墻壁開關(guān)發(fā)展與重要結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)分析

柯寒文 王孝利 張 靖

（浙江德力西國際電工有限公司 杭州 310024）

前言

自從電燈在1980年發(fā)明后，遠程操控燈具開關(guān)得以實現(xiàn)，其中墻壁開關(guān)的出現(xiàn)就是重要的配套設施。作為現(xiàn)代家庭必備產(chǎn)品，從最初的追求其簡單實用的功能到現(xiàn)在功能與美并存，人們對墻壁開關(guān)的要求逐漸提升。

以國內(nèi)市場為例，墻壁開關(guān)產(chǎn)品種類較多，根據(jù)功能實現(xiàn)主要可以分為機械類以及電子類。其中電子類開關(guān)依靠相關(guān)電子元器件實現(xiàn)電路通斷，包括聲光控開關(guān)、遙控開關(guān)、觸摸開關(guān)、延時開關(guān)等等，多數(shù)應用于特殊場合且產(chǎn)品市場相對較少。其中近年相對較為火熱的智能開關(guān)產(chǎn)品仍然處于起步階段，技術(shù)有待發(fā)展；現(xiàn)有家庭使用最為廣泛的是各種機械式開關(guān)，也是本文著重研究的方向。

機械式開關(guān)憑借各零部件裝配關(guān)系利用人力驅(qū)動實現(xiàn)負載端電路通斷，結(jié)構(gòu)直接決定性能優(yōu)劣。本文從結(jié)構(gòu)入手，分別介紹拉線式、撥動式、蹺板式和擺片式等特性[1]，隨后將針對蹺板式開關(guān)和擺片式開關(guān)的相關(guān)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)展開分析。

1 開關(guān)執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

墻壁開關(guān)是實現(xiàn)遠程操控電燈閉合需求的重要組成。主要工作原理是在合適位置安裝墻壁開關(guān)，控制電源的接通與斷開實現(xiàn)遠程控制。一個多世紀以來，根據(jù)主要結(jié)構(gòu)的外形可以分為以下幾種，如圖1所示。

圖1 墻壁開關(guān)各階段外形

1.1 拉線開關(guān)

圖2 拉線開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

這種開關(guān)具有時代局限性，使用起來非常方便，操作異常簡單；和其他開關(guān)相比，價格低廉。隨著時間發(fā)展局限性逐漸凸顯，拉線開關(guān)的開關(guān)只能作為單控開關(guān)，難以做到集中控制，導致電工布線繁瑣。執(zhí)行裝置依賴拉線，線的位置難以完全定位，降低客戶開關(guān)過程使用體驗；無法加裝指示燈，難以直觀顯示燈具的閉合狀態(tài)；缺少斷電保護措施，在安全方面無法得到較好保障；維修不便以及美觀程度較低致使現(xiàn)有市場存量較低。

1.2 蹺板式開關(guān)

市面最為常見的活動機構(gòu)，蹺板式開關(guān)根據(jù)按鍵大小從最初的小按鍵開關(guān)到中板以及現(xiàn)在更加美觀的大板開關(guān)，本文以大板開關(guān)為研究對象，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 翹板式開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

翹板式開關(guān)按鍵結(jié)構(gòu)根據(jù)功能主要分為輔助機構(gòu)、傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)。輔助機構(gòu)中熒光點、外觀裝飾面、安裝架、鐵架、底座等負責考慮用戶審美、固定執(zhí)行與傳遞機構(gòu)、確保安全的電氣間隙與爬電距離；傳動機構(gòu)中按鍵、彈簧座、彈簧、滑塊負責傳遞操作者的驅(qū)動力改變?yōu)檫m合執(zhí)行機構(gòu)動作的驅(qū)動力；執(zhí)行機構(gòu)中動觸頭組件、靜觸頭組件、導電件組件實現(xiàn)電源的通斷。

翹板式開關(guān)按鍵的轉(zhuǎn)軸將垂直于按鍵平面的驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為所需的扭矩，隨后利用按鍵的扭矩帶動彈簧座繞特定固定軸進行旋轉(zhuǎn)。根據(jù)彈簧提供反作用力，滑塊施加彈簧軸向作用力擠壓動觸片組件，從動觸片一側(cè)擠壓至另一側(cè)，使動觸片組件沿著導電組件旋轉(zhuǎn)至另一側(cè)。按壓力撤離后，彈簧的變形力支撐動靜觸片接觸，實現(xiàn)電路通斷。

1.3 擺片式開關(guān)

擺片式開關(guān)作為近些年出現(xiàn)的開關(guān)機構(gòu)，其特點是聲音較小、手感柔和、運動順暢。擺片式結(jié)構(gòu)相較于翹板式結(jié)構(gòu)，在傳動機構(gòu)中減少了滑片部件，在執(zhí)行機構(gòu)中更改了動觸片組件形狀，具體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 擺片式開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

擺片式結(jié)構(gòu)運動與翹板式運動方式大體相同。不同點在于彈簧直接壓裝在動觸頭組件上，在此基礎(chǔ)上去除滑塊導向作用且增加了彈簧座孔徑。彈簧的功能從單一軸向施加變形力，增加彎曲變形的擠壓力；執(zhí)行機構(gòu)的動觸頭組件由翹板形狀變?yōu)閿[片形狀，運動形式改為撥動片一側(cè)的觸片直接旋轉(zhuǎn)至動觸片一側(cè)實現(xiàn)電路通斷。同時由于結(jié)構(gòu)特性，傳動機構(gòu)的彈簧座內(nèi)側(cè)的強撥機構(gòu)可同時作為擠壓動觸片完成功能集合。

2 墻壁開關(guān)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)分析

現(xiàn)有墻壁開關(guān)以翹板式與擺片式結(jié)構(gòu)為主，本文對重要結(jié)構(gòu)的分析也以此展開。

2.1 接觸壓力

接觸壓力是指開關(guān)聯(lián)通電路時，動靜觸頭基礎(chǔ)部位的接觸壓力，通常在0.6～1.5 N之間。接觸壓力的大小直接影響到動觸頭與靜觸頭間接觸電阻數(shù)值大小，壓力越大接觸電阻越小。墻壁開關(guān)連接的電壓與電阻數(shù)值是一定的，設計師需要盡可能降低接觸電阻，保持負載在額定范圍內(nèi)高效運作，從而保證電器工作穩(wěn)定性與可靠性[2]。

由于影響噴氣燃料冰點和結(jié)晶點的主要因素是油樣的化學組成以及水分和雜質(zhì)，所以對于噴氣燃料冰點和結(jié)晶點的檢測同樣采用與柴油凝點檢測相同的最佳試驗條件。

當開關(guān)按鈕按壓接通電路后，彈簧的彈力會保持開關(guān)各結(jié)構(gòu)部位處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時可使用靜力學平衡問題計算觸點壓力數(shù)值，以作設計對照。翹板式靜力分析簡圖如圖5所示。

圖5 翹板式靜力分析簡圖

彈簧座旋轉(zhuǎn)α度時保持平衡，此時彈簧的擠壓力F作用于動觸片組件，與導電件組件產(chǎn)生的反作用力F2、底座反作用力F3、動靜觸片的觸點壓力F1形成平衡。由圖5可推理出，觸點壓力F1的計算公式如公式（1）所示。

擺片式靜力分析簡圖如圖6所示。

圖6 擺片式靜力分析簡圖

相比較下，擺片式的動靜觸片接觸時，減少了底座反作用力F3，同時增加了彈簧彎曲變形擠壓力?？捎行嵘|點壓力數(shù)值。在不考慮彈簧變形擠壓力的條件下，觸點壓力F1的計算公式如公式（2）所示。

根據(jù)圖7觸點壓力實測結(jié)果表明，本文中檢測翹板式開關(guān)觸點壓力為1.0 N，而擺片式為1.6 N。擺片式開關(guān)的觸點壓力相對較大，可實現(xiàn)開關(guān)動作完成后接觸過程中低電阻連接，降低電量損耗與熱量生成。更加貼近市場中對觸點壓力增加的需求。

圖7 觸點壓力實驗示意圖

2.2 開關(guān)彈跳

開關(guān)結(jié)構(gòu)的通斷是一個動態(tài)過程，其中動靜觸片碰撞到完全閉合是最為關(guān)鍵步驟，當動觸頭擁有一定角速度撞擊靜觸頭會在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量沖擊能量，部分能量會直接轉(zhuǎn)化為聲能傳播出去和熱能使觸點發(fā)熱影響溫升指標，部分被阻尼吸收，剩下能量會支持動觸片產(chǎn)生回彈。每次小距離彈跳可能會產(chǎn)生持續(xù)拉弧現(xiàn)象，損傷接觸部位，多次累計會使得開關(guān)性能（燒蝕）以及壽命降低（熔焊失效）[3]。因此，開關(guān)如何彈跳是開關(guān)機構(gòu)研究重點。

根據(jù)圖8的多功能虛擬信號分析儀彈跳測試圖所示，翹板式開關(guān)過程中會產(chǎn)生15～20次數(shù)的彈跳，時間在700～1 200 us之間。且碰撞過程中，每次波峰相對尖銳，表明動靜觸片接觸時間較短，短時間內(nèi)沖擊動能變化大，一次開關(guān)過程產(chǎn)生電弧燒蝕時間也會增加。

圖8 翹板式開關(guān)彈跳

根據(jù)圖9的多功能虛擬信號分析儀的彈跳測試圖所示，擺片式總彈跳時間與次數(shù)遠低于翹板式，在300～600 us的時間內(nèi)彈跳5～10次。且每次碰撞波峰相對平滑，表明接通電流時間相對長一些，碰撞過程相對柔和。有效降低電弧燒蝕的概率，此結(jié)構(gòu)的可靠性會一定程度上增加。

圖9 擺片式開關(guān)彈跳

2.3 開關(guān)壽命

本文按照國家標準GB 16915.1-2014 《家用和類似用途固定式電氣裝置的開關(guān)第一部分通用要求》條款中19.3對兩種結(jié)構(gòu)樣品進行16 A電流通斷實驗40 000次。

如圖10所示，翹板式結(jié)構(gòu)在完成壽命測試后，其壽后溫升為27.6 K。結(jié)構(gòu)方面，靜觸銀點與動觸件銀點有明顯燒蝕而導電件與動觸件接觸位置有明顯燒熔。

圖10 翹板式壽后電接觸示意圖

如圖11所示，擺片式結(jié)構(gòu)在完成壽命測試后，其壽后溫升為21.4 K。結(jié)構(gòu)方面，靜觸件銀點與動觸件銀點有輕微燒蝕而導電件與動觸件接觸位置有彈簧作用壓痕無燒熔現(xiàn)象。兩者雖然都通過相關(guān)壽命測試，但是擺片式從壽后溫升測試溫度、燒蝕部位數(shù)量與程度都遠低于翹板式，說明其在開關(guān)壽命對比中具有良好優(yōu)勢。

圖11 擺片式壽后電接觸示意圖

2.4 開關(guān)手感

作為家用電器，開關(guān)手感最直接影響到用戶使用體驗，最明顯影響因素分別為按鍵過程中的撥打聲音與撥打力度。其中撥打力度是一個動態(tài)變化的過程，涉及到開關(guān)運動結(jié)構(gòu)參數(shù)、結(jié)構(gòu)材料、有無潤滑油[4]。本文以結(jié)構(gòu)為切入點，研究執(zhí)行機構(gòu)類型對撥打過程中的撥打力變化曲線與峰值影響。

中板與大板的優(yōu)勢在于可以任意選擇按壓區(qū)域。按壓最外側(cè)，此時完成開關(guān)的通斷任務需要的撥打力度最小，手感輕盈；按壓最接近內(nèi)側(cè)，此時完成開關(guān)的通斷任務需要的撥打力度最大，手感相對沉重；可以根據(jù)個人喜好選擇按壓部位獲取自己喜歡的手感。本文研究時按照最外側(cè)即最小按壓力為對照參數(shù)。

在圖12和13中按壓力為動態(tài)過程隨著轉(zhuǎn)角大小隨時發(fā)生變化，本文研究的是按壓過程中按壓力峰值，進行后續(xù)對照。

圖12 翹板式按鍵壓力示意圖

圖13 擺片式按鍵壓力示意圖

在按壓力測試中翹板式按壓力峰值為2.5～2.9 N之間，擺片式按壓力峰值為1.4～1.65 N之間，其中按壓力隨著按壓速度呈現(xiàn)增加趨勢（如圖14所示）?？梢杂^察到擺片式結(jié)構(gòu)的按鍵可以有效降低按壓力峰值，可以更加輕松撥動按鍵完成線路通斷功能，使用戶具有更加輕快的按壓體驗。

圖14 翹板式與擺片式按壓力對比

3 總結(jié)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，擺片式結(jié)構(gòu)開關(guān)在各方面使其擁有諸多優(yōu)勢。相較于市面常用的翹板式開關(guān)，擺片式開關(guān)有較大的觸點壓力能有效改善接觸電阻，能夠承載更高電流，功能性更強；較少的開關(guān)彈跳次數(shù)與時間，能有效提升產(chǎn)品可靠性；更低的壽后溫升、更少的燒蝕部位與燒蝕痕跡能有效延長開關(guān)的使用壽命；外側(cè)更輕的按壓手感，增加按壓力區(qū)間，有效提升用戶手感。綜上對照表明，擺片式結(jié)構(gòu)在墻壁開關(guān)中具有更高的功能性、可靠性、舒適性，在未來墻壁開關(guān)會擁有更加良好的發(fā)展。