墻壁開關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 分析結構的示意圖

所以據此推導有效扣合量△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

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的接觸設置

1）按鈕卡扣與過渡件的接觸；

2）導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的約束設置

1）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所示局部坐標系，讓局部坐標系的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力云圖

2.2 FEA分析所使用的材料參數

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]。

經實測獲取FEA分析所使用的材料參數,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，FEA軟件會根據E和μ自動計算出G[1]。

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。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1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。

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力云圖如圖3所示。有微小的灰色區域已經屈服（框注區域）。

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，可按表1的數據折算出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對開關按鈕脫扣力的影響敏感度

圖4 R對開關按鈕脫扣力的影響

根據表2按鈕脫扣力數據繪制出圖4。

根據圖4，可以發現當R≤0.4 mm時，用公式算出的按鈕脫扣力和FEA計算的結果非常吻合，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，而且假設過渡件卡扣滑移到按鈕卡扣圓角切點卡扣即發生脫扣是合適的。

3.2 卡扣接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響敏感度曲線

變量對應變量的影響敏感度定義為應變量的變化率/變量的變化率。

根據表2影響敏感度的計算結果，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對開關按鈕脫扣力的影響敏感度曲線

根據圖5，可以發現當按鈕接觸圓角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.優化建議

4.1 按鈕接觸圓角R設計過大對產品性能的影響

1）接觸圓角R設計太大，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，導致按鈕脫扣力太小，容易不滿足國家標準要求。

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就可以保持比較穩定的按鈕脫扣力。

4.2 按鈕接觸圓角R設計過小對產品性能的影響

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

圖6 某型四位開關按鈕卡扣接觸圓角壓潰變形照片

以某型四位開關的最左和最右側按鈕（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。四位開關的最左側和最右側按鈕的脫扣力非常不穩定，R=0.2 mm時按鈕脫扣力的FEA仿真結果為24.8 N，但實測出，最右側按鈕的首次脫扣力為36.1 N，偏差45.5 %，后續脫扣試驗的脫扣力不斷增加；相反,最左側按鈕的首次脫扣力只有19.1 N，偏差-23 %，后續脫扣試驗的脫扣力不斷減小。

5 小結

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，首先推導了接觸圓角R對按鈕有效扣合量ΔSeffective的影響公式，由公式預測出接觸圓角R對按鈕脫扣力的影響為線性關系。后續用FEA軟件對此預測進行了驗證。

先利用FEA軟件計算按鈕的脫扣力，并充分驗證影響FEA軟件計算結果的6大輸入參數：網格，接觸，約束，載荷，材料參數，摩擦系數等，以使FEA結果與試驗值6差距在10 %左右。然后利用該準確的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。最后結合該影響曲線及試驗結果作出了接觸圓角R=0.2 mm是最佳值的結論。

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。