邢曉東

（飛雕電器集團(tuán)有限公司 上海 201614）

前言

隨著人們生活水平的提高及電器時(shí)代的到來，電源插座廣泛用于家庭、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域，它包括固定插座和可移動(dòng)插座。為了提高插座使用的安全性，避免誤操作或不懂事的小孩用金屬部件插入插座接觸導(dǎo)電體而發(fā)生觸電的意外事故，特意在插座內(nèi)部設(shè)置保護(hù)門。本文主要分析了二極插座常見保護(hù)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的各種問題、材料的選用、彈簧的選用、零部件與零部件的相互配合及原因。

1 國(guó)標(biāo)要求（GB/T 2099.1）

目前國(guó)標(biāo)GB/T 2099.1-2008 中對(duì)插座保護(hù)門的要求有二：①3×1 mm 的探針以20 N 的推力依次從三個(gè)方向施加在保護(hù)門最不利的位置，同一位置三個(gè)方向每個(gè)方向約為5 s時(shí)間（每次操作期間中，應(yīng)不旋轉(zhuǎn)探針，探針應(yīng)以20 N維持力的方式來施加，當(dāng)探針從一個(gè)方向變動(dòng)到另一個(gè)方向時(shí)，不施加力，但不能拔出探針。），探針不能接觸到帶電部件以及Φ1 mm 的探針施加1 N 的推力以三個(gè)方向施加在保護(hù)門上，每個(gè)方向約為5 s時(shí)間（以三個(gè)方向施加1 N的力，每個(gè)方向約5 s時(shí)間，是獨(dú)立碰觸，每一次碰觸后都要拔出探針），探針不能接觸到帶電部件。②用同一個(gè)系統(tǒng)的插頭的一個(gè)插銷朝垂直于插座正表面的方向，向一個(gè)插孔的保護(hù)門施加75 N的力達(dá)1 min，實(shí)驗(yàn)之后，試樣應(yīng)不得出現(xiàn)本標(biāo)準(zhǔn)意義上的損壞。

2 影響保護(hù)門手感的幾個(gè)因素

2.1 材料性能

常見保護(hù)門的材料要求：強(qiáng)度好、抗沖擊性強(qiáng)、自潤(rùn)滑性好、尺寸穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、阻燃性好等（保護(hù)門常用材料為尼龍PA66，為了提高強(qiáng)度等性能，一般會(huì)加25 %～30 %的玻璃纖維）。

2.2 保護(hù)門的轉(zhuǎn)換角度

保護(hù)門本身在插座里是橫向運(yùn)動(dòng)，而插頭插入插座時(shí)是垂直運(yùn)動(dòng)。在只有一個(gè)零部件要想實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為橫向運(yùn)動(dòng)，就要通過角度來實(shí)現(xiàn)（垂直方向保護(hù)門角度40～60 °比較合理）。

2.3 打開保護(hù)門的插入力

常見的保護(hù)門關(guān)閉是由彈簧驅(qū)動(dòng)的，保護(hù)門的打開是由插頭驅(qū)動(dòng)的。一般插入力在3～5 N設(shè)計(jì)比較好。

2.4 打開保護(hù)門的運(yùn)動(dòng)擺角

插頭在插入插頭時(shí)，在一定的角度內(nèi)能夠打開保護(hù)門，超過這個(gè)角度就不能打開保護(hù)門。一般保護(hù)門擺角設(shè)計(jì)3～5 °比較合理。

3 保護(hù)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 保護(hù)門的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求：①插套的一個(gè)插銷朝垂直于插座的正表面方向，向一個(gè)插孔的保護(hù)門施加75 N達(dá)1 min，實(shí)驗(yàn)后樣品不能有本標(biāo)準(zhǔn)意義上的損壞。②保護(hù)門壽命需達(dá)到10 000個(gè)行程以上。

為提供保護(hù)門的強(qiáng)度，我們?cè)诒Ｗo(hù)門的材料及尺寸方面有著詳細(xì)的考慮。首先采用應(yīng)具有以下特性的材料：強(qiáng)度好、抗沖擊性強(qiáng)、自潤(rùn)滑性好、尺寸穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、阻燃性，而具有此特性的首選材料就是尼龍PA66，但單純的尼龍PA66是偏軟。所以我們將尼龍PA66進(jìn)行改性，提高強(qiáng)度。適當(dāng)向尼龍PA66加玻璃纖維，但玻璃纖維加多了本身的自潤(rùn)滑性就會(huì)嚴(yán)重下降而且變的很脆，加少了強(qiáng)度又達(dá)不到，所以我們通過大量的實(shí)驗(yàn)得出向尼龍PA66里加25 %～30 %的玻璃纖維性能是最好的，也就是我們常說的“尼龍PA66+GF25 %～GF30 %”。其次在尺寸也有一定的考量，就是保護(hù)門的高度，在好的材料只有一個(gè)薄片也是沒有強(qiáng)度的，但高度尺寸太高又影響插座的其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過測(cè)試保護(hù)門（如圖1中的A尺寸）的高度一般在4.5～5.5 mm是比較合理的一個(gè)范圍，強(qiáng)度是完全可以滿足要求的。

3.2 保護(hù)門的轉(zhuǎn)化角度設(shè)計(jì)

保護(hù)門本身在插座里是橫向運(yùn)動(dòng)，而插頭插入插座時(shí)是垂直運(yùn)動(dòng)。在只有一個(gè)零部件要想實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為橫向運(yùn)動(dòng)，就要通過角度來實(shí)現(xiàn)，那么這個(gè)角度設(shè)計(jì)多少才算合理呢。國(guó)標(biāo)要求插頭尺寸為寬度尺寸為6.4 mm（圓插頭為Φ4.8 mm），對(duì)應(yīng)插座的寬度尺寸為7.3 mm（圓插孔為Φ5.6 mm），也就是說保護(hù)門的最少滑動(dòng)距離在4.8～7.3 mm。在3.1中我們提到了保護(hù)門的高度應(yīng)該設(shè)計(jì)在4.5～5.5 mm是比較合理的。如圖2中的插頭頭部有一個(gè)R6的弧面，這個(gè)面應(yīng)在保護(hù)門A面滑動(dòng)（圓插頭在保護(hù)門B面滑動(dòng)）。在以上條件約束的情況下，我們通過實(shí)驗(yàn)保護(hù)門的角度（保護(hù)門與插頭垂直方向的夾角，如圖3）由30～80 °進(jìn)行插入力實(shí)驗(yàn)，壽命實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等，得出保護(hù)門的角度在40～60 °是一個(gè)合理范圍，在這個(gè)合理范圍內(nèi)保護(hù)門斜面的角度越小越順暢。

3.3 保護(hù)門的運(yùn)動(dòng)擺角

圖1 二極插座常見保護(hù)門示意圖

圖2 保護(hù)門運(yùn)動(dòng)分析圖

插頭在接觸保護(hù)門的時(shí)（如圖4），由于插頭不是絕對(duì)垂直于插座的正表面，所以就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的角度，這個(gè)角度也隨之傳遞給保護(hù)門。這樣一來保護(hù)門的第一個(gè)運(yùn)動(dòng)就是旋轉(zhuǎn)，當(dāng)保護(hù)門與插頭的旋轉(zhuǎn)角度一致時(shí)，就會(huì)在插頭插入力的推動(dòng)下做橫向運(yùn)動(dòng)（如圖3中，保護(hù)門在插頭插入時(shí)，向右運(yùn)動(dòng)）。當(dāng)插頭于插座的正面的角度過大時(shí)（圖4中角度a，理論值為90 °），帶動(dòng)保護(hù)門旋轉(zhuǎn)，保護(hù)門旋轉(zhuǎn)到擋塊位置時(shí)，擋塊對(duì)保護(hù)門有卡死功能，使保護(hù)門不能做橫向運(yùn)動(dòng)，保護(hù)門打不開。那么這個(gè)最大允許角度怎么設(shè)計(jì)呢。我們從兩個(gè)方面進(jìn)行研究：首先我們?cè)诠緝?nèi)部進(jìn)行調(diào)查實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在插頭插入插座時(shí)，插頭與插座正面產(chǎn)生的角度在6度以下（如圖4中的a在85～95 °之間）是最被同事接受的。其次從力學(xué)角度分析，當(dāng)插頭插入插座時(shí)，插頭對(duì)保護(hù)門有一個(gè)垂直沖擊，而這個(gè)垂直沖擊使保護(hù)門有一個(gè)塑性變形，塑性變形的角度約為0.5～1.5 °（如圖4中的a在88.5～91.5 °之間），在根據(jù)尺寸鏈的關(guān)系，保護(hù)門允許打開的最大角度在3度（如圖4中的a在小于87 °或大于93 °）以上安全。所以保護(hù)門允許打開的最大角度設(shè)計(jì)在 3～5 °（如圖 4中的 a在 85～87 °或 93～95 °）最為合理。

3.4 保護(hù)門的插入力

常見的保護(hù)門關(guān)閉是由彈簧驅(qū)動(dòng)的，保護(hù)門的打開是由插頭驅(qū)動(dòng)的。根據(jù)3.2中提到的保護(hù)門斜面設(shè)計(jì)在40～60 °，還有插頭與保護(hù)門的摩擦力、保護(hù)門與旋轉(zhuǎn)軸的摩擦力。我們分析出插頭的插入力與彈簧的彈力之間的線形圖（如圖5），從圖中我們不難看出插頭的插入力是彈簧力的1.2倍，當(dāng)插頭的插入力在3～5 N手感也是比較好的，彈簧的彈力在2.5～4.2 N（壓縮量是按照約7 mm計(jì)算的）。

3.5 運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)配合

隔板的設(shè)計(jì)：隔板的主要功能是下面壓住銅件及端子，使銅件及端子固定住不能移動(dòng)或只能在設(shè)定的范圍內(nèi)移動(dòng)。隔板的上面的支撐保護(hù)門旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)以及防止保護(hù)門后退的機(jī)構(gòu)。支撐保護(hù)門旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)的位置（如圖4中的旋轉(zhuǎn)軸）需要拋光處理，盡量減小摩擦力，高度之間的理論間隙為0 mm。保護(hù)門與防止保護(hù)門后退的機(jī)構(gòu)（如圖4中的擋塊）高度之間的間隙應(yīng)大于0.5 mm以上，擋塊的高度應(yīng)在1mm以上（保護(hù)門與隔板擋塊卡住的位置模具會(huì)形成自然R角0.2左右，擋塊高度太矮的話就沒有用了）。

壓板的設(shè)計(jì)：壓板的主要功能是壓住隔板保證保護(hù)門的運(yùn)動(dòng)空間，配合保護(hù)門來實(shí)現(xiàn)保護(hù)門的運(yùn)動(dòng)過程。壓板中的導(dǎo)向筋（如圖4）與保護(hù)門的高度方向的間隙在0.3 mm以上，壓板中的導(dǎo)向筋（如圖4）與保護(hù)門的左右方向的單邊間隙在0.3 mm以上。保護(hù)門靜止時(shí)（如圖6），保護(hù)門上側(cè)位置應(yīng)該蓋住壓板插孔0.5 mm左右（如圖6中A尺寸），保護(hù)門左右位置應(yīng)該單邊蓋住壓板插孔0.5 mm以上（如圖6中B尺寸），保護(hù)門下側(cè)位置應(yīng)該蓋住壓板插孔0.8 mm以上（如圖6中C尺寸）。

圖3 保護(hù)門受力分析圖

圖4 插頭插入過程中保護(hù)門運(yùn)動(dòng)角度剖視圖

圖5 插入力與彈簧力關(guān)系示意圖

圖6 保護(hù)門閉合狀態(tài)示意圖

結(jié)語(yǔ)

本文主要是對(duì)常見二極插保護(hù)門設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的各種問題、材料的選用、彈簧的選用、零部件與零部件的相互配合，進(jìn)行詳細(xì)的分析、比對(duì)、設(shè)計(jì)中注意的關(guān)鍵點(diǎn)及合理范圍值、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)保護(hù)門的要求等做一次詳細(xì)的方案。在用戶體驗(yàn)上面解決手感問題，把插入手感調(diào)到最佳狀態(tài)，進(jìn)而完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品性能、改善產(chǎn)品工藝，為用戶提供更安全、舒適的體驗(yàn)。