墙壁开关按钮和过渡件与其邻近结构的接触间隙对按钮脱扣力的影响研究

彭美南 姚思捷 查海林

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

引言

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，按照企业标准，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。

但是实际生产时有时会出现按钮脱扣力大幅度波动的问题，有的时候测出的脱扣力最大值和最小值能相差50 N左右，与设计的脱扣力差距很大。为此系统性的研究影响脱扣力的关键影响因素非常重要，本文以按钮和过渡件与压板和固定架的接触间隙为研究对象，分析这些接触间隙的变化对脱扣力的影响曲线。为将来开关产品的按钮，过渡件，固定架之间的间隙设计提供指导。分析结构的示意图如图1所示。

图1 分析结构的示意图

1 受力分析

如图2所示。按钮在受到脱扣力P作用时，在A,B,C位置受到支持反力PA，PB，PC。脱扣力P对转轴中心的力矩等于PA，PB，PC对转轴中心的力矩之和。见公式（1）。

图2 按钮受力分析图

式中：

P—按钮脱扣力，由结构外形，约束和装配间隙决定；

PA—支撑A对按钮的支反力，该处位于开关的固定架上，该处一般有米粒筋支撑；

PB—支撑B对按钮的支反力，该处位于开关的固定架的主壁厚上端面；

PA—支撑C对按钮的支反力，该处位于开关的压板上。

假设在A位置的接触的初始间隙保持零碰零不变，B位置和C位置的初始间隙是可以变化的，变化幅度为0～0.7 mm。所以PA始终存在，PB和PC可能存在，也可能不存在。

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

2.1.1 FEA的模型组成

FEA模型包含三个部分，按钮，过渡件，压板和固定架局部，如图3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（即支撑A，支撑B，支撑C），切出其局部是为了减少分析计算的时间。

2.1.2 FEA的接触设置

1）按钮卡扣与过渡件的接触

过渡件的圆角与卡扣的斜坡面接触，如图3局部放大图所示。

按钮有前后卡扣，以上仅示意了前卡扣，前后两个卡扣都要设置接触。

2）导向筋与过渡件的接触

如图3局部放大图所示，图中是前导向筋，它与过渡件的接触有三处，前部和两侧面。都要建接触。后导向筋也是一样设置。

3）按钮与支撑A的接触

如图3所示，支撑A是取自固定架的一部分（如果该处是米粒筋接触，则仅需切出米粒筋即可）。

4）按钮与支撑B的接触

如图3所示，支撑B是取自固定架的一部分。

5）按钮与支撑C的接触

如图3所示，支撑C取自压板的一部分。

2.1.3 FEA的约束设置

1）约束过渡件

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UXUY，见图3。不要转轴两端都约束UZ，否则在过渡件轴向将引起轴向拉力，提高过渡件的刚度，与事实不符。

2）固定支撑

约束支撑A，B，C的底面UXUYUZ，见图3。

图3 FEA分析模型

3）临时约束

在计算步的第1步，在按钮后边缘线（见图3）上施加UXUYUZ的临时约束。如果不考虑所有的接触的话，此时相当于按钮就是绕着边缘线转动的一个“活页”。在计算步的第2步及以后的计算步，释放该临时约束。

临时约束是指为了帮助接触收敛，临时加在结构上，等待接触被激活并且模型稳定后，再撤销该约束。有的时候接触太多，太复杂，刚开始接触很容易计算不收敛，就仿佛一开始接触处于未激活状态。但是如果通过一些辅助手段，比如临时约束，临时强迫位移，可以在计算开始的时候把接触激活，这样才能保证后面的接触计算顺利进行。

以上临时约束就是起这样的作用，先让按钮变成一个“活页”，这样就算接触不存在，模型也是稳定而且容易计算收敛的。第1步先施加一个小的载荷(见本文2.1.4)让“活页”微微动起来，这样接触就会被全部激活。这一步的计算，接触是很容易收敛的。后面再撤销该临时约束，由于接触在第1步已经发挥作用，后续的载荷步接触也会持续发挥作用。

2.1.4 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。建立局部坐标系，让局部坐标系的Y1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Y1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。

计算分成7步完成计算，第1步加载0.2 mm，第2步加载0.5 mm，第3步加载1 mm，第4步加载2 mm，第5步加载3 mm，第6步加载4 mm，第7步加载5 mm。之所以分成多步计算，而不是一次就加载到5 mm，是因为小的加载量更有利于计算收敛。

2.1.5 FEA的网格设置

1）整体网格设置

按钮和过渡件的整体密度定为1.5 mm。

2）接触面网格设置

卡扣和过渡件的接触面很小，网格定为0.1 mm。其余接触面网格定为0.15 mm。

3）高应力位置

卡扣的三角筋的网格密度设为0.3 mm。根部圆角网格密度设为0.1 mm，以保证圆角上有3排网格，如果圆角上的网格少于三排则计算精度不够。

2.2 FEA分析所使用的材料参数

FEA分析所使用的材料参数如表1所示，计算刚度时FEA软件只需要输入弹性模量E，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1 材料参数表

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。如图4所示。

图4 按钮脱扣力试验台和正在做脱扣力试验的按钮

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2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。按钮脱扣瞬间的应力云图如图5所示。

表2 按钮脱扣力(Y方向)的FEA计算值和试验值

图5 FEA软件计算出的按钮脱扣瞬间的应力云图

3 按钮和过渡件与固定架和压板的接触间隙对脱扣力的影响研究

3.1 B处接触间隙对脱扣力的影响曲线

使用上述经过验证的FEA方法计算B处接触间隙对按钮脱扣力的影响，让B处接触间隙从0～0.7 mm变化，观察脱扣力的变化曲线，如图6所示。

图6 支撑B的间隙对脱扣力的影响力曲线

可以发现B处接触间隙对按钮脱扣力影响很小,最大仅有0.86 N的影响。所以B处接触对按钮脱扣力的影响可以忽略。

3.2 C处接触间隙对脱扣力的影响曲线

使用上述经过验证的FEA方法计算B处接触间隙对按钮脱扣力的影响，让C处接触间隙从0～0.7 mm变化，观察脱扣力的变化曲线，如图7所示。

图7 支撑C的间隙对脱扣力的影响力曲线

我们发现C处接触间隙对按钮脱扣力影响很大,最大有10.5 N的影响，而且脱扣力最大值与脱扣力最小值之间的接触间隙差异仅仅0.3 mm，影响非常敏感。所以C处接触对按钮脱扣力的影响必须得到重视。

4 优化建议

通过以上的研究，我们知道了B处接触（按钮外边缘与固定架的接触）对按钮脱扣力影响很小，所以该处间隙的设计不需要考虑对脱扣力的影响，仅需要考虑该间隙对外观等其它性能的影响。

C处接触（过渡件端部与压板的接触）对按钮脱扣力影响较大，而且非常敏感。所以该处间隙的设计必须非常谨慎。建议留足1.0 mm以上的间隙，保证该处的间隙受尺寸公差影响发生微小变化时对按钮脱扣力不会造成明显波动。

5 小结

本文对墙壁开关按钮和过渡件与邻近结构接触间隙对按钮脱扣力的影响进行了研究,结论是按钮外边缘与固定架的接触（B处接触）对按钮脱扣力的影响很小。过渡件端部与压板的接触（C处接触）对按钮脱扣力的影响很大。优化建议：过渡件端部与压板的间隙在1.0 mm以上，令按钮脱扣力不会因尺寸公差发生意外波动。

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。