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        一種旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)思路分析

        2018-05-02 07:41:13胡云亮
        機(jī)電信息 2018年12期
        關(guān)鍵詞:跳步壓簧轉(zhuǎn)軸

        胡云亮

        (貴州振華華聯(lián)電子有限公司,貴州黔東南556000)

        0 引言

        隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,作為傳輸信號(hào)與檢測(cè)的重要元件,旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的品種和種類也越來(lái)越多,對(duì)于開(kāi)關(guān)技術(shù)性能的可靠性也提出了更高的要求。機(jī)電元件中,旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)是用來(lái)控制和傳遞信號(hào)的,屬于控制元件。在電子電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,需對(duì)產(chǎn)品的高可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)證,本文是根據(jù)一種旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),并對(duì)開(kāi)關(guān)的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絕緣材料選取等問(wèn)題進(jìn)行了合理分析。

        1 主要技術(shù)指標(biāo)

        本文以KX30-45-1D8WDH5-8型旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)為例,從設(shè)計(jì)、工藝、選材等方面進(jìn)行了分析。該開(kāi)關(guān)應(yīng)滿足下列指標(biāo)要求:

        (1)額定電負(fù)載:DC28V/0.5A(阻性);瞬間電流:DC28V/10A(觸點(diǎn)靜態(tài)下持續(xù)時(shí)間不小于500ms)。

        (2)接觸電阻(正常大氣條件下的初始值)≤0.020Ω。

        (3)絕緣電阻(正常大氣條件下的初始值)≥1000MΩ。

        (4)介質(zhì)耐壓(正常大氣條件下的初始值):AC600V。

        (5)壽命:25000次。

        (6)沖擊:100g。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1 開(kāi)關(guān)整體設(shè)計(jì)

        通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析,確定KX30-45-1D8WDH5-8型密封旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)總體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)軸組件、軸套組件、固定板組件、基座組件和壓簧等零部件組成,如圖1所示。

        圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

        2.2 產(chǎn)品工作原理

        該產(chǎn)品是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)軸施加旋轉(zhuǎn)力矩帶動(dòng)跳步機(jī)構(gòu)繞軸心運(yùn)動(dòng),通過(guò)跳步壓簧的伸縮帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸組件上凸筋從當(dāng)前位置跳到相離位置,推動(dòng)滑頭組件向下位移并促使動(dòng)、定觸點(diǎn)接觸,實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的電接觸通斷和電路轉(zhuǎn)換控制。

        2.3 設(shè)計(jì)技術(shù)及難點(diǎn)

        (1)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換接觸的穩(wěn)定性和可靠性。該開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換接觸的穩(wěn)定性和可靠性主要取決于跳步機(jī)構(gòu)和接觸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與零件的制造。該開(kāi)關(guān)的跳步機(jī)構(gòu)由基座、轉(zhuǎn)軸組件、壓簧(甲)、鋼球(φ4)等零件組成;接觸機(jī)構(gòu)由動(dòng)觸片、定觸片、上固定板、下固定板、壓簧(乙)、壓簧(丙)、接點(diǎn)等零件組成。開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換角度為45°,即順時(shí)針每轉(zhuǎn)換45°接通一組電路,其中動(dòng)觸片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇為重點(diǎn),直接影響開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性。

        (2)轉(zhuǎn)軸組件的設(shè)計(jì)與模具加工工藝技術(shù)。轉(zhuǎn)軸組件是實(shí)現(xiàn)本開(kāi)關(guān)跳步、限位及接觸的關(guān)鍵部件,它與基座、壓簧(甲)、鋼球配合實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)跳步與限位功能,與滑頭組件配合實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用及模具制造均有較高要求,即其結(jié)構(gòu)必須滿足部件的使用性要求,所選材料必須能經(jīng)受滑頭組件對(duì)其凸筋部位高達(dá)400萬(wàn)次的摩擦,模具精度要保證開(kāi)關(guān)跳步及限位的準(zhǔn)確性要求。

        2.4 技術(shù)方案的對(duì)比分析

        電接觸部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩種方案對(duì)比分析如下:

        方案1:動(dòng)觸片結(jié)構(gòu)采用鉚接點(diǎn)的方式,導(dǎo)電件采用在零件上直接打凸包的方式,開(kāi)關(guān)工作時(shí),通過(guò)動(dòng)觸點(diǎn)與導(dǎo)電件凸包之間的接觸與斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)通斷。該方案對(duì)凸包的高度尺寸要求較嚴(yán)格,凸包的尺寸精度及接觸面形狀一致性都很難保證,凸包高度尺寸不一致會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)接觸壓力不同,電性能穩(wěn)定性差;接觸面形狀不一致會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)接觸面積不一致,若接觸面積很小,會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)在承受瞬間大電流時(shí)嚴(yán)重?zé)g,降低開(kāi)關(guān)電性能,甚至使開(kāi)關(guān)失效。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 電接觸部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1

        方案2:動(dòng)觸片和導(dǎo)電件均采用鉚接點(diǎn)的方式。其中動(dòng)觸片鉚接球面接點(diǎn),導(dǎo)電件鉚接平面接點(diǎn),這樣的結(jié)構(gòu)形式既可以保證接點(diǎn)高度一致性,又可以保證兩接點(diǎn)間有足夠的接觸面積。該方案避免了接點(diǎn)高度及接觸面積不一致的問(wèn)題,增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)承受大電流作用的能力,保證了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換接觸的穩(wěn)定可靠性。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 電接觸部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案2

        經(jīng)對(duì)兩個(gè)方案的綜合對(duì)比考慮,最后確定采用方案2,即動(dòng)觸片與導(dǎo)電件均采用鉚接點(diǎn)的方式。

        3 可靠性特點(diǎn)

        可靠性方面的特點(diǎn):為了保證產(chǎn)品的可靠性,重點(diǎn)在方案設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,確保結(jié)構(gòu)的合理性,開(kāi)展了設(shè)計(jì)方案評(píng)審,根據(jù)用戶對(duì)整機(jī)的使用要求和對(duì)開(kāi)關(guān)功能特點(diǎn)、性能指標(biāo)、使用環(huán)境等的要求進(jìn)行綜合分析,將開(kāi)關(guān)的壽命指標(biāo)(電壽命25kPa下25000次;85℃下25000次)作為開(kāi)關(guān)可靠性目的指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的壽命可靠性指標(biāo),分別對(duì)開(kāi)關(guān)的接觸機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究分析,并對(duì)相關(guān)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行核算設(shè)計(jì)。要達(dá)到開(kāi)關(guān)的壽命可靠性,主要需在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣性能兩個(gè)方面達(dá)到要求。因此,在研制過(guò)程中,從以下方面來(lái)保證可靠性:

        (1)用機(jī)械壽命試驗(yàn)來(lái)考核和驗(yàn)證開(kāi)關(guān)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性;

        (2)以振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及觸點(diǎn)接觸的可靠性;

        (3)以介質(zhì)耐壓試驗(yàn)來(lái)考核開(kāi)關(guān)在額定電壓下能否安全工作,能否耐受由于浪涌及其他類似現(xiàn)象所導(dǎo)致的過(guò)電位,最終驗(yàn)證開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用材料的電氣可靠性;

        (4)以高低溫、低氣壓電壽命試驗(yàn)考核和驗(yàn)證開(kāi)關(guān)電接觸機(jī)構(gòu)在各種環(huán)境下的可靠性;

        (5)以耐濕試驗(yàn)考核開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)所用材料在高溫、高熱潮濕條件下的電氣可靠性。

        在研制過(guò)程中主要以試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證開(kāi)關(guān)的整體可靠性,并將各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果反饋到開(kāi)關(guān)可靠性設(shè)計(jì)中去,以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→試驗(yàn)→結(jié)構(gòu)改進(jìn)→試驗(yàn)→再改進(jìn)→再試驗(yàn)的循環(huán)過(guò)程來(lái)不斷提升開(kāi)關(guān)的整體可靠性。

        4 零件材料選取

        (1)動(dòng)觸點(diǎn)、定觸點(diǎn):觸點(diǎn)材料是載流體,為保證滿足DC 28V/0.5A的常態(tài)負(fù)載和瞬間DC28V/10A的沖擊負(fù)載以及25000次通斷壽命,經(jīng)綜合分析,觸點(diǎn)材料的選用需導(dǎo)電性能好,接觸電阻小。所以,經(jīng)過(guò)資料查詢,選取抗銀氧化鎘合金材料作為基材,且表面鍍金1μm來(lái)滿足使用要求。

        (2)中導(dǎo)電件、導(dǎo)電件:中導(dǎo)電件、導(dǎo)電件屬載流體,需要有較好的導(dǎo)電性,較低的電阻率,良好的機(jī)械性能和加工性能,選擇錫青銅帶材料能滿足技術(shù)要求和工藝要求,在表面鍍覆方面選擇表面鍍金1μm。

        (3)彈性零件:本開(kāi)關(guān)的彈性零件有動(dòng)觸片、壓簧,動(dòng)觸片選擇用彈性好、抗疲勞、導(dǎo)電性好的鈹青銅帶,沖制成型后經(jīng)真空爐時(shí)效處理;壓簧選用抗疲勞、抗環(huán)境能力強(qiáng)的碳素彈簧鋼絲。各種彈性零件根據(jù)所承擔(dān)的功能進(jìn)行相應(yīng)的表面電鍍處理。

        (4)蓋板為金屬件,由模具沖壓成型,材料主要考慮環(huán)境條件,經(jīng)對(duì)比和綜合考慮,決定選用不銹鋼材料。該材料具有良好的耐鹽霧、耐潮濕、耐高低溫等性能,并具有高強(qiáng)度、高硬度的綜合機(jī)械性能。

        (5)轉(zhuǎn)軸、軸套零件均為車制件,其主要考慮環(huán)境溫度及產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性。軸套選用材料為黃銅棒,制造成型后進(jìn)行表面鍍鎳處理,此材料及制造工藝在我廠開(kāi)關(guān)產(chǎn)品及其同類零件中大量使用,均能保證滿足技術(shù)要求。轉(zhuǎn)軸主要需要承受一定量載荷力,并且要在各種環(huán)境條件下都能有效使用,所以綜合產(chǎn)品可靠性,選取不銹鋼材料。

        (6)轉(zhuǎn)軸組件、基座兩種零件均為塑料件,由模具塑壓成型,選擇材料時(shí)主要考慮能適應(yīng)環(huán)境條件及開(kāi)關(guān)部分技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)對(duì)比和綜合考慮,決定基座材料選用熱固性塑料DAP,該材料具有絕緣性能高、熱變形溫度高、強(qiáng)度高、阻燃、耐化學(xué)腐蝕、吸水率低、收縮率小、成型后收縮變形小等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)軸組件的塑料部分為聚醚酰亞胺PEI,該材料有較好的機(jī)械性能、絕緣性能,具有耐高溫、耐磨、尺寸蠕變小等特點(diǎn)。

        (7)六角螺母、防水圈(外)、內(nèi)密封圈、調(diào)整墊圈為借用通用零件,材料經(jīng)其他用戶長(zhǎng)期使用,均可達(dá)到環(huán)境條件要求。

        (8)鋼球?yàn)橥赓?gòu)標(biāo)準(zhǔn)件,材料為不銹鋼,經(jīng)我廠其他產(chǎn)品長(zhǎng)期使用,可達(dá)到環(huán)境條件要求。

        5 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)該對(duì)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的指標(biāo)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性分析、材料選擇等,完成了該產(chǎn)品的設(shè)計(jì),可為旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]周茂祥.低壓電器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

        [2]瞿芳,李東波.蹺板式開(kāi)關(guān)裝置觸點(diǎn)力影響因素[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2012,28(6):121-123.

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        [5]束德林.工程材料力學(xué)性能[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

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