本文目的在對於複合式讀卡機應用失效模式與效應分析(FMEA)，推 斷容易引起疲勞失效的零件，然後建立三種不同破壞準則探討零件疲勞壽 命的可靠度。在FMEA 的分析結果中，IC 卡讀取頭裝置的拉伸彈簧和 IC 卡讀取頭端子的疲勞失效會嚴重影響複合式讀卡機的可靠度，此兩種零件 利用三種破壞準則即「疲勞應力小於工作應力振幅」、「安全因數小於1」、
「工作應力點與 Goodman 失效面的距離小於 0」，計算可靠度指標β值，
並且做可靠度分析、可靠度設計、敏感度分析。所得結果整理以下幾點結 論：
1.三種破壞準則之可靠度指標β值以疲勞應力小於工作應力振幅的破壞 準則之β值為最大。而以安全因數破壞準則所求得之β值為最小也最保 守，此因它在Goodman Diagram 之工作應力點與失效面的距離最短，所 以根據安全因數破壞準則做可靠度設計時，可使零件疲勞壽命達到一百 萬次之失效機率較低。
2.於敏感度分析結果中，拉伸彈簧之可靠度指標β值對於彈簧線徑d 與平 均螺旋直徑 D 之變化甚敏感，IC 卡讀取頭端子之可靠度指標β值對於 板厚 h、懸臂長l、變位δ之變化甚敏感，亦即這些參數為影響疲勞壽命 之可靠度的重要設計變數。藉由敏感度分析可以了解設計參數之改變時 影響整個系統可靠度之行為。
3.在維持相同之可靠度下，當設計參數標準差增減變化時，拉伸彈簧之線 徑與平均螺旋直徑之變化呈相反趨勢，IC 卡讀取頭端子之板厚與懸臂長 之變化呈相反趨勢，此均因為應力與設計參數標準差的變化呈相反趨勢 之故，可依上述關係做設計值調整，以達到最佳設計。
4.在傳統疲勞設計中，安全因數常藉由Goodman Diagram 估算，由上述方 法求得之安全因數為一常數，無法明確表示安全性之機率，此常數化的 作法不符實際需要，因強度與應力均為隨機變數，故安全因數亦為隨機 變數呈機率分佈。因此，本文應用可靠度概念與使用三種破壞準則，在 Goodman 圖中以 first order second moment 方法計算可靠度指標β值，研
究結果顯示是一可行的方法，有別於耗時實驗收集數據建立 SN 曲線，
然後以機率分佈理論量化可靠度。
5.評估疲勞壽命達到一百萬次，在安全因數破壞準則中，拉伸彈簧之可靠 度指標β值高達 11.78，IC 卡讀取頭端子之可靠度指標β值為 2.01，經 查閱複合式讀卡機的回廠維修資料，沒有 IC 卡讀取頭裝置之拉伸彈簧 與端子的疲勞失效的維修記錄，顯現在正常使用情況之下，拉伸彈簧與 IC 卡讀取頭端子的疲勞壽命可靠度甚高，研判為複合式讀卡機的使用環 境極為單純，其疲勞壽命主要以在讀卡時與 IC 卡讀取頭裝置連動的拉 伸彈簧與IC 卡讀取頭端子來決定。此外，雖無 IC 卡讀取頭端子的疲勞 失效的維修記錄，但其β值僅約 2.01，失效機率為 2.2216%，有必要考 慮進行可靠度設計改善減少端子固定端的彎曲應力，以提高疲勞壽命可 靠度。
6.材料的疲勞壽命由材料承受單一負荷週期的破壞強度所決定，因此，疲 勞強度和靜態的材料強度有關。如果知道材料的抗拉強度，即可得到疲 勞限的近似值[28]，以估算疲勞壽命可靠度。由計算所得到的疲勞限的 範圍會與實驗值有很大不同，是因為疲勞壽命數據具有離散性，數據離 散性(標準差)愈小，表示產品均勻性愈佳，其影響因素包括：材料組織、
形狀與尺寸、表面狀況、平均應力、熱處理、腐蝕及環境溫度等。
未來工作：
1.探討拉伸彈簧兩端勾部之不同形狀與尺寸對於疲勞壽命的影響，因為拉 伸彈簧使用時需考慮以勾部之降伏應力(疲勞限度)限定最大荷重。
2.在相同設計變位下，IC 卡讀取頭端子於不等板寬，對 IC 卡讀取頭端子 疲勞壽命之影響。
3.作用於IC 卡讀取頭端子的荷重與變位的關係設計成非線性特性，依變 位而改變其有效作用的懸臂長，當端子需較長懸臂時可應用之。
4.卡片材質為PVC，經消費者使用後，其不規則變形對於 IC 卡讀取頭端 子疲勞壽命的影響。
5.IC 卡讀取頭端子與 IC 卡直接接觸，從而達到傳遞訊號目的，其接觸阻 抗藉由端子表面之鍍金層降低，對於鍍金含量、膜厚、表面粗糙度需進 行研究，以提高訊號傳遞之可靠度。
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參考文獻
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表34 拉伸彈簧相關參數之平均值與標準差
參數 X 平均值
X
標準差 σX
線材抗拉強度Sult (kg/mm2) 187.04 6.788 線材降伏強度Syp (kg/mm2) 141.93 5.430 疲勞剪應力τe (kg/mm2) 46.76 1.697 彈簧常數K (g/mm) 10.932 0.2148 剪彈性係數G (kg/mm2) 5981.834 117.5112
線徑d (mm) 0.23 0.00333
平均螺旋直徑D (mm) 2.532 0.0123
有效圈數n (圈) 12.25 0.02777
拉伸量δ (mm) 5 0
表35 IC 卡讀取頭端子相關參數之平均值與標準差
參數 X 平均值
X
標準差 σX
材料抗拉強度Sult (kg/mm2) 56.86 0.4065 材料降伏強度Syp (kg/mm2) 51.40 0.3705 疲勞應力Se (kg/mm2) 21.32 0.1524 彈簧常數K (g/mm) 76.02 2.0859 楊式係數E (kg/mm2) 8703.822 238.81
板寬b (mm) 0.6 0.006667
板厚h (mm) 0.3 0.006667
懸臂長l (mm) 7.74 0.03333
變位量δ (mm) 0.4395 0
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16.03 100.6523 -17.2897 0.003448 -1.6839 -0.01387
β d
11.78 -10.5411 1.8107 -0.000361 0.1763 0.01155
β d
H＜0 13.96 -98.9529 16.9978 -0.003390 1.6554 0.2342
表37 拉伸彈簧的三種破壞準則取不同標準差之β值
2.25 0.002949 85.5857 -6.6345 -0.1139
β E
2.01 -0.0001241 -3.6016 0.2792 0.019002
β E
2.17 -0.002123 -61.5871 4.7742 0.3512
表39 IC 卡讀取頭端子的三種破壞準則取不同標準差之β值
Ps ( Se > Sa) Ps (FS > 1) Ps ( H > 0) 標準差σX設計
(h , l , E , Sult) β
標準差*0.25 7.63 8.04 8.70
標準差*0.75 2.97 2.68 2.90
標準差*1 2.25 2.01 2.17
標準差*1.25 1.81 1.61 1.74
標準差*1.75 1.30 1.15 1.24
表40 可靠度 0.9999 並取不同標準差之彈簧線徑 d
Ps ( τe > τa)
= 0.9999
Ps ( FS > 1)
= 0.9999
Ps ( H > 0)
= 0.9999 標準差σX設計
(d , D , G , n , Sult)
線徑d (mm)
標準差*0.25 0.4212 0.4204 0.4191 標準差*0.75 0.3978 0.3898 0.3909 標準差*1 0.3862 0.3745 0.3770 標準差*1.25 0.3747 0.3589 0.3631 標準差*1.75 0.3518 0.3267 0.3355
表41 可靠度 0.9999 並取不同標準差之彈簧平均螺旋直徑 D
Ps ( τe > τa)
= 0.9999
Ps ( FS > 1)
= 0.9999
Ps ( H > 0)
= 0.9999 標準差σX設計
(d , D , G , n , Sult)
平均螺旋直徑D (mm) 標準差*0.25 1.8002 1.8023 1.8049 標準差*0.75 1.8632 1.8854 1.8805 標準差*1 1.8956 1.9305 1.9202 標準差*1.25 1.9289 1.9789 1.9615 標準差*1.75 1.9988 2.0875 2.0498
表44 拉伸彈簧的三種破壞準則之β值的敏感度分析
標準差*0.25 0.305859 0.306916 0.305840 標準差*0.75 0.287149 0.283220 0.286106 標準差*1 0.278511 0.271188 0.276788 標準差*1.25 0.270293 0.258654 0.267799 標準差*1.75 0.254939 0.231196 0.250717
表43 可靠度 0.9999 並取不同標準差之 IC 卡讀取頭端子懸臂長 l
標準差*0.25 7.66643 7.65367 7.66669 標準差*0.75 7.90518 7.95520 7.91869 標準差*1 8.0193 8.11327 8.04198 標準差*1.25 8.13032 8.28003 8.16363 標準差*1.75 8.34444 8.64464 8.40238
表45 IC 卡讀取頭端子的三種破壞準則之β值的敏感度分析
Se＜Sa -0.003395 -99.8792 8.1840 0.5427 -70.1469 FS＜1 -0.002744 -80.8767 6.4706 0.4408 -56.9177 H＜0 -0.003195 -94.0546 7.5072 0.5116 -66.0465
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圖1 磁條卡之磁條位置 資料來源：ISO 7811
圖2 IC 卡的端子位置 資料來源：[2]
圖3 IC 卡的基本結構 資料來源：[2]
圖4 卡片與複合式讀卡機 (正面)
(底面)
磁卡之磁條
IC 卡之 8 個端子
機架
塑膠構架
介面電路板 偵測桿
磁卡之磁頭裝置
IC 卡之讀取頭裝置
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圖5 塑膠構架
嵌入件 (螺帽) 射出成形載物架
圖6 左機架
圖7 右機架
圖8 卡片偵測裝置
圖9 介面電路板
定位銷1(固定於塑膠構架) 偵測桿
壓縮彈簧
微動開關1 介面電路板
主機板連接器
電磁閥連接器
電子零件 與 電路板
微動開關
1
微動開關2 組合 之連接器
(正面)
(底面)
IC 卡讀取頭連接器
磁頭連接器
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圖10 微動開關 2 組合
螺絲1 連接線
熱縮套管
微動開關2
圖11 磁卡之磁頭裝置 (組合圖) (分解圖
)
螺絲2(固定於塑膠構架)
圓錐螺旋彈簧 磁頭固定架
定位銷2(固定於塑膠構架)
定位銷3(固定於塑膠構架)
磁頭 磁頭軟排線
圖12 IC 卡之讀取頭裝置 (組合圖)
(分解圖) 拉伸彈簧1
端子保護蓋
IC 卡讀取頭
IC 卡讀取頭電路板
IC 卡讀取頭軟排線
圖13 電磁閥裝置 電磁閥
連桿組1
拉伸彈簧2
連桿組2
扣環 歸位桿
連桿定位銷
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卡片 偵測桿施力於卡片的方向
微動開關2 組合
卡片與微動開關的接觸定點
圖14 偵測桿施力於卡片的方向、卡片與微動開關 2 的接觸定點
IC 卡
讀取頭裝置
圖15-1 IC 卡與讀取頭裝置之靜態連結 靜態連結之前
靜態連結之後
間隙(mm) 塑膠構架
讀取頭端子壓縮量(mm)
圖15-2 IC 卡與讀取頭裝置之靜態連結 讀取頭裝置
塑膠構架之滑軌
靜態連結之前 靜態連結之後
IC 卡推動連結之方向 讀取頭裝置垂直上升1.10mm
磁頭裝置(非固定)
磁條卡刷動之方向
圖16 磁條卡與磁頭裝置 磁條卡
IC 卡讀取頭之滑動部
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卡片插入 (IC 卡、磁條卡)
卡片偵測裝置
& 微動開關1 啟動
介面電路板
微動開關2
啟動
IC 卡之 讀取頭裝置
磁條卡之
磁條卡之