基于ABAQUS的某型号耳机座插拔力研究

时间：2024-09-03

东莞市广业电子有限公司研发中心实验室武继辉

耳机作为电子消费品家族中的重要一员，对市场的需求更是有增不减。同时，耳机作为一款电子连接器，跟其他的连接器一样属于一种机械电子系统，用于不同设备或者系统之间的连接。利用强大的有限元分析软件——ABAQUS，对耳机插拔力大小进行仿真实验，并通过实验设备实际测试结果作对比，得出某型号耳机插拔力大小及精度的模拟方法，对相关连接器生产厂商，有借鉴、指导意义。

1 介绍

1.1 插拔力介绍

电子连接器公端与母端对插和分离时所用的力的大小，对于不同类型的连接器，行业也规定了相应的插拔力大小标准。测量插拔力大小的原因是为了防止用户在插入或者拔出时，不会因为力过大或过小导致连接器损坏或不能插入等状况的出现。

1.2 关于摩擦理论

摩擦定义：两个接触物体表面在外力作用下相互接触并产生相对运动或相对运动趋势时，在接触的表面之间产生切向运动阻力，该阻力大小与运动方向或运动趋势方向相反。

摩擦力理论公式：

f——摩擦力；μ——摩擦系数，由两接触表面的材料属性决定；G——物体本身重量或施加在其上的载荷。

图1 经典摩擦力示意图

插拔力的产生就是基于摩擦理论，公母端在对插时产生接触界面，从微观层面上来看，公母端子之间并非是通过表面接触，而是通过表面一个个凸起的点（A-port）进行连接的，但是由于正向力的存在，来破坏这种点对点连接，形成稳定的连接，同事也能提供所要求的插拔力。在电子连接器的设计中，塑胶之间的摩擦很小，大部分是可以忽略不计的，因此插拔力的大小主要取决于公母端子间的摩擦力。针对本次仿真实验，采用的是简化模型，即忽略镀层金属影响且假定接触方式为端子基材之间的面面接触，因此也遵循经典摩擦力理论计算。

通过查阅《机械工程师手册》，得知不同摩擦副间的摩擦系数见表1。

在进行接触摩擦参数设置的时候，由于忽略了镀层金属之间的影响（忽略了边界摩擦），因此所选用的摩擦系数会比实际测量时的偏大。

表1 不同摩擦副之间的摩擦系数（部分）

2 仿真分析

2.1 分析模型以及网格划分

某型号音频接口座由7部分组成，分别是外壳，塑胶底座，左动端子，左静端子，右动端子，右静端子，下端子（如图2所示）。由于公头和母座塑胶口采用的是过盈配合，摩擦力可以忽略不计，因此此次研究的插拔力只是公头与端子之间的摩擦所提供，对需要研究的部分进行网格划分，采用8节点六面体线性减缩积分单元（C3D8R），本次共划分成85512个单元，107988个节点，如图3所示。

图2 某型号音频接口座组成

图3 端子网格划分

2.2 材料选取

电子连接器的端子和金属外壳一般采用铜合金和不锈钢材料，常用的端子材料为磷青铜或者磷铜，相关材料参数如表2所示。本文研究所采用的端子材料是磷青铜——C5191。

表2 常用端子材料参数

2.3 载荷与边界条件设置

按照装配情况，固定端子脚以及与塑胶底座配合的部分。由于公端相对于母端端子变形很小，为了便于计算，采用刚体模拟公端，设置接触表面以及公端位移大小与方向，装配位置如图4来进行仿真计算。

图4 装配位置

2.4 结果与后处理

公端到达工作位置时，各端子的应力应变云图如图5所示，此时所有动端子达到最大形变，根据应力变化指示表可知，最大应力，超出该材料的屈服极限，会产生微小的永久塑性变形，此后的插入力会变小，但是该应力值远小于其抗拉强度。从图6操作力-位移曲线上可以得知，插入力最高点为14.35N，拔出力最高点为6.31N。

图5 端子应力应变云图

图6 操作力-位移曲线