方 毅 姚思捷 陈旭波 胡友才

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

引言

为了保证墙壁开关按钮在拨打使用的过程中不会轻易脱扣，按照企业标准，要求按钮的脱扣力在（10～45）N 之间。通常，按钮脱扣力的定义是指纵向脱扣力，如图1（a）所示。而侧向脱扣力一般是不被关注的，如图1（b）所示。但是事实上如果侧向脱扣力太小，按钮同样容易在拨打时脱扣。

图1 按钮的纵向脱扣力和侧向脱扣力

按照传统的设计，按钮导向筋与过渡件导向筋槽的接触面积较大，间隙较小，按钮的侧向脱扣力一般都足够大，但是结构工程师出于方便装配的考虑，将部分产品的过渡件导向筋槽大幅度斜削，之后便出现了侧向脱扣力过小的问题。

本文分析了侧向脱扣力的传力原理，使用FEA 软件分析按钮的侧向脱扣力，研究了导向筋斜削对按钮侧向脱扣力的影响，并介绍了一种增加侧向脱扣力的方法。在进行侧向脱扣力分析时，提出了一种测算按钮材料的弯曲弹性模量的方法，令使用FEA 软件精确分析按钮的力学性能从难以实现变成容易实现，具有重大意义。

1 受力分析

按钮在受到侧边脱扣力P 作用时，按钮受到力矩M作用，如图2 所示，M=P×d。而按钮导向筋侧边和过渡件导向筋槽是微小的间隙或过盈接触，此处可以传递一定的力矩，令按钮不容易侧翻，这样按钮的卡扣才能充分发挥作用。

图2 按钮侧向脱扣时的受力分析

导向筋槽的斜削后，严重削弱了导向筋槽所能传递的力矩，进而影响卡扣发挥作用，最终削弱了侧边脱扣力P。

2 FEA 联合试验测算按钮材料的弯曲弹性模量

文中研究的按钮为PC 材质，通过注塑成型的方式制造。PC 类高分子材料在注塑成型过程中，注塑条件（如注塑压力和注塑速度）往往会对注塑件的弹性模量造成显著影响[3]，且实践证明，不同的注塑条件会导致注塑件弯曲弹性模量差异非常明显，可高达15 %。弹性模量因注塑条件带来的差异导致难以精确测量注塑件的弯曲弹性模量，而精确的测量每一种注塑件的弹性模量对FEA 力学分析尤为重要，测量误差将会直接影响FEA 力学分析结果，从而导致FEA 力学分析无法精准指导结构设计工作。

除此之外，产品结构外形的差异也会对注塑件的弹性模量带来影响；标准的测量材料拉伸和弯曲弹性模量需要样件足够平整，且面积较大，而复杂的产品外形表面特征较多，从而导致注塑件的弹性模量更加难以测量。

本文提出一种FEA 联合试验的测量方法，可精准的测量复杂外形注塑件（以上述按钮为例）的弯曲弹性模量。

前提条件为按钮各处无论应力是否有差异，都能保证弹性模量一致；首先将注塑件按照图3 所示弯曲受载形式约束和加载，测量其在不同压力值Qtest下的压力点位移量S。

具体到毕业设计的管理来说，面对新工科的要求，需要将毕业设计的总体目标分解成一系列任务，通过完成一系列的任务去实现社会岗位需求毕业生的人文素养、科技知识、实践技能、职业能力、伦理价值和行为规范的新工科目标。从选题到完成答辩的整个教学进程都应该在传统学科专业建设的基础上，重新审视培养方案、管理模式、教学平台建设的合理性,并提出对指导教师能力素质的新要求。

图3 FEA 联合试验测算材料的弯曲弹性模量的加载模型

同时用FEA 软件模拟上述弯曲过程，FEA 软件中设置按钮的材料弯曲弹性模量为EFEA作为初始值（EFEA设定为2 200 MPa，该值是供应商提供的标准PC 样件的拉伸弹性模量），在同样的压力点位移量S 下，计算出来的压力是QFEA。

假设结构是小变形线性结构，有：

式中：

a—结构刚度常数，由结构外形，约束和加载方式决定。

同时有：

（1）/（2），有：

已知QFEA，QFEA，EFEA，可以求出Etest，称该值为Etest折算值。

具体数据见表1，可以发现Etest折算值和EFEA初始值差距很大，平均差11.8 %。可见如果直接使用供应商提供的标准PC 样条的拉伸弹性模量值2 200 MPa 进行PC 件的FEA 力学分析，FEA 力学结果与试验值的误差将增加约11.8 %。

表1 FEA 联合试验测算出的按钮材料弯曲弹性模量Etest

将Etest折算值绘制成曲线，可以发现Etest折算值的主体部分竟然基本上是一条直线！如图4 所示，开始的时候曲线急剧上升，按钮各点的应力开始上升，但是很快变成一条近似直线，末尾又突然下滑，应该是按钮的部分材料发生屈服，主体部分的平均值为1 970 MPa。

该发现具有非常重要的意义。众所周知，PC 作为高分子材料，其拉伸应力应变曲线具有典型的非线性弹性段[4]，也就是说它的弹性部分不能像一般的金属一样视为直线，见图5，图5 是实验测得的PC 标准样条的拉伸应力-应变曲线，弹性阶段的1/3 处曲线已经开始弯曲，后面2/3 弹性阶段的曲线的弹性模量急剧降低。也就是通常认为的，PC 材料所受的载荷越大，弹性模量越低。按照这个思路，PC 产品的FEA 力学分析的弹性模量需要设置成随应力而降低的模式。

图5 PC 样条的拉伸应力应变曲线

但是图4 所揭示的模式让CAE 工程师可以直接设置按钮的弯曲弹性模量为1 970 MPa，就可以相对比较准确的计算其弯曲力学性能，比如按钮侧向脱扣等弯曲力学行为。

图4 按钮的弯曲弹性模量的折算值Etest曲线

于是在FEA 软件中，按照表2 需要输入按钮的弹性模量E 和泊松比μ，剪切模量G 无需输入，FEA 软件会根据E 和μ 自动计算出G[1]。

表2 材料参数表

3 按钮侧向脱扣力FEA 仿真方法

FEA 模型包含三个部分，按钮、过渡件、压板和固定架局部，如图6 所示。压板和固定架局部为压板和固定架与按钮和过渡件接触的局部，切出局部是为了减少分析计算的时间。

按钮与过渡件，按钮与固定架，过渡件与压板之间均建立接触。约束过渡件转轴一端的中心UXUYUZ，约束过渡件转轴一端的中心UXUY。固定压板和固定架局部的底面。在如图6 所示的位置施加垂直按钮平面向上的侧向脱扣力P。

图6 按钮侧向脱扣力的FEA 力学分析设置

4 按钮侧边脱扣力试验与FEA 结果对比

使用脱扣力试验机对按钮的侧边脱扣力进行测试（如图7 所示），夹持开关的固定架两侧，用特制挂钩对按钮侧边施加向上的力，缓慢加载，测量出最终的按钮脱扣力值。

由于高分子材料具有粘弹性，测试的时间将对结果影响明显[2]，本文对测试时间的规定为5 s 内测量位移量。

某型开关的侧边脱扣力试验值如表3 所示，FEA 计算值与之完全一致，说明本文上述侧边脱扣力FEA 计算方案是可靠的。

表3 按钮侧向脱扣力FEA 力学分析结果与试验值差距

5 提高按钮侧向脱扣力的优化方法

1）优化方案1：取消导向筋槽斜削

本文上述受力分析中已经提到：导向筋槽斜削后，按钮侧向脱扣力会严重削弱,过渡件的导向筋槽斜削前后的结构对比如图8（a）所示。取消导向筋槽斜削可以大幅度提升按钮侧向脱扣力，FEA 分析结果见表4。

2）优化方案2：增加按钮侧边卡扣

如果过渡件导向筋槽已经斜削，而且暂时无法修改，如图8（b）所示的侧边圆柱卡扣是一种有效提升按钮侧向脱扣力的方法。但是提升效果远远不如取消导向筋槽斜削。FEA 分析结果见表4。

表4 按钮侧向脱扣力的优化方案的FEA 结果

图8 提高按钮侧向脱扣力的优化方法

6 小结

本文对墙壁开关过渡件导向筋槽斜削对按钮侧向脱扣力的影响进行了研究。结论是导向筋斜削对按钮侧向脱扣力造成极大地削弱（下降-69 %，下降22.3 N），适当的减小斜削量有助于保证按钮侧向脱扣力不被大幅度削弱。另外增加侧边的圆柱形卡扣有助于增加侧向脱扣力（增加60 %，增加6 N）。

同时本文提出了一种全新的测算按钮材料的弯曲弹性模量的方法，并发现按钮的弯曲弹性模量基本可以近似为一个定值，而不是以往认为的，随应力加大，PC 材料的弯曲弹性模量急剧降低。该发现具有重大意义。令注塑件的FEA 力学分析变得快捷而精确。

本研究证明了FEA 分析技术可以非常高效快速地协助设计，帮助解决产品力学性能问题，辅助研究产品的改善方向，是值得电工行业大力推广的高科技研发技术。