墻壁開關按鈕和過渡件與其鄰近結構的接觸間隙對按鈕脫扣力的影響研究

彭美南 姚思捷 查海林

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

為保障墻壁開關產品在使用過程中的可靠性以及可維修性，要求墻壁開關按鈕在撥打使用的過程中不會輕易脫扣，以及按鈕在維修時便于拆卸，按照企業標準，規定按鈕的脫扣力在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所示。本文的脫扣力專指按鈕的縱向脫扣力。

但是實際生產時有時會出現按鈕脫扣力大幅度波動的問題，有的時候測出的脫扣力最大值和最小值能相差50 N左右，與設計的脫扣力差距很大。為此系統性的研究影響脫扣力的關鍵影響因素非常重要，本文以按鈕和過渡件與壓板和固定架的接觸間隙為研究對象，分析這些接觸間隙的變化對脫扣力的影響曲線。為將來開關產品的按鈕，過渡件，固定架之間的間隙設計提供指導。分析結構的示意圖如圖1所示。

圖1 分析結構的示意圖

1 受力分析

如圖2所示。按鈕在受到脫扣力P作用時，在A,B,C位置受到支持反力PA，PB，PC。脫扣力P對轉軸中心的力矩等于PA，PB，PC對轉軸中心的力矩之和。見公式（1）。

圖2 按鈕受力分析圖

式中：

P—按鈕脫扣力，由結構外形，約束和裝配間隙決定；

PA—支撐A對按鈕的支反力，該處位于開關的固定架上，該處一般有米粒筋支撐；

PB—支撐B對按鈕的支反力，該處位于開關的固定架的主壁厚上端面；

PA—支撐C對按鈕的支反力，該處位于開關的壓板上。

假設在A位置的接觸的初始間隙保持零碰零不變，B位置和C位置的初始間隙是可以變化的，變化幅度為0～0.7 mm。所以PA始終存在，PB和PC可能存在，也可能不存在。

2 按鈕脫扣力的FEA仿真分析與試驗對標

2.1 按鈕脫扣力的FEA仿真方法

2.1.1 FEA的模型組成

FEA模型包含三個部分，按鈕，過渡件，壓板和固定架局部，如圖3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（即支撐A，支撐B，支撐C），切出其局部是為了減少分析計算的時間。

2.1.2 FEA的接觸設置

1）按鈕卡扣與過渡件的接觸

過渡件的圓角與卡扣的斜坡面接觸，如圖3局部放大圖所示。

按鈕有前后卡扣，以上僅示意了前卡扣，前后兩個卡扣都要設置接觸。

2）導向筋與過渡件的接觸

如圖3局部放大圖所示，圖中是前導向筋，它與過渡件的接觸有三處，前部和兩側面。都要建接觸。后導向筋也是一樣設置。

3）按鈕與支撐A的接觸

如圖3所示，支撐A是取自固定架的一部分（如果該處是米粒筋接觸，則僅需切出米粒筋即可）。

4）按鈕與支撐B的接觸

如圖3所示，支撐B是取自固定架的一部分。

5）按鈕與支撐C的接觸

如圖3所示，支撐C取自壓板的一部分。

2.1.3 FEA的約束設置

1）約束過渡件

約束過渡件轉軸一端的中心UXUYUZ,約束過渡件轉軸另一端的中心UXUY，見圖3。不要轉軸兩端都約束UZ，否則在過渡件軸向將引起軸向拉力，提高過渡件的剛度，與事實不符。

2）固定支撐

約束支撐A，B，C的底面UXUYUZ，見圖3。

圖3 FEA分析模型

3）臨時約束

在計算步的第1步，在按鈕后邊緣線（見圖3）上施加UXUYUZ的臨時約束。如果不考慮所有的接觸的話，此時相當于按鈕就是繞著邊緣線轉動的一個“活頁”。在計算步的第2步及以后的計算步，釋放該臨時約束。

臨時約束是指為了幫助接觸收斂，臨時加在結構上，等待接觸被激活并且模型穩定后，再撤銷該約束。有的時候接觸太多，太復雜，剛開始接觸很容易計算不收斂，就仿佛一開始接觸處于未激活狀態。但是如果通過一些輔助手段，比如臨時約束，臨時強迫位移，可以在計算開始的時候把接觸激活，這樣才能保證后面的接觸計算順利進行。

以上臨時約束就是起這樣的作用，先讓按鈕變成一個“活頁”，這樣就算接觸不存在，模型也是穩定而且容易計算收斂的。第1步先施加一個小的載荷(見本文2.1.4)讓“活頁”微微動起來，這樣接觸就會被全部激活。這一步的計算，接觸是很容易收斂的。后面再撤銷該臨時約束，由于接觸在第1步已經發揮作用，后續的載荷步接觸也會持續發揮作用。

2.1.4 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。建立局部坐標系，讓局部坐標系的Y1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系Y1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。

計算分成7步完成計算，第1步加載0.2 mm，第2步加載0.5 mm，第3步加載1 mm，第4步加載2 mm，第5步加載3 mm，第6步加載4 mm，第7步加載5 mm。之所以分成多步計算，而不是一次就加載到5 mm，是因為小的加載量更有利于計算收斂。

2.1.5 FEA的網格設置

1）整體網格設置

按鈕和過渡件的整體密度定為1.5 mm。

2）接觸面網格設置

卡扣和過渡件的接觸面很小，網格定為0.1 mm。其余接觸面網格定為0.15 mm。

3）高應力位置

卡扣的三角筋的網格密度設為0.3 mm。根部圓角網格密度設為0.1 mm，以保證圓角上有3排網格，如果圓角上的網格少于三排則計算精度不夠。

2.2 FEA分析所使用的材料參數

FEA分析所使用的材料參數如表1所示，計算剛度時FEA軟件只需要輸入彈性模量E，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1 材料參數表

2.3 按鈕脫扣力試驗與FEA結果對比

使用本公司發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。如圖4所示。

圖4 按鈕脫扣力試驗臺和正在做脫扣力試驗的按鈕

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。

某型開關的脫扣力試驗值如表2所示，FEA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。按鈕脫扣瞬間的應力云圖如圖5所示。

表2 按鈕脫扣力(Y方向)的FEA計算值和試驗值

圖5 FEA軟件計算出的按鈕脫扣瞬間的應力云圖

3 按鈕和過渡件與固定架和壓板的接觸間隙對脫扣力的影響研究

3.1 B處接觸間隙對脫扣力的影響曲線

使用上述經過驗證的FEA方法計算B處接觸間隙對按鈕脫扣力的影響，讓B處接觸間隙從0～0.7 mm變化，觀察脫扣力的變化曲線，如圖6所示。

圖6 支撐B的間隙對脫扣力的影響力曲線

可以發現B處接觸間隙對按鈕脫扣力影響很小,最大僅有0.86 N的影響。所以B處接觸對按鈕脫扣力的影響可以忽略。

3.2 C處接觸間隙對脫扣力的影響曲線

使用上述經過驗證的FEA方法計算B處接觸間隙對按鈕脫扣力的影響，讓C處接觸間隙從0～0.7 mm變化，觀察脫扣力的變化曲線，如圖7所示。

圖7 支撐C的間隙對脫扣力的影響力曲線

我們發現C處接觸間隙對按鈕脫扣力影響很大,最大有10.5 N的影響，而且脫扣力最大值與脫扣力最小值之間的接觸間隙差異僅僅0.3 mm，影響非常敏感。所以C處接觸對按鈕脫扣力的影響必須得到重視。

4 優化建議

通過以上的研究，我們知道了B處接觸（按鈕外邊緣與固定架的接觸）對按鈕脫扣力影響很小，所以該處間隙的設計不需要考慮對脫扣力的影響，僅需要考慮該間隙對外觀等其它性能的影響。

C處接觸（過渡件端部與壓板的接觸）對按鈕脫扣力影響較大，而且非常敏感。所以該處間隙的設計必須非常謹慎。建議留足1.0 mm以上的間隙，保證該處的間隙受尺寸公差影響發生微小變化時對按鈕脫扣力不會造成明顯波動。

5 小結

本文對墻壁開關按鈕和過渡件與鄰近結構接觸間隙對按鈕脫扣力的影響進行了研究,結論是按鈕外邊緣與固定架的接觸（B處接觸）對按鈕脫扣力的影響很小。過渡件端部與壓板的接觸（C處接觸）對按鈕脫扣力的影響很大。優化建議：過渡件端部與壓板的間隙在1.0 mm以上，令按鈕脫扣力不會因尺寸公差發生意外波動。

本研究證明了FEA力學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。