王鴻達 柴孟立 聶杰文 柳 凱 宋國良

（公牛集團有限公司 慈溪 315000）

引言

防塵門是目前移動式插座（轉(zhuǎn)換器）領(lǐng)域中很少提及和應(yīng)用的一個重要零部件，它在轉(zhuǎn)換器中起著防塵、防異物的作用，同時使產(chǎn)品更加美觀。它的出現(xiàn)使得人們用電更加安全、便捷。

目前不同國家使用的轉(zhuǎn)換器形式不同，但都大同小異 ，多數(shù)國家轉(zhuǎn)換器多為隱藏式電極，因此單獨防塵門的實用性不大，大多以保護門的形式出現(xiàn)，既可以防單極插入，也可以起到防塵效果。但德法式轉(zhuǎn)換器由于外露地極的存在，使得轉(zhuǎn)換器插孔多為型腔狀設(shè)計，這就導致了傳統(tǒng)的保護門結(jié)構(gòu)無法起到防塵效果，易使灰塵等異物沉積在轉(zhuǎn)換器內(nèi)，在用戶使用過程中，外露地極易受外力影響，導致地極歪斜，在長時間的插拔使用后，易使裸漏地極柱氧化，且在通電情況下意外濺水可能導致水濺入轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，不僅影響用戶體驗，而且存在很大的安全隱患。

為提高德法式轉(zhuǎn)換器的實用性、安全性及美觀性，特此開發(fā)一款伸縮防塵門結(jié)構(gòu)。

由于德式與法式防塵門的原理一致，本文主要以法式防塵門的設(shè)計過程進行闡述。

本技術(shù)研究的法式伸縮防塵門模塊分為回彈鎖定狀態(tài)與下陷解鎖狀態(tài)，在回彈鎖定狀態(tài)時，與傳統(tǒng)法式轉(zhuǎn)換器不同，防塵門面板彈出，與產(chǎn)品上表面共面，地極柱隱藏在防塵門下，此時防塵門的兩極孔處于封閉狀態(tài)，起到防塵效果。

在解鎖狀態(tài)時，在插頭的外力下，防塵門下陷，此時和普通法式轉(zhuǎn)換器一樣，地極柱露出，從而與插頭相連接，從而達到正常取電的目的。

這里需要解決的技術(shù)難題是：

1）防塵門面板受到外力時，保證面板不下陷；

2）插頭插入時觸發(fā)保護門面板解鎖；

3）面板應(yīng)保證正?；貜?，不卡死；

4）插拔手感應(yīng)適宜，無卡頓現(xiàn)象。

經(jīng)過對上述技術(shù)難點的研究與分析，對多種設(shè)計方案進行對比，最終確認了以“旋轉(zhuǎn)+伸縮”來實現(xiàn)功能的防塵模塊。

目前基于此技術(shù)開發(fā)的德、法式轉(zhuǎn)換器已成功上市，填補了德法式轉(zhuǎn)換器市場的空白其各項性能均已達標，且外形簡約的設(shè)計榮獲了2021年IF設(shè)計大獎。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

由于各國的插頭插座標準有所區(qū)別，轉(zhuǎn)換器的種類與規(guī)格也存在很大差異。法式轉(zhuǎn)換器的插頭與插孔需根據(jù)法國標準NFC61-303移動式轉(zhuǎn)換器規(guī)格2P+T 10/16 A 250 V的插頭插座系統(tǒng)進行設(shè)計，與其它國家不同的是，大多數(shù)國家的轉(zhuǎn)換器都為隱藏式地極，安裝保護門即可做到防塵防污效果，但德法式轉(zhuǎn)換器孔型為凹形孔，且地極外露。

目前德法市場上的轉(zhuǎn)換器均在內(nèi)部安裝保護門組件，延伸出的地極組件不做遮擋處理。因此目前有關(guān)遮擋地極的德法式防塵門的相關(guān)產(chǎn)品市場一片空白，目前也沒有相關(guān)專利、論文等研究資料可供參考，因此法式伸縮防塵門的設(shè)計具有很大的挑戰(zhàn)性。

2 防塵門模塊介紹

為解決上述問題，本文通過大量實踐與測試分析，從而提出使用伸縮式防塵門結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)主要組成部分由小面板、防塵門、壓扭簧、插孔座組成，如圖1、2所示小面板在插頭的外力與壓扭簧的作用下相對于插孔座上下浮動，壓扭簧的兩端固定在防塵門和保護盒的孔內(nèi)，安裝時，需將壓扭簧固定下端，再通過扭轉(zhuǎn)防塵門對壓扭簧進行扭轉(zhuǎn)蓄能，再將蓄能后防塵門組件通過小面板壓入插孔座，從而完成組裝。

圖1 爆炸圖

圖2 組裝結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)主要包含以下特點：

1）防塵門面板可回彈

小面板鑲嵌在插孔座內(nèi)，兩側(cè)的掛鉤牢牢卡住插孔座底端，插孔座內(nèi)置的壓扭簧作用在防塵門上，使得防塵門對小面板施加向上的推力，小面板在推力下，向上運動，直至兩側(cè)卡扣鉤住插孔座底部（結(jié)合圖5），此時小面板剛好復(fù)位，面板與產(chǎn)品外表面平行，使產(chǎn)品更加美觀。

當插頭插入時，防塵門解鎖，防塵門面板在插頭的推力作用下下沉，使插頭插入轉(zhuǎn)換器，成功取電。

2）面板自鎖

當防塵門LN極插孔未插入時，面板鎖死，無法下沉。

3）結(jié)構(gòu)模塊化

新的結(jié)構(gòu)設(shè)計將防塵門組件、保護門組件、銅件座三者配合，集成為一個獨立模塊，將其變?yōu)橥ㄓ眉?，不僅結(jié)構(gòu)精巧，適用性強，同時，模塊化的設(shè)計也大大降低了后續(xù)的研發(fā)項目成本。

3 防塵門組件設(shè)計過程

3.1 防塵門的選材

目前NFC61.314安規(guī)標準與德法安規(guī)標準中都并未明確規(guī)定防塵門應(yīng)達到何種標準，但考慮到轉(zhuǎn)換器的實際使用中，插頭先通過防塵門，再通過保護門才能接通電源。因此，防塵門的的使用壽命應(yīng)大于保護門，對防塵門的強度要求也應(yīng)高于保護門的安規(guī)要求，因此我們參照NFC 61.314中的測試項：“正確操作” 來對防塵門進行標準約束。

安規(guī)標準要求：

1）電氣附件應(yīng)能承受正常使用中時出現(xiàn)的機械、電、熱應(yīng)力而不會出現(xiàn)過度的磨損或其他有害影響。

2）保護門壽命測試

采用尺寸、材料符合實驗規(guī)定的黃銅插銷，按一定速率，對產(chǎn)品進行5 000 次的插拔實驗，實驗之后樣品不得出現(xiàn)標準定義的損壞。

因此為保證防塵門的強度與插拔手感，我們需要考慮到防塵門的材料及尺寸。防塵門由于使用環(huán)境與保護門類似，因此對材料的要求可參照目前產(chǎn)品中常用的保護門材料。

常用的保護門材料應(yīng)涵蓋以下材料特性：材料強度高、材料自身潤滑性好、材料抗沖擊性強，且要保證尺寸穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、以及高阻燃性。

涵蓋以上所述的特性的首選材料便是PA66，也被叫做尼龍材料，PA66在較高溫度也能保持較強的強度和剛度。但單純的尼龍 PA66作為保護門材料來說還是偏軟，其洛氏硬度在90HRC上下。該強度仍無法滿足使用，因此需要對PA66料性進行改變，以提高其材料強度。在注塑行業(yè)中，常見的改性方法是向PA66加改性劑玻纖，玻璃纖維作為一種填充料，主要目的是為了增強PA66的剛性、韌性，改變材料的流動性。但是隨著玻纖的增加，合金本身的自潤滑性也會隨之下降,且材料呈現(xiàn)硬而脆的特性，改性劑添加的比例對合金材料特性影響很大，所以我們通過大量的實驗數(shù)據(jù)分析得出向尼龍 PA66里加25 %的玻璃纖維后，其綜合性能最好，最終剛確認了使用“尼龍 PA66+GF25”，該材料既有尼龍材料的耐摩擦、自潤滑性好，同時又兼顧了玻璃纖維的強度，因此很好的解決了防塵門卡死，使用手感不順滑的問題。

3.2 防塵門結(jié)構(gòu)設(shè)計

談到防塵門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，必然離不開防塵門的運動方式的考量，防塵門在轉(zhuǎn)換器中的運動方式水平方向轉(zhuǎn)動，而法式插頭接電后需要垂直插入，僅通過防塵門實現(xiàn)功能，只能通過驅(qū)動斜切面設(shè)計實現(xiàn)，簡單的原理圖如圖3、4。圖3中通過上下作用的插頭，對滑塊施加一個向下的力，壓力作用在滑塊的斜面上，對滑塊進行受力分析，滑塊收到的合力進行受力分解，滑塊收到插頭驅(qū)動，最終像水平方向位移，結(jié)合這一簡單的力學模型，我們得到防塵門的大致模型圖4。

圖3 滑塊運動分析

圖4 防塵門結(jié)構(gòu)

此外，德法插頭尺寸為Φ4.8 mm的圓插頭，規(guī)定兩極孔Φ5.6 mm，孔間距為19 mm，結(jié)合保護門尺寸，得出保護門的最少滑動弧長在 5.7 mm。 在上述條件下，通過調(diào)整插頭軸線與防塵門斜面的夾角，測試角度范圍20 °～ 80 °，通過插入力測試、保護門強度測試、5 000 次正確操作，得出防塵門的最佳斜面角度在20 °～ 25 °，在這個范圍內(nèi)，防塵門斜面越小，插入手感最佳，如圖5所示。

圖5 防塵門開閉

3.3 面板自鎖設(shè)計

在確定了防塵門結(jié)構(gòu)與大致運動方式后，下一步便需要通過機構(gòu)來實現(xiàn)防塵門的運動。

圖7 插孔座結(jié)構(gòu)

圖8 插孔座內(nèi)孔

首先我們對防塵門進行運動分析，它僅需要滿足以下兩個條件：

1）當插頭插入時，防塵門旋轉(zhuǎn)，當插頭拔出時，防塵門自動旋扭閉合；

2）當插頭插入時，小面板可下沉，未插入時，小面板自鎖，無法按動。

現(xiàn)在對上述條件進行分析：

要滿足條件一，僅需一根扭簧作用于防塵門，提前扭轉(zhuǎn)扭簧蓄能，并用擋板結(jié)構(gòu)將防塵門固定，使扭簧始終處于扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，當插頭插入時，結(jié)合圖3、5，防塵門在外力作用下，克服扭簧阻力，旋轉(zhuǎn)打開，使插頭插入。

當插頭拔出時，防塵門失去插頭施加的外力，在扭簧的作用下復(fù)位，從而關(guān)閉插孔。

因此我們對小面板背部位置，兩插孔處新增兩個擋板設(shè)計（圖6），從而很好的限制了防塵門的行程。

圖6 小面板設(shè)計

而要滿足條件二中的要求，首先根據(jù)小面板運動方式，不難看出需要上下運動，因此我們?nèi)孕枰獜椈桑诠ぷ鳡顟B(tài)時，小面板在插頭的外力作用下，壓縮彈簧，使面板下沉，從而接電，當插頭拔出時，小面板需要在彈簧的作用下復(fù)位。但是想完成自鎖功能，卻不容易，如何在零件盡可能少的情況下完成自鎖功能是個難題。

結(jié)合上述兩個條件，分析防塵門組件工況，當防塵門旋轉(zhuǎn)后，其軸方可在外力作用下沉入保護盒底部孔內(nèi)，未旋轉(zhuǎn)時，防塵門的軸與保護盒底部孔的形狀無法吻合，無法配合。

因此，我們可以嘗試采用空間錯位的方法來解決上述問題。在圖4中，保護門兩側(cè)增加兩條筋，同時對插孔座的孔也開出與之配合的兩個槽，當防塵門未扭轉(zhuǎn)至合適角度時，軸孔不配合，導致面板無法下壓，而當插頭插入時，帶動防塵門旋轉(zhuǎn)一定角度，此時軸孔的形狀剛好配合，從而使防塵門在外力的作用下沉入插孔座完成取電工作。

結(jié)合上述方案，我們將扭簧與壓簧結(jié)合，僅采用一根特制的壓扭簧，并對小面板、插孔座內(nèi)孔、防塵門進行了細節(jié)設(shè)計，從而保證了保護門可正常扭轉(zhuǎn)與小面板的伸縮復(fù)位工作。至此，防塵門模塊的核心結(jié)構(gòu)設(shè)計悉數(shù)完成，新的結(jié)構(gòu)設(shè)計將防塵門組件、保護門組件、銅件座三者配合，集成為一個獨立模塊，將其變?yōu)橥ㄓ眉粌H結(jié)構(gòu)精巧，適用性強，同時，模塊化的設(shè)計也大大降低了后續(xù)的研發(fā)項目成本。

4 樣機測試

針對防塵門的測試內(nèi)容此前并沒有明確測試方法，但是防塵門結(jié)構(gòu)和作用與保護門相像，因此，主要通過與保護門相關(guān)的形式測試來衡量，參見IEC60884-1《家用和類似用途插頭插座通用要求》[1]的相關(guān)章節(jié)。

針對防塵門組件的相關(guān)試驗如下：

1）產(chǎn)品老化測試

2）產(chǎn)品正常操作

3）插孔吊重測試

4）端子溫升測試

4.1 具體實驗情況

1）產(chǎn)品老化測試

在實驗室工業(yè)烘箱（70±2）℃的烘烤下，受測時限為7天。

實驗判定標準：在經(jīng)過烘箱烘烤后，將受測樣品取出取出，通過目視產(chǎn)品表面，觀察表面變化、有無斷裂、龜裂等物理及化學性能發(fā)生變化、尺寸變化等。

實驗結(jié)論：樣品表面良好，無異常。

2）產(chǎn)品正常操作

正常操作也被稱為壽命測試。采用實驗室專用設(shè)備對產(chǎn)品插孔進行插拔，插拔次數(shù)參照出口產(chǎn)品當?shù)匕惨?guī)標準，一般在5 000～10 000 次，測試后，取出樣品，檢測相關(guān)零部件是否達完好，產(chǎn)品是否可正常使用，接電時導電部件是否接觸完好。

實驗判定標準：在經(jīng)過正常操作后，樣品接電部件應(yīng)無明顯變形，接電時應(yīng)接觸完好，相關(guān)部件不能失效。

實驗結(jié)論：受測樣品在通過正常操作后，防塵門組件性能完好，結(jié)構(gòu)尺寸材質(zhì)等達到設(shè)計要求。

3）插孔吊重測試

插孔吊重試驗也被叫做插拔力試驗。通過安規(guī)要求尺寸、重量的測試插頭治具，通過拉力計，插入受測樣品插孔中，觀察插入力與拔出力數(shù)據(jù)。

實驗判定標準：受測樣品在Φ3.8 mm，200 g的插頭治具插入插孔內(nèi)，應(yīng)保證在10 s內(nèi)插頭治具不脫落。

實驗結(jié)論：受測樣品在插拔力測試中未脫落，符合要求。

4）端子溫升測試

端子溫升試驗是指在一定室溫下，對產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)布點，接入負載機，一定的電流、電壓下，檢測布點的相關(guān)內(nèi)部件的溫度。

實驗判定標準：通過觀察設(shè)備參數(shù)，布點處溫差≤45 K即為合格。

實驗結(jié)論：受測樣品布點處測試溫差小于45 K，符合要求。

通過上述安規(guī)測試可知，目前防塵門組件的的結(jié)構(gòu)合理，使用上也更加穩(wěn)定，并通過了一系列安規(guī)測試。

最終使產(chǎn)品能夠投入量產(chǎn)，并取得客戶認同，本結(jié)構(gòu)的設(shè)計目前以應(yīng)用與我公司的德法式以及延申國家的移動轉(zhuǎn)換器和固定式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品上，并順利上市，目前已有幾十款產(chǎn)品投入海外市場，市場效益頗豐。

5 結(jié)語

德法式防塵門組件的研究一直是我公司外貿(mào)產(chǎn)品的重要研究課題，在此之前德法式防塵門在轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域一直處于行業(yè)空白，且無資料可查，因此在前期的探索中也投入了很大的研究成本，本文通過對法式防塵門組件的功能分析與結(jié)構(gòu)介紹，闡述了實施例中的關(guān)鍵技術(shù)、工作原理、以及防塵門組件設(shè)計中的難點和解決方法，最終研究設(shè)計出更加符合要求的防塵門組件，填補了市場空白，為插頭插座等產(chǎn)品設(shè)計與加工提供了理論基礎(chǔ)。