方 毅 姚思捷 陳旭波 胡友才

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

為了保證墻壁開關(guān)按鈕在撥打使用的過程中不會輕易脫扣，按照企業(yè)標準，要求按鈕的脫扣力在（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（a）所示。而側(cè)向脫扣力一般是不被關(guān)注的，如圖1（b）所示。但是事實上如果側(cè)向脫扣力太小，按鈕同樣容易在撥打時脫扣。

圖1 按鈕的縱向脫扣力和側(cè)向脫扣力

按照傳統(tǒng)的設(shè)計，按鈕導(dǎo)向筋與過渡件導(dǎo)向筋槽的接觸面積較大，間隙較小，按鈕的側(cè)向脫扣力一般都足夠大，但是結(jié)構(gòu)工程師出于方便裝配的考慮，將部分產(chǎn)品的過渡件導(dǎo)向筋槽大幅度斜削，之后便出現(xiàn)了側(cè)向脫扣力過小的問題。

本文分析了側(cè)向脫扣力的傳力原理，使用FEA 軟件分析按鈕的側(cè)向脫扣力，研究了導(dǎo)向筋斜削對按鈕側(cè)向脫扣力的影響，并介紹了一種增加側(cè)向脫扣力的方法。在進行側(cè)向脫扣力分析時，提出了一種測算按鈕材料的彎曲彈性模量的方法，令使用FEA 軟件精確分析按鈕的力學性能從難以實現(xiàn)變成容易實現(xiàn)，具有重大意義。

1 受力分析

按鈕在受到側(cè)邊脫扣力P 作用時，按鈕受到力矩M作用，如圖2 所示，M=P×d。而按鈕導(dǎo)向筋側(cè)邊和過渡件導(dǎo)向筋槽是微小的間隙或過盈接觸，此處可以傳遞一定的力矩，令按鈕不容易側(cè)翻，這樣按鈕的卡扣才能充分發(fā)揮作用。

圖2 按鈕側(cè)向脫扣時的受力分析

導(dǎo)向筋槽的斜削后，嚴重削弱了導(dǎo)向筋槽所能傳遞的力矩，進而影響卡扣發(fā)揮作用，最終削弱了側(cè)邊脫扣力P。

2 FEA 聯(lián)合試驗測算按鈕材料的彎曲彈性模量

文中研究的按鈕為PC 材質(zhì)，通過注塑成型的方式制造。PC 類高分子材料在注塑成型過程中，注塑條件（如注塑壓力和注塑速度）往往會對注塑件的彈性模量造成顯著影響[3]，且實踐證明，不同的注塑條件會導(dǎo)致注塑件彎曲彈性模量差異非常明顯，可高達15 %。彈性模量因注塑條件帶來的差異導(dǎo)致難以精確測量注塑件的彎曲彈性模量，而精確的測量每一種注塑件的彈性模量對FEA 力學分析尤為重要，測量誤差將會直接影響FEA 力學分析結(jié)果，從而導(dǎo)致FEA 力學分析無法精準指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

除此之外，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形的差異也會對注塑件的彈性模量帶來影響；標準的測量材料拉伸和彎曲彈性模量需要樣件足夠平整，且面積較大，而復(fù)雜的產(chǎn)品外形表面特征較多，從而導(dǎo)致注塑件的彈性模量更加難以測量。

本文提出一種FEA 聯(lián)合試驗的測量方法，可精準的測量復(fù)雜外形注塑件（以上述按鈕為例）的彎曲彈性模量。

前提條件為按鈕各處無論應(yīng)力是否有差異，都能保證彈性模量一致；首先將注塑件按照圖3 所示彎曲受載形式約束和加載，測量其在不同壓力值Qtest下的壓力點位移量S。

具體到畢業(yè)設(shè)計的管理來說，面對新工科的要求，需要將畢業(yè)設(shè)計的總體目標分解成一系列任務(wù)，通過完成一系列的任務(wù)去實現(xiàn)社會崗位需求畢業(yè)生的人文素養(yǎng)、科技知識、實踐技能、職業(yè)能力、倫理價值和行為規(guī)范的新工科目標。從選題到完成答辯的整個教學進程都應(yīng)該在傳統(tǒng)學科專業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)上，重新審視培養(yǎng)方案、管理模式、教學平臺建設(shè)的合理性,并提出對指導(dǎo)教師能力素質(zhì)的新要求。

圖3 FEA 聯(lián)合試驗測算材料的彎曲彈性模量的加載模型

同時用FEA 軟件模擬上述彎曲過程，F(xiàn)EA 軟件中設(shè)置按鈕的材料彎曲彈性模量為EFEA作為初始值（EFEA設(shè)定為2 200 MPa，該值是供應(yīng)商提供的標準PC 樣件的拉伸彈性模量），在同樣的壓力點位移量S 下，計算出來的壓力是QFEA。

假設(shè)結(jié)構(gòu)是小變形線性結(jié)構(gòu)，有：

式中：

a—結(jié)構(gòu)剛度常數(shù)，由結(jié)構(gòu)外形，約束和加載方式?jīng)Q定。

同時有：

（1）/（2），有：

已知QFEA，QFEA，EFEA，可以求出Etest，稱該值為Etest折算值。

具體數(shù)據(jù)見表1，可以發(fā)現(xiàn)Etest折算值和EFEA初始值差距很大，平均差11.8 %。可見如果直接使用供應(yīng)商提供的標準PC 樣條的拉伸彈性模量值2 200 MPa 進行PC 件的FEA 力學分析，F(xiàn)EA 力學結(jié)果與試驗值的誤差將增加約11.8 %。

表1 FEA 聯(lián)合試驗測算出的按鈕材料彎曲彈性模量Etest

將Etest折算值繪制成曲線，可以發(fā)現(xiàn)Etest折算值的主體部分竟然基本上是一條直線！如圖4 所示，開始的時候曲線急劇上升，按鈕各點的應(yīng)力開始上升，但是很快變成一條近似直線，末尾又突然下滑，應(yīng)該是按鈕的部分材料發(fā)生屈服，主體部分的平均值為1 970 MPa。

該發(fā)現(xiàn)具有非常重要的意義。眾所周知，PC 作為高分子材料，其拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線具有典型的非線性彈性段[4]，也就是說它的彈性部分不能像一般的金屬一樣視為直線，見圖5，圖5 是實驗測得的PC 標準樣條的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，彈性階段的1/3 處曲線已經(jīng)開始彎曲，后面2/3 彈性階段的曲線的彈性模量急劇降低。也就是通常認為的，PC 材料所受的載荷越大，彈性模量越低。按照這個思路，PC 產(chǎn)品的FEA 力學分析的彈性模量需要設(shè)置成隨應(yīng)力而降低的模式。

圖5 PC 樣條的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

但是圖4 所揭示的模式讓CAE 工程師可以直接設(shè)置按鈕的彎曲彈性模量為1 970 MPa，就可以相對比較準確的計算其彎曲力學性能，比如按鈕側(cè)向脫扣等彎曲力學行為。

圖4 按鈕的彎曲彈性模量的折算值Etest曲線

于是在FEA 軟件中，按照表2 需要輸入按鈕的彈性模量E 和泊松比μ，剪切模量G 無需輸入，F(xiàn)EA 軟件會根據(jù)E 和μ 自動計算出G[1]。

表2 材料參數(shù)表

3 按鈕側(cè)向脫扣力FEA 仿真方法

FEA 模型包含三個部分，按鈕、過渡件、壓板和固定架局部，如圖6 所示。壓板和固定架局部為壓板和固定架與按鈕和過渡件接觸的局部，切出局部是為了減少分析計算的時間。

按鈕與過渡件，按鈕與固定架，過渡件與壓板之間均建立接觸。約束過渡件轉(zhuǎn)軸一端的中心UXUYUZ，約束過渡件轉(zhuǎn)軸一端的中心UXUY。固定壓板和固定架局部的底面。在如圖6 所示的位置施加垂直按鈕平面向上的側(cè)向脫扣力P。

圖6 按鈕側(cè)向脫扣力的FEA 力學分析設(shè)置

4 按鈕側(cè)邊脫扣力試驗與FEA 結(jié)果對比

使用脫扣力試驗機對按鈕的側(cè)邊脫扣力進行測試（如圖7 所示），夾持開關(guān)的固定架兩側(cè)，用特制掛鉤對按鈕側(cè)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(jié)果影響明顯[2]，本文對測試時間的規(guī)定為5 s 內(nèi)測量位移量。

某型開關(guān)的側(cè)邊脫扣力試驗值如表3 所示，F(xiàn)EA 計算值與之完全一致，說明本文上述側(cè)邊脫扣力FEA 計算方案是可靠的。

表3 按鈕側(cè)向脫扣力FEA 力學分析結(jié)果與試驗值差距

5 提高按鈕側(cè)向脫扣力的優(yōu)化方法

1）優(yōu)化方案1：取消導(dǎo)向筋槽斜削

本文上述受力分析中已經(jīng)提到：導(dǎo)向筋槽斜削后，按鈕側(cè)向脫扣力會嚴重削弱,過渡件的導(dǎo)向筋槽斜削前后的結(jié)構(gòu)對比如圖8（a）所示。取消導(dǎo)向筋槽斜削可以大幅度提升按鈕側(cè)向脫扣力，F(xiàn)EA 分析結(jié)果見表4。

2）優(yōu)化方案2：增加按鈕側(cè)邊卡扣

如果過渡件導(dǎo)向筋槽已經(jīng)斜削，而且暫時無法修改，如圖8（b）所示的側(cè)邊圓柱卡扣是一種有效提升按鈕側(cè)向脫扣力的方法。但是提升效果遠遠不如取消導(dǎo)向筋槽斜削。FEA 分析結(jié)果見表4。

表4 按鈕側(cè)向脫扣力的優(yōu)化方案的FEA 結(jié)果

圖8 提高按鈕側(cè)向脫扣力的優(yōu)化方法

6 小結(jié)

本文對墻壁開關(guān)過渡件導(dǎo)向筋槽斜削對按鈕側(cè)向脫扣力的影響進行了研究。結(jié)論是導(dǎo)向筋斜削對按鈕側(cè)向脫扣力造成極大地削弱（下降-69 %，下降22.3 N），適當?shù)臏p小斜削量有助于保證按鈕側(cè)向脫扣力不被大幅度削弱。另外增加側(cè)邊的圓柱形卡扣有助于增加側(cè)向脫扣力（增加60 %，增加6 N）。

同時本文提出了一種全新的測算按鈕材料的彎曲彈性模量的方法，并發(fā)現(xiàn)按鈕的彎曲彈性模量基本可以近似為一個定值，而不是以往認為的，隨應(yīng)力加大，PC 材料的彎曲彈性模量急劇降低。該發(fā)現(xiàn)具有重大意義。令注塑件的FEA 力學分析變得快捷而精確。

本研究證明了FEA 分析技術(shù)可以非常高效快速地協(xié)助設(shè)計，幫助解決產(chǎn)品力學性能問題，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)。