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作者:徐元展 (2000-07-06),核可:徐業良 (2000-07-14)
附註:本文為八十八學年度元智大學機械工程研究所徐元展碩士論文第三章。

影響接觸彈簧插入力之參數分析

在第二章建立電子連接器接觸彈簧有限元素模型,探討正向力和插入力的分析方法,並對廠商提供之接觸彈簧原型做了初步的分析。接著在本章將對接觸彈簧設計上各項參數對插入力的影響進行分析,包括了接觸介面上的摩擦係數以及接觸彈簧緊配塑膠外罩的干涉量與長度。

3.1 接觸介面摩擦係數的影響

在分析過程中,我們發現接觸介面的摩擦係數會影響到接觸彈簧插入力的大小。接觸彈簧與PCB的表面導電材質都會影響到摩擦係數的大小,YamadaUeno[1990]所發表的論文內容提到,他們實驗實驗量測接觸彈簧接觸面的摩擦係數為0.175,而一般來說,金屬對金屬的摩擦係數範圍在0.150.60之間。因此我們分別就0.1500.2250.300進行摩擦係數的參數分析,探討接觸面摩擦係數對於接觸彈簧插入力的影響。

3.1表示0.1500.2250.300時,插入力與插入長度的關係。由圖中可以發覺,插入力的最大值由56.0g()上升到90.7g(),上升了將近60%。另外我們可以注意到時,插入力的最大值已經不是在左邊的彈簧,而變到右邊的彈簧了。雖然插入力會因摩擦係數的不同而有很大的變化,但正向接觸力並不會隨著摩擦係數改變而改變,因為正向接觸力的是由接觸彈簧的強度而定,與接觸彈簧的形狀與材質有關。

以上的參數分析可以得到一重要的設計想法,那就是利用改變摩擦係數來減小接觸彈簧插入力,而不用犧牲接觸彈簧的正向接觸力。例如Scholz[1992]等人便建議,應用硫醇類(thiol-base)披覆在鍍銀的接觸面上,一方面保護彈簧避免腐蝕,另一方面也可以降低摩擦係數,減小電子連接器所需的插拔力。

為了評估目前所分析的接觸彈簧樣本接觸介面的摩擦係數,我們取得數個連接器原型樣本實際進行插入力量測之實驗數據,與我們分析所得數據做比對。實驗樣本有三個連接器成品,每個樣本進行插入力測試30次,其最大插入力平均每對接腳為69.4g59.5g62g,測試中插入力最大值與最小值差與平均的比值分別為11%14.6%22%,三個連接器平均起來每對插入力為62.6g。由圖2.7及圖3.1與實驗量測之插入力數據做比較,概估本連接器接觸彈簧的接觸介面摩擦係數在0.180.21之間。以上與實際實驗相比對的結果,也證實本研究接觸彈簧分析模型的建構,與所發展之插入力分析方法能夠模擬真實情況。

3.1 不同摩擦係數插入力對插入長度的關係

3.2 接觸彈簧緊配邊界條件設定之影響

接觸彈簧正向力、插入力的計算,取決於彈簧整體剛性,而彈簧整體剛性除其幾何形狀外,邊界條件的設定影響很大。在先前的討論中,緊配邊界條件的設定是以接觸元素設定其干涉量與間隙量,不過在研究過程中也曾嘗試使用其他的方法來模擬接觸彈簧與塑膠材料的相接介面。

3.2所示為研究過程中曾經嘗試之邊界條件設定,以右邊的彈簧為例,在接觸彈簧右邊建構PBT材質的塑膠外罩,而接觸介面則直接黏合。當接觸彈簧受到向右的正向力時,在接觸介面的上半介面便會壓縮塑膠外罩,而下半介面會拉伸塑膠外罩,因此接觸介面的上下半介面便會產生反作用力作用在接觸彈簧上。比較兩種設定的結果如表3.1所示,如果採直接黏接的方式在接觸面一開始的接觸點上的正向接觸力與插入力相差不大,但到了後半段的接觸點使用接觸元素的模型其正向接觸力便比直接黏結的方式還大,到最後使用接觸元素的模型其正向接觸力為151.7g,而直接黏結的正向接觸力只有108.9g,而根部最大應力直接黏結只有543Mpa,比使用接觸元素758Mpa要小很多。

3.2 直接黏結的緊配介面

3.1 兩種邊界設定X,Y分力結果比較

直接黏結(根部應力543Mpa

使用接觸元素(根部應力758Mpa

FX(gmf)

FY(gmf)

FX(gmf)

FY(gmf)

0

0

0

0

9.5191

7.7605

8.6213

7.0285

16.6029

9.3949

15.8415

8.9641

21.0171

7.9307

21.8154

8.2320

26.0285

6.2819

28.6762

6.9210

31.5000

7.6025

35.7981

8.6398

38.1733

9.2131

44.7503

10.8004

46.0671

11.1182

55.5786

13.4138

55.4425

13.3810

68.6941

16.5792

66.6288

16.0808

84.7943

20.4650

80.0416

19.3179

104.5521

25.2335

96.2134

23.2209

129.0473

31.1454

108.9431

16.3415

151.7114

22.7567

此種直接黏接的邊界條件設定在運算上比採用接觸元素快,然而使用接觸元素來設定緊配介面與實驗量測差拔力所得結果較為接近,直接黏接的邊界條件造成的結構剛性過低。

決定採用緊配邊界條件的設定後,另外要探討的參數是接觸彈簧與外罩緊配的干涉量與緊配的長度是否會影響接觸彈簧的剛性,進而對插入力有所影響。本研究嘗試將干涉量由原來的0.065mm逐步降低至0.025mm,發現對正向接觸力並無影響,而改變干涉的長度對正向接觸力的結果如圖3.3所示,對整個接觸點上正向力也沒有顯著的影響。

3.3 改變干涉長度對正向接觸力的影響

參考資料

Kartlucke, D., Scholz, R.R., Funk, M.J., and Baumgartner, M.E., 1992. “Anlaufschutz und Reibminderung mit Thiolen auf Silberoberflaechen,” Galvanotechnik v 83, p 1918-1926.

Yamada, S.E., and Ueno, H., 1990. “Analysis of insertion force in elastic/plastic mating,” Journal of Electronic Packaging, v 112, p 192 ~ 197.