法式轉(zhuǎn)換器伸縮防塵門設(shè)計(jì)研究

王鴻達(dá) 柴孟立 聶杰文 柳 凱 宋國(guó)良

（公牛集團(tuán)有限公司 慈溪 315000）

引言

防塵門是目前移動(dòng)式插座（轉(zhuǎn)換器）領(lǐng)域中很少提及和應(yīng)用的一個(gè)重要零部件，它在轉(zhuǎn)換器中起著防塵、防異物的作用，同時(shí)使產(chǎn)品更加美觀。它的出現(xiàn)使得人們用電更加安全、便捷。

目前不同國(guó)家使用的轉(zhuǎn)換器形式不同，但都大同小異 ，多數(shù)國(guó)家轉(zhuǎn)換器多為隱藏式電極，因此單獨(dú)防塵門的實(shí)用性不大，大多以保護(hù)門的形式出現(xiàn)，既可以防單極插入，也可以起到防塵效果。但德法式轉(zhuǎn)換器由于外露地極的存在，使得轉(zhuǎn)換器插孔多為型腔狀設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的保護(hù)門結(jié)構(gòu)無(wú)法起到防塵效果，易使灰塵等異物沉積在轉(zhuǎn)換器內(nèi)，在用戶使用過(guò)程中，外露地極易受外力影響，導(dǎo)致地極歪斜，在長(zhǎng)時(shí)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(dǎo)致水濺入轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，不僅影響用戶體驗(yàn)，而且存在很大的安全隱患。

為提高德法式轉(zhuǎn)換器的實(shí)用性、安全性及美觀性，特此開發(fā)一款伸縮防塵門結(jié)構(gòu)。

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(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行闡述。

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

在解鎖狀態(tài)時(shí)，在插頭的外力下，防塵門下陷，此時(shí)和普通法式轉(zhuǎn)換器一樣，地極柱露出，從而與插頭相連接，從而達(dá)到正常取電的目的。

這里需要解決的技術(shù)難題是：

1）防塵門面板受到外力時(shí)，保證面板不下陷；

2）插頭插入時(shí)觸發(fā)保護(hù)門面板解鎖；

3）面板應(yīng)保證正?；貜棧豢ㄋ?；

4）插拔手感應(yīng)適宜，無(wú)卡頓現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)的研究與分析，對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，最終確認(rèn)了以“旋轉(zhuǎn)+伸縮”來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的防塵模塊。

目前基于此技術(shù)開發(fā)的德、法式轉(zhuǎn)換器已成功上市，填補(bǔ)了德法式轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)的空白其各項(xiàng)性能均已達(dá)標(biāo)，且外形簡(jiǎn)約的設(shè)計(jì)榮獲了2021年IF設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

由于各國(guó)的插頭插座標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別，轉(zhuǎn)換器的種類與規(guī)格也存在很大差異。法式轉(zhuǎn)換器的插頭與插孔需根據(jù)法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFC61-303移動(dòng)式轉(zhuǎn)換器規(guī)格2P+T 10/16 A 250 V的插頭插座系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，與其它國(guó)家不同的是，大多數(shù)國(guó)家的轉(zhuǎn)換器都為隱藏式地極，安裝保護(hù)門即可做到防塵防污效果，但德法式轉(zhuǎn)換器孔型為凹形孔，且地極外露。

目前德法市場(chǎng)上的轉(zhuǎn)換器均在內(nèi)部安裝保護(hù)門組件，延伸出的地極組件不做遮擋處理。因此目前有關(guān)遮擋地極的德法式防塵門的相關(guān)產(chǎn)品市場(chǎng)一片空白，目前也沒有相關(guān)專利、論文等研究資料可供參考，因此法式伸縮防塵門的設(shè)計(jì)具有很大的挑戰(zhàn)性。

2 防塵門模塊介紹

為解決上述問題，本文通過(guò)大量實(shí)踐與測(cè)試分析，從而提出使用伸縮式防塵門結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)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(duì)于插孔座上下浮動(dòng)，壓扭簧的兩端固定在防塵門和保護(hù)盒的孔內(nèi)，安裝時(shí)，需將壓扭簧固定下端，再通過(guò)扭轉(zhuǎn)防塵門對(duì)壓扭簧進(jìn)行扭轉(zhuǎn)蓄能，再將蓄能后防塵門組件通過(guò)小面板壓入插孔座，從而完成組裝。

圖1 爆炸圖

圖2 組裝結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)主要包含以下特點(diǎn)：

1）防塵門面板可回彈

小面板鑲嵌在插孔座內(nèi)，兩側(cè)的掛鉤牢牢卡住插孔座底端，插孔座內(nèi)置的壓扭簧作用在防塵門上，使得防塵門對(duì)小面板施加向上的推力，小面板在推力下，向上運(yùn)動(dòng)，直至兩側(cè)卡扣鉤住插孔座底部（結(jié)合圖5），此時(shí)小面板剛好復(fù)位，面板與產(chǎn)品外表面平行，使產(chǎn)品更加美觀。

當(dāng)插頭插入時(shí)，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(zhuǎn)換器，成功取電。

2）面板自鎖

當(dāng)防塵門LN極插孔未插入時(shí)，面板鎖死，無(wú)法下沉。

3）結(jié)構(gòu)模塊化

新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將防塵門組件、保護(hù)門組件、銅件座三者配合，集成為一個(gè)獨(dú)立模塊，將其變?yōu)橥ㄓ眉?，不僅結(jié)構(gòu)精巧，適用性強(qiáng)，同時(shí)，模塊化的設(shè)計(jì)也大大降低了后續(xù)的研發(fā)項(xiàng)目成本。

3 防塵門組件設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 防塵門的選材

目前NFC61.314安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與德法安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中都并未明確規(guī)定防塵門應(yīng)達(dá)到何種標(biāo)準(zhǔn)，但考慮到轉(zhuǎn)換器的實(shí)際使用中，插頭先通過(guò)防塵門，再通過(guò)保護(hù)門才能接通電源。因此，防塵門的的使用壽命應(yīng)大于保護(hù)門，對(duì)防塵門的強(qiáng)度要求也應(yīng)高于保護(hù)門的安規(guī)要求，因此我們參照NFC 61.314中的測(cè)試項(xiàng)：“正確操作” 來(lái)對(duì)防塵門進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)約束。

安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求：

1）電氣附件應(yīng)能承受正常使用中時(shí)出現(xiàn)的機(jī)械、電、熱應(yīng)力而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度的磨損或其他有害影響。

2）保護(hù)門壽命測(cè)試

采用尺寸、材料符合實(shí)驗(yàn)規(guī)定的黃銅插銷，按一定速率，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行5 000 次的插拔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)之后樣品不得出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)定義的損壞。

因此為保證防塵門的強(qiáng)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(huán)境與保護(hù)門類似，因此對(duì)材料的要求可參照目前產(chǎn)品中常用的保護(hù)門材料。

常用的保護(hù)門材料應(yīng)涵蓋以下材料特性：材料強(qiáng)度高、材料自身潤(rùn)滑性好、材料抗沖擊性強(qiáng)，且要保證尺寸穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)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(qiáng)的強(qiáng)度和剛度。但單純的尼龍 PA66作為保護(hù)門材料來(lái)說(shuō)還是偏軟，其洛氏硬度在90HRC上下。該強(qiáng)度仍無(wú)法滿足使用，因此需要對(duì)PA66料性進(jìn)行改變，以提高其材料強(qiáng)度。在注塑行業(yè)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(qiáng)PA66的剛性、韌性，改變材料的流動(dòng)性。但是隨著玻纖的增加，合金本身的自潤(rùn)滑性也會(huì)隨之下降,且材料呈現(xiàn)硬而脆的特性，改性劑添加的比例對(duì)合金材料特性影響很大，所以我們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(rèn)了使用“尼龍 PA66+GF25”，該材料既有尼龍材料的耐摩擦、自潤(rùn)滑性好，同時(shí)又兼顧了玻璃纖維的強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

談到防塵門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必然離不開防塵門的運(yùn)動(dòng)方式的考量，防塵門在轉(zhuǎn)換器中的運(yùn)動(dòng)方式水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而法式插頭接電后需要垂直插入，僅通過(guò)防塵門實(shí)現(xiàn)功能，只能通過(guò)驅(qū)動(dòng)斜切面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的原理圖如圖3、4。圖3中通過(guò)上下作用的插頭，對(duì)滑塊施加一個(gè)向下的力，壓力作用在滑塊的斜面上，對(duì)滑塊進(jìn)行受力分析，滑塊收到的合力進(jìn)行受力分解，滑塊收到插頭驅(qū)動(dòng)，最終像水平方向位移，結(jié)合這一簡(jiǎn)單的力學(xué)模型，我們得到防塵門的大致模型圖4。

圖3 滑塊運(yùn)動(dòng)分析

圖4 防塵門結(jié)構(gòu)

此外，德法插頭尺寸為Φ4.8 mm的圓插頭，規(guī)定兩極孔Φ5.6 mm，孔間距為19 mm，結(jié)合保護(hù)門尺寸，得出保護(hù)門的最少滑動(dòng)弧長(zhǎng)在 5.7 mm。 在上述條件下，通過(guò)調(diào)整插頭軸線與防塵門斜面的夾角，測(cè)試角度范圍20 °～ 80 °，通過(guò)插入力測(cè)試、保護(hù)門強(qiáng)度測(cè)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(gè)范圍內(nèi)，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(shè)計(jì)

在確定了防塵門結(jié)構(gòu)與大致運(yùn)動(dòng)方式后，下一步便需要通過(guò)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)防塵門的運(yùn)動(dòng)。

圖7 插孔座結(jié)構(gòu)

圖8 插孔座內(nèi)孔

首先我們對(duì)防塵門進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，它僅需要滿足以下兩個(gè)條件：

1）當(dāng)插頭插入時(shí)，防塵門旋轉(zhuǎn)，當(dāng)插頭拔出時(shí)，防塵門自動(dòng)旋扭閉合；

2）當(dāng)插頭插入時(shí)，小面板可下沉，未插入時(shí)，小面板自鎖，無(wú)法按動(dòng)。

現(xiàn)在對(duì)上述條件進(jìn)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(zhuǎn)扭簧蓄能，并用擋板結(jié)構(gòu)將防塵門固定，使扭簧始終處于扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)插頭插入時(shí)，結(jié)合圖3、5，防塵門在外力作用下，克服扭簧阻力，旋轉(zhuǎn)打開，使插頭插入。

當(dāng)插頭拔出時(shí)，防塵門失去插頭施加的外力，在扭簧的作用下復(fù)位，從而關(guān)閉插孔。

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

圖6 小面板設(shè)計(jì)

而要滿足條件二中的要求，首先根據(jù)小面板運(yùn)動(dòng)方式，不難看出需要上下運(yùn)動(dòng)，因此我們?nèi)孕枰獜椈桑诠ぷ鳡顟B(tài)時(shí)，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(dāng)插頭拔出時(shí)，小面板需要在彈簧的作用下復(fù)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(gè)難題。

結(jié)合上述兩個(gè)條件，分析防塵門組件工況，當(dāng)防塵門旋轉(zhuǎn)后，其軸方可在外力作用下沉入保護(hù)盒底部孔內(nèi)，未旋轉(zhuǎn)時(shí)，防塵門的軸與保護(hù)盒底部孔的形狀無(wú)法吻合，無(wú)法配合。

因此，我們可以嘗試采用空間錯(cuò)位的方法來(lái)解決上述問題。在圖4中，保護(hù)門兩側(cè)增加兩條筋，同時(shí)對(duì)插孔座的孔也開出與之配合的兩個(gè)槽，當(dāng)防塵門未扭轉(zhuǎn)至合適角度時(shí)，軸孔不配合，導(dǎo)致面板無(wú)法下壓，而當(dāng)插頭插入時(shí)，帶動(dòng)防塵門旋轉(zhuǎn)一定角度，此時(shí)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(jié)合上述方案，我們將扭簧與壓簧結(jié)合，僅采用一根特制的壓扭簧，并對(duì)小面板、插孔座內(nèi)孔、防塵門進(jìn)行了細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，從而保證了保護(hù)門可正常扭轉(zhuǎn)與小面板的伸縮復(fù)位工作。至此，防塵門模塊的核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)悉數(shù)完成，新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將防塵門組件、保護(hù)門組件、銅件座三者配合，集成為一個(gè)獨(dú)立模塊，將其變?yōu)橥ㄓ眉粌H結(jié)構(gòu)精巧，適用性強(qiáng)，同時(shí)，模塊化的設(shè)計(jì)也大大降低了后續(xù)的研發(fā)項(xiàng)目成本。

4 樣機(jī)測(cè)試

針對(duì)防塵門的測(cè)試內(nèi)容此前并沒有明確測(cè)試方法，但是防塵門結(jié)構(gòu)和作用與保護(hù)門相像，因此，主要通過(guò)與保護(hù)門相關(guān)的形式測(cè)試來(lái)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(guān)章節(jié)。

針對(duì)防塵門組件的相關(guān)試驗(yàn)如下：

1）產(chǎn)品老化測(cè)試

2）產(chǎn)品正常操作

3）插孔吊重測(cè)試

4）端子溫升測(cè)試

4.1 具體實(shí)驗(yàn)情況

1）產(chǎn)品老化測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室工業(yè)烘箱（70±2）℃的烘烤下，受測(cè)時(shí)限為7天。

實(shí)驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)：在經(jīng)過(guò)烘箱烘烤后，將受測(cè)樣品取出取出，通過(guò)目視產(chǎn)品表面，觀察表面變化、有無(wú)斷裂、龜裂等物理及化學(xué)性能發(fā)生變化、尺寸變化等。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：樣品表面良好，無(wú)異常。

2）產(chǎn)品正常操作

正常操作也被稱為壽命測(cè)試。采用實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備對(duì)產(chǎn)品插孔進(jìn)行插拔，插拔次數(shù)參照出口產(chǎn)品當(dāng)?shù)匕惨?guī)標(biāo)準(zhǔn)，一般在5 000～10 000 次，測(cè)試后，取出樣品，檢測(cè)相關(guān)零部件是否達(dá)完好，產(chǎn)品是否可正常使用，接電時(shí)導(dǎo)電部件是否接觸完好。

實(shí)驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)：在經(jīng)過(guò)正常操作后，樣品接電部件應(yīng)無(wú)明顯變形，接電時(shí)應(yīng)接觸完好，相關(guān)部件不能失效。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：受測(cè)樣品在通過(guò)正常操作后，防塵門組件性能完好，結(jié)構(gòu)尺寸材質(zhì)等達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）插孔吊重測(cè)試

插孔吊重試驗(yàn)也被叫做插拔力試驗(yàn)。通過(guò)安規(guī)要求尺寸、重量的測(cè)試插頭治具，通過(guò)拉力計(jì)，插入受測(cè)樣品插孔中，觀察插入力與拔出力數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)：受測(cè)樣品在Φ3.8 mm，200 g的插頭治具插入插孔內(nèi)，應(yīng)保證在10 s內(nèi)插頭治具不脫落。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：受測(cè)樣品在插拔力測(cè)試中未脫落，符合要求。

4）端子溫升測(cè)試

端子溫升試驗(yàn)是指在一定室溫下，對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)布點(diǎn)，接入負(fù)載機(jī)，一定的電流、電壓下，檢測(cè)布點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)部件的溫度。

實(shí)驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)：通過(guò)觀察設(shè)備參數(shù)，布點(diǎn)處溫差≤45 K即為合格。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：受測(cè)樣品布點(diǎn)處測(cè)試溫差小于45 K，符合要求。

通過(guò)上述安規(guī)測(cè)試可知，目前防塵門組件的的結(jié)構(gòu)合理，使用上也更加穩(wěn)定，并通過(guò)了一系列安規(guī)測(cè)試。

最終使產(chǎn)品能夠投入量產(chǎn)，并取得客戶認(rèn)同，本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目前以應(yīng)用與我公司的德法式以及延申國(guó)家的移動(dòng)轉(zhuǎn)換器和固定式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品上，并順利上市，目前已有幾十款產(chǎn)品投入海外市場(chǎng)，市場(chǎng)效益頗豐。

5 結(jié)語(yǔ)

德法式防塵門組件的研究一直是我公司外貿(mào)產(chǎn)品的重要研究課題，在此之前德法式防塵門在轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域一直處于行業(yè)空白，且無(wú)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(guò)對(duì)法式防塵門組件的功能分析與結(jié)構(gòu)介紹，闡述了實(shí)施例中的關(guān)鍵技術(shù)、工作原理、以及防塵門組件設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和解決方法，最終研究設(shè)計(jì)出更加符合要求的防塵門組件，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白，為插頭插座等產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工提供了理論基礎(chǔ)。