東莞市廣業(yè)電子有限公司研發(fā)中心實驗室 武繼輝

耳機作為電子消費品家族中的重要一員，對市場的需求更是有增不減。同時，耳機作為一款電子連接器，跟其他的連接器一樣屬于一種機械電子系統(tǒng)，用于不同設備或者系統(tǒng)之間的連接。利用強大的有限元分析軟件——ABAQUS，對耳機插拔力大小進行仿真實驗，并通過實驗設備實際測試結果作對比，得出某型號耳機插拔力大小及精度的模擬方法，對相關連接器生產(chǎn)廠商，有借鑒、指導意義。

1 介紹

1.1 插拔力介紹

電子連接器公端與母端對插和分離時所用的力的大小，對于不同類型的連接器，行業(yè)也規(guī)定了相應的插拔力大小標準。測量插拔力大小的原因是為了防止用戶在插入或者拔出時，不會因為力過大或過小導致連接器損壞或不能插入等狀況的出現(xiàn)。

1.2 關于摩擦理論

摩擦定義：兩個接觸物體表面在外力作用下相互接觸并產(chǎn)生相對運動或相對運動趨勢時，在接觸的表面之間產(chǎn)生切向運動阻力，該阻力大小與運動方向或運動趨勢方向相反。

摩擦力理論公式：

f——摩擦力；μ——摩擦系數(shù)，由兩接觸表面的材料屬性決定；G——物體本身重量或施加在其上的載荷。

圖1 經(jīng)典摩擦力示意圖

插拔力的產(chǎn)生就是基于摩擦理論，公母端在對插時產(chǎn)生接觸界面，從微觀層面上來看，公母端子之間并非是通過表面接觸，而是通過表面一個個凸起的點（A-port）進行連接的，但是由于正向力的存在，來破壞這種點對點連接，形成穩(wěn)定的連接，同事也能提供所要求的插拔力。在電子連接器的設計中，塑膠之間的摩擦很小，大部分是可以忽略不計的，因此插拔力的大小主要取決于公母端子間的摩擦力。針對本次仿真實驗，采用的是簡化模型，即忽略鍍層金屬影響且假定接觸方式為端子基材之間的面面接觸，因此也遵循經(jīng)典摩擦力理論計算。

通過查閱《機械工程師手冊》，得知不同摩擦副間的摩擦系數(shù)見表1。

在進行接觸摩擦參數(shù)設置的時候，由于忽略了鍍層金屬之間的影響（忽略了邊界摩擦），因此所選用的摩擦系數(shù)會比實際測量時的偏大。

表1 不同摩擦副之間的摩擦系數(shù)（部分）

2 仿真分析

2.1 分析模型以及網(wǎng)格劃分

某型號音頻接口座由7部分組成，分別是外殼，塑膠底座，左動端子，左靜端子，右動端子，右靜端子，下端子（如圖2所示）。由于公頭和母座塑膠口采用的是過盈配合，摩擦力可以忽略不計，因此此次研究的插拔力只是公頭與端子之間的摩擦所提供，對需要研究的部分進行網(wǎng)格劃分，采用8節(jié)點六面體線性減縮積分單元（C3D8R），本次共劃分成85512個單元，107988個節(jié)點，如圖3所示。

圖2 某型號音頻接口座組成

圖3 端子網(wǎng)格劃分

2.2 材料選取

電子連接器的端子和金屬外殼一般采用銅合金和不銹鋼材料，常用的端子材料為磷青銅或者磷銅，相關材料參數(shù)如表2所示。本文研究所采用的端子材料是磷青銅——C5191。

表2 常用端子材料參數(shù)

2.3 載荷與邊界條件設置

按照裝配情況，固定端子腳以及與塑膠底座配合的部分。由于公端相對于母端端子變形很小，為了便于計算，采用剛體模擬公端，設置接觸表面以及公端位移大小與方向，裝配位置如圖4來進行仿真計算。

圖4 裝配位置

2.4 結果與后處理

公端到達工作位置時，各端子的應力應變云圖如圖5所示，此時所有動端子達到最大形變，根據(jù)應力變化指示表可知，最大應力，超出該材料的屈服極限，會產(chǎn)生微小的永久塑性變形，此后的插入力會變小，但是該應力值遠小于其抗拉強度。從圖6操作力-位移曲線上可以得知，插入力最高點為14.35N，拔出力最高點為6.31N。

圖5 端子應力應變云圖

圖6 操作力-位移曲線

3 機械測試

按照電子工業(yè)協(xié)會電子產(chǎn)品插拔力測試標準（EIA-364-13E）進行測試，測試前先進行一次插拔，使用設備是順瑩全自動插拔力試驗機（型號：1220S）并設置好設備運行參數(shù)，速度要求25.4mm/min。

本次測試共有5件樣品，分別按照測試標準程序進行測試。測試結果數(shù)據(jù)如表3、圖7所示。

表3 機械測試數(shù)據(jù)

圖7 機械測試插拔力曲線

4 總結和展望

4.1 總結

通過軟件仿真和機械測試，得出結果如表4所示：

表4 測試結果

分析誤差結果顯示，軟件仿真與機械測試的分析誤差值均小于5%，屬于高精度有限元分析方法。

通過對比仿真曲線與機械測試曲線可知：拔出力的最大值貢獻最大的是下端子，欲提高此連接器的拔出力，可對下端子的材料和結構進行優(yōu)化調(diào)整來實現(xiàn)。

4.2 展望

通過有限元的方法可以精準快速的獲得連接器產(chǎn)品的插拔力，過程需要對接觸面的理解與定義、摩擦系數(shù)的選取、邊界條件的設置等有充分的了解與認識。該仿真方法可以極大的縮短連接器產(chǎn)品開發(fā)前期的設計驗證時間，對于產(chǎn)品開發(fā)周期有很大的幫助。

針對不同類型的產(chǎn)品，需要進行大量的驗證，找出一般參數(shù)選取規(guī)則，現(xiàn)在只是對插拔力進行了仿真分析，接下來，通過分析軟件，對連接器在使用時的溫度變化以及在熱循環(huán)過程中形狀變化等問題進行驗證評估。