張斌強(qiáng)

摘要：飛機(jī)座艙中設(shè)計(jì)有多種多樣的儀表，為了確保良好的人機(jī)交互功能，往往需要設(shè)計(jì)各種旋鈕開關(guān)，以便控制和輸入各種參數(shù)。但由于開關(guān)旋鈕為機(jī)械部件，在實(shí)際使用過程中，由于頻繁操作或者意外施加的大扭矩，常常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)帽脫落的問題，本文在對開關(guān)脫落問題原因分析的基礎(chǔ)上，針對性地提出了防脫落設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，并經(jīng)仿真驗(yàn)證，完全能夠滿足在復(fù)雜環(huán)境下的使用要求，解決了產(chǎn)品在長期使用過程中外場頻繁出現(xiàn)開關(guān)帽脫落的問題。

關(guān)鍵詞：開關(guān)帽;防脫落

引言

在機(jī)載座艙顯示儀表中，諸多人機(jī)交互操作離不開旋鈕。旋鈕 是數(shù)量最多且使用最頻繁的人機(jī)交互接口之一。實(shí)際中，旋鈕作為 開關(guān)，可以有效地控制產(chǎn)品的狀態(tài)或者作為產(chǎn)品的電源控制開關(guān)。 還可以作為調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)等。常規(guī)的開關(guān)旋鈕結(jié)構(gòu)是將 旋鈕帽緊固在轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)的扭桿上，長期使用過程中容易受力不均， 嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致旋鈕帽脫落。

某型產(chǎn)品面板上使用了開關(guān)旋鈕，在外場使用過程中多次出現(xiàn) 了開關(guān)帽脫落的問題，針對該情況，進(jìn)行了深入的原因分析，并提 出了有效的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

一、軍用轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)介紹

以美國科爾（COLE）公司生產(chǎn)的兩檔波段開關(guān)A1136-102P為 例，該型號屬航空專用產(chǎn)品，符合美軍標(biāo)MIL-S-3786標(biāo)準(zhǔn)要求。 其溫度范圍-65°C～85°C，其他濕熱、鹽霧等環(huán)境測試符合 MIL-STD-202要求，開關(guān)壽命25000轉(zhuǎn)，使用海拔高度21336米， 其操作使用力矩要求最小21.2N.mm，最大42.33N·.mm。

開關(guān)帽通常為圓形孔，套置在開關(guān)軸上，固定方式使用的是常 規(guī)的雙螺釘固定方式，兩個(gè)螺釘角度成120°分布。

二、開關(guān)帽脫落問題及分析

在實(shí)際使用過程中，產(chǎn)品中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)開關(guān)帽脫落的問題，經(jīng) 過分析，主要存在以下問題：

（一）開關(guān)帽內(nèi)孔為圓形

圓形孔沒有充分利用開關(guān)軸的”D”形結(jié)構(gòu)，讓旋鈕與開關(guān)軸 直接平面進(jìn)行貼合，均勻受力，而是通過螺釘支點(diǎn)接觸，使得旋鈕 的固定、支撐完全依賴螺釘頂部擠壓開關(guān)軸來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)力集中在螺 釘頂部與開關(guān)軸接觸面處。旋鈕在使用過程中施加的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，所 產(chǎn)生的應(yīng)力再度在螺釘頂部與開關(guān)軸接觸面處集中，使得應(yīng)力容易 超過開關(guān)軸材料的強(qiáng)度，開關(guān)軸受損而形成凹痕。

（二）過大的旋轉(zhuǎn)扭矩

參照GB/T14775-1993《操縱器一般人類工效學(xué)要求》 ，直徑 10mm～100mm，操作力矩為20N·mm～500N·mm，而A1136-102P轉(zhuǎn) 動(dòng)開關(guān)的軸直徑為12mm，開關(guān)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最大扭矩為 42.33N·.mm，當(dāng)操作者意外施加了較大的力矩時(shí)，假設(shè)對旋鈕施 加5 倍開關(guān)實(shí)際力矩，即200N·mm，通過ANSYS結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。從 仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出， “D”形軸端面應(yīng)力值最大約為270.4MPa， 雖未超出開關(guān)軸材料（銅）的強(qiáng)度極限295MPa，但已超出屈服極限 160MPa，因此在受到意外較大扭矩的情況下，也會(huì)存在開關(guān)軸受損 的可能，最終導(dǎo)致開關(guān)帽的脫落。

三、防脫落設(shè)計(jì)

（一）防脫落設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

根據(jù)上述原因分析，采取如下改進(jìn)措施，以避免開關(guān)帽的脫落 問題。

（1）將開關(guān)帽內(nèi)孔由圓型孔更改為”D”形孔，使之與開關(guān)”D”形軸相匹配;

（2）將原先120°分布分布的開關(guān)帽緊固螺釘孔，更改成90° 分布方式，且緊固螺釘不再直接作用于開關(guān)軸的端面上，而是垂直 作用于開關(guān)軸的圓柱面上，僅起到防止松脫的效果。

（二）仿真驗(yàn)證

對更改后的旋鈕僅從施加旋鈕扭矩進(jìn)行開關(guān)軸受到的應(yīng)力分 析。從應(yīng)力角度出發(fā)，按實(shí)際情況進(jìn)行仿真分析。

先從開關(guān)操作實(shí)際需要力矩開始，施加50N·mm力矩，應(yīng)力分 布云圖，如圖1所示。

D 形軸端面應(yīng)力值約為26.02MPa，與材料的屈服極限160MPa 比較，安全系數(shù)值為160/26.02=6.2，與之前3.8倍增加了近3 倍， 完全能滿足正常操作要求。

從安全系數(shù)出發(fā)，施加5倍開關(guān)操作力矩200N·mm力矩，由 于為圓形旋鈕，操作旋鈕通過摩擦傳遞扭矩，考慮手套織物和金屬 噴漆面摩擦系數(shù)，取0.5，則200N·mm相當(dāng)于操作人員以33N的力 捏在旋鈕（指握操作）上旋撥且不發(fā)生打滑的最大扭矩，查 GB/T14775-1993操作器一般人類工效學(xué)要求，使用大拇指按動(dòng)按鈕 的作用力范圍為8～35N應(yīng)力分布云圖。

由此可知，改進(jìn)后的旋鈕結(jié)構(gòu)，能滿足5 倍開關(guān)操作力矩 200N·mm要求，符合GB/T14775-1993操作器一般人類工效學(xué)極限 要求。另外，改進(jìn)后的產(chǎn)品在外場實(shí)際使用過程中，再未出現(xiàn)過開 關(guān)脫落的現(xiàn)象。

四、結(jié)束語

通過對軍用轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)帽脫落原因的分析，針對性地提出了改進(jìn) 設(shè)計(jì)措施，并通過仿真驗(yàn)證的方法及外場飛行驗(yàn)證，表明了改進(jìn)措 施合理，可以有效解決開關(guān)帽在長期使用過程中出現(xiàn)的脫落問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB/T14775-1993. 操作器一般人類工效學(xué)極限要求。

[2] COLE A1136-102P datasheet.

[3]丁欣碩，ANSYS Workbench 17.0有限元分析從入門到精通， 出版社：清華大學(xué)出版社，2017.04