王孝利 何安民 柯寒文

（浙江德力西國際電工有限公司 杭州 310024）

前言

在墻壁開關(guān)插座中，安裝架是主要的組成部件；安裝架在安裝時(shí)會(huì)承受較大的螺釘擰緊力而發(fā)生變形使固定架失效；經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，固定架在承受1.2 N.m的扭力情況下，在少數(shù)安裝環(huán)境下安裝架已經(jīng)產(chǎn)生一定量形變，若墻面不平整情況更加惡劣，其變形量在更大，甚至有些固定架已經(jīng)出現(xiàn)了斷裂，直接致使開關(guān)失效[1]。所以對固定架的結(jié)構(gòu)與安裝環(huán)境關(guān)聯(lián)研究具有重要的意義。

本文使用兩種常用的開關(guān)結(jié)構(gòu)，在有限元、設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)中模擬安裝多種環(huán)境下開關(guān)性能并量化較研究。

1 墻壁開關(guān)結(jié)構(gòu)與安裝模擬設(shè)備介紹

1.1 墻壁安裝模擬設(shè)備介紹

為模擬墻壁開關(guān)安裝墻面復(fù)雜情況，設(shè)計(jì)出如圖1所示設(shè)備。深灰色基臺(tái)與底座作為設(shè)備框架；紅色升降臺(tái)只具有上下活動(dòng)的自由度；棕色定位螺釘為升降臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)；選定升降高度后，由夾緊螺釘保證測試過程中模擬墻面狀況穩(wěn)定。

圖1 模擬安裝設(shè)備示意圖

十個(gè)升降臺(tái)作為核心部件，四周升降臺(tái)可模擬單邊缺陷狀態(tài)下墻面。中間增加六個(gè)升降臺(tái)增加安裝接觸面的同時(shí)，也可模擬墻面中間凹陷墻面。由于安裝螺釘開關(guān)處安裝架變形最為劇烈，此處分為上下兩排螺釘。

在本文研究中，選取兩種典型安裝環(huán)境，即將圖1中所示的模擬設(shè)備全部升降臺(tái)與平臺(tái)平齊設(shè)置為安裝臺(tái)Ⅰ，模擬未變形的平整墻面；將模擬設(shè)備中上下六個(gè)升降臺(tái)升起2 mm設(shè)置為安裝臺(tái)Ⅱ，模擬安裝螺釘側(cè)下陷的缺陷墻面。

1.2 開關(guān)結(jié)構(gòu)與安裝模擬

墻壁開關(guān)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控電燈閉合需求的重要組成。主要工作原理是在合適位置安裝墻壁開關(guān)，控制電源的接通與斷開實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。一個(gè)多世紀(jì)以來，根據(jù)主要結(jié)構(gòu)或者外形可以分為一下幾種開關(guān)，拉線式開關(guān)、撥動(dòng)開關(guān)、翹板式開關(guān)、擺片式開關(guān)[2]。翹板式開關(guān)作為現(xiàn)在主流開關(guān)結(jié)構(gòu)，本文以此結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開。

由圖2所示，翹板式開關(guān)包括運(yùn)動(dòng)部件與支撐部件。運(yùn)動(dòng)部件中開關(guān)按鍵轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)彈簧座組件轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后撥動(dòng)通斷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開關(guān)比和動(dòng)作；支撐部件中，底座容納五金通斷機(jī)構(gòu)，安裝架連接面板、底座、墻壁（在部分產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)師為組裝方便將安裝架與底座集成起來，設(shè)計(jì)為連體底座），面板連接按鍵或者作為裝飾部件。

圖2 翹板式開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

在開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖中我們可以很清晰看到，按鍵作為轉(zhuǎn)動(dòng)作為人力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的最初始段，若由于機(jī)構(gòu)變形其扭矩?zé)o法傳遞至末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直接會(huì)造成開關(guān)失效。

市面上常用開關(guān)安裝螺釘形式多樣，包括頭部形狀（盤頭、沉頭、十字、一字）、長度（適應(yīng)多種形狀各異）、螺釘尾部形狀（自攻、自切、平頭）。但其公稱直徑大多為4 mm，即M4螺釘。這為螺釘預(yù)緊力計(jì)算提供便利。式（1）為螺釘預(yù)緊力的計(jì)算公式[3]。

對于一些中型企業(yè)，在發(fā)展中已經(jīng)形成較為科學(xué)的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行經(jīng)營活動(dòng)，企業(yè)間部門的分化和權(quán)責(zé)范圍非常的明確，這種經(jīng)營方式能夠有效對增加企業(yè)的管理效率和各方面工作的執(zhí)行力度。但是一些企業(yè)在管理中，沒有協(xié)調(diào)好各個(gè)部門之間的關(guān)系，使得部門之間的難以進(jìn)行通力合作，在現(xiàn)金流的反應(yīng)上，就會(huì)使得部門都開始向企業(yè)討要過多的備用金。對于企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展而言，這種方式不僅僅會(huì)讓企業(yè)的備用金過多，造成企業(yè)經(jīng)營利潤下井，同時(shí)這種方式也會(huì)讓企業(yè)的資金管理混亂，不利于企業(yè)的長期發(fā)展。

式中：

Mt—預(yù)緊扭矩，單位為N·m；

k—擰緊力系數(shù)，表面鍍鋅的螺釘約在0.18～0.22 N；

d—螺釘公稱直徑，單位為m；

F0—螺釘軸向預(yù)緊力，單位為N。

根據(jù)預(yù)緊力經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)螺釘預(yù)緊扭矩為1.2 N·m是，軸向預(yù)緊力計(jì)算后約為1450 N。兩顆螺釘作用在塑料安裝架上，甚至鐵安裝架上會(huì)造成一定程度變形，為降低變形影響各公司設(shè)計(jì)了如下結(jié)構(gòu)。

1.2.1 轉(zhuǎn)軸在安裝架

按鍵轉(zhuǎn)軸與安裝架直接配合時(shí)，面板僅作為裝飾用途。

在圖3所示模擬安裝臺(tái)Ⅱ中，螺釘預(yù)緊力致使的安裝架嚴(yán)重下陷，而上下兩側(cè)在受到支撐的情況下還會(huì)產(chǎn)生一定翹起，中間轉(zhuǎn)軸下降致使按鍵轉(zhuǎn)動(dòng)行程大幅下降，產(chǎn)生較大概率的行程失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 按鍵與安裝架配合試驗(yàn)臺(tái)安裝圖

1.2.2 轉(zhuǎn)軸在面板

轉(zhuǎn)軸在面板上的開關(guān)結(jié)構(gòu)中，面板作為連接按鍵與安裝架的主要結(jié)構(gòu)，通過孔軸與扣腳將三者連接起來。

在圖4所示安裝臺(tái)Ⅰ中，安裝架在四周翹起較小，失效概率較小。

圖4 按鍵轉(zhuǎn)軸與面板配合試驗(yàn)臺(tái)安裝圖

在安裝臺(tái)Ⅱ中，安裝架靠近安裝螺絲處下陷、較遠(yuǎn)處翹起。面板與安裝架的配合處上翹，致使面板與按鍵有一定程度抬起，但是彈簧座卻因?yàn)樽冃蜗蛳挛灰?。此時(shí)，按鍵擺桿與彈簧座之間間隙增大。外觀中無法查看內(nèi)部變形情況，但是按壓時(shí)已出現(xiàn)虛位、手感不良等扭力傳動(dòng)失效風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 按鍵與彈簧座配合

由于按鍵卡扣直接與功能部連接，若安裝架與底座為一體式，在安裝臺(tái)Ⅱ中安裝架變形后，開關(guān)按鍵位置降低，會(huì)產(chǎn)生類似1.2.1的轉(zhuǎn)動(dòng)行程失效風(fēng)險(xiǎn)。

若安裝架與底座為分體式，底座功能鍵會(huì)一定程度上降低向下位移程度，同時(shí)按鍵與彈簧座半剛性連接會(huì)降低1.2.2中傳遞失效風(fēng)險(xiǎn)。此結(jié)構(gòu)可能性較多，在后續(xù)研究中暫不拓展。

2 墻壁開關(guān)變形有限元模擬

2.1 模型簡化

有限元研究中需要消耗大量計(jì)算資源，計(jì)算時(shí)需要在計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間中相互取舍。最為常用的方法為簡化三維模型。

此處主要根據(jù)Ⅰ、Ⅱ種兩種安裝方式三維模型將安裝環(huán)境進(jìn)行簡化，此處僅包括部分墻面與螺釘兩種結(jié)構(gòu)。

2.2 材料參數(shù)獲取

聚碳酸酯,英文名Polycarbonate,常用縮寫PC，是一種線型碳酸聚酯，現(xiàn)在常用于墻壁開關(guān)中。雖然型號(hào)相同，但各廠家生產(chǎn)的PC材料性能會(huì)產(chǎn)生較大差別為此，本文使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，將原始標(biāo)距為50 mm，長款分別為10 mm、4.1 mm的PC試樣放置于在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。獲取到本公司某一款PC的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

根據(jù)圖5可知，PC材料在拉伸后并非屬于單一彈性變形規(guī)律，在有限元仿真模擬中同樣需要考慮PC材料特性，尤其是材料達(dá)到屈服后少量增加拉力應(yīng)變激增情況[4]。根據(jù)計(jì)算，此材料主要分為前期的彈性應(yīng)變環(huán)節(jié)，此時(shí)屈服強(qiáng)度為65 MPa，彈性模量為2.32 GPa。屈服后的剪切模量為193 MPa。

2.3 轉(zhuǎn)軸在安裝架有限元結(jié)果分析

圖6（a）為在安裝臺(tái)Ⅰ中有限元模擬豎直方向變形云圖，此時(shí)按鍵轉(zhuǎn)軸處翹起0.13 mm，安裝架最邊緣翹起高度約為0.29 mm。對于按鍵轉(zhuǎn)動(dòng)行程而言，變化量可以忽略。

圖6（b）為在安裝臺(tái)Ⅱ中有限元模擬豎直方向變形云圖，此時(shí)按鍵轉(zhuǎn)軸下降1.9 mm，而安裝架兩側(cè)上翹約0.4 mm。按鍵轉(zhuǎn)動(dòng)行程減少2.5 mm，如圖所示，若將按鍵轉(zhuǎn)軸下降2.5 mm時(shí)，按鍵已經(jīng)幾乎無法轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)如圖5所示現(xiàn)象，判定為開關(guān)失效。

圖5 某PC架子料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 按鍵與安裝架配合有限元模擬

2.4 轉(zhuǎn)軸在面板有限元結(jié)果分析

圖7（a）為在安裝臺(tái)Ⅰ中有限元模擬豎直方向變形云圖，此時(shí)與面板配合處安裝架上翹0.33 mm，底座部位下沉0.53 mm。彈簧座與安裝件配合處整體偏移0.83 mm。

圖7（b）為在安裝臺(tái)Ⅱ中有限元模擬豎直方向變形云圖，安裝架在安裝孔處偏移量達(dá)到2.02 mm，此時(shí)與面板配合處安裝架上翹0.55 mm，底座部位下沉0.83 mm。整體偏移高達(dá)1.38 mm。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖8所示現(xiàn)象，按鍵失效概率增加。

圖7 按鍵與面板配合有限元模擬

3 總結(jié)

綜上研究可以發(fā)現(xiàn)，開關(guān)通斷性能作為最基礎(chǔ)的功能要求，我們不應(yīng)該限制在開關(guān)結(jié)構(gòu)對其影響，墻面狀況也是不可忽略的一種重要因素。