黃 輝

（箭牌家居集團股份有限公司，福建 廈門 361000）

自漢斯格雅于2008年左右在國內(nèi)推出他的第一把按鍵切換花灑技術(shù)后，國內(nèi)的各衛(wèi)浴廠家就開始爭相效仿，進行了按鍵切換技術(shù)設(shè)計。通過在上海舉行過的KBC 中國廚衛(wèi)展可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在市面上花灑的切換方式越來越多地采用按鍵式的切換方式，從國內(nèi)知名公司的調(diào)研分析可以發(fā)現(xiàn)，2022年消費者對按鍵型花灑需求占比為53.92%，國內(nèi)消費者的消費方式已從傳統(tǒng)的撥動面蓋切換向按鍵切換轉(zhuǎn)換。現(xiàn)有的按鍵切換技術(shù)包括單按鍵切換技術(shù)和多按鍵切換技術(shù)。

1 現(xiàn)有按鍵切換技術(shù)的問題及解決方向

1.1 現(xiàn)有按鍵切換技術(shù)的問題

目前，單按鍵切換技術(shù)主要可以分為2 類基礎(chǔ)機構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，一種是以漢斯格雅為代表的頂桿棘輪分水盤機構(gòu)，該機構(gòu)主要是由閥體、頂桿、棘輪分水盤、密封圈和彈簧組成的一個水路空間結(jié)構(gòu)，主要工作原理如下：通過作用頂桿推動棘齒運動，由頂桿上的斜面帶動棘輪分水盤轉(zhuǎn)動一定的角度，從而實現(xiàn)水路的切換。另外一種結(jié)構(gòu)是以松霖公司為代表的棘輪、棘爪運動機構(gòu)，該機構(gòu)由棘輪、推齒、推桿、轉(zhuǎn)向桿、按鍵、分水盤、密封墊、分水體和彈簧等組成主要工作部件，工作原理如下：由按鍵驅(qū)動轉(zhuǎn)向桿，帶動推桿移動。推桿的移動將帶動推齒運動。推齒往前運動，帶動棘輪旋轉(zhuǎn)運動。棘輪與分水盤同軸連接運動。當(dāng)棘輪轉(zhuǎn)動一定的角度后，分水盤也會旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)水路切換。關(guān)于多按鍵切換技術(shù)，目前采用的是電風(fēng)扇式橫排多按鍵切換軸復(fù)位桿互鎖切換結(jié)構(gòu)，其工作原理如下：在每個功能出水通道設(shè)置一個切換軸，通過控制每個出水通道的開關(guān)實現(xiàn)水路切換。而切換軸之間需要增加復(fù)位板進行互鎖，每個切換軸都需要彈簧復(fù)位，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。目前市面上該類產(chǎn)品的切換的主要問題是在水壓比較高的狀態(tài)下，切換力較大。

1.2 現(xiàn)有按鍵切換技術(shù)問題點的原因分析

該文對這3 類基礎(chǔ)切換技術(shù)的核心部件進行了受力分析。

第一類，頂桿棘輪分水盤機構(gòu)受力分析如圖1所示，切換力計算如公式（1）所示。

圖1 第一類切換結(jié)構(gòu)受力分析

式中：F1為按鍵的切換力；A1為棘輪分水盤的面積；P1為工作水壓的壓強；f1為彈簧的預(yù)壓縮力（約為3N）。

要實現(xiàn)水路切換，在滿足產(chǎn)品流量要求的情況下，以三功能切換為例，A1約為2/3 的?16mm 的直徑面積，P1為標(biāo)準(zhǔn)要求0.5MPa 最大的工作水壓。

第二類，棘輪、棘爪水路切換機構(gòu)受力分析如圖2所示，切換力計算如公式（2）所示。

圖2 第二類切換受力分析

式中：F2為按鍵的力；A2為分水盤的面積；P2為工作水壓的壓強；f2為彈簧的預(yù)壓縮的力（約為3N）；μ為橡膠件與塑料之間的摩擦系數(shù)約0.45；L1為分水盤的半徑；L2為棘輪的半徑。

在滿足產(chǎn)品流量要求的情況下，設(shè)計L1約等于L2，以三功能切換為例，A2約為橡膠件的0.8 倍，截面積約為247.8×0.8=198.24mm2，P2為標(biāo)準(zhǔn)0.5MPa 最大的工作水壓。

第三類，多按鍵復(fù)位桿互鎖切換結(jié)構(gòu)受力分析如圖3所示，切換力計算如公式（3）所示。

圖3 第三類切換受力分析

式中：F3為按鍵的力值；A3為切換軸的密封面積；P3為工作水壓的壓強；f3為彈簧的預(yù)壓縮力（約為3N）。

在滿足產(chǎn)品流量要求的情況下，以三功能切換為例，A3約為?10mm 的直徑面積，P3為標(biāo)準(zhǔn)0.5MPa 最大的工作水壓。這3 類切換方式的切換力都受水壓的影響較大，當(dāng)水壓達(dá)到0.5MPa 時，切換力都大于40N 以上，而人體切換的力值在25N 以下為舒適的切換力。

1.3 現(xiàn)有按鍵切換問題的解決方向

從上述分析可以看出，這3 類切換結(jié)構(gòu)的核心部件普遍受單邊的水壓作用，在高水壓的狀態(tài)下，按鍵的切換力值較大。解決零件受水壓影響的問題是重點研究的方向之一。從切換的方便性來說，單按鍵的切換由于是按單個按鈕，因此切換到所需功能總是會增加按鍵的次數(shù)，操作不夠便捷、不直觀。而多按鍵切換在切換的直觀性上比較有優(yōu)勢，但由于結(jié)構(gòu)限制采用了鋼琴式的排布，因此外觀不夠簡潔，結(jié)構(gòu)空間占用大，可以從結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化。從生產(chǎn)角度來看，產(chǎn)品的零部件簡單，組裝方便，穩(wěn)定性高。

2 解決方案技術(shù)說明

2.1 核心部件設(shè)計的解決方案

在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，核心部件受單邊的水壓作用，水壓越大，受力越大?？梢钥紤]讓核心部件雙邊受同樣的水壓作用，這樣可以使核心部件在水壓作用下抵消掉單側(cè)力，可有效降低按鍵的切換力。結(jié)構(gòu)上可以在相應(yīng)的閥體中增加一個出口通道，在切換軸的零件上增加一個過水截面S3。如圖4所示，切換軸上設(shè)計3 個過水密封截面S1、S2、S3，S1為切換軸上提口面積，S2為出水口面積，S3為切換軸復(fù)位口面積，并且S1＜S3＜S2。在滿足產(chǎn)品的流量要求，則可以設(shè)計這3 個截面分別為S1為7mm 直徑圓，S2為10mm 直徑圓，S3為8mm直徑圓。當(dāng)按鍵處于關(guān)閉狀態(tài)時，假設(shè)切換軸受0.5MPa 水壓P的作用，由于出水通道S2關(guān)閉，因此以切換軸為研究對象，所需的切換力如公式（4）所示。

由于S2＞S3，切換軸的受力方向為S2的方向，即封住S2口的自關(guān)閉狀態(tài)方向。需要按鍵切換時，只需要施加F＞14.13N的力，即可將切換軸打開。當(dāng)按鍵被按下開啟后，通道S2被打開，此時按鍵復(fù)位所需要的力如公式（5）所示。

由于S3＞S1，切換軸的受力方向為S3的方向，即打開S2口的自開啟狀態(tài)的方向。從受力情況可以發(fā)現(xiàn)，按照該結(jié)構(gòu)可以有效降低水壓對按鍵切換力的影響，按鍵切換力從傳統(tǒng)的42.25N 降至14.13N，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2.2 多按鍵擋位互鎖結(jié)構(gòu)解決方案

從國內(nèi)知衛(wèi)浴企業(yè)的一份銷售數(shù)據(jù)可見，在多功能花灑中，三功能產(chǎn)品的銷量最高，占總銷值7 成以上，因此該文著重研究三按鍵擋位的互鎖解決方案。觀察日常生活用品，電燈的開關(guān)需要通過10 萬次的壽命測試，穩(wěn)定性較高，可從中得到靈感。電燈的開關(guān)采用船型的開關(guān)結(jié)構(gòu)，通過一個定位銷在翹板上的運動來實現(xiàn)開、關(guān)2 個狀態(tài)的切換。這樣的切換優(yōu)點較多，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性高、壽命長且擋位感清晰。但只能實現(xiàn)2 個擋位的功能切換，還無法應(yīng)用。通過一段時間的研究及功能模型驗證，該文設(shè)計出可以實現(xiàn)三方向互鎖的空間翹板開關(guān)的三按鍵互鎖切換裝置。該互鎖結(jié)構(gòu)的核心位置就是在翹板和擺塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。將翹板設(shè)計為帶有三方向的凸緣，支點設(shè)計成一球形支點結(jié)構(gòu)，這樣可以使翹板在與之配合的閥體中形成一個空間，并形成3 個旋轉(zhuǎn)自由度的約束連接。在其內(nèi)設(shè)置定位銷和彈簧的定位槽。擺塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，是一個三爪狀形狀的結(jié)構(gòu)，三爪面底部設(shè)計成三角錐面體。錐面體的中間支點位置設(shè)計一個球形支點，與閥體內(nèi)的支點相配合。同時在三角錐面每面的中間設(shè)置了過位筋，在三爪正面中設(shè)置了三角形的限位槽，用于限制定位銷移動范圍。

翹板互鎖工作原理如圖5所示，在翹板上有一個球形支點，在閥體中形成空間球面鉸鏈約束。翹板中設(shè)置有導(dǎo)槽，導(dǎo)槽內(nèi)安裝有定位銷和彈簧。當(dāng)翹板移動時，如圖5 中的工作狀態(tài)一所示，翹板受到F1的作用移動，同時因為擺塊的斜面作用，定位銷會受F2的力的作用從限位點開始同步運動。當(dāng)F1繼續(xù)作用時，定位銷會移動到擺塊的擺動點的位置，如圖5 的工作狀態(tài)二所示，此時定位銷也移動到峰點的位置。擺塊受到的彈簧蓄力也達(dá)到了峰點位置。當(dāng)F1繼續(xù)作用，翹板繼續(xù)運動，當(dāng)擺塊因定位銷的作用點的位置移動超過了擺動點的位置而使擺塊擺動的方向發(fā)生變化，定位銷在彈簧的作用下，沿著擺塊的斜面下滑到對應(yīng)的限位點上，即完成了一次切換，如圖5 的工作狀態(tài)三所示。在中間復(fù)位彈簧壓住，同時翹板限位的斜面作用下，翹板始終保持受力的工作狀態(tài)。定位銷壓著擺塊的一邊槽，在三角錐面作用下，勢必會導(dǎo)致引起2 個邊翹起，即可實現(xiàn)3 個位置互鎖。同時，因為定位銷在擺塊中運動會撞擊擺塊上的槽面，所以產(chǎn)品在切換時會有很明顯的擋位聲。

圖4 核心部件受力分析示意圖

圖5 翹板工作運動簡圖

2.3 切換軸組件和翹板組件連接方案

切換軸組件和翹板組件連接方案如下：將3 個切換軸組件與閥體中對應(yīng)的孔連接配合，形成可以上、下移動的圓柱約束，然后將翹板組件中擺塊的中間球形支點和翹板中的球形支點分別配合閥體中對應(yīng)的上、下2 個球形槽，同時將翹板上的三邊槽凸緣分別卡入切換軸的下邊緣的凸緣，這樣就將形成了2 個結(jié)構(gòu)的連接。按下按鍵時，按鍵會直接作用在切換軸上，按鍵軸上的凸緣會使與之連接的翹板繞著球形支點發(fā)生轉(zhuǎn)動，翹板上的其中一個邊的凸緣會跟著切換軸移動而發(fā)生同方向轉(zhuǎn)動。同時，翹板上的定位銷沿著擺塊的限位槽移動，擺塊會向與翹板轉(zhuǎn)動的對邊轉(zhuǎn)動，達(dá)到一個反向坡面的定位效果。此時翹板的另外2 個凸緣會繞著球形支點轉(zhuǎn)動，帶動另外2 個切換軸往上移動，達(dá)到按鍵開關(guān)復(fù)位的效果。

3 結(jié)論

該文通過對市面花灑產(chǎn)品現(xiàn)有按鍵切換技術(shù)進行研究，分析出現(xiàn)有按鍵技術(shù)的優(yōu)缺點，并進行總結(jié)，再結(jié)合消費者的調(diào)研報告，確立了消費者的體驗及購買需求，從而確立了設(shè)計的研究方向，通過多次功能手板調(diào)試驗證，最終設(shè)計出新型的按鍵式水路切換方式。1）可以直觀進行各功能切換。2）開啟閥口時，切換軸可以根據(jù)壓差自適應(yīng)向打開閥口方向保持力；關(guān)閉閥口時，切換軸也會根據(jù)閥口位置的壓差自適應(yīng)向閥口關(guān)閉方向保持力，實現(xiàn)自適應(yīng)功能。3）采用了空間的船型互鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效實現(xiàn)各擋位之間的位置互鎖，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，采用了一個彈簧與空間特殊的翹板結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中多個彈簧的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，零件加工工藝簡單，穩(wěn)定性高，可提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。