江朝軍，余嘉，沈存輝，付杰，王凌霄，李平

（公牛集團(tuán)股份有限公司，慈溪 315314）

引言

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，越來(lái)越多用戶要求及需求也不斷提高，無(wú)論對(duì)數(shù)字化與智能化的需求還是對(duì)生活品質(zhì)的要求都會(huì)發(fā)生本質(zhì)的變化，現(xiàn)代化的時(shí)代促使整個(gè)社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，作為制造業(yè)更要率先走在時(shí)代發(fā)展的最前沿，精準(zhǔn)快速識(shí)別用戶需求，正確理解用戶需求，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，用戶反饋大數(shù)據(jù)的收集與整理統(tǒng)計(jì)分析，從而做到內(nèi)部的有效轉(zhuǎn)換，落實(shí)到客戶應(yīng)用層面的切實(shí)需求與期望，當(dāng)然作為傳統(tǒng)制造業(yè)也許隨時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步做快速轉(zhuǎn)型才可實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展，未來(lái)制造業(yè)一定是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為用戶場(chǎng)景化設(shè)計(jì)，結(jié)合用戶場(chǎng)景化，市場(chǎng)調(diào)研，用戶畫像，去真正了解用戶產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中的痛點(diǎn)、要求、方法、步驟、體驗(yàn)感從而設(shè)計(jì)出不但滿足標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，更要滿足客戶應(yīng)用多場(chǎng)景化及可靠、安全、穩(wěn)健性產(chǎn)品；當(dāng)然本項(xiàng)目也是對(duì)旋轉(zhuǎn)插頭的整個(gè)安全性與用戶體驗(yàn)舒適感著手研究與設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)背景

基于用戶舒適感體驗(yàn)與多場(chǎng)景化使用，從根本上解決用戶使用插座時(shí)，因插座孔位距離而造成的插座容量減少、因不能任意使用自由方向位置轉(zhuǎn)向而苦惱，因不能轉(zhuǎn)向而強(qiáng)制轉(zhuǎn)向所造成產(chǎn)品電源線連接處的損壞而帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)與功能失效等用戶應(yīng)用層面的問(wèn)題（圖1、圖2），所引發(fā)的使用體驗(yàn)感不佳與安全隱患；最終我們希望通過(guò)旋轉(zhuǎn)插頭研發(fā)設(shè)計(jì)的誕生而解決這一系列問(wèn)題。

圖1 孔位遮擋案例

圖2 插頭線強(qiáng)行彎曲案例

2 設(shè)計(jì)工作原理及方案對(duì)比分析

2.1 設(shè)計(jì)工作原理

設(shè)計(jì)方案原理通過(guò)（圖3）：導(dǎo)電環(huán)與電源線連接，同時(shí)導(dǎo)電環(huán)由內(nèi)心固定，當(dāng)上下蓋組裝完成后，U形環(huán)靠自身彈力作用使內(nèi)心向上蓋側(cè)運(yùn)動(dòng)使接觸到插銷，此時(shí)插銷與導(dǎo)電環(huán)接觸位置存在接觸壓力，從而電源線與插銷導(dǎo)通，插銷支撐架固定，支撐架可以帶動(dòng)插銷實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)接觸功能。

2.2 方案對(duì)比分析（圖3）

圖3 U形環(huán)式旋轉(zhuǎn)插頭

采用U形彈片靠自身彈力作用使支撐架②向上蓋側(cè)運(yùn)動(dòng)使接觸到插銷，本身U形環(huán)作為接觸片與導(dǎo)電環(huán)的旋轉(zhuǎn)重要導(dǎo)電連接部分，在使用時(shí)由于旋轉(zhuǎn)U形環(huán)本身材質(zhì)（65 Mn）結(jié)構(gòu)問(wèn)題導(dǎo)致接觸片與導(dǎo)電環(huán)接觸面摩擦力過(guò)大，磨損嚴(yán)重，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用會(huì)帶來(lái)溫升、電氣強(qiáng)度、的潛在質(zhì)量隱患。

2.3 設(shè)計(jì)工作原理

設(shè)計(jì)方案原理通過(guò)（圖4）：導(dǎo)電環(huán)與插銷通過(guò)一體式注塑成型連接，由支撐架做固定，彈簧直接固定在下蓋，彈簧裝于凹行接觸端子內(nèi)作為彈簧導(dǎo)向，凹形接觸端子由支撐架固定導(dǎo)向，上下蓋組長(zhǎng)完成后，彈簧自身彈力作用使凹形接觸端子與導(dǎo)電環(huán)接觸，最終使電源線與插銷導(dǎo)線。

2.4 方案對(duì)比分析（圖4）

圖4 彈簧式旋轉(zhuǎn)插頭

采用彈簧式，接觸壓力可有效解決日常使用旋轉(zhuǎn)使，由于導(dǎo)電連接片的磨損而導(dǎo)致接觸電阻過(guò)大及電氣強(qiáng)度不符合現(xiàn)象，彈簧的作用可以在導(dǎo)電連接片由輕微磨損使可以通過(guò)彈簧的彈力補(bǔ)償導(dǎo)電片與導(dǎo)電環(huán)的安全有效接觸面積，使其始終保持良好安全接觸；彈簧的接彈力與摩擦力系數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析選取最優(yōu)值，具體科學(xué)計(jì)算方式如下：

假設(shè)上下蓋合攏后L/N極連接片受到的壓力為F為50 N，分別作用于導(dǎo)電環(huán)L/N上，兩個(gè)導(dǎo)電環(huán)各承受25 N的壓力，其所產(chǎn)生的摩擦力：f=uF=0.04*25=1 N（u值來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)），彈簧的彈力為：f=uF（其中u為摩擦系數(shù)，實(shí)驗(yàn)室得到數(shù)據(jù)為0.04）。

F=kx—k=F/x（k為彈簧系數(shù)）

即：K=11.6/4=2.9 kgf/cm，Cd/8 D3m=Cd/8 C3n

式中：

G—切變橫量；

d—材料直徑；

D—彈簧中徑；

n—有效圈數(shù)；

C—旋轉(zhuǎn)比；

G—線材的剛性模量，琴剛絲為：8 000；

d—彈簧線徑；

Dm—彈性中徑；

Dn—彈簧有效圈數(shù)等于5，取K值≤3.8，最終計(jì)算結(jié)果選取直徑為0.45 mm彈簧。

3 驗(yàn)證方案

通過(guò)設(shè)計(jì)方案對(duì)比與驗(yàn)證分析對(duì)兩款設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，具體驗(yàn)證方案[2]如圖5。

圖5 驗(yàn)證方案

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 溫升驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的設(shè)計(jì)驗(yàn)證：溫升數(shù)據(jù)分析對(duì)比采用圖3方案：U形環(huán)式結(jié)構(gòu)式旋轉(zhuǎn)插頭在經(jīng)過(guò)10 000次旋轉(zhuǎn)壽命后的溫升[2]（標(biāo)準(zhǔn)要求L/N極配線用14 AWG電子線，長(zhǎng)度為38 mm的銅線短接，通額定電流電壓，持續(xù)工作4 h，試驗(yàn)后溫升≤30 K）測(cè)試3個(gè)樣品，每個(gè)樣品的L/N測(cè)試12個(gè)點(diǎn)，83～87 %的點(diǎn)位都超出標(biāo)準(zhǔn)值30 K，而方案4彈簧式結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)插頭在使用同樣方法與樣板量時(shí)，溫升值顯示全部合格，且L/N平均值在[15～17 K]區(qū)間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差的離散型在[1.8～2 K]區(qū)間范圍內(nèi)，整體數(shù)據(jù)呈現(xiàn)均表現(xiàn)良好。

4.2 耐壓驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)兩種方案的設(shè)計(jì)驗(yàn)證：在壽命10 000次后，施加標(biāo)準(zhǔn)[3]要求在不同極性之間的1 250 V/min電壓，在進(jìn)行圖3方案：U形環(huán)式結(jié)構(gòu)式旋轉(zhuǎn)插頭驗(yàn)證時(shí)，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)舸└驹驗(yàn)楫a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)式定位不夠精準(zhǔn)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，零件間的相互位置易不停發(fā)生改變，造成在某些結(jié)構(gòu)局部位置L/N極由于內(nèi)部運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致間隙過(guò)近，產(chǎn)生高壓不良，而方案4彈簧式結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)插頭采用的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)連接為彈簧式接觸壓力式凹槽連接方式，將接觸端子固定在導(dǎo)向槽內(nèi)，完美規(guī)避因結(jié)構(gòu)配合或者使用旋轉(zhuǎn)偏離中心軌道而導(dǎo)致電氣間隙不足的潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 壽命驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析（圖6）

圖6 壽命驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)兩種方案的設(shè)計(jì)驗(yàn)證：插頭以360 °旋轉(zhuǎn)，先通過(guò)一圈的順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，在逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)一圈，旋轉(zhuǎn)測(cè)試設(shè)備檢測(cè)儀器以每10 /min的速率，檢測(cè)壽命共10 000次后，圖3方案：U形環(huán)式結(jié)構(gòu)式旋轉(zhuǎn)插頭外殼（材質(zhì)ABS）出現(xiàn)不同程度破損，因旋轉(zhuǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)張力且ABS材料的不足特性（ABS的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度屬塑料中較差的）導(dǎo)致出現(xiàn)問(wèn)題的產(chǎn)生，而圖4方案：彈簧式結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)插頭采用的外殼材料為PA66，其特性有較高溫度也能保持較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，在加上內(nèi)部結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的配合完美解決了此缺陷問(wèn)題。

5 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)對(duì)比（見(jiàn)表1）

表1 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)對(duì)比

6 結(jié)論

綜上所述，建議2點(diǎn)：

1）旋轉(zhuǎn)插頭的前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)綜合多維度考量，不單純考慮產(chǎn)品的成本、制造工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布局、功能實(shí)現(xiàn)、工業(yè)設(shè)計(jì)、更要考慮產(chǎn)品的DFM、真正從IPD流程理念模式進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)出滿足多場(chǎng)景化應(yīng)用需求，在體驗(yàn)感、使用安全、使用壽命、進(jìn)行產(chǎn)品信賴度設(shè)計(jì)引入，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)融合了標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，具體項(xiàng)目本身可從設(shè)計(jì)研究美標(biāo)旋轉(zhuǎn)插頭產(chǎn)品的整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局及驗(yàn)證要求可參考上述驗(yàn)證《設(shè)計(jì)工作原理2》、《方案3》、《數(shù)據(jù)分析4》、《設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)對(duì)比5》等設(shè)計(jì)案例進(jìn)行借鑒。

2）設(shè)計(jì)師本身：可以很好的說(shuō)明，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要性不是體現(xiàn)在單一化，而是多元化，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段核心要全面確定整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、規(guī)格，從而確定整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的布局，因而，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意義重大，具有“牽一發(fā)而動(dòng)全局”的重要意義。如果一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺乏生產(chǎn)觀點(diǎn)，那么生產(chǎn)時(shí)就將耗費(fèi)大量費(fèi)用來(lái)調(diào)整和更換設(shè)備、物料和勞動(dòng)力。相反，好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅表現(xiàn)在功能上的優(yōu)越性，而且便于制造，生產(chǎn)成本低，從而使產(chǎn)品的綜合競(jìng)爭(zhēng)力得以增強(qiáng)。許多在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)的企業(yè)都十分注意產(chǎn)品設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，以便設(shè)計(jì)出造價(jià)低而又具有獨(dú)特功能的產(chǎn)品。許多發(fā)達(dá)國(guó)家的公司都把設(shè)計(jì)看作熱門的戰(zhàn)略工具，認(rèn)為好的設(shè)計(jì)是贏得市場(chǎng)與顧客的關(guān)鍵。作為一名合格的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員，不但會(huì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，更要掌握設(shè)計(jì)前期需要輸入，從掌握標(biāo)準(zhǔn)—了解市場(chǎng)動(dòng)態(tài)—識(shí)別用戶關(guān)注點(diǎn)—用戶應(yīng)用場(chǎng)景等多維度結(jié)合，才能真正意義上設(shè)計(jì)符合用戶需要安全、可靠、穩(wěn)健的產(chǎn)品。