吴礼红 马 腾 姚思捷 张 宇 王万松

（公牛集团股份有限公司 慈溪 315314）

引言

按照企业标准，为保障墙壁开关产品在使用过程中的可靠性以及可维修性，要求墙壁开关按钮在拨打使用的过程中不会轻易脱扣，以及按钮在维修时便于拆卸，本公司规定按钮的脱扣力在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所示。本文的脱扣力专指按钮的纵向脱扣力。

图1 分析结构的示意图

影响按钮脱扣力的因素很多，其中争议最大的就是按钮卡扣的扣合量△S（指按钮卡扣与过渡件卡扣的过盈量，如图1所示）。众所周知，按钮卡扣的扣合量对按钮脱扣力影响很大，但是不知道具体影响多大，而且不知道最理想的卡扣扣合量是多少。扣合量不是越大越好，扣合量太大，脱扣力太大，卡扣容易断；扣合量也不是越小越好，扣合量太小，尺寸公差对脱扣力影响可能很大，脱扣力波动太大。可是从来都没有精确的数据依据来支持这些结论，不知道卡扣的扣合量设计多少合适。依据多年的历史经验，目前卡扣的扣合量设计为0.4 mm，到底是不是最佳的？本文借助FEA 软件的结果和力学理论予以解答。

1 受力分析

如图2所示。按钮在受到脱扣力P1作用时，在卡扣A 和B 处受到过渡件的接触力PA和PB，向X1,Z1 方向分解，得PAsinθ，PAcosθ，PBsinθ 和PBcosθ，按钮底部受到固定架的支反力P2。脱扣力P 对按钮底部接触线的Y1 方向力矩等于PA，PB对按钮底部接触线的Y1 方向力矩之和。见公式（1）。

图2 按钮受力分析图

式中：

P1—按钮脱扣力；

PA—过渡件对按钮的接触力，与Z 轴夹角α，位于靠近脱扣力一端；

PB—过渡件对按钮的接触力，与Z 轴夹角β，位于靠近固定架对按钮支反力一端；

P2—固定架对按钮下边缘的支反力。

如果忽略P2与Z 轴的夹角γ，为了保持X 方向的力平衡，有式（2）：

由于过渡件自身要保持力矩平衡，所以有式（3）：

由（2）/ （3）可得，α=β，以及PA=PB。于是式（1）可以简化为

如果继续忽略按钮在过渡件附近的弯曲变形，可以近似有式（5）：

式中：

△S—按钮卡扣的扣合量；

K—按钮卡扣的沿X 方向受力的刚度，在小变形范围内，近似假定恒定。

将式（5）代入（4），得

如果假设在不同的脱扣力作用下，α 变化不大，则式（6）揭示出脱扣力P1与卡扣扣合量△S 之间成线性关系。以下将用FEA 计算数据来验证该结论是否正确。

2 按钮脱扣力的FEA 仿真分析与试验对标

2.1 FEA 仿真分析的准确度的影响因素与控制

CAE（仿真分析，包含FEA 和CFD 分析等）技术发展至今日，虽然已经取得很多辉煌的成就，但是离成熟还差距甚远，最大的问题在于计算的准确度很难保证，与试验值差距有时很大。其原因有很多,首先商用CAE软件的历史还很年轻，很多顶尖软件才三四十岁，而且很多复杂问题只能用一到两款顶尖软件才算得比较准确。更何况，在某些方面CAE 软件基于的力学理论本身就不够成熟，比如多轴疲劳理论。还有就是CAE 软件的具体设置步骤多，难度大。

具体来讲对于静态固体力学（不含疲劳）FEA 分析，其准确度有以下14 种影响因素：

1）使用的FEA 软件计算能力的强大程度；

2）FEA 软件所基于的力学理论的成熟度；

3）FEA 分析所使用的3D 模型的准确度；

4）FEA 分析的约束是否恰当；

5）FEA 分析的载荷是否与实际吻合，是否有意外载荷；

6）FEA 分析的接触是否足够多，接触设置是否正确；

7）FEA 分析的材料参数是否准确；

8）FEA 分析的摩擦系数是否准确；

9）FEA 分析的网格密度是否足够；

10）FEA 分析的网格外形是否合格；

11）FEA 分析的网格阶数是否足够；

12）实际结构的材料是否有缺陷，损伤；

13）实际结构是否漏装或装错了零件；

14）实际结构的装配预紧力矩等装配工艺是否正确。

很多中国CAE 工程师，甚至国外一流企业的CAE工程师会自我安慰，说CAE 的计算结果与试验值不吻合是很正常的，获取输入数据本身就很困难，而且用同一种CAE 分析方法来计算A 和B 两种不同的产品，即使这种CAE 分析方法与实际有偏差，但是偏差的百分比应该是差不多的，比如差距x %，至少A 和B 两种产品的力学性能谁高谁低可以计算出来。就像用一把有问题的尺子量不同的东西比长短，就算尺子的每个刻度都同时偏小或偏大，它也能用于不同产品进行长短对比。但是，他们忽略了一个问题：谁能证明A 和B 的CAE 计算结果与实际的差距都是x %？难道不会一下子80 %，一下子50 %，一下子-10 %？没人可以证明，只是你自己的假设。而且用每个刻度有恒定偏差的尺子来比喻不准确的CAE 分析本身就是重大错误，因为CAE 分析的影响因素非常多，而不是仅仅像每个刻度都等比例偏差这么简单，未经研究，一个不准确的CAE 分析与实际的偏差根本无法假设为恒定。

但是，如果一个相对很准确的CAE 分析方法，针对不同的产品每次的计算结果都能控制在10 %左右，在工程应用上我们是可以勉强忽略这种差距的。

要实现一种CAE 分析方法每次都能与实际偏差10 %左右，需要对以上14 种影响因素的每一种都了如指掌，精确控制，通常这需要非常深厚的力学理论，非常丰富的工程经验，以及非常艰苦的数据采集和研究工作，花费大量的时间和精力去研究才能实现。就像产品工程师分析研究产品的失效投诉一样，非常难，非常费神。

但是为了发挥CAE 分析的潜在价值，真正做到CAE替代试验，甚至CAE 驱动设计，引领设计，试验对标的准确度是第一关要过的，而且必须要过。

2.2 FEA 的模型及加载

FEA 模型如图2所示，在图2所示位置施加垂直按钮边缘平面向上的脱扣力。

2.3 FEA 分析所使用的材料参数

本文研究的按钮的材料是PC，通过注塑成型的方式制造。但是高分子材料的注塑条件，比如注塑压力和注塑速度，均会对注塑件的弹性模量造成很大影响[3]。

经实测，FEA 分析所使用的材料参数如下，计算刚度时FEA 软件只需要输入弹性模量E=1 970 MPa，泊松比μ=0.39，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]。

2.4 按钮脱扣力试验与FEA 结果对比

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 内测量力值。

某型开关的脱扣力试验值如表1所示，FEA 计算值与之非常接近，说明本文上述脱扣力FEA 计算方案是可靠的。

表1 按钮脱扣力(Y 方向)的FEA 计算值和试验值

3 按钮卡扣扣合量对按钮脱扣力的影响研究

3.1 按钮卡扣扣合量对按钮脱扣力的影响曲线

让卡扣扣合量在（0.1 ～0.5）mm 之间变化，用FEA软件进行计算出其对应的脱扣力值，绘制出按钮卡扣扣合量对按钮脱扣力的影响曲线，如表2和图3所示。

图3 ΔS 对开关按钮脱扣力的影响

可以发现当卡扣扣合量大于等于卡扣接触圆角（R=0.2 mm）时，卡扣扣合量对按钮脱扣力的影响曲线近似是一条直线，本文推导的公式（6）预测该影响曲线也是直线，公式（6）预测的曲线趋势是对的。但公式（6）预测出：当卡扣扣合量△S=0 mm 时，按钮脱扣力才是0 N，然而实际上FEA 算出：按钮脱扣力在△S=0.1 mm 时，就已经接近0 N。出现这种偏差是因为卡扣的接触圆角对扣合量有削弱作用，当卡扣扣合量小于卡扣接触圆角（R=0.2mm）时，这种削弱作用尤其明显，这是造成公式（6）的计算结果与FEA 结果不符的原因，后续需要继续研究卡扣的接触圆角对扣合量有削弱作用。

3.2 按钮卡扣扣合量对按钮脱扣力的影响敏感度曲线

变量对应变量的影响敏感度定义为应变量的变化率/变量的变化率。

根据表2影响敏感度的计算结果，绘制出按钮卡扣扣合量对按钮脱扣力的影响敏感度曲线，如图4所示。

图4 ΔS 对开关按钮脱扣力的影响敏感度曲线

表2 ΔS 对开关按钮脱扣力的影响敏感度

可以发现按钮卡扣扣合量对按钮脱扣力的影响面敏感度≥1，属于高度敏感。

4 优化建议

4.1 卡扣扣合量设计过大对产品性能的影响

1）卡扣扣合量设计过大，将造成按钮脱扣力过大，而且按钮在注塑成型过程中，势必发生缩水，翘曲，变形等现象，对尺寸造成一定偏差，可能加大脱扣力；注塑成型也会影响结构的弹性模量[3]，对脱扣力造成影响，可能加大脱扣力；还有一些其它因素会造成脱扣力飙升，比如接触圆角太小等。所以卡扣扣合量不宜设计过大，一般25 N 左右为宜。

2）如果扣合量设计过大，为了保证脱扣力不过大，一般会降低按钮卡扣的刚度，也就是降低卡扣背部加强筋的高度H，如图5所示，这样会增加卡扣的应力，降低卡扣的强度，更容易断裂，当按钮进行喷漆后，材料的强度大幅度降低，按钮就很有可能断裂，见图5所示。目前卡扣的扣合量为0.4 mm，脱扣力为22.9 N，卡扣根部截面已经有微小面积屈服（基于未喷漆的PC 的屈服强度），如图5所示，不宜再继续降低卡扣背部加强筋的高度，否则卡扣应力过大。

图5 按钮脱扣瞬间卡扣的应力

4.2 卡扣扣合量设计过小对产品性能的影响

图纸上卡扣间距L 的公差是±0.1 mm，则卡扣扣合量ΔS 的公差可以认为是±0.05 mm。如果卡扣扣合量设计成0.3 mm，卡扣的实际最小扣合量是0.25 mm。一般而言卡扣的接触圆角R 认为是0.2 mm，如图1所示，这样扣除接触圆角R 后，真正有效的扣合量就微乎其微，可能造成脱扣力小于10 N 的不合格下限。所以目前卡扣扣合量设计值0.4 mm 是最佳的（在卡扣的接触圆角为0.2 mm 的条件下）。

5 小结

本文对按钮卡扣的扣合量对按钮脱扣力的影响进行了研究，首先利用FEA 软件计算了按钮的脱扣力，并充分验证影响FEA 软件计算结果的6 大输入参数：网格，接触，约束，载荷，材料参数，摩擦系数等，以使FEA结果与试验值差距在10 %左右。然后利用该准确的FEA分析模型，分析了不同按钮卡扣的扣合量对按钮脱扣力的影响曲线和影响敏感度曲线。最后结合该影响曲线，分析了卡扣扣合量过大和过小按钮脱扣力的不利影响，最后得出卡扣扣合量的经验值0.4 mm 是最佳值（在卡扣的接触圆角为0.2 mm 的条件下）的结论。

本研究证明了FEA 力学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。