墻壁開關(guān)插座分體式固定架的剛度提升及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 宇 夏 添 劉井龍 姚思捷 張志穎 戎 程 彭衛(wèi)平

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

在目前的墻壁開關(guān)市場上，墻開類產(chǎn)品的后座結(jié)構(gòu)主要分為兩種形式。

第一種是一體式結(jié)構(gòu)，即功能件包含固定架作為一個整體，一體成型。這種結(jié)構(gòu)整體剛度高，可以很好滿足日常的安裝要求，但這種結(jié)構(gòu)的缺點就是固定架作為專用件，很難被其他產(chǎn)品所借用，從而導(dǎo)致在新品項目流程內(nèi)，產(chǎn)品的模具成本以及研發(fā)成本變高，增添重復(fù)性工作。

第二種是分體式結(jié)構(gòu)，即將功能件與固定架分開，作為兩個獨立部分組裝配合。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點十分明顯：分體式的固定架可以作為通用件被不同產(chǎn)品直接借用，從而大大減少了模具成本，進而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，可以很好的解決一體式結(jié)構(gòu)帶來的缺陷。但與之同時，這種分體式的固定架由于結(jié)構(gòu)原因，整體剛度較低，固定架在安裝過程中容易變形，很可能造成功能件脫出，使產(chǎn)品功能失效。

對于開關(guān)類產(chǎn)品，固定架變形過大不僅能會導(dǎo)致外觀縫隙大不美觀，更會由于配合不到位使按鍵按不動、面板無法安裝甚至脫落等問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品使用手感以及性能。而對于插座類產(chǎn)品，分體式固定架發(fā)生形變將會導(dǎo)致插銷與插套配合度降低，進而引起通斷不良等性能問題。因此，對于分體式固定架而言，提升其剛度就顯得尤為重要。

為了提升分體式固定架的剛度，行業(yè)內(nèi)也曾嘗試采用鋼材作為原材料制造分體式固定架，但是鋼材固定架在增加剛度的同時，它的劣勢也十分明顯的凸顯出來：鋼材這種材料成本過高，且不易加工，在發(fā)生形變后也很難恢復(fù)原始形狀。因此，我們就十分需要一種能在不改變材料的前提下，保證分體式固定架擁有足夠剛度的結(jié)構(gòu)。

綜上所述，優(yōu)化分體式固定架結(jié)構(gòu)的研究具有十分重要的意義。本文將通過結(jié)合有限元分析的方式，對分體式固定架的結(jié)構(gòu)進行剛度增強和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 固定架剛度設(shè)計優(yōu)化

1.1 原有分體式固定架的有限元分析

首先我們對原有的固定架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，詳見圖1。材料參數(shù)為E=2 200 Mpa，μ=0.39，剪切模量G無需輸入，F(xiàn)EA軟件會根據(jù)E和μ自動計算出G[1]。需要強調(diào)的是，彈性模量E是由試驗測量而得，PC產(chǎn)品由于注塑條件不同，如注塑壓力和注塑速度均會對注塑件的彈性模量造成很大的影響[2]。通過下圖可以看出，將固定架上下底面設(shè)置為約束，在安裝螺釘孔處施加500 N的壓力，可以很直觀的看出，安裝孔附近發(fā)生了較為明顯的形變，Y向最大位移甚至達(dá)到了5.1 mm。

如圖1所示，固定架整體向下凹陷。變形嚴(yán)重的情況下更是可能會導(dǎo)致固定架斷裂，不僅僅影響了產(chǎn)品本身的性能，也極大地破壞了產(chǎn)品自身的美觀性，給用戶帶來了不好的用電體驗。

1.2 固定架與功能件配合位結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在實際安裝過程中，由于螺釘擰入，安裝孔附近受力，固定架兩邊向中心處凹陷。在功能件與固定架配合中心增加一個臺階，給予安裝孔附近一個向上支撐的力時，可以在一定程度上分擔(dān)安裝孔所承受的壓力，使固定架的形變量相應(yīng)的減小，如圖2所示。

圖2 功能件與固定架安裝孔配合位結(jié)構(gòu)

眾所周知，材料越薄或者用料最少的地方，越容易產(chǎn)生變形。在安裝過程中，螺釘旋轉(zhuǎn)擰入，由于分體式固定架受到螺釘給予的作用力，固定架本身不僅僅向中心發(fā)生了凹陷形變，上下兩側(cè)也會有不同程度的翹起，如圖3所示。需要強調(diào)的是，由于高分子材料是由粘彈性，測試時間對結(jié)果影響明顯[3]，本文的測試時間規(guī)定為5 s內(nèi)測量位移量。

圖3 固定架受力變形

所以，在圖2的基礎(chǔ)上，我們進一步的在固定架上下兩側(cè)以及功能件對應(yīng)的配合位置，等距離的各增加三對配合筋位，這幾對互相配合的加強筋可以在安裝的過程中，給予上下兩側(cè)易變形區(qū)域一個反向的支撐作用，對抗固定架的形變方向，如圖4所示。

圖4 加強筋示意圖

由于兩側(cè)加強筋均勻分布且上下一一對應(yīng)，對于結(jié)構(gòu)本身而言，采取了最小的變化方式，可以有效地控制減小固定架局部形變量，使固定架與功能件的固定配合中起到更好的效用。

在功能件與固定架安裝孔配合位的中心處增加一個臺階作為支撐的同時，在固定架上下兩側(cè)與功能件配合位置各增加三對支撐筋，增強了分體式固定架整體的剛度，進而減少了固定架的形變量，十分全面有效的提升分體式固定架的力學(xué)性能。

1.3 優(yōu)化后分體式固定架的有限元分析

同樣在螺釘孔的位置施加500 N的壓力，對結(jié)構(gòu)加強后的分體式固定架進行變形分析，并提取其對應(yīng)變形量數(shù)據(jù)。

如圖5所示，圖2中所提到的功能件與固定架安裝孔配合位結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以十分明顯的降低分體式固定架的形變程度，提升其剛度以及產(chǎn)品性能，有效解決了前文中所提到的分體式固定架的劣勢問題。

圖5 僅安裝孔結(jié)構(gòu)加強的固定架兩側(cè)變形數(shù)據(jù)及卡扣應(yīng)力云圖

如圖6所示，基于圖2所示結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化后的圖4所示的結(jié)構(gòu)，進一步增強了固定架整體剛度，減小其形變程度。

圖6 帶有加強筋結(jié)構(gòu)的固定架兩側(cè)變形數(shù)據(jù)及卡扣應(yīng)力云圖

以由此可以得出，本文所提出的分體式固定架的結(jié)構(gòu)，較原有的結(jié)構(gòu)相比可以明顯的增強分體式固定架整體剛度，明顯減小了在實際安裝使用過程中所產(chǎn)生的因受力形變而產(chǎn)生的不良影響。

2 結(jié)論

本文首先介紹分體式固定架的優(yōu)點，以及其在產(chǎn)品設(shè)計過程中對企業(yè)而言的經(jīng)濟價值。接下來結(jié)合其現(xiàn)有不足之處，對分體式固定架由于結(jié)構(gòu)原因所導(dǎo)致剛度不足的缺陷進行了優(yōu)化，并通過有限元分析佐以理論數(shù)據(jù)驗證。結(jié)合本文所提到的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，可以很好的加強分體式固定架整體的剛度，有效的減小了分體式固定架的形變，使固定架與功能件的配合更加穩(wěn)定，充分保障了產(chǎn)品性能。

一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，在進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不應(yīng)該單單只考慮是否滿足產(chǎn)品功能性的要求，更要考慮到產(chǎn)品組裝或整體的制造過程是否簡潔易操作，更要站在整個新品流程的角度，降低產(chǎn)品成本，為公司創(chuàng)造更大的價值。

同時在設(shè)計時，要從用戶和市場角度出發(fā)，分析客戶需求，設(shè)計出優(yōu)質(zhì)便捷，安全耐用的產(chǎn)品，為用戶創(chuàng)造安全舒適的用電環(huán)境，為消費者帶來極致的用戶體驗。