蘇彩虹 郭遠(yuǎn)平 成 瀚 張佳路

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315314）

前言

隨著科技發(fā)展，電器用品在人類生活中日益增多，插頭的使用也更加頻繁。為了適應(yīng)于更多場(chǎng)合和環(huán)境，插頭的結(jié)構(gòu)在不斷的改進(jìn)。其中，旋轉(zhuǎn)插頭的出現(xiàn)便很好地解決了常規(guī)插頭在狹小空間中使用的局限性。

但是現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)插頭在使用過程中還存在著一些問題：旋轉(zhuǎn)插頭內(nèi)部通常是通過連接片連接插銷和接線端子，常為鉚接，即運(yùn)動(dòng)的部件為插銷和連接片，而連接導(dǎo)線的接線端子則保持不動(dòng)。但是在旋轉(zhuǎn)過程中，連接片和接線端子會(huì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)次數(shù)增多，鉚接部長(zhǎng)期發(fā)生接觸摩擦，就會(huì)產(chǎn)生磨損甚至旋轉(zhuǎn)不暢的問題，從而造成產(chǎn)品故障多發(fā)，使用壽命縮短等問題。本文以有限元分析為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)插頭，將插銷與接線端子直接相連，且一并設(shè)置于旋轉(zhuǎn)殼中，故當(dāng)旋轉(zhuǎn)殼旋轉(zhuǎn)時(shí)，插銷與接線端子一同隨著旋轉(zhuǎn)殼運(yùn)動(dòng)，而插銷與接線端子之間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而避免了使用常規(guī)技術(shù)中連接片產(chǎn)生磨損甚至旋轉(zhuǎn)不暢的問題；采用雙凸點(diǎn)雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)過程順滑，給消費(fèi)者最佳旋轉(zhuǎn)體驗(yàn)；由于沒有使用連接片，而接線端子上接有導(dǎo)線，即旋轉(zhuǎn)過程中接線端子與導(dǎo)線是發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，通過出線孔角度設(shè)計(jì)來限制導(dǎo)線的擺動(dòng)幅度，從而降低導(dǎo)線在運(yùn)動(dòng)過程中因?yàn)閿[動(dòng)幅度大而容易與旋轉(zhuǎn)插頭內(nèi)設(shè)置的其他零件或者散絲糾纏，降低產(chǎn)品故障多發(fā)率，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。

1 出線孔設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)前蓋旋轉(zhuǎn)軸，在旋轉(zhuǎn)軸增加出線孔通孔，電源線通過出線孔伸進(jìn)接線端子中，接線端子銅螺釘壓緊電源線。出線孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖2所示。假設(shè)出線孔圓心與旋轉(zhuǎn)軸圓心的距離為X1，旋轉(zhuǎn)軸半徑為R1，出線孔半徑為R2，在旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)卡線槽，假設(shè)卡線槽相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸圓心的傾斜角度為θ1，相對(duì)于出線孔圓心的傾斜角度為θ2。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，出線孔旋轉(zhuǎn)角度為θ3，即旋轉(zhuǎn)過程中電源線的擺幅為θ3。

根據(jù)出線孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型示意圖（圖1），推出圖中表示電源線擺幅θ3與出線孔圓心與旋轉(zhuǎn)軸圓心的距離X、卡線槽相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸圓心的傾斜角度為θ1的變化規(guī)律為：

因?yàn)樯舷律w間距16.6 mm，外接電源線最大橫截面積1.5 mm2，所以旋轉(zhuǎn)孔直徑11.4 mm，R1=6.6 mm、R2=5.5 mm，可得 X1=0.1。

對(duì)以上關(guān)系式進(jìn)行整合，可以得到X2/θ1/θ2/θ3的四階方程：

因四階方程中有三個(gè)關(guān)系等式，所以只需定義其中一個(gè)參數(shù)，就可以求出模型其他參數(shù)，得到出線孔結(jié)構(gòu)模型。

為時(shí)模型具有最大旋轉(zhuǎn)壽命，選取出線角度θ2分別為35 °/40 °/45 °，計(jì)算出出線孔位置，制作手板模型，分別接1.0 mm2/ 1.5 mm2圓線、扁線，四種規(guī)格電源線進(jìn)行測(cè)試進(jìn)行5 000次旋轉(zhuǎn)壽命測(cè)試，觀察銅線的斷線率。從圖2測(cè)試結(jié)果可以看出，出線方向?yàn)棣?=45 °時(shí)，插頭可以達(dá)到最大旋轉(zhuǎn)壽命。

圖1 出線孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型示意圖

2 旋轉(zhuǎn)過程力學(xué)模型

旋轉(zhuǎn)插頭的旋轉(zhuǎn)模塊結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)前蓋設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，上下蓋設(shè)置相應(yīng)通孔，通過孔軸配合實(shí)現(xiàn)模塊旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)模塊側(cè)面與下蓋配合面同時(shí)設(shè)置凸點(diǎn)與導(dǎo)軌，采用雙凸點(diǎn)雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)使旋轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)順滑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)0 °及90 °旋轉(zhuǎn)到位提醒。通過旋轉(zhuǎn)模塊側(cè)面與下蓋配合面過盈配合控制旋轉(zhuǎn)模塊的旋轉(zhuǎn)力。

圖2 壽命測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)同類型產(chǎn)品客戶調(diào)研發(fā)現(xiàn)2.5 N旋轉(zhuǎn)力為最佳手感，消費(fèi)者感覺到舒適的力學(xué)區(qū)間為1.7～3.5 N，所以1.7～3.5 N為產(chǎn)品最大旋轉(zhuǎn)力范圍。對(duì)旋轉(zhuǎn)過程進(jìn)行發(fā)現(xiàn) ，當(dāng)凸點(diǎn)滑動(dòng)至定位凹槽最高點(diǎn)時(shí)受力最大，此位置處所需旋轉(zhuǎn)力即為消費(fèi)者使用時(shí)需要的最大旋轉(zhuǎn)力，所以對(duì)此位置處進(jìn)行受力分析。

假設(shè)旋轉(zhuǎn)力施力點(diǎn)距離旋轉(zhuǎn)軸中心距離為X1，旋轉(zhuǎn)軸距離凸點(diǎn)圓心的距離為X2；旋轉(zhuǎn)截面產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩為M，則:

以凸點(diǎn)為研究對(duì)象，建立受力模型，進(jìn)行受力分析，可得：

其中：

F—為對(duì)凸點(diǎn)所施旋轉(zhuǎn)力 ；

f—為凸點(diǎn)所受摩擦力 ；

F1—為導(dǎo)軌圓弧對(duì)凸點(diǎn)反作用力合力 ；

FN—為正壓力 ；

FC—為切力 ；

θ—為圓弧切線與X軸夾角；

k—為下蓋配合面強(qiáng)度；

Δx—為位移變量。

因插銷外露長(zhǎng)度為16 mm，施力點(diǎn)為插銷中點(diǎn)，施力點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)圓心的距離X1=17 mm，凸點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離X2=10 mm。當(dāng)F旋=1.7 N時(shí)，F(xiàn)=3.23 N；當(dāng)F旋=3.5 N時(shí)，F(xiàn)=6.65 N。摩擦力f方向與接觸圓弧相切，設(shè)置圓弧半徑R=1.8 mm，可求得θ=28 °，假設(shè)摩擦系數(shù)μs=0.5，則可以求得F1的上下限為F1=2.6～5.4 N。

對(duì)下蓋配合面的強(qiáng)度K通過仿真可以求得K=24 N/mm，則旋轉(zhuǎn)模塊側(cè)面與下蓋配合面過盈量為0.1～0.25 mm。

3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

3.1 旋轉(zhuǎn)插頭模型簡(jiǎn)化

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)旋轉(zhuǎn)插頭的旋轉(zhuǎn)過程進(jìn)行仿真模擬，追蹤旋轉(zhuǎn)力。旋轉(zhuǎn)模塊與下蓋因體積較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下蓋的弧面外形與旋轉(zhuǎn)模塊內(nèi)部不規(guī)則的結(jié)構(gòu)給建模帶來了一定的難度。根據(jù)建立有限元模型的總體原則，只分析與旋轉(zhuǎn)有關(guān)的部件與結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化模型如圖7。

圖3 最大受力點(diǎn)位置

圖4 旋轉(zhuǎn)模塊力學(xué)模型

圖5 凸點(diǎn)受力分析

3.2 旋轉(zhuǎn)插頭有限元模型處理

分別設(shè)置下蓋與旋轉(zhuǎn)模塊的過盈量為0.1 mm和0.25 mm，對(duì)零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分及材料定義，下蓋及旋轉(zhuǎn)模塊的材料均為PC（聚碳酸酯），其材料性能參數(shù)見表1。

下蓋在配合處是六個(gè)自由度方向都被限制的，選擇相應(yīng)單元的節(jié)點(diǎn)，并將其六個(gè)自由度全都限制；對(duì)于旋轉(zhuǎn)模塊旋轉(zhuǎn)過程五個(gè)自由度被限制，因?yàn)樾枰粉櫷裹c(diǎn)旋出定位槽最高點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)力，設(shè)置旋轉(zhuǎn)模塊Y軸方向旋轉(zhuǎn)5 °，分10個(gè)步長(zhǎng)運(yùn)行，Y軸方向分別施加2.6 N和5.4 N的預(yù)緊力，接觸面摩擦力系數(shù)μ設(shè)置為0.5 N，模型網(wǎng)格劃分及施加載荷圖如圖8所示。

在施加預(yù)緊力分別為2.6 N和5.4 N時(shí)，凸點(diǎn)位置最大旋轉(zhuǎn)力分別為1.85 N和3.4 N，數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，旋轉(zhuǎn)力相對(duì)誤差分別為8.8 %和4 %，有限元分析與計(jì)算結(jié)果基本吻合。

圖6 旋轉(zhuǎn)插頭CAD模型

圖7 旋轉(zhuǎn)插頭簡(jiǎn)化模型

表1 通用級(jí)聚碳酸酯的性能參數(shù)

圖8 模型網(wǎng)格劃分及施加載荷圖

圖9 預(yù)緊力為2.6 N時(shí)旋轉(zhuǎn)力曲線

圖10 預(yù)緊力為5.4 N時(shí)旋轉(zhuǎn)力曲線

4 結(jié)論

1）本文對(duì)出線孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立出線孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，根據(jù)各參數(shù)位置關(guān)系，推出電源線擺幅θ3與出線孔圓心與旋轉(zhuǎn)軸圓心的距離X、卡線槽相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸圓心的傾斜角度為θ1的變化規(guī)律，對(duì)數(shù)學(xué)關(guān)系式進(jìn)行整合，可以得到結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的四階方程，定義出線槽角度分別為35 °/40 °/45 ° ,制作手板模型進(jìn)行壽命測(cè)試，得出出線角度為45 °時(shí)，旋轉(zhuǎn)插頭可以達(dá)到最大壽命。

2）對(duì)旋轉(zhuǎn)過程進(jìn)行分析，建立旋轉(zhuǎn)模塊力學(xué)模型，通過對(duì)凸點(diǎn)進(jìn)行受力分析得出當(dāng)旋轉(zhuǎn)模塊與下蓋配合面的過盈量為0.1～0.25 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)插頭的旋轉(zhuǎn)力可達(dá)到1.7～3.5 N，給消費(fèi)者舒適旋轉(zhuǎn)體驗(yàn)。

3）通過旋轉(zhuǎn)模塊凸點(diǎn)力學(xué)模型計(jì)算與有限元受力分析數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果在施加預(yù)緊力分別為2.6 N和5.4 N時(shí)，旋轉(zhuǎn)力相對(duì)誤差分別為8.8 %和4 %，在CROE三維模型基礎(chǔ)上通過Simulate 對(duì)旋轉(zhuǎn)模塊與配合下蓋進(jìn)行受力分析，為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。