基于插拔手感需求的插套設(shè)計(jì)方法研究

章衛(wèi)軍 張希偉 皮世平 楊杰

（公牛集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

插套是插座中與插頭插銷插合，并夾持插頭插銷從而實(shí)現(xiàn)載流功能的重要五金件，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響著插座使用的安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也決定著插座插拔的舒適性，即插拔手感。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是插套設(shè)計(jì)的核心，在達(dá)成材料利用率最高化、成本最低化的情況下，除確保插套具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度外，最重要的是能保證為與其插合的插頭插銷提供一定的接觸壓力，俗稱夾持力。夾持力的大小決定著插拔力的大小，影響著插拔手感。插座插套設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方法主要是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)的插拔力來反推所需的夾持力，進(jìn)而設(shè)計(jì)滿足要求的插套。然而插拔力的標(biāo)準(zhǔn)范圍寬泛、經(jīng)驗(yàn)范圍模糊，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的插套夾持力千差萬別，插座插拔力大小迥異、插拔手感良莠不齊，容易出現(xiàn)插座質(zhì)量合格但手感極差的現(xiàn)象。為設(shè)計(jì)出質(zhì)量過關(guān)且手感柔順的插座，最有效的方法是根據(jù)既符合標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)又能滿足柔順插拔手感需求的插拔力來設(shè)計(jì)插座插套。為此，可將市場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)驗(yàn)證獲得的柔順插拔手感對(duì)應(yīng)的插拔力作為插座插拔力的期望值，通過分析并改變影響插拔力大小的插套材料、形狀和尺寸等因素來設(shè)計(jì)不同的插套方案，然后采用正交試驗(yàn)法和有限元分析法對(duì)其插拔力進(jìn)行分析匯總，最終選擇出插拔力與期望值最接近的插套設(shè)計(jì)方案。采用該方法設(shè)計(jì)插套，插座的研發(fā)周期將整體縮短，成本會(huì)大幅下降，既能保證相關(guān)設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的符合性又可確保插拔手感的柔順性。

1 柔順手感插拔力的確定

合理地確定出柔順插拔手感對(duì)應(yīng)的插拔力期望值，科學(xué)地轉(zhuǎn)化為插套設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1.1 插拔力概念

如圖1和圖2所示，在將插銷插入和拔出插座的過程中，插套受插銷擠壓發(fā)生變形，會(huì)產(chǎn)生作用在插銷插套接觸位置上的法向壓力FPI、FP2，即夾持力。同時(shí)，插銷插套存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，于是在插銷插套接觸位置的切向上便形成有摩擦力FfI、Ff2。作用在插銷上的法向壓力和切向摩擦力在插銷移動(dòng)反方向上的合力成為插銷移動(dòng)的阻力。為將插銷插入和拔出插座，施加的與插銷移動(dòng)阻力大小相同而方向相反的外力，就是插座的插入力Fin和拔出力Fout。

圖1 插銷插入過程示意圖

圖2 插銷拔出過程示意圖

根據(jù)研究目的不同，可將插拔力分為單插銷插拔力和多插銷插拔力，對(duì)應(yīng)也叫單極插拔力和整體插拔力。在研究柔順插拔手感對(duì)應(yīng)的插座插拔力時(shí)，為利于分析及測(cè)試，采用整體插拔力概念；在設(shè)計(jì)插套時(shí)，夾持力則需根據(jù)單極插拔力來計(jì)算。單極插拔力則又是根據(jù)整體插拔力要求來設(shè)定的。

1.2 插拔力特征

插銷移動(dòng)過程中，插套的變形量和插銷插套的接觸位置是不斷變化的，因此作用在插銷上的接觸壓力和摩擦力也是不斷變化的，插拔力也隨之發(fā)生非線性變化。

插座整體插拔力曲線可由全自動(dòng)插拔力試驗(yàn)機(jī)測(cè)出，如圖3所示。插入過程存在推開保護(hù)門最大力、整體最大插入力，拔出過程存在整體最大拔出力。其中，由于三扁插頭的E極插銷長(zhǎng)21mm，L、N極插銷長(zhǎng)18mm[1]，E極插銷先于L、N極與對(duì)應(yīng)插套插合，因此插入過程會(huì)出現(xiàn)E極插銷最大插入力及穩(wěn)定插入力。

圖3 插座整體插拔力曲線

1.3 整體插拔力與單極插拔力之間的換算

為便于分析和研究，插座插拔手感對(duì)應(yīng)的插拔力采用整體最大插拔力，插套方案設(shè)計(jì)采用單極最大插拔力。為將插拔手感需求的整體最大插拔力分解到單極最大插拔力，需要獲取整體最大插拔力與單極最大插拔力之間的關(guān)系。

可以推斷，三極整體最大插入力主要是在E極穩(wěn)定插入力基礎(chǔ)上疊加L、N極最大插入力。兩極整體最大插入力大致等于L、N極最大插入力之和。所有插頭整體最大拔出力大致等于各單極最大拔出力之和。為盡量減小理論合力與實(shí)際合力之間的差異，這里引入合力系數(shù)。以上關(guān)系可用式（1）～式（4）表示：

式中，F(xiàn)in三極整體max為三極整體最大插入力；FinL極max、FinN極max分別為L(zhǎng)、N極最大插入力；FinE極sta為E極穩(wěn)定插入力；α為合力系數(shù)。

式中，F(xiàn)out三極整體max為三極整體最大拔出力；FoutL極max、FoutN極max、FoutE極max分別為L(zhǎng)、N和E極最大拔出力；β為合力系數(shù)。

式中，F(xiàn)in兩極整體max為兩極整體最大插入力；FinL極max、FinN極max分別為L(zhǎng)、N極最大插入力；γ為合力系數(shù)。

式中，F(xiàn)out兩極整體max為兩極整體最大拔出力；FoutL極max、FoutN極max分別為L(zhǎng)、N極最大拔出力；η為合力系數(shù)。

由于固定式插座和延長(zhǎng)線插座的插套安裝限位方式存在差異，以及三極和兩極插頭插銷結(jié)構(gòu)的差異，再加上測(cè)試誤差等因素，合力系數(shù)α、β、γ和η實(shí)際測(cè)試結(jié)果相應(yīng)也存在差異，其參考值見表1。

1.4 插拔力期望值的確定

對(duì)插座插拔力大小的設(shè)定，其實(shí)質(zhì)是對(duì)插套所提供的夾持力大小的規(guī)定。從插拔力的概念可以看出，設(shè)定的插拔力越大，則需插套提供的夾持力就越大，反之亦然。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，夾持力越小，插銷插套磨損越輕，使用壽命相對(duì)越長(zhǎng)。但隨著夾持力的減小，插銷插套的接觸電阻將急劇增大，溫升快速增加，影響插座安全性；反之，夾持力越大，接觸電阻越小，溫升越低，插座安全性相對(duì)越高。但在插銷插套的材料、截面積和接觸面積一定時(shí)，接觸電阻在夾持力達(dá)到2N以后就基本不再變化[2]，而隨著夾持力的繼續(xù)增大，插銷插套磨損將越發(fā)嚴(yán)重，影響使用壽命。因此，插拔力的經(jīng)驗(yàn)范圍模糊難定。

表1 合力系數(shù)參考值

GB2099.7規(guī)定，額定電流不大于10A時(shí)，兩極整體最大拔出力為40N，三極整體最大插拔力為50N，各極最小拔出力為1.5N[3]。所以，標(biāo)準(zhǔn)范圍寬泛。

此外，插拔力的大小直接決定著插座的插拔手感。所以，在設(shè)定插座插拔力的期望值時(shí)，既要符合標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，也應(yīng)滿足柔順插拔手感對(duì)插拔力的需求。

鑒于此，根據(jù)已有插座插拔手感市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)分析結(jié)果和樣品試驗(yàn)情況，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，再考慮實(shí)際制造過程不確定性因素，對(duì)柔順插拔手感對(duì)應(yīng)的整體最大插拔力期望值作表2規(guī)定，供參考。

表2 柔順插拔手感對(duì)應(yīng)的整體最大插拔力期望值

單極最大插拔力期望值可根據(jù) 式（1）～（4）以及標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理設(shè)定。

2 插套方案的正交設(shè)計(jì)

插套方案設(shè)計(jì)包括材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。插套材料的選擇是在綜合考慮材料的導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和價(jià)格等因素后做出性價(jià)比最優(yōu)的選擇。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以獲得一定插拔力為目的，對(duì)影響插套夾持力大小的主要結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2.1 材料選擇

插套應(yīng)具良好的導(dǎo)電性能、較強(qiáng)的吸熱、導(dǎo)熱能力，以保證通電過程產(chǎn)生較低的溫升，同時(shí)還應(yīng)具有良好的彈性和疲勞性能，能給與之頻繁插合的插銷提供穩(wěn)定持久的夾持力。因此，插套材料應(yīng)具有較大的導(dǎo)電率、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)應(yīng)具有較高的彈性模量和屈服強(qiáng)度，此外根據(jù)成本需要，還應(yīng)考慮合適的價(jià)格。

插套材料一般選用導(dǎo)電、導(dǎo)熱、吸熱性能良好的銅合金，如黃銅和錫磷青銅等，其相關(guān)參數(shù)見表3。為滿足插座正常操作要求，插套主體部分一般選用0.5～0.8mm厚的黃銅或錫磷青銅。如果側(cè)重成本因素，往往選擇黃銅，如果追求較高的疲勞性能和插拔力穩(wěn)定性則選取彈性模量和屈服強(qiáng)度相對(duì)較高的錫磷青銅。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

材料選定之后，就需要對(duì)常見插套模型進(jìn)行分析，確定出影響插拔力大小的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，通過改變這些結(jié)構(gòu)尺寸，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)出不同的插套方案。

（1）插套模型

根據(jù)外形結(jié)構(gòu)，常見插套模型可分為R型、U型和雙用型，其中U型插套又可分為底面U型和正面U型，外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表3 常用銅材參數(shù)

圖4 常見插套外形結(jié)構(gòu)

（2）影響插拔力的尺寸分析

直接分析影響插拔力大小的插套結(jié)構(gòu)尺寸較為困難，但可先建立插套受力簡(jiǎn)圖，間接對(duì)插套結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析。插套受力簡(jiǎn)圖建立在對(duì)插套實(shí)際安裝位置約束情況和實(shí)際變形分析基礎(chǔ)之上。

根據(jù)實(shí)際分析，本文R型插套、雙用型兩扁插套受力簡(jiǎn)圖可用圖5a表示，雙用型兩圓插套和底面、正面U型插套的受力簡(jiǎn)圖可用圖5b表示。

圖5 插套受力簡(jiǎn)圖

插套夾持力P的大小決定著插座插拔力的大小，圖5a中夾持力P計(jì)算公式為：

當(dāng)L=0時(shí)，式（5）便演變成圖5b中夾持力P的計(jì)算公式：

式中，E為插套材料的彈性模量；Ⅰ為插套截面慣性矩；f為插套的撓度；H、L為插套參與變形部分的長(zhǎng)度尺寸。

彈性模量E由插套材料的選擇決定；截面慣性矩Ⅰ由插套的寬度和材料厚度決定；插銷的結(jié)構(gòu)尺寸為標(biāo)準(zhǔn)值，因此插套撓度f由插套的開口尺寸決定；插套變形部分長(zhǎng)度尺寸H和L則由影響插套參與變形部分長(zhǎng)度的尺寸決定。

基于上述分析，各插套模型影響插拔力大小的主要結(jié)構(gòu)尺寸分析匯總見表4。

實(shí)踐和分析證明，與插拔力正相關(guān)的尺寸為W、W1、W2、T、H、β，與插拔力負(fù)相關(guān)的尺寸為K、B、D、θ。利用該結(jié)論，通過改變插套結(jié)構(gòu)尺寸能快速獲得較為理想的插拔力。

（3）插套結(jié)構(gòu)方案的正交設(shè)計(jì)

插套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是對(duì)影響插拔力大小的主要結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)以獲取特定的插拔力。而影響插拔力大小的主要結(jié)構(gòu)尺寸較多，通過改變這些主要結(jié)構(gòu)尺寸，將產(chǎn)生數(shù)量巨大的插套設(shè)計(jì)方案，這無疑影響了理想插套方案的選取效率。這里，采用正交試驗(yàn)法來設(shè)計(jì)插套方案，將大大減少插套方案數(shù)量，利于插套目標(biāo)方案的高效確定。

插套結(jié)構(gòu)正交設(shè)計(jì)中的因素?cái)?shù)量為影響插拔力大小的主要結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)量，因素水平為主要結(jié)構(gòu)尺寸變化產(chǎn)生的個(gè)數(shù)，利用Minitab軟件中的DOE模塊就可以得到不同插套結(jié)構(gòu)的正交設(shè)計(jì)方案。

表4 影響插套插拔力大小的主要結(jié)構(gòu)尺寸分析匯總表

以底面U型插套為例：材料選擇0.6mm厚的XYK-6（Y2），即厚度T為0.6；尺寸W因結(jié)構(gòu)需要，一般變化量不會(huì)太大；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，夾角θ大到一定值時(shí)，對(duì)插拔力的影響不大。因此，可將厚度T、寬度W和夾角θ設(shè)為定值，變化K、B、H、β四個(gè)尺寸，每個(gè)尺寸變化出三個(gè)數(shù)值，可采用4因素3水平正交表L9（34）[4]來設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 插套結(jié)構(gòu)方案正交設(shè)計(jì)表（以底面U型為例）

3 插套插拔力的計(jì)算

插套插拔力在插拔插銷的過程中呈非線性變化，很難用公式精確計(jì)算，但可用有限元分析軟件對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬逼近，減少設(shè)計(jì)過程反復(fù)改進(jìn)和驗(yàn)證的次數(shù)，節(jié)約設(shè)計(jì)成本[5]，提高插套設(shè)計(jì)效率。本文采用Creo Parametric 3.0 Simulate仿真模塊，以底面U型插套為例對(duì)模擬分析過程進(jìn)行說明。

3.1 仿真模型及其條件設(shè)置

仿真模型以及仿真條件設(shè)置恰當(dāng)與否直接決定著仿真結(jié)果的可信度。

如圖6所示，仿真模型應(yīng)包括插銷、插套和固定座。插銷和插套除尺寸應(yīng)與設(shè)計(jì)保持一致外，約束條件的設(shè)置應(yīng)接近實(shí)際工況。插銷設(shè)置為僅有插拔方向上的直線運(yùn)動(dòng)，且位移應(yīng)參照實(shí)際設(shè)計(jì)要求，插套插拔方向上應(yīng)加以約束，固定座須完全約束。

圖6 仿真模型及約束設(shè)置

插套材料選用XYK-6（Y2），插銷材料選用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的插拔力試驗(yàn)插頭用的鋼材，固定座材料選用PC，所有材料彈性模量按實(shí)際數(shù)值設(shè)置。插銷和插套在插拔過程中設(shè)置為運(yùn)動(dòng)接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。

3.2 仿真結(jié)果

通過仿真計(jì)算，可以直觀地觀察插套的變形過程，其變形情況如圖7所示。

圖7 插套變形圖

圖8 為全局應(yīng)力分布情況以及插銷插套的接觸應(yīng)力情況?？梢钥闯?，插套局部的應(yīng)力超出屈服應(yīng)力，但大部分仍處于屈服極限480MPa之下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不影響正常使用，當(dāng)然也可以通過加圓角等措施改善應(yīng)力分布，解決應(yīng)力集中問題。從分析結(jié)果看，接觸應(yīng)力不超過60MPa，設(shè)計(jì)時(shí)一般無需關(guān)注。

圖8 全局應(yīng)力分布圖和接觸應(yīng)力分布圖（方案DOE2）

插拔力變化過程可用軟件插拔力曲線刻畫，如圖9所示。

圖9 插拔力曲線

插拔力數(shù)值可從軟件相關(guān)報(bào)表中讀取。利用該方法對(duì)表5中的插套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，其插拔力計(jì)算結(jié)果見表6。

由此可以看出，通過該方法來設(shè)計(jì)插套，可以快速得出各種方案的插拔力結(jié)果，不僅能節(jié)省大量的樣品制作和驗(yàn)證費(fèi)用，而且將大大縮短整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)周期，效率極高。

表6 插套插拔力計(jì)算結(jié)果

4 插套方案的確定

插座設(shè)計(jì)時(shí)，除雙用孔只能選用雙用型插套外，三扁孔、兩扁孔既可選用R型插套也可選用U型插套，具體需綜合考慮插座結(jié)構(gòu)、插孔布局以及成本等因素來選取不同形式進(jìn)行組合。在插套形式選定后，根據(jù)柔順手感對(duì)應(yīng)的最大插拔力期望值，利用整體插拔力與單極插拔力之間的換算關(guān)系，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，最終選擇出插拔力滿足需求的插套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。為保證柔順的插拔手感，在選取插套結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行組合時(shí)，應(yīng)首先保證各插套組合形成的整體最大插入力在期望值附近，同時(shí)保證拔出力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且盡可能的大。

以某款延長(zhǎng)線插座兩扁孔插套設(shè)計(jì)為例，插座整體最大插入力期望值為40N，拔出力期望值為25N，考慮到合力系數(shù)，單個(gè)插套的插入力期望值應(yīng)為22.2N，拔出力期望值應(yīng)為11.4N。材料選擇0.6mm厚的XYK-6（Y2），插套模型選用兩個(gè)底面U型，則表6中最接近插拔力要求的插套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為DOE2。

5 測(cè)試驗(yàn)證

采用0.6mm厚的XYK-6（Y2），以表5插套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案DOE2生產(chǎn)插套樣品，并裝入延長(zhǎng)線插座兩扁插孔中，按GB2099.1中相關(guān)要求和方法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，如圖10所示。

圖1 0 插拔力測(cè)試驗(yàn)證

整體最大插拔力的實(shí)測(cè)值和采用本設(shè)計(jì)方法所計(jì)算的理論值的對(duì)比結(jié)果以及正常操作后的單極最小拔出力和溫升測(cè)試結(jié)果見表7。

表7 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

可以看出，插座整體最大插拔力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值比較接近，處于期望值附近，可以保證柔順的插拔手感。此外，正常操作試驗(yàn)后的溫升、單極拔出力等指標(biāo)也滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

插座的插拔手感由插座的插拔力決定，好的插拔手感對(duì)應(yīng)的插拔力可根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)要求確定。而插座的插拔力又主要由插套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定。因此可以說，依據(jù)好的插拔手感對(duì)應(yīng)的插拔力來合理設(shè)計(jì)插套結(jié)構(gòu)，反過來可以獲得柔順的插拔手感。

本文對(duì)影響插拔力大小的插套主要結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了分析，建立了插拔力與插套結(jié)構(gòu)尺寸之間的變化關(guān)系。然后，以獲取柔順插拔手感對(duì)應(yīng)的插拔力為目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法和有限元分析法來設(shè)計(jì)、優(yōu)化和選擇插套結(jié)構(gòu)方案。實(shí)踐證明，采用該方法來設(shè)計(jì)插套，效率高，成本低，不僅可保證相應(yīng)插座對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的符合性，也可以保證相應(yīng)插座插拔手感的柔順性。