法式轉換器伸縮防塵門設計研究

王鴻達 柴孟立 聶杰文 柳 凱 宋國良

（公牛集團有限公司 慈溪 315000）

引言

防塵門是目前移動式插座（轉換器）領域中很少提及和應用的一個重要零部件，它在轉換器中起著防塵、防異物的作用，同時使產品更加美觀。它的出現使得人們用電更加安全、便捷。

目前不同國家使用的轉換器形式不同，但都大同小異 ，多數國家轉換器多為隱藏式電極，因此單獨防塵門的實用性不大，大多以保護門的形式出現，既可以防單極插入，也可以起到防塵效果。但德法式轉換器由于外露地極的存在，使得轉換器插孔多為型腔狀設計，這就導致了傳統的保護門結構無法起到防塵效果，易使灰塵等異物沉積在轉換器內，在用戶使用過程中，外露地極易受外力影響，導致地極歪斜，在長時間的插拔使用后，易使裸漏地極柱氧化，且在通電情況下意外濺水可能導致水濺入轉換器內部，不僅影響用戶體驗，而且存在很大的安全隱患。

為提高德法式轉換器的實用性、安全性及美觀性，特此開發一款伸縮防塵門結構。

由于德式與法式防塵門的原理一致，本文主要以法式防塵門的設計過程進行闡述。

本技術研究的法式伸縮防塵門模塊分為回彈鎖定狀態與下陷解鎖狀態，在回彈鎖定狀態時，與傳統法式轉換器不同，防塵門面板彈出，與產品上表面共面，地極柱隱藏在防塵門下，此時防塵門的兩極孔處于封閉狀態，起到防塵效果。

在解鎖狀態時，在插頭的外力下，防塵門下陷，此時和普通法式轉換器一樣，地極柱露出，從而與插頭相連接，從而達到正常取電的目的。

這里需要解決的技術難題是：

1）防塵門面板受到外力時，保證面板不下陷；

2）插頭插入時觸發保護門面板解鎖；

3）面板應保證正常回彈，不卡死；

4）插拔手感應適宜，無卡頓現象。

經過對上述技術難點的研究與分析，對多種設計方案進行對比，最終確認了以“旋轉+伸縮”來實現功能的防塵模塊。

目前基于此技術開發的德、法式轉換器已成功上市，填補了德法式轉換器市場的空白其各項性能均已達標，且外形簡約的設計榮獲了2021年IF設計大獎。

1 行業現狀

由于各國的插頭插座標準有所區別，轉換器的種類與規格也存在很大差異。法式轉換器的插頭與插孔需根據法國標準NFC61-303移動式轉換器規格2P+T 10/16 A 250 V的插頭插座系統進行設計，與其它國家不同的是，大多數國家的轉換器都為隱藏式地極，安裝保護門即可做到防塵防污效果，但德法式轉換器孔型為凹形孔，且地極外露。

目前德法市場上的轉換器均在內部安裝保護門組件，延伸出的地極組件不做遮擋處理。因此目前有關遮擋地極的德法式防塵門的相關產品市場一片空白，目前也沒有相關專利、論文等研究資料可供參考，因此法式伸縮防塵門的設計具有很大的挑戰性。

2 防塵門模塊介紹

為解決上述問題，本文通過大量實踐與測試分析，從而提出使用伸縮式防塵門結構。

該結構主要組成部分由小面板、防塵門、壓扭簧、插孔座組成，如圖1、2所示小面板在插頭的外力與壓扭簧的作用下相對于插孔座上下浮動，壓扭簧的兩端固定在防塵門和保護盒的孔內，安裝時，需將壓扭簧固定下端，再通過扭轉防塵門對壓扭簧進行扭轉蓄能，再將蓄能后防塵門組件通過小面板壓入插孔座，從而完成組裝。

圖1 爆炸圖

圖2 組裝結構圖

該結構主要包含以下特點：

1）防塵門面板可回彈

小面板鑲嵌在插孔座內，兩側的掛鉤牢牢卡住插孔座底端，插孔座內置的壓扭簧作用在防塵門上，使得防塵門對小面板施加向上的推力，小面板在推力下，向上運動，直至兩側卡扣鉤住插孔座底部（結合圖5），此時小面板剛好復位，面板與產品外表面平行，使產品更加美觀。

當插頭插入時，防塵門解鎖，防塵門面板在插頭的推力作用下下沉，使插頭插入轉換器，成功取電。

2）面板自鎖

當防塵門LN極插孔未插入時，面板鎖死，無法下沉。

3）結構模塊化

新的結構設計將防塵門組件、保護門組件、銅件座三者配合，集成為一個獨立模塊，將其變為通用件，不僅結構精巧，適用性強，同時，模塊化的設計也大大降低了后續的研發項目成本。

3 防塵門組件設計過程

3.1 防塵門的選材

目前NFC61.314安規標準與德法安規標準中都并未明確規定防塵門應達到何種標準，但考慮到轉換器的實際使用中，插頭先通過防塵門，再通過保護門才能接通電源。因此，防塵門的的使用壽命應大于保護門，對防塵門的強度要求也應高于保護門的安規要求，因此我們參照NFC 61.314中的測試項：“正確操作” 來對防塵門進行標準約束。

安規標準要求：

1）電氣附件應能承受正常使用中時出現的機械、電、熱應力而不會出現過度的磨損或其他有害影響。

2）保護門壽命測試

采用尺寸、材料符合實驗規定的黃銅插銷，按一定速率，對產品進行5 000 次的插拔實驗，實驗之后樣品不得出現標準定義的損壞。

因此為保證防塵門的強度與插拔手感，我們需要考慮到防塵門的材料及尺寸。防塵門由于使用環境與保護門類似，因此對材料的要求可參照目前產品中常用的保護門材料。

常用的保護門材料應涵蓋以下材料特性：材料強度高、材料自身潤滑性好、材料抗沖擊性強，且要保證尺寸穩定性好、熱穩定性好、以及高阻燃性。

涵蓋以上所述的特性的首選材料便是PA66，也被叫做尼龍材料，PA66在較高溫度也能保持較強的強度和剛度。但單純的尼龍 PA66作為保護門材料來說還是偏軟，其洛氏硬度在90HRC上下。該強度仍無法滿足使用，因此需要對PA66料性進行改變，以提高其材料強度。在注塑行業中，常見的改性方法是向PA66加改性劑玻纖，玻璃纖維作為一種填充料，主要目的是為了增強PA66的剛性、韌性，改變材料的流動性。但是隨著玻纖的增加，合金本身的自潤滑性也會隨之下降,且材料呈現硬而脆的特性，改性劑添加的比例對合金材料特性影響很大，所以我們通過大量的實驗數據分析得出向尼龍 PA66里加25 %的玻璃纖維后，其綜合性能最好，最終剛確認了使用“尼龍 PA66+GF25”，該材料既有尼龍材料的耐摩擦、自潤滑性好，同時又兼顧了玻璃纖維的強度，因此很好的解決了防塵門卡死，使用手感不順滑的問題。

3.2 防塵門結構設計

談到防塵門的結構設計，必然離不開防塵門的運動方式的考量，防塵門在轉換器中的運動方式水平方向轉動，而法式插頭接電后需要垂直插入，僅通過防塵門實現功能，只能通過驅動斜切面設計實現，簡單的原理圖如圖3、4。圖3中通過上下作用的插頭，對滑塊施加一個向下的力，壓力作用在滑塊的斜面上，對滑塊進行受力分析，滑塊收到的合力進行受力分解，滑塊收到插頭驅動，最終像水平方向位移，結合這一簡單的力學模型，我們得到防塵門的大致模型圖4。

圖3 滑塊運動分析

圖4 防塵門結構

此外，德法插頭尺寸為Φ4.8 mm的圓插頭，規定兩極孔Φ5.6 mm，孔間距為19 mm，結合保護門尺寸，得出保護門的最少滑動弧長在 5.7 mm。 在上述條件下，通過調整插頭軸線與防塵門斜面的夾角，測試角度范圍20 °～ 80 °，通過插入力測試、保護門強度測試、5 000 次正確操作，得出防塵門的最佳斜面角度在20 °～ 25 °，在這個范圍內，防塵門斜面越小，插入手感最佳，如圖5所示。

圖5 防塵門開閉

3.3 面板自鎖設計

在確定了防塵門結構與大致運動方式后，下一步便需要通過機構來實現防塵門的運動。

圖7 插孔座結構

圖8 插孔座內孔

首先我們對防塵門進行運動分析，它僅需要滿足以下兩個條件：

1）當插頭插入時，防塵門旋轉，當插頭拔出時，防塵門自動旋扭閉合；

2）當插頭插入時，小面板可下沉，未插入時，小面板自鎖，無法按動。

現在對上述條件進行分析：

要滿足條件一，僅需一根扭簧作用于防塵門，提前扭轉扭簧蓄能，并用擋板結構將防塵門固定，使扭簧始終處于扭轉狀態，當插頭插入時，結合圖3、5，防塵門在外力作用下，克服扭簧阻力，旋轉打開，使插頭插入。

當插頭拔出時，防塵門失去插頭施加的外力，在扭簧的作用下復位，從而關閉插孔。

因此我們對小面板背部位置，兩插孔處新增兩個擋板設計（圖6），從而很好的限制了防塵門的行程。

圖6 小面板設計

而要滿足條件二中的要求，首先根據小面板運動方式，不難看出需要上下運動，因此我們仍需要彈簧，在工作狀態時，小面板在插頭的外力作用下，壓縮彈簧，使面板下沉，從而接電，當插頭拔出時，小面板需要在彈簧的作用下復位。但是想完成自鎖功能，卻不容易，如何在零件盡可能少的情況下完成自鎖功能是個難題。

結合上述兩個條件，分析防塵門組件工況，當防塵門旋轉后，其軸方可在外力作用下沉入保護盒底部孔內，未旋轉時，防塵門的軸與保護盒底部孔的形狀無法吻合，無法配合。

因此，我們可以嘗試采用空間錯位的方法來解決上述問題。在圖4中，保護門兩側增加兩條筋，同時對插孔座的孔也開出與之配合的兩個槽，當防塵門未扭轉至合適角度時，軸孔不配合，導致面板無法下壓，而當插頭插入時，帶動防塵門旋轉一定角度，此時軸孔的形狀剛好配合，從而使防塵門在外力的作用下沉入插孔座完成取電工作。

結合上述方案，我們將扭簧與壓簧結合，僅采用一根特制的壓扭簧，并對小面板、插孔座內孔、防塵門進行了細節設計，從而保證了保護門可正常扭轉與小面板的伸縮復位工作。至此，防塵門模塊的核心結構設計悉數完成，新的結構設計將防塵門組件、保護門組件、銅件座三者配合，集成為一個獨立模塊，將其變為通用件，不僅結構精巧，適用性強，同時，模塊化的設計也大大降低了后續的研發項目成本。

4 樣機測試

針對防塵門的測試內容此前并沒有明確測試方法，但是防塵門結構和作用與保護門相像，因此，主要通過與保護門相關的形式測試來衡量，參見IEC60884-1《家用和類似用途插頭插座通用要求》[1]的相關章節。

針對防塵門組件的相關試驗如下：

1）產品老化測試

2）產品正常操作

3）插孔吊重測試

4）端子溫升測試

4.1 具體實驗情況

1）產品老化測試

在實驗室工業烘箱（70±2）℃的烘烤下，受測時限為7天。

實驗判定標準：在經過烘箱烘烤后，將受測樣品取出取出，通過目視產品表面，觀察表面變化、有無斷裂、龜裂等物理及化學性能發生變化、尺寸變化等。

實驗結論：樣品表面良好，無異常。

2）產品正常操作

正常操作也被稱為壽命測試。采用實驗室專用設備對產品插孔進行插拔，插拔次數參照出口產品當地安規標準，一般在5 000～10 000 次，測試后，取出樣品，檢測相關零部件是否達完好，產品是否可正常使用，接電時導電部件是否接觸完好。

實驗判定標準：在經過正常操作后，樣品接電部件應無明顯變形，接電時應接觸完好，相關部件不能失效。

實驗結論：受測樣品在通過正常操作后，防塵門組件性能完好，結構尺寸材質等達到設計要求。

3）插孔吊重測試

插孔吊重試驗也被叫做插拔力試驗。通過安規要求尺寸、重量的測試插頭治具，通過拉力計，插入受測樣品插孔中，觀察插入力與拔出力數據。

實驗判定標準：受測樣品在Φ3.8 mm，200 g的插頭治具插入插孔內，應保證在10 s內插頭治具不脫落。

實驗結論：受測樣品在插拔力測試中未脫落，符合要求。

4）端子溫升測試

端子溫升試驗是指在一定室溫下，對產品內部結構布點，接入負載機，一定的電流、電壓下，檢測布點的相關內部件的溫度。

實驗判定標準：通過觀察設備參數，布點處溫差≤45 K即為合格。

實驗結論：受測樣品布點處測試溫差小于45 K，符合要求。

通過上述安規測試可知，目前防塵門組件的的結構合理，使用上也更加穩定，并通過了一系列安規測試。

最終使產品能夠投入量產，并取得客戶認同，本結構的設計目前以應用與我公司的德法式以及延申國家的移動轉換器和固定式轉換器產品上，并順利上市，目前已有幾十款產品投入海外市場，市場效益頗豐。

5 結語

德法式防塵門組件的研究一直是我公司外貿產品的重要研究課題，在此之前德法式防塵門在轉換器領域一直處于行業空白，且無資料可查，因此在前期的探索中也投入了很大的研究成本，本文通過對法式防塵門組件的功能分析與結構介紹，闡述了實施例中的關鍵技術、工作原理、以及防塵門組件設計中的難點和解決方法，最終研究設計出更加符合要求的防塵門組件，填補了市場空白，為插頭插座等產品設計與加工提供了理論基礎。