USB接頭插拔力評(píng)估 李銘孝、鄭仙志、姚志民、張忠民國家高速電中心 摘要 USB（Universal Serial Bus） 接頭為新一代的標(biāo)準(zhǔn)接頭。由於需符合新一代效能上的要求，不管在資料傳輸速率及機(jī)械結(jié)構(gòu)上都有更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)範(fàn)。其中對(duì)於插頭與插座之間的插拔力方面規(guī)定插入力要小於35N，拔出力要大於10N。本文採用有限元素分析軟體¬，ANSYS，來模擬一原始設(shè)計(jì)之插座與插頭之間的插拔過程，以評(píng)估其插拔力之大小。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計(jì)之插座之拔出力太小，故利用提高接頭金屬支撐懸臂之高度來改變插拔力之大小。以符合規(guī)範(fàn)之要求。也得到了高度與插拔力之間的數(shù)值關(guān)係。 一. 前言 電腦及資訊相關(guān)設(shè)備的使用越來越普及。其功能也快速在擴(kuò)充及整合。所以不僅電腦主機(jī)本身，有更多的周邊設(shè)備成為電腦系統(tǒng)及應(yīng)用的一部份。如印表機(jī)、掃描機(jī)、螢?zāi)弧⑼饨佑驳鷻C(jī)…等等。而這些設(shè)備即利用各類接線及接頭相連接。傳統(tǒng)採用的接頭種類繁多，有常用的Serial Port、Parallel Port、SCSI Port、PS2、…等等。種類太多增加系統(tǒng)的複雜度及成本。在效能及資料傳輸速率上也逐漸不能滿足需求。近年來電腦業(yè)界逐漸在推廣一種統(tǒng)一的規(guī)格。希望能取代大多數(shù)的接頭，並且大幅提高傳輸資料的效能。USB接頭即是以此目的所開發(fā)出來。目前已被廣泛地採用，逐漸成為新一代的標(biāo)準(zhǔn)接頭。 二. 簡介 USB接頭的規(guī)格中[1]明訂了各方面的標(biāo)準(zhǔn)資料，在資料傳輸速率上zui高可達(dá)10Mb/s。而在機(jī)械結(jié)構(gòu)上也都有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)範(fàn)。其中對(duì)於插頭與插座之間在插拔時(shí)，速度在12.5mm/min下，規(guī)定插入力要小於35N，而拔出力要大於10N[2]。插入力所以要小於35N主要是讓使用者不至於難於插入插頭。而拔出力要大於10N的主要目的在防止接線在各種不當(dāng)?shù)那闆r下鬆脫及掉落，造成設(shè)備連線中斷及損害。 USB接頭的規(guī)格中[1]，也訂定了標(biāo)準(zhǔn)的USB接頭的尺寸。包括插頭及插座的大小以及相關(guān)配合尺寸。其中zui重要的是一個(gè)卡榫的設(shè)計(jì)（參考圖一及圖二）。即在插頭上有兩個(gè)左右對(duì)稱的方孔，當(dāng)插入插座時(shí)，插座上相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)的金屬懸臂之凸出部將會(huì)掉入孔中以卡住插頭。要拔出時(shí)便需施力克服此卡榫機(jī)構(gòu)，此即形成拔出力的主要來源。另一個(gè)影響此拔出力的機(jī)構(gòu)則是下端的支撐懸臂，亦即因?yàn)橄露说闹尾攀沟每ㄩ緳C(jī)構(gòu)保持嵌合。所以上下懸臂越靠近，基本上拔出力會(huì)越大。相反地，上下懸臂越靠近時(shí)，插頭將越難塞進(jìn)插座，造成插入力增加。所以此兩懸臂的設(shè)計(jì)是影響插拔力的主要因素。而插入力與拔出力兩者在設(shè)計(jì)上是相衝突的。所以需要精確的設(shè)計(jì)及分析，才能讓拔出力不會(huì)太小，而插入力不會(huì)太大。由於插座是直接安裝固定於電腦上，可說是電腦基座零件的一部分，無法隨便更換。也是本文分析模擬的主要對(duì)象。至於插頭與接線則是可更換的零件，來源不一，且其無活動(dòng)的機(jī)構(gòu)，大致上為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。本文僅以標(biāo)準(zhǔn)尺寸作為分析之用。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中，卡榫機(jī)構(gòu)只定義其嵌合之位置，卡榫之懸臂形狀並未定義。所以可以有不同的設(shè)計(jì)。本文中插座之原始設(shè)計(jì)如圖一及圖二。其中上面兩個(gè)懸臂即為卡榫機(jī)構(gòu)。下面較寬之懸臂則為上述之支撐懸臂。 圖一 USB插頭（左）及插座（右）插入前之狀態(tài) 圖二 USB插頭插入插座後之狀態(tài) 本文利用ANSYS軟體作為分析工具。分析模擬其插拔過程的接觸行為，並求出其插入力及拔出力，以及相關(guān)的應(yīng)力分佈。 三. 分析方法 除了基本的材料力學(xué)及有限元素法以外，本文主要應(yīng)用有限元素法的接觸分析。接觸力學(xué)是非線性力學(xué)上較複雜的一種。一般而言，在處理接觸問題時(shí)會(huì)遭遇兩個(gè)主要的難題。一是兩接觸物體間之接觸位置無法事先預(yù)知，甚至是接觸位置不斷在改變（本文即是此種案例）。所以判斷接觸位置及是否發(fā)生接觸是一重要的課題。二是接觸位置的力學(xué)相關(guān)性質(zhì)不易決定。在接觸位置的決定上，本文之案例中插頭及插座彼此滑動(dòng)，所以簡化的間隙元素（Gap element）及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸元素?zé)o法適用。必須採用面對(duì)面的接觸元素。此種元素在決定接觸與否以及接觸的位置時(shí)，ANSYS採用三個(gè)步驟：*步是利用Pinball Algorithm來決定元素之間是否進(jìn)入可能接觸的區(qū)域範(fàn)圍內(nèi)[3]。在此範(fàn)圍之外表示尚無接觸之可能，所以不需做額外處理。在此範(fàn)圍內(nèi)則表示有可能即將接觸或已接觸。此時(shí)則須進(jìn)一步處理。此方法的用意是先過濾掉距離尚遠(yuǎn)的元素。不必每個(gè)元素都要進(jìn)行下面步驟中的接觸與否之判斷。因?yàn)榇伺袛嘈韬馁M(fèi)額外的計(jì)算時(shí)間。第二個(gè)步驟。利用Pseudo-Element Algorithm來找出每個(gè)元素彼此相對(duì)應(yīng)的接觸對(duì)象[3]。確認(rèn)一對(duì)一相對(duì)應(yīng)的對(duì)象之後，即可以來進(jìn)行下一步驟，利用投影方式確認(rèn)確定的接觸位置及間歇或穿透量。在接觸區(qū)的相關(guān)性質(zhì)的決定方面，主要是接觸勁度（Contact stiffness）與接觸力之值的決定。ANSYS在接觸問題上提供了Lagrangian method[4]及Penalty method[5]兩種方法[3]。一般而言，Lagrangian method可產(chǎn)生較佳的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)此方法對(duì)接觸勁度（Contact stiffness）之值較不敏感。但在某些情況下，特別是接觸物體有較大的扭曲時(shí)，會(huì)導(dǎo)至過多的數(shù)值疊代次數(shù)，造成計(jì)算量的大量增加。而Penalty method較為簡易，其接觸力之算法即為接觸勁度乘上穿透深度，相當(dāng)於彈簧的效果。易於數(shù)值方法之處理。但其對(duì)於接觸勁度較為敏感，太高時(shí)不易收斂；太低時(shí)，接觸物體彼此穿透太深而產(chǎn)生誤差。在此情況下，採用兩種方法併用的方式，在穿透量小於元素厚度的1/10時(shí)採用Penalty method，在穿透量大於元素厚度的1/10時(shí)採用Lagragian method。而對(duì)於接觸勁度（Contact stiffness）之值，則落於接觸物體彈性係數(shù)的0.01倍~100倍之間。 四. 分析方法之驗(yàn)證 由於分析的過程中不同的假設(shè)和參數(shù)的選擇都會(huì)影響分析結(jié)果的可靠性。為了驗(yàn)證上述方法及所選擇的參數(shù)的正確性，本文利用另一個(gè)較簡單而且已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同樣是訊號(hào)接頭的機(jī)構(gòu)來了解分析模擬的準(zhǔn)確度。該機(jī)構(gòu)由一固定端的金屬腳與另一活動(dòng)插拔的金屬腳所構(gòu)成（參考圖三）。其實(shí)驗(yàn)所得的插拔力在中間平坦處約為0.1牛頓。圖四及圖五為利用分析模擬所得的插拔過程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力分佈圖。其插拔力之分佈如圖六。在平坦處之之插拔力約為0.09牛頓。與實(shí)驗(yàn)誤差在10%左右。在同時(shí)具有接觸及摩擦等非線性的情況下，此分析之結(jié)果應(yīng)可接受。所以後續(xù)之分析將採用同樣的方法及分析參數(shù)。圖三 驗(yàn)證用之訊號(hào)插腳 圖四 剛接觸之情況 圖五 插到盡頭之情況 五. 分析模型及相關(guān)分析條件利用上述同樣的方法及參數(shù)進(jìn)行USB接頭之分析及模擬。根據(jù)圖一之幾何建立有限元素分析模型如圖七； 圖六 驗(yàn)證用接頭之插拔力隨位置之分佈 圖七 插頭及插座之有限元素分析模型 其中插頭及插座的實(shí)體部分採用二階之實(shí)體元素，同時(shí)在插座上下懸臂與插頭上下表面可能相互接觸到的部位建立接觸元素。節(jié)點(diǎn)及元素的數(shù)目如表一表一：節(jié)點(diǎn)總數(shù) 7357 元素總數(shù) 1374 所使用的材料為Phosphor Bronze，其相關(guān)材料性質(zhì)如表二：表二：Phosphor Bronze之材料性質(zhì)彈性係數(shù)（Mpa） 111000 普松比 0.349 降服強(qiáng)度（Mpa） 900 模擦係數(shù) 0.1 模擬的插拔過程中將插座固定，插頭在圖三之起始位置以強(qiáng)制位移的方式開始插入插座中，直到插座之上懸臂嵌入插頭之方孔卡槽為止。然後將插頭反方向拔出至起始位置為止。其中插頭上下移動(dòng)之自由度沒有拘束。亦即插頭在插拔過程中Y方向的位移由上下懸臂自行力平衡，無額外之拘束。插頭左右移動(dòng)之自由度假設(shè)為對(duì)稱，故在對(duì)稱面加以拘束。 六. 原始設(shè)計(jì)之分析結(jié)果 圖十二至圖十六（於文章zui後）為原始設(shè)計(jì)之各階段的應(yīng)力分佈及插頭位置圖。圖八則為插拔力的曲線圖。其中在位移量0~1為插入行程，1~2之位移量則代表拔出之行程。在插入行程中，插入力與推入的方向相反，故為負(fù)值?？墒钱?dāng)上懸臂凸出部要掉入插頭方孔時(shí)，由於上下懸臂之夾力驅(qū)向嵌入卡槽達(dá)到卡榫的zui低位能量狀態(tài)，故反而力量為正值，相當(dāng)於自動(dòng)將插頭拉進(jìn)卡槽中。這也是卡榫的基本作用原理。在拔出行程中，拔出力與插入力的方向相反，故為正值。zui大值出現(xiàn)在當(dāng)上懸臂凸出部要推出卡槽時(shí)。當(dāng)插頭快要整個(gè)拔出時(shí)，由於上下懸臂之夾力驅(qū)向?qū)⒉孱^推出，故反而力量為負(fù)值，相當(dāng)於自動(dòng)將插頭推出插座之外。至於在力量的大小方面，從圖八中可發(fā)現(xiàn)，原始設(shè)計(jì)之zui大插入力為2.7N，zui大的拔出力為9.1N。插入力在規(guī)範(fàn)之內(nèi)，但拔出力小於10N，不符合規(guī)範(fàn)。圖八 插拔過程中插拔力之曲線圖 七. 設(shè)計(jì)變更 為了提高拔出力，可壓低上懸臂，或提高下懸臂。由於下懸臂結(jié)構(gòu)較單純，故採取提高下懸臂的辦法（參考圖九）。首先評(píng)估下懸臂高度與插拔力之關(guān)係。原始設(shè)計(jì)之下懸臂尾部高度為1.91mm。分別提高成為2.12mm 及2.33mm。 圖九 插座之下懸臂高度之位置 圖十及圖十一為變更高度後的插拔力的曲線圖。高度與zui大插拔力的關(guān)係如表三： 圖十 高度為2.12mm時(shí)插拔過程中插拔力之曲線圖圖十一 高度為2.33mm時(shí)插拔過程中插拔力之曲線圖 表三：zui大插拔力與高度之關(guān)係高度 插入力（N） 拔出力（N） 1.91mm 2.7 9.1 2.12mm 4.2 13.2 2.33mm 6.2 16.8 從表三中可看出當(dāng)下懸臂高度在2.11mm以上時(shí)，拔出力即大於10N，符合規(guī)範(fàn)之要求。而且插入力都在35N以下。但在考慮所造成的應(yīng)力時(shí)，比較圖十二、圖十七及圖十八之zui大值，分別為387Mpa、521Mpa及667Mpa，高度越高所產(chǎn)生的應(yīng)力越大。而且高度越高所產(chǎn)生的插入力也越大（參考表三）。所以在選擇上，只要在規(guī)範(fàn)內(nèi)，高度較低者較佳。以上述兩種高度而言，則以高度為2.11mm者為佳。 八. 結(jié)論 從上述分析模擬中，我們可以得到插頭與插座在插拔過程中的整個(gè)過程。瞭解整個(gè)結(jié)構(gòu)行為及特性。同時(shí)得到插座下懸臂高度對(duì)插拔力的影響效果。進(jìn)而可以用來評(píng)估及改善原始設(shè)計(jì)之不足。從本案例中，也可顯示利用有限元素法的分析模擬可以有效的評(píng)估及改良設(shè)計(jì)的品質(zhì)。成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)有效的工具。 參考文獻(xiàn) 1. Universal Serial Bus Specification, revision 1.1 （1998） 2. Universal Serial Bus Cable & Connector Specification, version 1.0 （1999） 3. ANSYS Theory Reference, release 5.5 ,Houston, PA, ANSYS, Inc. （1998） 4. Simo,J.C. and Laursen, T.A., “An Augmented Lagrangian Treatment of Contact Problems Involving Friction”, Computers and Structures, Vol. 42, pp. 657-663（1994） 5. Peric, D. and Owen, D.R.J., “Computational Model for 3-D contact Problems with Friction Based on the Penalty Method”, International Journal for Numerical Method in Engineering, Vol. 35, pp. 1289-1309（1992） ABSTRACT Presently, the computer industry widely adopts the so-called USB （Universal Serial Bus）. This new standard presents much better performance and in addition, can integrate and/or accommodate most of functions that the traditional did. The objective of this project is to evaluate, using the existing finite element code: ANSYS, the insertion and extraction force that arise from contact-induced friction forces between pin and spring of the USB connectors during plug-in and pull-out operations. 圖十二 插頭插入行程的初始階段之應(yīng)力分佈 圖十三 插入行程的中間階段之應(yīng)力分佈 圖十四 插入行程的zui終階段之應(yīng)力分佈 圖十五 拔出行程的初始階段之應(yīng)力分佈 圖十六 拔出行程的中間階段之應(yīng)力分佈 圖十七 高度為 2.12mm之插入行程的初始階段之應(yīng)力分佈 圖十八 高度為 2.33mm之插入行程的初始階段之應(yīng)力分佈