墻壁開(kāi)關(guān)按鈕和過(guò)渡件與其鄰近結(jié)構(gòu)的接觸間隙對(duì)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(kāi)關(guān)產(chǎn)品在使用過(guò)程中的可靠性以及可維修性，要求墻壁開(kāi)關(guān)按鈕在撥打使用的過(guò)程中不會(huì)輕易脫扣，以及按鈕在維修時(shí)便于拆卸，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)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(shí)際生產(chǎn)時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)按鈕脫扣力大幅度波動(dòng)的問(wèn)題，有的時(shí)候測(cè)出的脫扣力最大值和最小值能相差50 N左右，與設(shè)計(jì)的脫扣力差距很大。為此系統(tǒng)性的研究影響脫扣力的關(guān)鍵影響因素非常重要，本文以按鈕和過(guò)渡件與壓板和固定架的接觸間隙為研究對(duì)象，分析這些接觸間隙的變化對(duì)脫扣力的影響曲線。為將來(lái)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的按鈕，過(guò)渡件，固定架之間的間隙設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。分析結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示。

圖1 分析結(jié)構(gòu)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(shí)，在A,B,C位置受到支持反力PA，PB，PC。脫扣力P對(duì)轉(zhuǎn)軸中心的力矩等于PA，PB，PC對(duì)轉(zhuǎn)軸中心的力矩之和。見(jiàn)公式（1）。

圖2 按鈕受力分析圖

式中：

P—按鈕脫扣力，由結(jié)構(gòu)外形，約束和裝配間隙決定；

PA—支撐A對(duì)按鈕的支反力，該處位于開(kāi)關(guān)的固定架上，該處一般有米粒筋支撐；

PB—支撐B對(duì)按鈕的支反力，該處位于開(kāi)關(guān)的固定架的主壁厚上端面；

PA—支撐C對(duì)按鈕的支反力，該處位于開(kāi)關(guān)的壓板上。

假設(shè)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(yàn)對(duì)標(biāo)

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(gè)部分，按鈕，過(guò)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(guò)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(jì)算的時(shí)間。

2.1.2 FEA的接觸設(shè)置

1）按鈕卡扣與過(guò)渡件的接觸

過(guò)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(gè)卡扣都要設(shè)置接觸。

2）導(dǎo)向筋與過(guò)渡件的接觸

如圖3局部放大圖所示，圖中是前導(dǎo)向筋，它與過(guò)渡件的接觸有三處，前部和兩側(cè)面。都要建接觸。后導(dǎo)向筋也是一樣設(shè)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(shè)置

1）約束過(guò)渡件

約束過(guò)渡件轉(zhuǎn)軸一端的中心UXUYUZ,約束過(guò)渡件轉(zhuǎn)軸另一端的中心UXUY，見(jiàn)圖3。不要轉(zhuǎn)軸兩端都約束UZ，否則在過(guò)渡件軸向?qū)⒁疠S向拉力，提高過(guò)渡件的剛度，與事實(shí)不符。

2）固定支撐

約束支撐A，B，C的底面UXUYUZ，見(jiàn)圖3。

圖3 FEA分析模型

3）臨時(shí)約束

在計(jì)算步的第1步，在按鈕后邊緣線（見(jiàn)圖3）上施加UXUYUZ的臨時(shí)約束。如果不考慮所有的接觸的話，此時(shí)相當(dāng)于按鈕就是繞著邊緣線轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)“活頁(yè)”。在計(jì)算步的第2步及以后的計(jì)算步，釋放該臨時(shí)約束。

臨時(shí)約束是指為了幫助接觸收斂，臨時(shí)加在結(jié)構(gòu)上，等待接觸被激活并且模型穩(wěn)定后，再撤銷該約束。有的時(shí)候接觸太多，太復(fù)雜，剛開(kāi)始接觸很容易計(jì)算不收斂，就仿佛一開(kāi)始接觸處于未激活狀態(tài)。但是如果通過(guò)一些輔助手段，比如臨時(shí)約束，臨時(shí)強(qiáng)迫位移，可以在計(jì)算開(kāi)始的時(shí)候把接觸激活，這樣才能保證后面的接觸計(jì)算順利進(jìn)行。

以上臨時(shí)約束就是起這樣的作用，先讓按鈕變成一個(gè)“活頁(yè)”，這樣就算接觸不存在，模型也是穩(wěn)定而且容易計(jì)算收斂的。第1步先施加一個(gè)小的載荷(見(jiàn)本文2.1.4)讓“活頁(yè)”微微動(dòng)起來(lái)，這樣接觸就會(huì)被全部激活。這一步的計(jì)算，接觸是很容易收斂的。后面再撤銷該臨時(shí)約束，由于接觸在第1步已經(jīng)發(fā)揮作用，后續(xù)的載荷步接觸也會(huì)持續(xù)發(fā)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(biāo)系，讓局部坐標(biāo)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(gè)RBE2，在RBE2的控制點(diǎn)施加沿局部坐標(biāo)系Y1方向的強(qiáng)迫位移0～5 mm。模擬試驗(yàn)臺(tái)倒鉤勾住按鈕邊緣向上加載移動(dòng)。

計(jì)算分成7步完成計(jì)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(jì)算，而不是一次就加載到5 mm，是因?yàn)樾〉募虞d量更有利于計(jì)算收斂。

2.1.5 FEA的網(wǎng)格設(shè)置

1）整體網(wǎng)格設(shè)置

按鈕和過(guò)渡件的整體密度定為1.5 mm。

2）接觸面網(wǎng)格設(shè)置

卡扣和過(guò)渡件的接觸面很小，網(wǎng)格定為0.1 mm。其余接觸面網(wǎng)格定為0.15 mm。

3）高應(yīng)力位置

卡扣的三角筋的網(wǎng)格密度設(shè)為0.3 mm。根部圓角網(wǎng)格密度設(shè)為0.1 mm，以保證圓角上有3排網(wǎng)格，如果圓角上的網(wǎng)格少于三排則計(jì)算精度不夠。

2.2 FEA分析所使用的材料參數(shù)

FEA分析所使用的材料參數(shù)如表1所示，計(jì)算剛度時(shí)FEA軟件只需要輸入彈性模量E，泊松比μ，剪切模量G無(wú)需輸入，F(xiàn)EA軟件會(huì)根據(jù)E和μ自動(dòng)計(jì)算出G[1]。

表1 材料參數(shù)表

2.3 按鈕脫扣力試驗(yàn)與FEA結(jié)果對(duì)比

使用本公司發(fā)明的專用脫扣力試驗(yàn)機(jī)（專利號(hào)CN201811618593.2）對(duì)按鈕的脫扣力進(jìn)行測(cè)試，夾持開(kāi)關(guān)的固定架兩側(cè)，用特制掛鉤對(duì)按鈕側(cè)邊施加向上的力，緩慢加載，測(cè)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(yàn)臺(tái)和正在做脫扣力試驗(yàn)的按鈕

由于高分子材料具有粘彈性，測(cè)試的時(shí)間將對(duì)結(jié)果影響明顯[2]，本文對(duì)測(cè)試時(shí)間的規(guī)定為5 s內(nèi)測(cè)量位移量。

某型開(kāi)關(guān)的脫扣力試驗(yàn)值如表2所示，F(xiàn)EA計(jì)算值與之非常接近，說(shuō)明本文上述脫扣力FEA計(jì)算方案是可靠的。按鈕脫扣瞬間的應(yīng)力云圖如圖5所示。

表2 按鈕脫扣力(Y方向)的FEA計(jì)算值和試驗(yàn)值

圖5 FEA軟件計(jì)算出的按鈕脫扣瞬間的應(yīng)力云圖

3 按鈕和過(guò)渡件與固定架和壓板的接觸間隙對(duì)脫扣力的影響研究

3.1 B處接觸間隙對(duì)脫扣力的影響曲線

使用上述經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的FEA方法計(jì)算B處接觸間隙對(duì)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(duì)脫扣力的影響力曲線

可以發(fā)現(xiàn)B處接觸間隙對(duì)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(duì)按鈕脫扣力的影響可以忽略。

3.2 C處接觸間隙對(duì)脫扣力的影響曲線

使用上述經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的FEA方法計(jì)算B處接觸間隙對(duì)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(duì)脫扣力的影響力曲線

我們發(fā)現(xiàn)C處接觸間隙對(duì)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(duì)按鈕脫扣力的影響必須得到重視。

4 優(yōu)化建議

通過(guò)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(duì)按鈕脫扣力影響很小，所以該處間隙的設(shè)計(jì)不需要考慮對(duì)脫扣力的影響，僅需要考慮該間隙對(duì)外觀等其它性能的影響。

C處接觸（過(guò)渡件端部與壓板的接觸）對(duì)按鈕脫扣力影響較大，而且非常敏感。所以該處間隙的設(shè)計(jì)必須非常謹(jǐn)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(fā)生微小變化時(shí)對(duì)按鈕脫扣力不會(huì)造成明顯波動(dòng)。

5 小結(jié)

本文對(duì)墻壁開(kāi)關(guān)按鈕和過(guò)渡件與鄰近結(jié)構(gòu)接觸間隙對(duì)按鈕脫扣力的影響進(jìn)行了研究,結(jié)論是按鈕外邊緣與固定架的接觸（B處接觸）對(duì)按鈕脫扣力的影響很小。過(guò)渡件端部與壓板的接觸（C處接觸）對(duì)按鈕脫扣力的影響很大。優(yōu)化建議：過(guò)渡件端部與壓板的間隙在1.0 mm以上，令按鈕脫扣力不會(huì)因尺寸公差發(fā)生意外波動(dòng)。

本研究證明了FEA力學(xué)分析技術(shù)可以非常高效快速地協(xié)助設(shè)計(jì)，幫助解決產(chǎn)品力學(xué)性能問(wèn)題，輔助研究產(chǎn)品的改善方向，是值得電工行業(yè)大力推廣的高科技研發(fā)技術(shù)。