USB接頭插拔力評估

USB接頭插拔力評估 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） 接頭為新一代的標準接頭。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械結構上都有更嚴謹的規範。其中對於插頭與插座之間的插拔力方面規定插入力要小於35N，拔出力要大於10N。本文採用有限元素分析軟體¬，ANSYS，來模擬一原始設計之插座與插頭之間的插拔過程，以評估其插拔力之大小。分析結果發現原始設計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。以符合規範之要求。也得到了高度與插拔力之間的數值關係。 一. 前言 電腦及資訊相關設備的使用越來越普及。其功能也快速在擴充及整合。所以不僅電腦主機本身，有更多的周邊設備成為電腦系統及應用的一部份。如印表機、掃描機、螢幕、外接硬碟機…等等。而這些設備即利用各類接線及接頭相連接。傳統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。近年來電腦業界逐漸在推廣一種統一的規格。希望能取代大多數的接頭，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出來。目前已被廣泛地採用，逐漸成為新一代的標準接頭。 二. 簡介 USB接頭的規格中[1]明訂了各方面的標準資料，在資料傳輸速率上zui高可達10Mb/s。而在機械結構上也都有嚴謹的規範。其中對於插頭與插座之間在插拔時，速度在12.5mm/min下，規定插入力要小於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的情況下鬆脫及掉落，造成設備連線中斷及損害。 USB接頭的規格中[1]，也訂定了標準的USB接頭的尺寸。包括插頭及插座的大小以及相關配合尺寸。其中zui重要的是一個卡榫的設計（參考圖一及圖二）。即在插頭上有兩個左右對稱的方孔，當插入插座時，插座上相對應的兩個的金屬懸臂之凸出部將會掉入孔中以卡住插頭。要拔出時便需施力克服此卡榫機構，此即形成拔出力的主要來源。另一個影響此拔出力的機構則是下端的支撐懸臂，亦即因為下端的支撐才使得卡榫機構保持嵌合。所以上下懸臂越靠近，基本上拔出力會越大。相反地，上下懸臂越靠近時，插頭將越難塞進插座，造成插入力增加。所以此兩懸臂的設計是影響插拔力的主要因素。而插入力與拔出力兩者在設計上是相衝突的。所以需要精確的設計及分析，才能讓拔出力不會太小，而插入力不會太大。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，且其無活動的機構，大致上為標準尺寸。本文僅以標準尺寸作為分析之用。在標準規格中，卡榫機構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計。本文中插座之原始設計如圖一及圖二。其中上面兩個懸臂即為卡榫機構。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 圖二 USB插頭插入插座後之狀態 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，以及相關的應力分佈。 三. 分析方法 除了基本的材料力學及有限元素法以外，本文主要應用有限元素法的接觸分析。接觸力學是非線性力學上較複雜的一種。一般而言，在處理接觸問題時會遭遇兩個主要的難題。一是兩接觸物體間之接觸位置無法事先預知，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生接觸是一重要的課題。二是接觸位置的力學相關性質不易決定。在接觸位置的決定上，本文之案例中插頭及插座彼此滑動，所以簡化的間隙元素（Gap element）及點對點的接觸元素無法適用。必須採用面對面的接觸元素。此種元素在決定接觸與否以及接觸的位置時，ANSYS採用三個步驟：*步是利用Pinball Algorithm來決定元素之間是否進入可能接觸的區域範圍內[3]。在此範圍之外表示尚無接觸之可能，所以不需做額外處理。在此範圍內則表示有可能即將接觸或已接觸。此時則須進一步處理。此方法的用意是先過濾掉距離尚遠的元素。不必每個元素都要進行下面步驟中的接觸與否之判斷。因為此判斷需耗費額外的計算時間。第二個步驟。利用Pseudo-Element Algorithm來找出每個元素彼此相對應的接觸對象[3]。確認一對一相對應的對象之後，即可以來進行下一步驟，利用投影方式確認確定的接觸位置及間歇或穿透量。在接觸區的相關性質的決定方面，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可產生較佳的計算結果，同時此方法對接觸勁度（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，會導至過多的數值疊代次數，造成計算量的大量增加。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，相當於彈簧的效果。易於數值方法之處理。但其對於接觸勁度較為敏感，太高時不易收斂；太低時，接觸物體彼此穿透太深而產生誤差。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時採用Penalty method，在穿透量大於元素厚度的1/10時採用Lagragian method。而對於接觸勁度（Contact stiffness）之值，則落於接觸物體彈性係數的0.01倍~100倍之間。 四. 分析方法之驗證 由於分析的過程中不同的假設和參數的選擇都會影響分析結果的可靠性。為了驗證上述方法及所選擇的參數的正確性，本文利用另一個較簡單而且已有實驗數據的同樣是訊號接頭的機構來了解分析模擬的準確度。該機構由一固定端的金屬腳與另一活動插拔的金屬腳所構成（參考圖三）。其實驗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運動及應力分佈圖。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。與實驗誤差在10%左右。在同時具有接觸及摩擦等非線性的情況下，此分析之結果應可接受。所以後續之分析將採用同樣的方法及分析參數。圖三 驗證用之訊號插腳 圖四 剛接觸之情況 圖五 插到盡頭之情況 五. 分析模型及相關分析條件利用上述同樣的方法及參數進行USB接頭之分析及模擬。根據圖一之幾何建立有限元素分析模型如圖七； 圖六 驗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體部分採用二階之實體元素，同時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。節點及元素的數目如表一表一：節點總數 7357 元素總數 1374 所使用的材料為Phosphor Bronze，其相關材料性質如表二：表二：Phosphor Bronze之材料性質彈性係數（Mpa） 111000 普松比 0.349 降服強度（Mpa） 900 模擦係數 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。插頭左右移動之自由度假設為對稱，故在對稱面加以拘束。 六. 原始設計之分析結果 圖十二至圖十六（於文章zui後）為原始設計之各階段的應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，故為負值。可是當上懸臂凸出部要掉入插頭方孔時，由於上下懸臂之夾力驅向嵌入卡槽達到卡榫的zui低位能量狀態，故反而力量為正值，相當於自動將插頭拉進卡槽中。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大值出現在當上懸臂凸出部要推出卡槽時。當插頭快要整個拔出時，由於上下懸臂之夾力驅向將插頭推出，故反而力量為負值，相當於自動將插頭推出插座之外。至於在力量的大小方面，從圖八中可發現，原始設計之zui大插入力為2.7N，zui大的拔出力為9.1N。插入力在規範之內，但拔出力小於10N，不符合規範。圖八 插拔過程中插拔力之曲線圖 七. 設計變更 為了提高拔出力，可壓低上懸臂，或提高下懸臂。由於下懸臂結構較單純，故採取提高下懸臂的辦法（參考圖九）。首先評估下懸臂高度與插拔力之關係。原始設計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大插拔力的關係如表三： 圖十 高度為2.12mm時插拔過程中插拔力之曲線圖圖十一 高度為2.33mm時插拔過程中插拔力之曲線圖 表三：zui大插拔力與高度之關係高度 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 從表三中可看出當下懸臂高度在2.11mm以上時，拔出力即大於10N，符合規範之要求。而且插入力都在35N以下。但在考慮所造成的應力時，比較圖十二、圖十七及圖十八之zui大值，分別為387Mpa、521Mpa及667Mpa，高度越高所產生的應力越大。而且高度越高所產生的插入力也越大（參考表三）。所以在選擇上，只要在規範內，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過程。瞭解整個結構行為及特性。同時得到插座下懸臂高度對插拔力的影響效果。進而可以用來評估及改善原始設計之不足。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估及改良設計的品質。成為產品設計開發的一個有效的工具。 參考文獻 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力分佈 圖十三 插入行程的中間階段之應力分佈 圖十四 插入行程的zui終階段之應力分佈 圖十五 拔出行程的初始階段之應力分佈 圖十六 拔出行程的中間階段之應力分佈 圖十七 高度為 2.12mm之插入行程的初始階段之應力分佈 圖十八 高度為 2.33mm之插入行程的初始階段之應力分佈