一種全密封鈕子開關(guān)的設(shè)計(jì)思路分析

王迎 胡云亮

摘 要：鈕子開關(guān)又稱為“乒乓開關(guān)”，在電子儀器和通信設(shè)備中起到電流通斷和信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用。隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，普通肘節(jié)及面板密封產(chǎn)品已不能滿足各種環(huán)境應(yīng)用需求。現(xiàn)提出一種全金屬密封、多刀位鈕子開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，為元件的多功能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇拓展了方向。

關(guān)鍵詞：全密封;鈕子開關(guān);設(shè)計(jì)思路

0? ? 引言

傳統(tǒng)密封鈕子開關(guān)在使用過程中若面板下處在潮濕或灰塵嚴(yán)重的環(huán)境中，易使開關(guān)內(nèi)部積水或積灰導(dǎo)致接觸不良，從而引起開關(guān)失效。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本產(chǎn)品利用外殼封裝、橡膠彈性密封、灌膠等技術(shù)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的全密封功能，擴(kuò)大了鈕子開關(guān)的使用范圍，提高了開關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性。下面以一種全密封鈕子開關(guān)（KN6B-2D2W）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇為例，介紹其設(shè)計(jì)思路，為該類鈕子開關(guān)設(shè)計(jì)提供了參考。

1? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，KN6B-2D2W全密封鈕子開關(guān)本體由換向機(jī)構(gòu)和接觸機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。換向機(jī)構(gòu)由撥叉組件（撥叉10與手柄1鉚裝）、軸套組件（軸套2與外殼9鉚裝）、內(nèi)防水墊圈6、軸銷7、撥叉10（除單刀、雙刀外）、壓簧11、撥塊15、滑頭16構(gòu)成。接觸機(jī)構(gòu)由接線端17、中導(dǎo)電件18、基座14、動(dòng)觸片12構(gòu)成。將換向機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確裝入接觸機(jī)構(gòu)后用專用鉚裝夾具鉚裝在一起，然后依次采用703硅橡膠和環(huán)氧樹脂將基座（外罩）裝入裝配完畢的傳統(tǒng)密封開關(guān)的基座上封固，實(shí)現(xiàn)開關(guān)全密封。

KN6B-2D2W全密封鈕子開關(guān)包括換向組件和基座組兩大主要部分。換向組件是由手柄、軸套、外殼、內(nèi)防水墊圈、軸銷等零件組成，即本開關(guān)的重要組成部分——換向機(jī)構(gòu)。換向機(jī)構(gòu)由金屬外殼裝入軸套通過專用夾具翻鉚在一起，再將內(nèi)防水墊圈、手柄組件（在裝換向組件之前先將撥叉裝入手柄通過專用夾具翻鉚在一起，以備用）、軸銷依次裝入軸套組件中，采用專用夾具翻鉚軸銷，然后將壓簧、滑頭分別涂上低溫油脂后依次裝入撥塊的孔內(nèi)，最后將裝好的撥塊組件壓裝在手柄組件的撥叉上，在扳動(dòng)過程中，通過對(duì)手柄施加往鍵槽一側(cè)或鍵槽對(duì)側(cè)換向力，從而使壓簧變形，帶動(dòng)動(dòng)觸片軸向運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)觸片端點(diǎn)與接線端接觸導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換。基座組是由接線端、基座、中導(dǎo)電件等零件組成，即本開關(guān)的另一重要組成部分——接觸機(jī)構(gòu)。接觸機(jī)構(gòu)由接線端（導(dǎo)電件）、中導(dǎo)電件依次裝入基座后通過專用夾具切鉚在一起，然后將動(dòng)觸片裝入基座組件適當(dāng)?shù)奈恢?，形成整個(gè)接觸機(jī)構(gòu)。通過對(duì)手柄施加換向力，從而使壓簧變形，帶動(dòng)動(dòng)觸片換向，與接線端接觸實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換。

2? ? 參數(shù)設(shè)計(jì)

壓簧是換向機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件，其設(shè)計(jì)參數(shù)不但直接影響開關(guān)換向力的大小，還對(duì)抗振動(dòng)、沖擊能力和接觸穩(wěn)定性有較大影響。因此，應(yīng)根據(jù)執(zhí)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)定壓簧尺寸。壓簧參數(shù)設(shè)計(jì)如圖2所示。

F=

式中，F(xiàn)為壓力（N）;λ為軸向變形量（mm）;G為切變模量，彈簧鋼絲G=83 000 MPa;d為彈簧鋼絲直徑（mm）;D2為彈簧中徑（mm）;n為彈簧的有效圈數(shù)。

λ=9.5-6.5=3 mm，G=83 000 MPa，d=0.6 mm，D2=3.4 mm，n=7圈，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得到：

F==≈14 N

彈簧指數(shù)（旋繞比）C值的確定：

查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得知C值規(guī)定在4～14之間，C值越小，在成型時(shí)金屬絲的變形越大，卷繞越困難;C值過大時(shí)，彈簧不穩(wěn)定。

根據(jù)公式：

C==≈5.6

C在4～14之間，彈簧指數(shù)合理，即設(shè)計(jì)合理。

校核彈簧切應(yīng)力：

τ=

式中，K為曲度系數(shù)（應(yīng)力修正系數(shù)），查得K=1.31。

將數(shù)據(jù)代入公式得：

τ=≈735.50 N/mm2

查表得碳素彈簧鋼絲的許用切應(yīng)力[τ]=1 020 N/mm2，因τ<[τ]，表明彈簧強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，證明設(shè)定參數(shù)正確。

接觸電阻指標(biāo)是量化開關(guān)電氣性能重要指標(biāo)之一，是衡量開關(guān)接觸可靠性的重要參數(shù)。在開關(guān)產(chǎn)品中關(guān)鍵零件是接觸對(duì)（觸點(diǎn)對(duì)），是完成電能或信號(hào)傳輸（傳遞）的必經(jīng)之路，接觸對(duì)的可靠性是開關(guān)可靠性的主要表現(xiàn)，所以開關(guān)的接觸對(duì)（觸點(diǎn)對(duì)）的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究至關(guān)重要。

在電接觸理論中，導(dǎo)體的接觸表面不管經(jīng)過多么細(xì)致的精加工（研磨和拋光），其微觀上總是有許多凸出和凹進(jìn)的部分，兩個(gè)導(dǎo)體之間只有凸出部分的頂端能夠接觸，電流僅從少數(shù)接觸點(diǎn)流過，從而形成收縮狀的電流線（圖3）。又由于裸露在空氣中的任何物體，其表面均吸附著表面膜，因此，開關(guān)的接觸電阻是由收縮電阻和膜電阻組成，實(shí)際應(yīng)用過程中，測(cè)量的接觸電阻還包括構(gòu)成回路的載流件導(dǎo)體電阻。

R=RS+Rb+Rp

式中，R為開關(guān)接觸電阻（mΩ）;RS為收縮電阻（mΩ）;Rb為膜電阻（mΩ）;Rp為載流件導(dǎo)體電阻（mΩ）。

開關(guān)在設(shè)計(jì)理論計(jì)算時(shí)主要考慮觸點(diǎn)對(duì)接觸時(shí)的理論接觸電阻Rj，通常其理論計(jì)算公式如下：

Rj=

式中，Rj為觸點(diǎn)表面接觸電阻（mΩ）;n為接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)（點(diǎn)接觸取1、線接觸取2、面接觸取3）;ρ為材料的電阻率（m·Ω）;H為材料硬度（N/m2）;N為觸點(diǎn)對(duì)的正壓力（N）。

KN6B-2D2W觸點(diǎn)對(duì)表面均為鍍金，金的硬度為2.5×108 N/m2，材料的電阻率ρ為23.5×10-9 m·Ω，通過計(jì)算其觸點(diǎn)對(duì)的最小正壓力為1 N，則由上述理論公式可以計(jì)算出開關(guān)的每對(duì)觸點(diǎn)的接觸電阻為：

Rj=

=

≈0.2 mΩ

該型號(hào)開關(guān)的每組電路設(shè)計(jì)為單斷點(diǎn)觸點(diǎn)，實(shí)際上每個(gè)回路上的電阻由觸點(diǎn)對(duì)接觸電阻和載流件的體積電阻及表面膜電阻構(gòu)成，由于開關(guān)的載流零件小，且表面均進(jìn)行電鍍處理，其體積電阻和表面膜電阻積累經(jīng)驗(yàn)工藝數(shù)據(jù)為2～3.8 mΩ，一般取2.9 mΩ;因此，開關(guān)的每組回路在導(dǎo)通情況下實(shí)際接觸電阻RC為：

RC=Rj×1+2.9=0.2×1+2.9=3.1 mΩ

由于3.1 mΩ<10 mΩ，因此每組回路的接觸電阻理論參數(shù)可滿足設(shè)計(jì)要求。

3? ? 結(jié)語

本文闡述了一種全密封鈕子開關(guān)的設(shè)計(jì)思路，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了元件的全密封，對(duì)于未來元件的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 周茂祥.低壓電器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

收稿日期：2020-04-02

作者簡(jiǎn)介：王迎（1986—），男，山東費(fèi)縣人，助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。