多方向撥動開關主要參數的設計

摘要:開關行業是當今電子化，信息化時代的一個充滿生機，市場逐年遞增的產業，且高科技信息電子設備已向高可靠、多功能發展。多方向撥動開關具有結構緊湊、壽命長、功能多、高可靠等特性，具有較高的技術含量，屬當今開關行業中的高新產品。

關鍵詞:多方向 撥動 開關 設計

1 功能及結構特性

該產品綜合了按鈕開關和鈕子開關的功能特點，它是一種多功能、多方向(左右、上下幾個方向均能動作)且自動復位的組合開關，既具有垂直按動(按鈕)功能及肘節左右扳動(鈕子)功能。

當進入撥動狀態時，按動狀態停止動作;當進入按動狀態時，撥動狀態停止動作。

2 主要參數分析和計算

2.1 絕緣電阻的分析 絕緣電阻是開關的重要指標之一，是保證開關安全使用的保障，絕緣電阻越大開關安全性越高，因此，在選用塑料材料時(特別是基座)，除考慮熱變形溫度、收縮率外，需重點考慮絕緣電阻的大小。根據理論依據，絕緣電阻是體積電阻和表面電阻的并聯結果，即絕緣電阻R為:

=+ (2.1)

式中:R—絕緣電阻，MΩ;Rv—體積絕緣電阻，MΩ; Rs—表面絕緣電阻，MΩ;Rv=ρv×d÷S;Rs=ρs×b÷S;

式中:ρv—體積電阻率，Ω;ρs—表面電阻率，Ωcm;d—導體間最短距離;b—爬電距離;S—導體間相對應的面積。

從上面這些公式中可以看出，影響絕緣電阻的主要因素有:體積絕緣電阻(體積絕緣電阻系數)、表面絕緣電阻(表面絕緣電阻系數)、導體間最短距離、爬電距離;還與材料的吸水率等有關。

基座材料的確定:經過對比和綜合考慮，決定選用聚苯硫醚PPS，該材料絕緣性能良好，并且具有熱變形溫度高、韌性好，強度高、阻燃、耐化學腐蝕、耐磨等優點，吸水率低，收縮率小成型后收縮變形小等特點。使用該材料可以滿足開關的設計要求。

2.2 接觸電阻分析 接觸電阻是開關接觸可靠性的重要指標之一，根據賓德(Binder)導出公式:

R=(2.2)

式中:R—接觸電阻;ρ—材料的導電率;α—圓形接觸面的半徑 。

接觸面是由接觸點間的接觸壓力P的大小及接觸點材料的機械性能來決定的，根據赫茲(Herts)導出公式:

式中:P—接觸壓力;H—材料硬度;π—常數，取3.14。

從上面這些公式中可以看出，影響接觸電阻的主要因素有:材料的導電率、彈性模量和硬度，接觸壓力，還有材料的抗電弧能力，耐熔焊能力，耐磨能力和耐腐蝕能力，材料表面狀態，如有無薄膜和灰塵，等等均有很大的關系。

根據接觸電阻與接觸壓力的關系(如圖2)(引自《接插件工藝學》)，接觸電阻與接觸壓力成反比關系。隨著接觸壓力的增大，接觸電阻減小。在0～0.2N之間接觸電阻急劇減小，變化率較大，大于0.2N后接觸電阻與接觸壓力的增大接近線性關系逐漸減小。

為保證開關接觸可靠，接觸電阻≤0.025Ω，同時考慮換向力的大小、壽命次數、高頻振動的要求和制造誤差，接觸壓力取0.6以上較為合理。

2.3 接觸壓力的確定 撥動方向的接觸壓力的確定，首先計算壓簧(甲)的彈力，壓簧(甲)見圖3所示，該壓簧是執動機構中決定動作力、接觸電阻的關鍵零件，其設計參數直接影響開關的撥動力、抗環境能力(如振動、沖擊)，動作、壽命等，材料選用不銹彈簧鋼絲，繞制成形后經油爐回火處理和表面去油處理。

根據如下公式:

式中:F-壓力;λ-軸向變形量，mm;G—切變模量，不銹彈簧鋼絲G=73000Mpa;d-彈簧鋼絲直徑，mm;D2-彈簧中徑，mm;n-彈簧的有效圈數;λ=16.1-5=11.1mm;G=73000MPa;d=φ0.6mm;D2=φ4.8mm;n=8圈。將相關數據代入式(5.4)得到:

彈簧指數(旋繞比)C值的確定:

查機械設計手冊，得知C值規定在4～14之間，C值越小，在成形時金屬絲的變形越大，卷繞越困難;C值過大時，彈簧不穩定。

根據公式:C===8

8在4～14之間，彈簧指數合理，即設計合理。

校核彈簧切應力:

式中:K-曲度系數(應力修正系數);查得K=1.17

將數據代入公式得:

查表:不銹彈簧鋼絲的許用切應力[τ]=1020N/mm2

因τ<[τ]，表明彈簧強度滿足設計要求，證明前面設定參數正確。

觸點接觸壓力的計算:

①撥動方向的接觸力計算:

根據開關工作時滑頭所處的最高位置，對動觸片進行受力分析如下(見圖4):

F1—為彈簧通過滑頭對動觸片施加的力(F1=8.5N);F2—為F1的分力;F3—觸點接觸壓力

F2=cos13°F1=0.97×8.5=8.28(N);F3=1.2×8.28/3.4=2.9(N)

觸點接觸壓力2.9N，能滿足接觸電阻對接觸壓力的設計要求。

②按動方向的接觸壓力計算:

按動方向的接觸壓力主要是弓簧片變形產生的(見圖5)。

現計算弓簧片的接觸壓力:

由公式(2.6)代入公式(2.5)

式中:[σ]—材料的許用應力;L—懸臂長度(L為6.7mm)，見圖5;S—材料厚度(S為0.3mm);E—銀銅合金材料彈性模量(132000N/mm2)。

式中:σB—材料的抗拉強度，銀銅合金為1300N/mm2;G—安全系數，取1.2。

由公式(2.9)求:

將數據代入公式(2.8)中:

接觸壓力0.82N>0.6N，設計合理。

3 結論

多方向撥動開關，經過多次攻關和試驗，通過了定型鑒定試驗。該產品具有多方向、多功能組合、結構緊湊、換向靈活、自動復位、防塵、耐大電流、接觸穩定等特點。該產品的研制、開發成功，滿足了用戶使用，在研制過程中提高了我廠的設計和工藝水平。由于其功能多、負荷大、壽命長、操作方便等優點，它將有可能逐漸取代傳統的扳柄式鈕子開關，其市場空間正逐年擴大。

參考文獻:

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