墻壁開關(guān)發(fā)展與重要結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)分析

柯寒文 王孝利 張 靖

（浙江德力西國際電工有限公司 杭州 310024）

前言

自從電燈在1980年發(fā)明后，遠(yuǎn)程操控?zé)艟唛_關(guān)得以實(shí)現(xiàn)，其中墻壁開關(guān)的出現(xiàn)就是重要的配套設(shè)施。作為現(xiàn)代家庭必備產(chǎn)品，從最初的追求其簡單實(shí)用的功能到現(xiàn)在功能與美并存，人們對墻壁開關(guān)的要求逐漸提升。

以國內(nèi)市場為例，墻壁開關(guān)產(chǎn)品種類較多，根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)主要可以分為機(jī)械類以及電子類。其中電子類開關(guān)依靠相關(guān)電子元器件實(shí)現(xiàn)電路通斷，包括聲光控開關(guān)、遙控開關(guān)、觸摸開關(guān)、延時(shí)開關(guān)等等，多數(shù)應(yīng)用于特殊場合且產(chǎn)品市場相對較少。其中近年相對較為火熱的智能開關(guān)產(chǎn)品仍然處于起步階段，技術(shù)有待發(fā)展；現(xiàn)有家庭使用最為廣泛的是各種機(jī)械式開關(guān)，也是本文著重研究的方向。

機(jī)械式開關(guān)憑借各零部件裝配關(guān)系利用人力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載端電路通斷，結(jié)構(gòu)直接決定性能優(yōu)劣。本文從結(jié)構(gòu)入手，分別介紹拉線式、撥動(dòng)式、蹺板式和擺片式等特性[1]，隨后將針對蹺板式開關(guān)和擺片式開關(guān)的相關(guān)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)展開分析。

1 開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

墻壁開關(guān)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控電燈閉合需求的重要組成。主要工作原理是在合適位置安裝墻壁開關(guān)，控制電源的接通與斷開實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。一個(gè)多世紀(jì)以來，根據(jù)主要結(jié)構(gòu)的外形可以分為以下幾種，如圖1所示。

圖1 墻壁開關(guān)各階段外形

1.1 拉線開關(guān)

圖2 拉線開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

這種開關(guān)具有時(shí)代局限性，使用起來非常方便，操作異常簡單；和其他開關(guān)相比，價(jià)格低廉。隨著時(shí)間發(fā)展局限性逐漸凸顯，拉線開關(guān)的開關(guān)只能作為單控開關(guān)，難以做到集中控制，導(dǎo)致電工布線繁瑣。執(zhí)行裝置依賴?yán)€，線的位置難以完全定位，降低客戶開關(guān)過程使用體驗(yàn)；無法加裝指示燈，難以直觀顯示燈具的閉合狀態(tài)；缺少斷電保護(hù)措施，在安全方面無法得到較好保障；維修不便以及美觀程度較低致使現(xiàn)有市場存量較低。

1.2 蹺板式開關(guān)

市面最為常見的活動(dòng)機(jī)構(gòu)，蹺板式開關(guān)根據(jù)按鍵大小從最初的小按鍵開關(guān)到中板以及現(xiàn)在更加美觀的大板開關(guān)，本文以大板開關(guān)為研究對象，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 翹板式開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

翹板式開關(guān)按鍵結(jié)構(gòu)根據(jù)功能主要分為輔助機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輔助機(jī)構(gòu)中熒光點(diǎn)、外觀裝飾面、安裝架、鐵架、底座等負(fù)責(zé)考慮用戶審美、固定執(zhí)行與傳遞機(jī)構(gòu)、確保安全的電氣間隙與爬電距離；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中按鍵、彈簧座、彈簧、滑塊負(fù)責(zé)傳遞操作者的驅(qū)動(dòng)力改變?yōu)檫m合執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力；執(zhí)行機(jī)構(gòu)中動(dòng)觸頭組件、靜觸頭組件、導(dǎo)電件組件實(shí)現(xiàn)電源的通斷。

翹板式開關(guān)按鍵的轉(zhuǎn)軸將垂直于按鍵平面的驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為所需的扭矩，隨后利用按鍵的扭矩帶動(dòng)彈簧座繞特定固定軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。根據(jù)彈簧提供反作用力，滑塊施加彈簧軸向作用力擠壓動(dòng)觸片組件，從動(dòng)觸片一側(cè)擠壓至另一側(cè)，使動(dòng)觸片組件沿著導(dǎo)電組件旋轉(zhuǎn)至另一側(cè)。按壓力撤離后，彈簧的變形力支撐動(dòng)靜觸片接觸，實(shí)現(xiàn)電路通斷。

1.3 擺片式開關(guān)

擺片式開關(guān)作為近些年出現(xiàn)的開關(guān)機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是聲音較小、手感柔和、運(yùn)動(dòng)順暢。擺片式結(jié)構(gòu)相較于翹板式結(jié)構(gòu)，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中減少了滑片部件，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中更改了動(dòng)觸片組件形狀，具體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 擺片式開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

擺片式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與翹板式運(yùn)動(dòng)方式大體相同。不同點(diǎn)在于彈簧直接壓裝在動(dòng)觸頭組件上，在此基礎(chǔ)上去除滑塊導(dǎo)向作用且增加了彈簧座孔徑。彈簧的功能從單一軸向施加變形力，增加彎曲變形的擠壓力；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)觸頭組件由翹板形狀變?yōu)閿[片形狀，運(yùn)動(dòng)形式改為撥動(dòng)片一側(cè)的觸片直接旋轉(zhuǎn)至動(dòng)觸片一側(cè)實(shí)現(xiàn)電路通斷。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)特性，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈簧座內(nèi)側(cè)的強(qiáng)撥機(jī)構(gòu)可同時(shí)作為擠壓動(dòng)觸片完成功能集合。

2 墻壁開關(guān)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)分析

現(xiàn)有墻壁開關(guān)以翹板式與擺片式結(jié)構(gòu)為主，本文對重要結(jié)構(gòu)的分析也以此展開。

2.1 接觸壓力

接觸壓力是指開關(guān)聯(lián)通電路時(shí)，動(dòng)靜觸頭基礎(chǔ)部位的接觸壓力，通常在0.6～1.5 N之間。接觸壓力的大小直接影響到動(dòng)觸頭與靜觸頭間接觸電阻數(shù)值大小，壓力越大接觸電阻越小。墻壁開關(guān)連接的電壓與電阻數(shù)值是一定的，設(shè)計(jì)師需要盡可能降低接觸電阻，保持負(fù)載在額定范圍內(nèi)高效運(yùn)作，從而保證電器工作穩(wěn)定性與可靠性[2]。

由于影響噴氣燃料冰點(diǎn)和結(jié)晶點(diǎn)的主要因素是油樣的化學(xué)組成以及水分和雜質(zhì)，所以對于噴氣燃料冰點(diǎn)和結(jié)晶點(diǎn)的檢測同樣采用與柴油凝點(diǎn)檢測相同的最佳試驗(yàn)條件。

當(dāng)開關(guān)按鈕按壓接通電路后，彈簧的彈力會(huì)保持開關(guān)各結(jié)構(gòu)部位處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)可使用靜力學(xué)平衡問題計(jì)算觸點(diǎn)壓力數(shù)值，以作設(shè)計(jì)對照。翹板式靜力分析簡圖如圖5所示。

圖5 翹板式靜力分析簡圖

彈簧座旋轉(zhuǎn)α度時(shí)保持平衡，此時(shí)彈簧的擠壓力F作用于動(dòng)觸片組件，與導(dǎo)電件組件產(chǎn)生的反作用力F2、底座反作用力F3、動(dòng)靜觸片的觸點(diǎn)壓力F1形成平衡。由圖5可推理出，觸點(diǎn)壓力F1的計(jì)算公式如公式（1）所示。

擺片式靜力分析簡圖如圖6所示。

圖6 擺片式靜力分析簡圖

相比較下，擺片式的動(dòng)靜觸片接觸時(shí)，減少了底座反作用力F3，同時(shí)增加了彈簧彎曲變形擠壓力?？捎行嵘|點(diǎn)壓力數(shù)值。在不考慮彈簧變形擠壓力的條件下，觸點(diǎn)壓力F1的計(jì)算公式如公式（2）所示。

根據(jù)圖7觸點(diǎn)壓力實(shí)測結(jié)果表明，本文中檢測翹板式開關(guān)觸點(diǎn)壓力為1.0 N，而擺片式為1.6 N。擺片式開關(guān)的觸點(diǎn)壓力相對較大，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作完成后接觸過程中低電阻連接，降低電量損耗與熱量生成。更加貼近市場中對觸點(diǎn)壓力增加的需求。

圖7 觸點(diǎn)壓力實(shí)驗(yàn)示意圖

2.2 開關(guān)彈跳

開關(guān)結(jié)構(gòu)的通斷是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，其中動(dòng)靜觸片碰撞到完全閉合是最為關(guān)鍵步驟，當(dāng)動(dòng)觸頭擁有一定角速度撞擊靜觸頭會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量沖擊能量，部分能量會(huì)直接轉(zhuǎn)化為聲能傳播出去和熱能使觸點(diǎn)發(fā)熱影響溫升指標(biāo)，部分被阻尼吸收，剩下能量會(huì)支持動(dòng)觸片產(chǎn)生回彈。每次小距離彈跳可能會(huì)產(chǎn)生持續(xù)拉弧現(xiàn)象，損傷接觸部位，多次累計(jì)會(huì)使得開關(guān)性能（燒蝕）以及壽命降低（熔焊失效）[3]。因此，開關(guān)如何彈跳是開關(guān)機(jī)構(gòu)研究重點(diǎn)。

根據(jù)圖8的多功能虛擬信號分析儀彈跳測試圖所示，翹板式開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生15～20次數(shù)的彈跳，時(shí)間在700～1 200 us之間。且碰撞過程中，每次波峰相對尖銳，表明動(dòng)靜觸片接觸時(shí)間較短，短時(shí)間內(nèi)沖擊動(dòng)能變化大，一次開關(guān)過程產(chǎn)生電弧燒蝕時(shí)間也會(huì)增加。

圖8 翹板式開關(guān)彈跳

根據(jù)圖9的多功能虛擬信號分析儀的彈跳測試圖所示，擺片式總彈跳時(shí)間與次數(shù)遠(yuǎn)低于翹板式，在300～600 us的時(shí)間內(nèi)彈跳5～10次。且每次碰撞波峰相對平滑，表明接通電流時(shí)間相對長一些，碰撞過程相對柔和。有效降低電弧燒蝕的概率，此結(jié)構(gòu)的可靠性會(huì)一定程度上增加。

圖9 擺片式開關(guān)彈跳

2.3 開關(guān)壽命

本文按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16915.1-2014 《家用和類似用途固定式電氣裝置的開關(guān)第一部分通用要求》條款中19.3對兩種結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行16 A電流通斷實(shí)驗(yàn)40 000次。

如圖10所示，翹板式結(jié)構(gòu)在完成壽命測試后，其壽后溫升為27.6 K。結(jié)構(gòu)方面，靜觸銀點(diǎn)與動(dòng)觸件銀點(diǎn)有明顯燒蝕而導(dǎo)電件與動(dòng)觸件接觸位置有明顯燒熔。

圖10 翹板式壽后電接觸示意圖

如圖11所示，擺片式結(jié)構(gòu)在完成壽命測試后，其壽后溫升為21.4 K。結(jié)構(gòu)方面，靜觸件銀點(diǎn)與動(dòng)觸件銀點(diǎn)有輕微燒蝕而導(dǎo)電件與動(dòng)觸件接觸位置有彈簧作用壓痕無燒熔現(xiàn)象。兩者雖然都通過相關(guān)壽命測試，但是擺片式從壽后溫升測試溫度、燒蝕部位數(shù)量與程度都遠(yuǎn)低于翹板式，說明其在開關(guān)壽命對比中具有良好優(yōu)勢。

圖11 擺片式壽后電接觸示意圖

2.4 開關(guān)手感

作為家用電器，開關(guān)手感最直接影響到用戶使用體驗(yàn)，最明顯影響因素分別為按鍵過程中的撥打聲音與撥打力度。其中撥打力度是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，涉及到開關(guān)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、結(jié)構(gòu)材料、有無潤滑油[4]。本文以結(jié)構(gòu)為切入點(diǎn)，研究執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型對撥打過程中的撥打力變化曲線與峰值影響。

中板與大板的優(yōu)勢在于可以任意選擇按壓區(qū)域。按壓最外側(cè)，此時(shí)完成開關(guān)的通斷任務(wù)需要的撥打力度最小，手感輕盈；按壓最接近內(nèi)側(cè)，此時(shí)完成開關(guān)的通斷任務(wù)需要的撥打力度最大，手感相對沉重；可以根據(jù)個(gè)人喜好選擇按壓部位獲取自己喜歡的手感。本文研究時(shí)按照最外側(cè)即最小按壓力為對照參數(shù)。

在圖12和13中按壓力為動(dòng)態(tài)過程隨著轉(zhuǎn)角大小隨時(shí)發(fā)生變化，本文研究的是按壓過程中按壓力峰值，進(jìn)行后續(xù)對照。

圖12 翹板式按鍵壓力示意圖

圖13 擺片式按鍵壓力示意圖

在按壓力測試中翹板式按壓力峰值為2.5～2.9 N之間，擺片式按壓力峰值為1.4～1.65 N之間，其中按壓力隨著按壓速度呈現(xiàn)增加趨勢（如圖14所示）?？梢杂^察到擺片式結(jié)構(gòu)的按鍵可以有效降低按壓力峰值，可以更加輕松撥動(dòng)按鍵完成線路通斷功能，使用戶具有更加輕快的按壓體驗(yàn)。

圖14 翹板式與擺片式按壓力對比

3 總結(jié)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，擺片式結(jié)構(gòu)開關(guān)在各方面使其擁有諸多優(yōu)勢。相較于市面常用的翹板式開關(guān)，擺片式開關(guān)有較大的觸點(diǎn)壓力能有效改善接觸電阻，能夠承載更高電流，功能性更強(qiáng)；較少的開關(guān)彈跳次數(shù)與時(shí)間，能有效提升產(chǎn)品可靠性；更低的壽后溫升、更少的燒蝕部位與燒蝕痕跡能有效延長開關(guān)的使用壽命；外側(cè)更輕的按壓手感，增加按壓力區(qū)間，有效提升用戶手感。綜上對照表明，擺片式結(jié)構(gòu)在墻壁開關(guān)中具有更高的功能性、可靠性、舒適性，在未來墻壁開關(guān)會(huì)擁有更加良好的發(fā)展。