墙壁开关按钮卡扣接触圆角对脱扣力的影响研究

彭武青 马 腾 姚思捷 张志颖 龚光辉

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

图1 分析结构的示意图

所以据此推导有效扣合量△Seffective，如下：

DC和BC是半径，DC=BC=R。

不难证明，三角形ADC和三角形ABC是全等三角形，∠DAB被两个三角形等分，有:

在三角形ABC中，有：

由于三角形ADC和三角形ABC是全等三角形，

式中：

R—按钮卡扣的接触圆角，如图2所示。

图2 扣合量削弱量△Sloss计算关系示意图

α—按钮卡扣的接触坡角，如图2所示。

在三角形ADF中，有

2 按钮脱扣力的FEA仿真分析与试验对标

2.1 按钮脱扣力的FEA仿真方法

FEA模型包含三个部分，按钮，过渡件，固定架局部，如图1所示。固定架局部为固定架与按钮下边缘接触的局部，切出其局部是为了减少分析计算的时间。

2.1.1 FEA的接触设置

1）按钮卡扣与过渡件的接触；

2）导向筋与过渡件的接触；

3）按钮与固定架局部的接触。

2.1.2 FEA的约束设置

1）约束过渡件转轴一端的中心UXUYUZ，约束过渡件转轴另一端的中心UYUZ，见图1。

2）约束固定架局部的底面UXUYUZ，见图1。

2.1.3 FEA的加载

在如图3所示的位置施加垂直按钮边缘平面向上的脱扣力。建立如图1所示局部坐标系，让局部坐标系的Z1轴垂直按钮边缘平面向上，然后在按钮边缘中央取5 mm宽的小面，小面上建一个RBE2，在RBE2的控制点施加沿局部坐标系Z1方向的强迫位移0～5 mm。模拟试验台倒钩勾住按钮边缘向上加载移动。

图3 FEA软件计算出的按钮脱扣瞬间的卡扣接触圆角应力云图

2.2 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]。

经实测获取FEA分析所使用的材料参数,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]。

2.3 按钮脱扣力试验与FEA结果对比

使用本公司发明的专用脱扣力试验机（专利号CN201811618593.2）对按钮的脱扣力进行测试，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

按钮脱扣瞬间的卡扣接触圆角的应力云图如图3所示。有微小的灰色区域已经屈服（框注区域）。

3 按钮卡扣接触圆角R对按钮脱扣力的影响研究

3.1 按钮卡扣接触圆角R对按钮脱扣力的影响曲线

假设按钮脱扣力P与有效扣合量ΔSeffective成正比，有

式中：

K—按钮的脱扣力刚度系数，可按表1的数据折算出K=85 N/mm。

R—按钮卡扣的接触圆角，如图2所示。

α—按钮卡扣的接触坡角，如图2所示。

让接触圆角R在0.1～0.5 mm之间变化，分别用公式（2）和FEA软件进行计算出其对应的脱扣力值，绘制出接触圆角R对按钮脱扣力的影响曲线，如表2和图4所示。

表2 接触圆角R对开关按钮脱扣力的影响敏感度

图4 R对开关按钮脱扣力的影响

根据表2按钮脱扣力数据绘制出图4。

根据图4，可以发现当R≤0.4 mm时，用公式算出的按钮脱扣力和FEA计算的结果非常吻合，接触圆角R对按钮脱扣力的影响曲线近似是一条直线。说明整体上公式(2)是准确的，证明接触圆角R确实对按钮脱扣力有削弱作用，而且假设过渡件卡扣滑移到按钮卡扣圆角切点卡扣即发生脱扣是合适的。

3.2 卡扣接触圆角R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，绘制出卡扣接触圆角R对按钮脱扣力的影响敏感度曲线，如图5所示。

图5 接触圆角R对开关按钮脱扣力的影响敏感度曲线

根据图5，可以发现当按钮接触圆角R接近卡扣扣合量ΔS=0.4 mm时，对按钮脱扣力的影响面敏感度接近1，属于高度敏感。当按钮接触圆角R≤0.3 mm时，对按钮脱扣力的影响面敏感度低于0.4。

4.优化建议

4.1 按钮接触圆角R设计过大对产品性能的影响

1）接触圆角R设计太大，会造成卡扣扣合量损失ΔSloss太大，有效卡扣扣合量ΔSeffective太小，如图2所示，导致按钮脱扣力太小，容易不满足国家标准要求。

2）如果接触圆角R过大，可以通过加大卡扣扣合量ΔS来提升有效卡扣扣合量ΔSeffective，保证ΔSeffective不降低，也是一种可行的方法。但是似乎多此一举，实践证明，R不需要太大，R=0.2 mm就可以保持比较稳定的按钮脱扣力。

4.2 按钮接触圆角R设计过小对产品性能的影响

按钮接触圆角R如果设计太小，则接触圆角可能被压溃挤出，如图6所示，导致脱扣力飙升；或者接触圆角可能被削掉，导致脱扣力大幅下降。

图6 某型四位开关按钮卡扣接触圆角压溃变形照片

以某型四位开关的最左和最右侧按钮（左右对称）脱扣力为例，图纸上按钮的卡扣的接触圆角R未标注尺寸和公差，造成很多接触圆角R都是0.1 mm以下，可能造成接触圆角可能被压溃挤出，如图6所示，或者接触圆角可能被削掉。四位开关的最左侧和最右侧按钮的脱扣力非常不稳定，R=0.2 mm时按钮脱扣力的FEA仿真结果为24.8 N，但实测出，最右侧按钮的首次脱扣力为36.1 N，偏差45.5 %，后续脱扣试验的脱扣力不断增加；相反,最左侧按钮的首次脱扣力只有19.1 N，偏差-23 %，后续脱扣试验的脱扣力不断减小。

5 小结

本文对按钮卡扣的接触圆角R对按钮脱扣力的影响进行了研究，首先推导了接触圆角R对按钮有效扣合量ΔSeffective的影响公式，由公式预测出接触圆角R对按钮脱扣力的影响为线性关系。后续用FEA软件对此预测进行了验证。

先利用FEA软件计算按钮的脱扣力，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6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接触圆角R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及试验结果作出了接触圆角R=0.2 mm是最佳值的结论。

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。