現變成容易實現，具有重大意義。

1 受力分析

按鈕在受到側邊脫扣力P 作用時，按鈕受到力矩M作用，如圖2 所示，M=P×d。而按鈕導向筋側邊和過渡件導向筋槽是微小的間隙或過盈接觸，此處可以傳遞一定的力矩，令按鈕不容易側翻，這樣按鈕的卡扣才能充分發揮作用。

圖2 按鈕側向脫扣時的受力分析

導向筋槽的斜削后，嚴重削弱了導向筋槽所能傳遞的力矩，進而影響卡扣發揮作用，最終削弱了側邊脫扣力P。

2 FEA 聯合試驗測算按鈕材料的彎曲彈性模量

文中研究的按鈕為PC 材質，通過注塑成型的方式制造。PC 類高分子材料在注塑成型過程中，注塑條件（如注塑壓力和注塑速度）往往會對注塑件的彈性模量造成顯著影響[3]，且實踐證明，不同的注塑條件會導致注塑件彎曲彈性模量差異非常明顯，可高達15 %。彈性模量因注塑條件帶來的差異導致難以精確測量注塑件的彎曲彈性模量，而精確的測量每一種注塑件的彈性模量對FEA 力學分析尤為重要，測量誤差將會直接影響FEA 力學分析結果，從而導致FEA 力學分析無法精準指導結構設計工作。

除此之外，產品結構外形的差異也會對注塑件的彈性模量帶來影響；標準的測量材料拉伸和彎曲彈性模量需要樣件足夠平整，且面積較大，而復雜的產品外形表面特征較多，從而導致注塑件的彈性模量更加難以測量。

本文提出一種FEA 聯合試驗的測量方法，可精準的測量復雜外形注塑件（以上述按鈕為例）的彎曲彈性模量。

前提條件為按鈕各處無論應力是否有差異，都能保證彈性模量一致；首先將注塑件按照圖3 所示彎曲受載形式約束和加載，測量其在不同壓力值Qtest下的壓力點位移量S。

具體到畢業設計的管理來說，面對新工科的要求，需要將畢業設計的總體目標分解成一系列任務，通過完成一系列的任務去實現社會崗位需求畢業生的人文素養、科技知識、實踐技能、職業能力、倫理價值和行為規范的新工科目標。從選題到完成答辯的整個教學進程都應該在傳統學科專業建設的基礎上，重新審視培養方案、管理模式、教學平臺建設的合理性,并提出對指導教師能力素質的新要求。

圖3 FEA 聯合試驗測算材料的彎曲彈性模量的加載模型

同時用FEA 軟件模擬上述彎曲過程，FEA 軟件中設置按鈕的材料彎曲彈性模量為EFEA作為初始值（EFEA設定為2 200 MPa，該值是供應商提供的標準PC 樣件的拉伸彈性模量），在同樣的壓力點位移量S 下，計算出來的壓力是QFEA。

假設結構是小變形線性結構，有：

式中：

a—結構剛度常數，由結構外形，約束和加載方式決定。

同時有：

（1）/（2），有：

已知QFEA，QFEA，EFEA，可以求出Etest，稱該值為Etest折算值。

具體數據見表1，可以發現Etest折算值和EFEA初始值差距很大，平均差11.8 %。可見如果直接使用供應商提供的標準PC 樣條的拉伸彈性模量值2 200 MPa 進行PC 件的FEA 力學分析，FEA 力學結果與試驗值的誤差將增加約11.8 %。

表1 FEA 聯合試驗測算出的按鈕材料彎曲彈性模量Etest

將Etest折算值繪制成曲線，可以發現Etest折算值的主體部分竟然基本上是一條直線！如圖4 所示，開始的時候曲線急劇上升，按鈕各點的應力開始上升，但是很快變成一條近似直線，末尾又突然下滑，應該是按鈕的部分材料發生屈服，主體部分的平均值為1 970 MPa。

該發現具有非常重要的意義。眾所周知，PC 作為高分子材料，其拉伸應力應變曲線具有典型的非線性彈性段[4]，也就是說它的彈性部分不能像一般的金屬一樣視為直線，見圖5，圖5 是實驗測得的PC 標準樣條的拉伸應力-應變曲線，彈性階段的1/3 處曲線已經開始彎曲，后面2/3 彈性階段的曲線的彈性模量急劇降低。也就是通常認為的，PC 材料所受的載荷越大，彈性模量越低。按照這個思路，PC 產品的FEA 力學分析的彈性模量需要設置成隨應力而降低的模式。

圖5 PC 樣條的拉伸應力應變曲線

但是圖4 所揭示的模式讓CAE 工程師可以直接設置按鈕的彎曲彈性模量為1 970 MPa，就可以相對比較準確的計算其彎曲力學性能，比如按鈕側向脫扣等彎曲力學行為。

圖4 按鈕的彎曲彈性模量的折算值Etest曲線

于是在FEA 軟件中，按照表2 需要輸入按鈕的彈性模量E 和泊松比μ，剪切模量G 無需輸入，FEA 軟件會根據E 和μ 自動計算出G[1]。

表2 材料參數表

3 按鈕側向脫扣力FEA 仿真方法

FEA 模型包含三個部分，按鈕、過渡件、壓板和固定架局部，如圖6 所示。壓板和固定架局部為壓板和固定架與按鈕和過渡件接觸的局部，切出局部是為了減少分析計算的時間。

按鈕與過渡件，按鈕與固定架，過渡件與壓板之間均建立接觸。約束過渡件轉軸一端的中心UXUYUZ，約束過渡件轉軸一端的中心UXUY。固定壓板和固定架局部的底面。在如圖6 所示的位置施加垂直按鈕平面向上的側向脫扣力P。

圖6 按鈕側向脫扣力的FEA 力學分析設置

4 按鈕側邊脫扣力試驗與FEA 結果對比

使用脫扣力試驗機對按鈕的側邊脫扣力進行測試（如圖7 所示），夾持開關的固定架兩側，用特制掛鉤對按鈕側邊施加向上的力，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，測試的時間將對結果影響明顯[2]，本文對測試時間的規定為5 s 內測量位移量。

某型開關的側邊脫扣力試驗值如表3 所示，FEA 計算值與之完全一致，說明本文上述側邊脫扣力FEA 計算方案是可靠的。

表3 按鈕側向脫扣力FEA 力學分析結果與試驗值差距

5 提高按鈕側向脫扣力的優化方法

1）優化方案1：取消導向筋槽斜削

本文上述受力分析中已經提到：導向筋槽斜削后，按鈕側向脫扣力會嚴重削弱,過渡件的導向筋槽斜削前后的結構對比如圖8（a）所示。取消導向筋槽斜削可以大幅度提升按鈕側向脫扣力，FEA 分析結果見表4。

2）優化方案2：增加按鈕側邊卡扣

如果過渡件導向筋槽已經斜削，而且暫時無法修改，如圖8（b）所示的側邊圓柱卡扣是一種有效提升按鈕側向脫扣力的方法。但是提升效果遠遠不如取消導向筋槽斜削。FEA 分析結果見表4。

表4 按鈕側向脫扣力的優化方案的FEA 結果

圖8 提高按鈕側向脫扣力的優化方法

6 小結

本文對墻壁開關過渡件導向筋槽斜削對按鈕側向脫扣力的影響進行了研究。結論是導向筋斜削對按鈕側向脫扣力造成極大地削弱（下降-69 %，下降22.3 N），適當的減小斜削量有助于保證按鈕側向脫扣力不被大幅度削弱。另外增加側邊的圓柱形卡扣有助于增加側向脫扣力（增加60 %，增加6 N）。

同時本文提出了一種全新的測算按鈕材料的彎曲彈性模量的方法，并發現按鈕的彎曲彈性模量基本可以近似為一個定值，而不是以往認為的，隨應力加大，PC 材料的彎曲彈性模量急劇降低。該發現具有重大意義。令注塑件的FEA 力學分析變得快捷而精確。

本研究證明了FEA 分析技術可以非常高效快速地協助設計，幫助解決產品力學性能問題，輔助研究產品的改善方向，是值得電工行業大力推廣的高科技研發技術。