新型按壓開關(guān)的設(shè)計(jì)與研究

郭遠(yuǎn)平 張曉轉(zhuǎn) 劉兵仁

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315315）

引言

插座是家電中重要的電器附件，承接用電設(shè)備與電源的導(dǎo)通。隨著產(chǎn)品的不斷更新迭代，現(xiàn)在的插座風(fēng)格已經(jīng)逐步延伸至家居、辦公等使用環(huán)境，產(chǎn)品也向精致、小巧方向靠攏。對應(yīng)的插座配件如開關(guān)、指示燈也隨之發(fā)生改變。

1 產(chǎn)品分析

目前市場上的插座所用的開關(guān)大致為機(jī)械開關(guān)和電子開關(guān)，其中機(jī)械開關(guān)以其性能、使用壽命等優(yōu)勢在插座產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，常用的機(jī)械開關(guān)大致可分為按壓開關(guān)和翹板開關(guān)。按壓開關(guān)為垂直于產(chǎn)品表面上下活動(dòng)，在通、斷電兩種狀態(tài)時(shí)其行程約為5 mm左右，落差較大，致使開關(guān)易卡滯于產(chǎn)品內(nèi)表面不回彈，使用感較差。翹板開關(guān)則是通過翹板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電源的通斷，其特點(diǎn)是：行程短，接觸穩(wěn)定，但按鍵始終處于傾斜狀態(tài)，產(chǎn)品整體美觀性不佳。

1.1 用戶按壓手感分析

開關(guān)產(chǎn)品的按壓力大小影響著用戶的操作體驗(yàn)。在產(chǎn)品開發(fā)前期，將市場上的按壓開關(guān)依照按壓力大小進(jìn)行區(qū)間劃分并進(jìn)行用戶體驗(yàn)調(diào)研，在研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，用戶對產(chǎn)品的舒適區(qū)域范圍基本定義為7～11 N，如表1所示。

表1 用戶按壓力調(diào)研表

隨著插座風(fēng)格逐漸融入居家、辦公等環(huán)境，其產(chǎn)品定位越要越高，開關(guān)作為產(chǎn)品的一部分，對其也提出了更多的要求。本文所研究的是一種新型按壓開關(guān)，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的開關(guān)運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)出短行程化、始終與產(chǎn)品表面齊平，用戶體驗(yàn)佳的開關(guān)。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型按壓開關(guān)是結(jié)合按壓結(jié)構(gòu)、翹板結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢開發(fā)設(shè)計(jì)的，如圖1所示，以翹板方案作為開關(guān)行程以達(dá)到縮短產(chǎn)品的行程，采用自復(fù)位的按壓方式來實(shí)現(xiàn)開關(guān)與人的交互，來協(xié)調(diào)開關(guān)與產(chǎn)品的整體一致感。

圖1 開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在翹板與按壓結(jié)構(gòu)之間，需通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，將翹板結(jié)構(gòu)的左右擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為按鍵的上下移動(dòng)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為連接上下運(yùn)動(dòng)與左右擺動(dòng)的樞紐，其自身具備上下、左右兩個(gè)自由度方向的屬性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，將其安裝于按壓件內(nèi)部，使之與按壓一起上下活動(dòng)，對于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與翹板之間的聯(lián)動(dòng)則采用嚙合的方式，在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的下端與翹板之間設(shè)置了嚙合，利用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的左右滑動(dòng)帶動(dòng)翹板的上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電源的通斷。

新型按壓開關(guān)的開發(fā)是基于用戶體驗(yàn)而開發(fā)設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮用戶的操作舒適性，即按壓力大小要在用戶是使用舒適區(qū)域。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)搭建力學(xué)模型，從中尋找關(guān)鍵的影響因素，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。如圖2所示，當(dāng)開關(guān)受到向下的作用力F時(shí)，按壓鍵與翹板接觸，在作用點(diǎn)處，力F沿作用面分解為、作用于翹板處，力與支點(diǎn)之間的距離l形成彎矩M[1]撬動(dòng)開關(guān)旋轉(zhuǎn)。

圖2 受力圖解

其中：

式中：

β—力F作用力臂與水平位置的夾角；

θ—轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與翹板嚙合位置接觸角度；

a—轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上兩嚙齒距離中心的位置；

h—轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)嚙合位置與翹板旋轉(zhuǎn)中心之間的距離。

相互作用的嚙合齒如圖3所示，它們之間接觸的位置、角度都對力有影響，不同接觸方式，會(huì)導(dǎo)致力的作用方向不同，從而影響作用力臂l及用戶的操作體驗(yàn)。

圖3 改善前后力作用方向的對比

3 開關(guān)失效模式研究

翹板結(jié)構(gòu)的開關(guān)在運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)翹板處于水平位置的一瞬間，其在旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)與壓縮彈簧的作用下，會(huì)出現(xiàn)居中穩(wěn)定現(xiàn)象，即開關(guān)處于死點(diǎn)狀態(tài)，如圖4所示，處于死點(diǎn)狀態(tài)的開關(guān)即失效。

圖4 開關(guān)失效狀態(tài)

造成開關(guān)失效的原因主要有兩點(diǎn)：

1）翹板出現(xiàn)死點(diǎn)狀態(tài)

翹板左右兩側(cè)的軸與產(chǎn)品外殼裝配，軸在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在翹板旋轉(zhuǎn)過程中，軸與孔內(nèi)壁轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力阻礙軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)緩慢按壓時(shí)，摩擦力有助于翹板在臨近死點(diǎn)位置緩慢運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)死點(diǎn)狀態(tài)。

2）死點(diǎn)狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與翹板不發(fā)生作用

新型按壓開關(guān)處于死點(diǎn)時(shí)，翹板保持水平狀態(tài)，當(dāng)按壓開關(guān)時(shí)，因轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的兩嚙齒處于翹板兩嚙合位置的中間，無法與翹板發(fā)生作用，翹板只呈現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，使得整個(gè)開關(guān)運(yùn)動(dòng)失效。

針對以上分析，對產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善，如圖5所示：

圖5 改善前后對比圖

①翹板的旋轉(zhuǎn)軸：為減少翹板旋轉(zhuǎn)軸與外殼之間的摩擦損耗（W=f×A），在力f一定的情況，需減少受力面積A，故將翹板的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行優(yōu)化，從而減小受力面積，使得摩擦阻礙減小，開關(guān)在旋轉(zhuǎn)過程中更順暢而不易卡滯到死點(diǎn)。

②轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與翹板之間的交互：對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的嚙合齒做結(jié)構(gòu)調(diào)整，在左右兩個(gè)嚙齒中，選其中任意一個(gè)齒寬度加大，即使在死點(diǎn)狀態(tài)，按壓開關(guān)時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)仍可以與翹板發(fā)生作用，從而撬動(dòng)開關(guān)，保證開關(guān)的正常運(yùn)動(dòng)。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，新開發(fā)的開關(guān)需經(jīng)過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]的測試，對于本開關(guān)，在滿足標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，更加關(guān)注產(chǎn)品的耐久測試及用戶的按壓舒適度。在測試時(shí)，隨機(jī)選取5pcs樣品進(jìn)行耐久測試，隨機(jī)選取100pcs樣品進(jìn)行開關(guān)按壓力測試，如圖6所示，其中，按壓力大小的測試分ON-OFF和OFF-ON，分別記錄兩組數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析。

圖6 開關(guān)測試實(shí)驗(yàn)

開關(guān)在經(jīng)過10 000次的按壓測試后，其操作動(dòng)作依舊順暢，未出現(xiàn)死點(diǎn)狀態(tài)。對于開關(guān)的按壓力，通過對ON-OFF和OFF-ON兩個(gè)環(huán)節(jié)分別測試，按壓力分別集中在8～10 N和9～11 N范圍內(nèi)，如圖7所示，可滿足用戶體驗(yàn)。

圖7 按壓力測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文從用戶的角度出發(fā)，分析了現(xiàn)在插座上使用較多的按壓開關(guān)和翹板開關(guān)，并基于兩者的優(yōu)勢，開發(fā)設(shè)計(jì)了新型按壓開關(guān)，對設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)方案及在此過程中遇到的難點(diǎn)進(jìn)行了分析改善，從而呈現(xiàn)了一款滿足用戶舒適性的按壓開關(guān)。