墻壁插座插入力影響因素分析

黃林平 朱飛杰 趙立鋒 冷天霖 伍偉權(quán) 高 政

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

前言

墻壁插座主要由面板、面蓋、保護門、彈簧、壓板、固定架、內(nèi)部插套五金件組成。插頭插入時，保護門滑開，露出插套，插頭繼續(xù)插入后插銷與插套形成回路，從而通電。本文首先通過調(diào)研、用戶體驗，識別出最合適的插座插入力的數(shù)值。然后從插座的保護門結(jié)構(gòu)、零件材質(zhì)、插套結(jié)構(gòu)等方面找出影響插座插入力的關(guān)鍵因素，并對這些因素進行分析。

1 墻壁插座插入力調(diào)研

通過墻壁插座插入力進行的調(diào)研，使用了足夠多的插座樣品，調(diào)研了足夠數(shù)量的用戶，包括普通用戶、從事與插座相關(guān)行業(yè)的相關(guān)用戶而且這寫用戶是不同區(qū)域、不同年齡、不同性別的，總共調(diào)研了1 000人員樣本，得出用戶接受的插入力值分布如表1所示。

表1 最好插入力樣本分布情況

通過表1插入力值與接受樣本數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)插入力值在（30～35）N之間是最理想的插入力。

2 墻壁插座插入力影響因數(shù)

為了分析研究插座的插入力主要影響因素，需要對其中插座的結(jié)構(gòu)組成進行分解，了解插座的結(jié)構(gòu)功能，識別可能影響插入力的插座結(jié)構(gòu)[1]，插座的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 插座的結(jié)構(gòu)

插座的工作原理：電器或者移動式插頭插入面板和面蓋的孔位，穿過面板及面蓋，與保護門接觸，插頭會給保護門施加力，在壓力和摩擦力作用下，保護門會發(fā)生移動，從而會露出插套的開口部分，插頭繼續(xù)插入與插套接觸形成回路，電路通路，實現(xiàn)通電功能，拔出插頭后斷開電路。綜合來說，主要影響插入力的零件是保護門、彈簧和插套，對這三個零件的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)如何影響插入力大小進行分析。

2.1 保護門的材質(zhì)對于插入力的影響

保護門常見材質(zhì)是聚酰胺 PA（俗稱尼龍），主要使用PA66，其有較好的拉伸強度、抗糯變，良好的耐磨性、耐化學(xué)品性、耐熱性，較其他的工程塑料，有突出的自潤滑性，磨損量和摩擦系數(shù)很小，表2是常見工程塑料的摩擦系數(shù)。

表2 常見工程塑料

通過這些摩擦系數(shù)，我們可以發(fā)現(xiàn)，保護門使用尼龍材質(zhì)，摩擦系數(shù)較小，利于保護門的滑動，其良好的耐磨性，拉伸強度，耐熱性，保證其在反復(fù)插拔中，不會變形，磨損較小，可以承受摩擦起熱，圖2，圖3分別是正常插拔操作前的保護門與插拔5 000次后的保護門，可以看到插拔5 000次后的保護門，經(jīng)過測試后磨損比較輕微，插入插頭依然不會有卡滯現(xiàn)象，表明了尼龍材質(zhì)保護門優(yōu)越的力學(xué)性能和耐磨性能。

圖2 正常插拔前保護門

圖3 正常插拔5 000次后保護門

2.2 保護門的結(jié)構(gòu)對于插入力的影響

以常見的二插保護門為例，保護門是安裝在面蓋里，下端在壓板上滑動，底端的凹槽和壓板的凸筋相互配合，保證保護門可以做直線滑動，插頭插銷垂直插入插孔，推動保護門并克服保護門與壓板的摩擦力以及彈簧的彈力，直至保護門漏出插孔，插頭插銷可以完全插入插座，如圖4所示。

圖4 保護門與面蓋及壓板配合結(jié)構(gòu)

下面對保護門的受力情況[2]進行簡單分析，如圖5所示。

圖5 保護門受力分析

忽視保護門自重的情況，及設(shè)彈簧自由狀態(tài)下F彈為0，在插入力F克服保護門的摩擦力f1和壓板的f2下，依然能向左移動（打開保護門），根據(jù)牛頓定律，力學(xué)分析 ：

μ1Fcosθ+μ2Fcosθsinθ ≥ μ2Fcosθ2

θ≥17 °

在θ≥17°，保護門不會自鎖，

取插頭插銷與保護門摩擦系數(shù)μ1為0.4，取保護門與壓板摩擦系數(shù)μ2為0.6；

通過手板驗證保護門的角度一般會取35度以上，保證插頭插銷可以更好的插入，也更容易克服保護門自身的摩擦力。

2.3 彈簧的結(jié)構(gòu)對于插入力的影響

插入力的大小與彈簧彈力有關(guān)，由彈簧彈力公式：

式中：

k—彈性系數(shù)；

x—形變量。

彈簧壓縮形變[3]，形變量x與保護門的移動距離有關(guān)，保護門的移動距離和插銷插入插座的寬度有關(guān)，一般插座的插孔都是按照國標(biāo)設(shè)計，所以x值基本固定，所以影響插入力和彈簧的彈性系數(shù)有關(guān)，如下彈簧的彈性系數(shù)c計算公式：

式中：

c—彈簧的剛度，（即彈性系數(shù)，中學(xué)物理也叫倔強系數(shù)k）；

F—彈簧所受的載荷；

λ—彈簧在受載荷F時所產(chǎn)生的變形量；

G—彈簧材料的切變模量，（鋼為8×104MPa）；

d—彈簧絲直徑；

D2—彈簧直徑；

n—彈簧有效圈數(shù)；

C—彈簧的旋轉(zhuǎn)比（又稱為彈簧指數(shù)C=D2/d）

根據(jù)上面的公式，彈簧的彈性剛度（彈性系數(shù)），是彈簧的根本屬性，選擇合適屬性的彈簧對于插入力的至關(guān)重要；通過手板驗證c取（0.28 ～0.4）N/mm插頭插銷插入彈簧可以很好的壓縮以及拔出插頭能很好的回彈，并且插入手感也很好。

2.4 插套的材質(zhì)對于插入力的影響

插套常見材質(zhì)是錫磷青銅，主要使用QSn6.5-0.1，其有高的彈性、強度、耐磨性和抗磁性，可切削性良好、在大氣、淡水中耐腐蝕。表3為QSn6.5-0.1材料的化學(xué)成分。

表3 QSn6.5-0.1化學(xué)成分

通過化學(xué)成分的錫Sn元素含量，我們可以發(fā)現(xiàn)插套的具有很好的彈性性能，可以保證插套能經(jīng)受多次的插入后依然具有很好的彈性保證插頭的插銷能有很好的接觸，通過對比正常操作5 000次前后插套的形狀可以看出，正常操作前與5 000次正常操作后的插套形狀變化不大，如圖6、圖7所示。

圖6 正常操作前插套

圖7 正常操作5 000次后插套

通過測試儀器測量出正常操作前與5 000次正常操作后的插入力曲線如圖8、圖9所示，對比曲線可以得出插套在經(jīng)過5 000次正常操作后依然能有很好的彈性，插入力變化不大。

圖8 正常操作前插入力曲線

圖9 正常操作5 000次后插入力曲線

2.5 插套的結(jié)構(gòu)對于插入力的影響

插套的結(jié)構(gòu)是影響插入力大小的最關(guān)鍵的因數(shù)，下面以R型插套[4]的結(jié)構(gòu)進行分析，插銷插入時需要將W2的尺寸撐大到1.5 mm，需要克服的力F1和插銷插入與插套斜面摩擦力f，而該摩擦力f與插套的斜角θ有關(guān)，通過手板測試斜角θ選擇45 °為宜，張開力F1與張開口W2、直徑D和力臂L2有關(guān)通過手板測試W2取（0.7～0.8）mm，直徑D取φ4.4 mm，L2?。?.1～7.5）mm為宜；高度H值需要會比插口處的高度要高一點，是H的高度可以使直徑D能做的小一點節(jié)約材料，推薦H的高度（5.7～6.0）mm，這樣設(shè)計也能提高產(chǎn)品彈性變形能力，使得插套能有更好的壽命；如圖10所示。

圖10 插銷插入插套起始位置

3 總結(jié)

保護門和彈簧的選擇對于插入力影響至關(guān)重要，合理調(diào)整保護門的θ，可以降低插入力，彈簧自身的C值的選擇，可以很好優(yōu)化插入力的力值范圍，穩(wěn)定的插套結(jié)構(gòu)可以有順暢的插入手感，同時也會有很好的拔出手感，可以更好滿足客戶體驗，追尋更好客戶需求，需要不斷的探究。