一種旋轉(zhuǎn)開關(guān)的設(shè)計(jì)思路分析

胡云亮

（貴州振華華聯(lián)電子有限公司，貴州黔東南556000）

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，作為傳輸信號(hào)與檢測(cè)的重要元件，旋轉(zhuǎn)開關(guān)的品種和種類也越來越多，對(duì)于開關(guān)技術(shù)性能的可靠性也提出了更高的要求。機(jī)電元件中，旋轉(zhuǎn)開關(guān)是用來控制和傳遞信號(hào)的，屬于控制元件。在電子電路設(shè)計(jì)過程中，需對(duì)產(chǎn)品的高可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，本文是根據(jù)一種旋轉(zhuǎn)開關(guān)的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)開關(guān)的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絕緣材料選取等問題進(jìn)行了合理分析。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

本文以KX30-45-1D8WDH5-8型旋轉(zhuǎn)開關(guān)為例，從設(shè)計(jì)、工藝、選材等方面進(jìn)行了分析。該開關(guān)應(yīng)滿足下列指標(biāo)要求：

（1）額定電負(fù)載：DC28V/0.5A（阻性）；瞬間電流：DC28V/10A（觸點(diǎn)靜態(tài)下持續(xù)時(shí)間不小于500ms）。

（2）接觸電阻（正常大氣條件下的初始值）≤0.020Ω。

（3）絕緣電阻（正常大氣條件下的初始值）≥1000MΩ。

（4）介質(zhì)耐壓（正常大氣條件下的初始值）：AC600V。

（5）壽命：25000次。

（6）沖擊：100g。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 開關(guān)整體設(shè)計(jì)

通過對(duì)開關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，確定KX30-45-1D8WDH5-8型密封旋轉(zhuǎn)開關(guān)總體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)軸組件、軸套組件、固定板組件、基座組件和壓簧等零部件組成，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 產(chǎn)品工作原理

該產(chǎn)品是通過對(duì)轉(zhuǎn)軸施加旋轉(zhuǎn)力矩帶動(dòng)跳步機(jī)構(gòu)繞軸心運(yùn)動(dòng)，通過跳步壓簧的伸縮帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸組件上凸筋從當(dāng)前位置跳到相離位置，推動(dòng)滑頭組件向下位移并促使動(dòng)、定觸點(diǎn)接觸，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的電接觸通斷和電路轉(zhuǎn)換控制。

2.3 設(shè)計(jì)技術(shù)及難點(diǎn)

（1）開關(guān)轉(zhuǎn)換接觸的穩(wěn)定性和可靠性。該開關(guān)轉(zhuǎn)換接觸的穩(wěn)定性和可靠性主要取決于跳步機(jī)構(gòu)和接觸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與零件的制造。該開關(guān)的跳步機(jī)構(gòu)由基座、轉(zhuǎn)軸組件、壓簧（甲）、鋼球（φ4）等零件組成；接觸機(jī)構(gòu)由動(dòng)觸片、定觸片、上固定板、下固定板、壓簧（乙）、壓簧（丙）、接點(diǎn)等零件組成。開關(guān)的轉(zhuǎn)換角度為45°，即順時(shí)針每轉(zhuǎn)換45°接通一組電路，其中動(dòng)觸片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇為重點(diǎn)，直接影響開關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）轉(zhuǎn)軸組件的設(shè)計(jì)與模具加工工藝技術(shù)。轉(zhuǎn)軸組件是實(shí)現(xiàn)本開關(guān)跳步、限位及接觸的關(guān)鍵部件，它與基座、壓簧（甲）、鋼球配合實(shí)現(xiàn)開關(guān)跳步與限位功能，與滑頭組件配合實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用及模具制造均有較高要求，即其結(jié)構(gòu)必須滿足部件的使用性要求，所選材料必須能經(jīng)受滑頭組件對(duì)其凸筋部位高達(dá)400萬次的摩擦，模具精度要保證開關(guān)跳步及限位的準(zhǔn)確性要求。

2.4 技術(shù)方案的對(duì)比分析

電接觸部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩種方案對(duì)比分析如下：

方案1：動(dòng)觸片結(jié)構(gòu)采用鉚接點(diǎn)的方式，導(dǎo)電件采用在零件上直接打凸包的方式，開關(guān)工作時(shí)，通過動(dòng)觸點(diǎn)與導(dǎo)電件凸包之間的接觸與斷開來實(shí)現(xiàn)開關(guān)通斷。該方案對(duì)凸包的高度尺寸要求較嚴(yán)格，凸包的尺寸精度及接觸面形狀一致性都很難保證，凸包高度尺寸不一致會(huì)導(dǎo)致開關(guān)接觸壓力不同，電性能穩(wěn)定性差；接觸面形狀不一致會(huì)導(dǎo)致開關(guān)接觸面積不一致，若接觸面積很小，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)在承受瞬間大電流時(shí)嚴(yán)重?zé)g，降低開關(guān)電性能，甚至使開關(guān)失效。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電接觸部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1

方案2：動(dòng)觸片和導(dǎo)電件均采用鉚接點(diǎn)的方式。其中動(dòng)觸片鉚接球面接點(diǎn)，導(dǎo)電件鉚接平面接點(diǎn)，這樣的結(jié)構(gòu)形式既可以保證接點(diǎn)高度一致性，又可以保證兩接點(diǎn)間有足夠的接觸面積。該方案避免了接點(diǎn)高度及接觸面積不一致的問題，增強(qiáng)了開關(guān)承受大電流作用的能力，保證了開關(guān)轉(zhuǎn)換接觸的穩(wěn)定可靠性。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電接觸部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案2

經(jīng)對(duì)兩個(gè)方案的綜合對(duì)比考慮，最后確定采用方案2，即動(dòng)觸片與導(dǎo)電件均采用鉚接點(diǎn)的方式。

3 可靠性特點(diǎn)

可靠性方面的特點(diǎn)：為了保證產(chǎn)品的可靠性，重點(diǎn)在方案設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確保結(jié)構(gòu)的合理性，開展了設(shè)計(jì)方案評(píng)審，根據(jù)用戶對(duì)整機(jī)的使用要求和對(duì)開關(guān)功能特點(diǎn)、性能指標(biāo)、使用環(huán)境等的要求進(jìn)行綜合分析，將開關(guān)的壽命指標(biāo)（電壽命25kPa下25000次；85℃下25000次）作為開關(guān)可靠性目的指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)開關(guān)的壽命可靠性指標(biāo)，分別對(duì)開關(guān)的接觸機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，并對(duì)相關(guān)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行核算設(shè)計(jì)。要達(dá)到開關(guān)的壽命可靠性，主要需在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣性能兩個(gè)方面達(dá)到要求。因此，在研制過程中，從以下方面來保證可靠性：

（1）用機(jī)械壽命試驗(yàn)來考核和驗(yàn)證開關(guān)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性；

（2）以振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)來驗(yàn)證開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及觸點(diǎn)接觸的可靠性；

（3）以介質(zhì)耐壓試驗(yàn)來考核開關(guān)在額定電壓下能否安全工作，能否耐受由于浪涌及其他類似現(xiàn)象所導(dǎo)致的過電位，最終驗(yàn)證開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用材料的電氣可靠性；

（4）以高低溫、低氣壓電壽命試驗(yàn)考核和驗(yàn)證開關(guān)電接觸機(jī)構(gòu)在各種環(huán)境下的可靠性；

（5）以耐濕試驗(yàn)考核開關(guān)及開關(guān)所用材料在高溫、高熱潮濕條件下的電氣可靠性。

在研制過程中主要以試驗(yàn)來驗(yàn)證開關(guān)的整體可靠性，并將各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果反饋到開關(guān)可靠性設(shè)計(jì)中去，以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→試驗(yàn)→結(jié)構(gòu)改進(jìn)→試驗(yàn)→再改進(jìn)→再試驗(yàn)的循環(huán)過程來不斷提升開關(guān)的整體可靠性。

4 零件材料選取

（1）動(dòng)觸點(diǎn)、定觸點(diǎn)：觸點(diǎn)材料是載流體，為保證滿足DC 28V/0.5A的常態(tài)負(fù)載和瞬間DC28V/10A的沖擊負(fù)載以及25000次通斷壽命，經(jīng)綜合分析，觸點(diǎn)材料的選用需導(dǎo)電性能好，接觸電阻小。所以，經(jīng)過資料查詢，選取抗銀氧化鎘合金材料作為基材，且表面鍍金1μm來滿足使用要求。

（2）中導(dǎo)電件、導(dǎo)電件：中導(dǎo)電件、導(dǎo)電件屬載流體，需要有較好的導(dǎo)電性，較低的電阻率，良好的機(jī)械性能和加工性能，選擇錫青銅帶材料能滿足技術(shù)要求和工藝要求，在表面鍍覆方面選擇表面鍍金1μm。

（3）彈性零件：本開關(guān)的彈性零件有動(dòng)觸片、壓簧，動(dòng)觸片選擇用彈性好、抗疲勞、導(dǎo)電性好的鈹青銅帶，沖制成型后經(jīng)真空爐時(shí)效處理；壓簧選用抗疲勞、抗環(huán)境能力強(qiáng)的碳素彈簧鋼絲。各種彈性零件根據(jù)所承擔(dān)的功能進(jìn)行相應(yīng)的表面電鍍處理。

（4）蓋板為金屬件，由模具沖壓成型，材料主要考慮環(huán)境條件，經(jīng)對(duì)比和綜合考慮，決定選用不銹鋼材料。該材料具有良好的耐鹽霧、耐潮濕、耐高低溫等性能，并具有高強(qiáng)度、高硬度的綜合機(jī)械性能。

（5）轉(zhuǎn)軸、軸套零件均為車制件，其主要考慮環(huán)境溫度及產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性。軸套選用材料為黃銅棒，制造成型后進(jìn)行表面鍍鎳處理，此材料及制造工藝在我廠開關(guān)產(chǎn)品及其同類零件中大量使用，均能保證滿足技術(shù)要求。轉(zhuǎn)軸主要需要承受一定量載荷力，并且要在各種環(huán)境條件下都能有效使用，所以綜合產(chǎn)品可靠性，選取不銹鋼材料。

（6）轉(zhuǎn)軸組件、基座兩種零件均為塑料件，由模具塑壓成型，選擇材料時(shí)主要考慮能適應(yīng)環(huán)境條件及開關(guān)部分技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)對(duì)比和綜合考慮，決定基座材料選用熱固性塑料DAP，該材料具有絕緣性能高、熱變形溫度高、強(qiáng)度高、阻燃、耐化學(xué)腐蝕、吸水率低、收縮率小、成型后收縮變形小等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)軸組件的塑料部分為聚醚酰亞胺PEI，該材料有較好的機(jī)械性能、絕緣性能，具有耐高溫、耐磨、尺寸蠕變小等特點(diǎn)。

（7）六角螺母、防水圈（外）、內(nèi)密封圈、調(diào)整墊圈為借用通用零件，材料經(jīng)其他用戶長(zhǎng)期使用，均可達(dá)到環(huán)境條件要求。

（8）鋼球?yàn)橥赓彉?biāo)準(zhǔn)件，材料為不銹鋼，經(jīng)我廠其他產(chǎn)品長(zhǎng)期使用，可達(dá)到環(huán)境條件要求。

5 結(jié)語

通過該對(duì)旋轉(zhuǎn)開關(guān)的指標(biāo)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性分析、材料選擇等，完成了該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，可為旋轉(zhuǎn)開關(guān)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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