一種全密封鈕子開關(guān)的設(shè)計思路分析

王迎 胡云亮

摘 要：鈕子開關(guān)又稱為“乒乓開關(guān)”，在電子儀器和通信設(shè)備中起到電流通斷和信號轉(zhuǎn)換的作用。隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，普通肘節(jié)及面板密封產(chǎn)品已不能滿足各種環(huán)境應(yīng)用需求。現(xiàn)提出一種全金屬密封、多刀位鈕子開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，為元件的多功能化結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇拓展了方向。

關(guān)鍵詞：全密封;鈕子開關(guān);設(shè)計思路

0? ? 引言

傳統(tǒng)密封鈕子開關(guān)在使用過程中若面板下處在潮濕或灰塵嚴重的環(huán)境中，易使開關(guān)內(nèi)部積水或積灰導(dǎo)致接觸不良，從而引起開關(guān)失效。針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本產(chǎn)品利用外殼封裝、橡膠彈性密封、灌膠等技術(shù)實現(xiàn)開關(guān)的全密封功能，擴大了鈕子開關(guān)的使用范圍，提高了開關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性。下面以一種全密封鈕子開關(guān)（KN6B-2D2W）的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇為例，介紹其設(shè)計思路，為該類鈕子開關(guān)設(shè)計提供了參考。

1? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，KN6B-2D2W全密封鈕子開關(guān)本體由換向機構(gòu)和接觸機構(gòu)兩部分構(gòu)成。換向機構(gòu)由撥叉組件（撥叉10與手柄1鉚裝）、軸套組件（軸套2與外殼9鉚裝）、內(nèi)防水墊圈6、軸銷7、撥叉10（除單刀、雙刀外）、壓簧11、撥塊15、滑頭16構(gòu)成。接觸機構(gòu)由接線端17、中導(dǎo)電件18、基座14、動觸片12構(gòu)成。將換向機構(gòu)準確裝入接觸機構(gòu)后用專用鉚裝夾具鉚裝在一起，然后依次采用703硅橡膠和環(huán)氧樹脂將基座（外罩）裝入裝配完畢的傳統(tǒng)密封開關(guān)的基座上封固，實現(xiàn)開關(guān)全密封。

KN6B-2D2W全密封鈕子開關(guān)包括換向組件和基座組兩大主要部分。換向組件是由手柄、軸套、外殼、內(nèi)防水墊圈、軸銷等零件組成，即本開關(guān)的重要組成部分——換向機構(gòu)。換向機構(gòu)由金屬外殼裝入軸套通過專用夾具翻鉚在一起，再將內(nèi)防水墊圈、手柄組件（在裝換向組件之前先將撥叉裝入手柄通過專用夾具翻鉚在一起，以備用）、軸銷依次裝入軸套組件中，采用專用夾具翻鉚軸銷，然后將壓簧、滑頭分別涂上低溫油脂后依次裝入撥塊的孔內(nèi)，最后將裝好的撥塊組件壓裝在手柄組件的撥叉上，在扳動過程中，通過對手柄施加往鍵槽一側(cè)或鍵槽對側(cè)換向力，從而使壓簧變形，帶動動觸片軸向運動，使動觸片端點與接線端接觸導(dǎo)通實現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換。基座組是由接線端、基座、中導(dǎo)電件等零件組成，即本開關(guān)的另一重要組成部分——接觸機構(gòu)。接觸機構(gòu)由接線端（導(dǎo)電件）、中導(dǎo)電件依次裝入基座后通過專用夾具切鉚在一起，然后將動觸片裝入基座組件適當?shù)奈恢茫纬烧麄€接觸機構(gòu)。通過對手柄施加換向力，從而使壓簧變形，帶動動觸片換向，與接線端接觸實現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換。

2? ? 參數(shù)設(shè)計

壓簧是換向機構(gòu)中的關(guān)鍵零件，其設(shè)計參數(shù)不但直接影響開關(guān)換向力的大小，還對抗振動、沖擊能力和接觸穩(wěn)定性有較大影響。因此，應(yīng)根據(jù)執(zhí)動機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，設(shè)定壓簧尺寸。壓簧參數(shù)設(shè)計如圖2所示。

F=

式中，F(xiàn)為壓力（N）;λ為軸向變形量（mm）;G為切變模量，彈簧鋼絲G=83 000 MPa;d為彈簧鋼絲直徑（mm）;D2為彈簧中徑（mm）;n為彈簧的有效圈數(shù)。

λ=9.5-6.5=3 mm，G=83 000 MPa，d=0.6 mm，D2=3.4 mm，n=7圈，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得到：

F==≈14 N

彈簧指數(shù)（旋繞比）C值的確定：

查《機械設(shè)計手冊》，得知C值規(guī)定在4～14之間，C值越小，在成型時金屬絲的變形越大，卷繞越困難;C值過大時，彈簧不穩(wěn)定。

根據(jù)公式：

C==≈5.6

C在4～14之間，彈簧指數(shù)合理，即設(shè)計合理。

校核彈簧切應(yīng)力：

τ=

式中，K為曲度系數(shù)（應(yīng)力修正系數(shù)），查得K=1.31。

將數(shù)據(jù)代入公式得：

τ=≈735.50 N/mm2

查表得碳素彈簧鋼絲的許用切應(yīng)力[τ]=1 020 N/mm2，因τ<[τ]，表明彈簧強度滿足設(shè)計要求，證明設(shè)定參數(shù)正確。

接觸電阻指標是量化開關(guān)電氣性能重要指標之一，是衡量開關(guān)接觸可靠性的重要參數(shù)。在開關(guān)產(chǎn)品中關(guān)鍵零件是接觸對（觸點對），是完成電能或信號傳輸（傳遞）的必經(jīng)之路，接觸對的可靠性是開關(guān)可靠性的主要表現(xiàn)，所以開關(guān)的接觸對（觸點對）的設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究至關(guān)重要。

在電接觸理論中，導(dǎo)體的接觸表面不管經(jīng)過多么細致的精加工（研磨和拋光），其微觀上總是有許多凸出和凹進的部分，兩個導(dǎo)體之間只有凸出部分的頂端能夠接觸，電流僅從少數(shù)接觸點流過，從而形成收縮狀的電流線（圖3）。又由于裸露在空氣中的任何物體，其表面均吸附著表面膜，因此，開關(guān)的接觸電阻是由收縮電阻和膜電阻組成，實際應(yīng)用過程中，測量的接觸電阻還包括構(gòu)成回路的載流件導(dǎo)體電阻。

R=RS+Rb+Rp

式中，R為開關(guān)接觸電阻（mΩ）;RS為收縮電阻（mΩ）;Rb為膜電阻（mΩ）;Rp為載流件導(dǎo)體電阻（mΩ）。

開關(guān)在設(shè)計理論計算時主要考慮觸點對接觸時的理論接觸電阻Rj，通常其理論計算公式如下：

Rj=

式中，Rj為觸點表面接觸電阻（mΩ）;n為接觸點個數(shù)（點接觸取1、線接觸取2、面接觸取3）;ρ為材料的電阻率（m·Ω）;H為材料硬度（N/m2）;N為觸點對的正壓力（N）。

KN6B-2D2W觸點對表面均為鍍金，金的硬度為2.5×108 N/m2，材料的電阻率ρ為23.5×10-9 m·Ω，通過計算其觸點對的最小正壓力為1 N，則由上述理論公式可以計算出開關(guān)的每對觸點的接觸電阻為：

Rj=

=

≈0.2 mΩ

該型號開關(guān)的每組電路設(shè)計為單斷點觸點，實際上每個回路上的電阻由觸點對接觸電阻和載流件的體積電阻及表面膜電阻構(gòu)成，由于開關(guān)的載流零件小，且表面均進行電鍍處理，其體積電阻和表面膜電阻積累經(jīng)驗工藝數(shù)據(jù)為2～3.8 mΩ，一般取2.9 mΩ;因此，開關(guān)的每組回路在導(dǎo)通情況下實際接觸電阻RC為：

RC=Rj×1+2.9=0.2×1+2.9=3.1 mΩ

由于3.1 mΩ<10 mΩ，因此每組回路的接觸電阻理論參數(shù)可滿足設(shè)計要求。

3? ? 結(jié)語

本文闡述了一種全密封鈕子開關(guān)的設(shè)計思路，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了元件的全密封，對于未來元件的設(shè)計有一定的參考價值。

[參考文獻]

[1] 周茂祥.低壓電器設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

收稿日期：2020-04-02

作者簡介：王迎（1986—），男，山東費縣人，助理工程師，研究方向：機械設(shè)計。