安裝環境對墻壁開關性能影響研究

王孝利 何安民 柯寒文

（浙江德力西國際電工有限公司 杭州 310024）

前言

在墻壁開關插座中，安裝架是主要的組成部件；安裝架在安裝時會承受較大的螺釘擰緊力而發生變形使固定架失效；經調研發現，固定架在承受1.2 N.m的扭力情況下，在少數安裝環境下安裝架已經產生一定量形變，若墻面不平整情況更加惡劣，其變形量在更大，甚至有些固定架已經出現了斷裂，直接致使開關失效[1]。所以對固定架的結構與安裝環境關聯研究具有重要的意義。

本文使用兩種常用的開關結構，在有限元、設計試驗臺中模擬安裝多種環境下開關性能并量化較研究。

1 墻壁開關結構與安裝模擬設備介紹

1.1 墻壁安裝模擬設備介紹

為模擬墻壁開關安裝墻面復雜情況，設計出如圖1所示設備。深灰色基臺與底座作為設備框架；紅色升降臺只具有上下活動的自由度；棕色定位螺釘為升降臺的升降機構；選定升降高度后，由夾緊螺釘保證測試過程中模擬墻面狀況穩定。

圖1 模擬安裝設備示意圖

十個升降臺作為核心部件，四周升降臺可模擬單邊缺陷狀態下墻面。中間增加六個升降臺增加安裝接觸面的同時，也可模擬墻面中間凹陷墻面。由于安裝螺釘開關處安裝架變形最為劇烈，此處分為上下兩排螺釘。

在本文研究中，選取兩種典型安裝環境，即將圖1中所示的模擬設備全部升降臺與平臺平齊設置為安裝臺Ⅰ，模擬未變形的平整墻面；將模擬設備中上下六個升降臺升起2 mm設置為安裝臺Ⅱ，模擬安裝螺釘側下陷的缺陷墻面。

1.2 開關結構與安裝模擬

墻壁開關是實現遠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，控制電源的接通與斷開實現遠程控制。一個多世紀以來，根據主要結構或者外形可以分為一下幾種開關，拉線式開關、撥動開關、翹板式開關、擺片式開關[2]。翹板式開關作為現在主流開關結構，本文以此結構進行展開。

由圖2所示，翹板式開關包括運動部件與支撐部件。運動部件中開關按鍵轉動帶動彈簧座組件轉動，隨后撥動通斷機構實現開關比和動作；支撐部件中，底座容納五金通斷機構，安裝架連接面板、底座、墻壁（在部分產品中，設計師為組裝方便將安裝架與底座集成起來，設計為連體底座），面板連接按鍵或者作為裝飾部件。

圖2 翹板式開關結構示意圖

在開關結構示意圖中我們可以很清晰看到，按鍵作為轉動作為人力傳動機構的最初始段，若由于機構變形其扭矩無法傳遞至末端執行機構，直接會造成開關失效。

市面上常用開關安裝螺釘形式多樣，包括頭部形狀（盤頭、沉頭、十字、一字）、長度（適應多種形狀各異）、螺釘尾部形狀（自攻、自切、平頭）。但其公稱直徑大多為4 mm，即M4螺釘。這為螺釘預緊力計算提供便利。式（1）為螺釘預緊力的計算公式[3]。

對于一些中型企業，在發展中已經形成較為科學的結構來進行經營活動，企業間部門的分化和權責范圍非常的明確，這種經營方式能夠有效對增加企業的管理效率和各方面工作的執行力度。但是一些企業在管理中，沒有協調好各個部門之間的關系，使得部門之間的難以進行通力合作，在現金流的反應上，就會使得部門都開始向企業討要過多的備用金。對于企業的經營發展而言，這種方式不僅僅會讓企業的備用金過多，造成企業經營利潤下井，同時這種方式也會讓企業的資金管理混亂，不利于企業的長期發展。

式中：

Mt—預緊扭矩，單位為N·m；

k—擰緊力系數，表面鍍鋅的螺釘約在0.18～0.22 N；

d—螺釘公稱直徑，單位為m；

F0—螺釘軸向預緊力，單位為N。

根據預緊力經驗公式，當螺釘預緊扭矩為1.2 N·m是，軸向預緊力計算后約為1450 N。兩顆螺釘作用在塑料安裝架上，甚至鐵安裝架上會造成一定程度變形，為降低變形影響各公司設計了如下結構。

1.2.1 轉軸在安裝架

按鍵轉軸與安裝架直接配合時，面板僅作為裝飾用途。

在圖3所示模擬安裝臺Ⅱ中，螺釘預緊力致使的安裝架嚴重下陷，而上下兩側在受到支撐的情況下還會產生一定翹起，中間轉軸下降致使按鍵轉動行程大幅下降，產生較大概率的行程失效風險。

圖3 按鍵與安裝架配合試驗臺安裝圖

1.2.2 轉軸在面板

轉軸在面板上的開關結構中，面板作為連接按鍵與安裝架的主要結構，通過孔軸與扣腳將三者連接起來。

在圖4所示安裝臺Ⅰ中，安裝架在四周翹起較小，失效概率較小。

圖4 按鍵轉軸與面板配合試驗臺安裝圖

在安裝臺Ⅱ中，安裝架靠近安裝螺絲處下陷、較遠處翹起。面板與安裝架的配合處上翹，致使面板與按鍵有一定程度抬起，但是彈簧座卻因為變形向下位移。此時，按鍵擺桿與彈簧座之間間隙增大。外觀中無法查看內部變形情況，但是按壓時已出現虛位、手感不良等扭力傳動失效風險。

1.2.3 按鍵與彈簧座配合

由于按鍵卡扣直接與功能部連接，若安裝架與底座為一體式，在安裝臺Ⅱ中安裝架變形后，開關按鍵位置降低，會產生類似1.2.1的轉動行程失效風險。

若安裝架與底座為分體式，底座功能鍵會一定程度上降低向下位移程度，同時按鍵與彈簧座半剛性連接會降低1.2.2中傳遞失效風險。此結構可能性較多，在后續研究中暫不拓展。

2 墻壁開關變形有限元模擬

2.1 模型簡化

有限元研究中需要消耗大量計算資源，計算時需要在計算精度與計算時間中相互取舍。最為常用的方法為簡化三維模型。

此處主要根據Ⅰ、Ⅱ種兩種安裝方式三維模型將安裝環境進行簡化，此處僅包括部分墻面與螺釘兩種結構。

2.2 材料參數獲取

聚碳酸酯,英文名Polycarbonate,常用縮寫PC，是一種線型碳酸聚酯，現在常用于墻壁開關中。雖然型號相同，但各廠家生產的PC材料性能會產生較大差別為此，本文使用萬能拉伸試驗機，將原始標距為50 mm，長款分別為10 mm、4.1 mm的PC試樣放置于在萬能試驗機上進行拉伸試驗。獲取到本公司某一款PC的應力應變曲線。

根據圖5可知，PC材料在拉伸后并非屬于單一彈性變形規律，在有限元仿真模擬中同樣需要考慮PC材料特性，尤其是材料達到屈服后少量增加拉力應變激增情況[4]。根據計算，此材料主要分為前期的彈性應變環節，此時屈服強度為65 MPa，彈性模量為2.32 GPa。屈服后的剪切模量為193 MPa。

2.3 轉軸在安裝架有限元結果分析

圖6（a）為在安裝臺Ⅰ中有限元模擬豎直方向變形云圖，此時按鍵轉軸處翹起0.13 mm，安裝架最邊緣翹起高度約為0.29 mm。對于按鍵轉動行程而言，變化量可以忽略。

圖6（b）為在安裝臺Ⅱ中有限元模擬豎直方向變形云圖，此時按鍵轉軸下降1.9 mm，而安裝架兩側上翹約0.4 mm。按鍵轉動行程減少2.5 mm，如圖所示，若將按鍵轉軸下降2.5 mm時，按鍵已經幾乎無法轉動，出現如圖5所示現象，判定為開關失效。

圖5 某PC架子料拉伸應力應變曲線

圖6 按鍵與安裝架配合有限元模擬

2.4 轉軸在面板有限元結果分析

圖7（a）為在安裝臺Ⅰ中有限元模擬豎直方向變形云圖，此時與面板配合處安裝架上翹0.33 mm，底座部位下沉0.53 mm。彈簧座與安裝件配合處整體偏移0.83 mm。

圖7（b）為在安裝臺Ⅱ中有限元模擬豎直方向變形云圖，安裝架在安裝孔處偏移量達到2.02 mm，此時與面板配合處安裝架上翹0.55 mm，底座部位下沉0.83 mm。整體偏移高達1.38 mm。此時會出現圖8所示現象，按鍵失效概率增加。

圖7 按鍵與面板配合有限元模擬

3 總結

綜上研究可以發現，開關通斷性能作為最基礎的功能要求，我們不應該限制在開關結構對其影響，墻面狀況也是不可忽略的一種重要因素。