現(xiàn)有花灑按鍵切換方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

黃 輝

（箭牌家居集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361000）

自漢斯格雅于2008年左右在國內(nèi)推出他的第一把按鍵切換花灑技術(shù)后，國內(nèi)的各衛(wèi)浴廠家就開始爭相效仿，進(jìn)行了按鍵切換技術(shù)設(shè)計(jì)。通過在上海舉行過的KBC 中國廚衛(wèi)展可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在市面上花灑的切換方式越來越多地采用按鍵式的切換方式，從國內(nèi)知名公司的調(diào)研分析可以發(fā)現(xiàn)，2022年消費(fèi)者對(duì)按鍵型花灑需求占比為53.92%，國內(nèi)消費(fèi)者的消費(fèi)方式已從傳統(tǒng)的撥動(dòng)面蓋切換向按鍵切換轉(zhuǎn)換。現(xiàn)有的按鍵切換技術(shù)包括單按鍵切換技術(shù)和多按鍵切換技術(shù)。

1 現(xiàn)有按鍵切換技術(shù)的問題及解決方向

1.1 現(xiàn)有按鍵切換技術(shù)的問題

目前，單按鍵切換技術(shù)主要可以分為2 類基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，一種是以漢斯格雅為代表的頂桿棘輪分水盤機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要是由閥體、頂桿、棘輪分水盤、密封圈和彈簧組成的一個(gè)水路空間結(jié)構(gòu)，主要工作原理如下：通過作用頂桿推動(dòng)棘齒運(yùn)動(dòng)，由頂桿上的斜面帶動(dòng)棘輪分水盤轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，從而實(shí)現(xiàn)水路的切換。另外一種結(jié)構(gòu)是以松霖公司為代表的棘輪、棘爪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由棘輪、推齒、推桿、轉(zhuǎn)向桿、按鍵、分水盤、密封墊、分水體和彈簧等組成主要工作部件，工作原理如下：由按鍵驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向桿，帶動(dòng)推桿移動(dòng)。推桿的移動(dòng)將帶動(dòng)推齒運(yùn)動(dòng)。推齒往前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。棘輪與分水盤同軸連接運(yùn)動(dòng)。當(dāng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度后，分水盤也會(huì)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)水路切換。關(guān)于多按鍵切換技術(shù)，目前采用的是電風(fēng)扇式橫排多按鍵切換軸復(fù)位桿互鎖切換結(jié)構(gòu)，其工作原理如下：在每個(gè)功能出水通道設(shè)置一個(gè)切換軸，通過控制每個(gè)出水通道的開關(guān)實(shí)現(xiàn)水路切換。而切換軸之間需要增加復(fù)位板進(jìn)行互鎖，每個(gè)切換軸都需要彈簧復(fù)位，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。目前市面上該類產(chǎn)品的切換的主要問題是在水壓比較高的狀態(tài)下，切換力較大。

1.2 現(xiàn)有按鍵切換技術(shù)問題點(diǎn)的原因分析

該文對(duì)這3 類基礎(chǔ)切換技術(shù)的核心部件進(jìn)行了受力分析。

第一類，頂桿棘輪分水盤機(jī)構(gòu)受力分析如圖1所示，切換力計(jì)算如公式（1）所示。

圖1 第一類切換結(jié)構(gòu)受力分析

式中：F1為按鍵的切換力；A1為棘輪分水盤的面積；P1為工作水壓的壓強(qiáng)；f1為彈簧的預(yù)壓縮力（約為3N）。

要實(shí)現(xiàn)水路切換，在滿足產(chǎn)品流量要求的情況下，以三功能切換為例，A1約為2/3 的?16mm 的直徑面積，P1為標(biāo)準(zhǔn)要求0.5MPa 最大的工作水壓。

第二類，棘輪、棘爪水路切換機(jī)構(gòu)受力分析如圖2所示，切換力計(jì)算如公式（2）所示。

圖2 第二類切換受力分析

式中：F2為按鍵的力；A2為分水盤的面積；P2為工作水壓的壓強(qiáng)；f2為彈簧的預(yù)壓縮的力（約為3N）；μ為橡膠件與塑料之間的摩擦系數(shù)約0.45；L1為分水盤的半徑；L2為棘輪的半徑。

在滿足產(chǎn)品流量要求的情況下，設(shè)計(jì)L1約等于L2，以三功能切換為例，A2約為橡膠件的0.8 倍，截面積約為247.8×0.8=198.24mm2，P2為標(biāo)準(zhǔn)0.5MPa 最大的工作水壓。

第三類，多按鍵復(fù)位桿互鎖切換結(jié)構(gòu)受力分析如圖3所示，切換力計(jì)算如公式（3）所示。

圖3 第三類切換受力分析

式中：F3為按鍵的力值；A3為切換軸的密封面積；P3為工作水壓的壓強(qiáng)；f3為彈簧的預(yù)壓縮力（約為3N）。

在滿足產(chǎn)品流量要求的情況下，以三功能切換為例，A3約為?10mm 的直徑面積，P3為標(biāo)準(zhǔn)0.5MPa 最大的工作水壓。這3 類切換方式的切換力都受水壓的影響較大，當(dāng)水壓達(dá)到0.5MPa 時(shí)，切換力都大于40N 以上，而人體切換的力值在25N 以下為舒適的切換力。

1.3 現(xiàn)有按鍵切換問題的解決方向

從上述分析可以看出，這3 類切換結(jié)構(gòu)的核心部件普遍受單邊的水壓作用，在高水壓的狀態(tài)下，按鍵的切換力值較大。解決零件受水壓影響的問題是重點(diǎn)研究的方向之一。從切換的方便性來說，單按鍵的切換由于是按單個(gè)按鈕，因此切換到所需功能總是會(huì)增加按鍵的次數(shù)，操作不夠便捷、不直觀。而多按鍵切換在切換的直觀性上比較有優(yōu)勢，但由于結(jié)構(gòu)限制采用了鋼琴式的排布，因此外觀不夠簡潔，結(jié)構(gòu)空間占用大，可以從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。從生產(chǎn)角度來看，產(chǎn)品的零部件簡單，組裝方便，穩(wěn)定性高。

2 解決方案技術(shù)說明

2.1 核心部件設(shè)計(jì)的解決方案

在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，核心部件受單邊的水壓作用，水壓越大，受力越大?？梢钥紤]讓核心部件雙邊受同樣的水壓作用，這樣可以使核心部件在水壓作用下抵消掉單側(cè)力，可有效降低按鍵的切換力。結(jié)構(gòu)上可以在相應(yīng)的閥體中增加一個(gè)出口通道，在切換軸的零件上增加一個(gè)過水截面S3。如圖4所示，切換軸上設(shè)計(jì)3 個(gè)過水密封截面S1、S2、S3，S1為切換軸上提口面積，S2為出水口面積，S3為切換軸復(fù)位口面積，并且S1＜S3＜S2。在滿足產(chǎn)品的流量要求，則可以設(shè)計(jì)這3 個(gè)截面分別為S1為7mm 直徑圓，S2為10mm 直徑圓，S3為8mm直徑圓。當(dāng)按鍵處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，假設(shè)切換軸受0.5MPa 水壓P的作用，由于出水通道S2關(guān)閉，因此以切換軸為研究對(duì)象，所需的切換力如公式（4）所示。

由于S2＞S3，切換軸的受力方向?yàn)镾2的方向，即封住S2口的自關(guān)閉狀態(tài)方向。需要按鍵切換時(shí)，只需要施加F＞14.13N的力，即可將切換軸打開。當(dāng)按鍵被按下開啟后，通道S2被打開，此時(shí)按鍵復(fù)位所需要的力如公式（5）所示。

由于S3＞S1，切換軸的受力方向?yàn)镾3的方向，即打開S2口的自開啟狀態(tài)的方向。從受力情況可以發(fā)現(xiàn)，按照該結(jié)構(gòu)可以有效降低水壓對(duì)按鍵切換力的影響，按鍵切換力從傳統(tǒng)的42.25N 降至14.13N，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2.2 多按鍵擋位互鎖結(jié)構(gòu)解決方案

從國內(nèi)知衛(wèi)浴企業(yè)的一份銷售數(shù)據(jù)可見，在多功能花灑中，三功能產(chǎn)品的銷量最高，占總銷值7 成以上，因此該文著重研究三按鍵擋位的互鎖解決方案。觀察日常生活用品，電燈的開關(guān)需要通過10 萬次的壽命測試，穩(wěn)定性較高，可從中得到靈感。電燈的開關(guān)采用船型的開關(guān)結(jié)構(gòu)，通過一個(gè)定位銷在翹板上的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)開、關(guān)2 個(gè)狀態(tài)的切換。這樣的切換優(yōu)點(diǎn)較多，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性高、壽命長且擋位感清晰。但只能實(shí)現(xiàn)2 個(gè)擋位的功能切換，還無法應(yīng)用。通過一段時(shí)間的研究及功能模型驗(yàn)證，該文設(shè)計(jì)出可以實(shí)現(xiàn)三方向互鎖的空間翹板開關(guān)的三按鍵互鎖切換裝置。該互鎖結(jié)構(gòu)的核心位置就是在翹板和擺塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。將翹板設(shè)計(jì)為帶有三方向的凸緣，支點(diǎn)設(shè)計(jì)成一球形支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這樣可以使翹板在與之配合的閥體中形成一個(gè)空間，并形成3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的約束連接。在其內(nèi)設(shè)置定位銷和彈簧的定位槽。擺塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，是一個(gè)三爪狀形狀的結(jié)構(gòu)，三爪面底部設(shè)計(jì)成三角錐面體。錐面體的中間支點(diǎn)位置設(shè)計(jì)一個(gè)球形支點(diǎn)，與閥體內(nèi)的支點(diǎn)相配合。同時(shí)在三角錐面每面的中間設(shè)置了過位筋，在三爪正面中設(shè)置了三角形的限位槽，用于限制定位銷移動(dòng)范圍。

翹板互鎖工作原理如圖5所示，在翹板上有一個(gè)球形支點(diǎn)，在閥體中形成空間球面鉸鏈約束。翹板中設(shè)置有導(dǎo)槽，導(dǎo)槽內(nèi)安裝有定位銷和彈簧。當(dāng)翹板移動(dòng)時(shí)，如圖5 中的工作狀態(tài)一所示，翹板受到F1的作用移動(dòng)，同時(shí)因?yàn)閿[塊的斜面作用，定位銷會(huì)受F2的力的作用從限位點(diǎn)開始同步運(yùn)動(dòng)。當(dāng)F1繼續(xù)作用時(shí)，定位銷會(huì)移動(dòng)到擺塊的擺動(dòng)點(diǎn)的位置，如圖5 的工作狀態(tài)二所示，此時(shí)定位銷也移動(dòng)到峰點(diǎn)的位置。擺塊受到的彈簧蓄力也達(dá)到了峰點(diǎn)位置。當(dāng)F1繼續(xù)作用，翹板繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擺塊因定位銷的作用點(diǎn)的位置移動(dòng)超過了擺動(dòng)點(diǎn)的位置而使擺塊擺動(dòng)的方向發(fā)生變化，定位銷在彈簧的作用下，沿著擺塊的斜面下滑到對(duì)應(yīng)的限位點(diǎn)上，即完成了一次切換，如圖5 的工作狀態(tài)三所示。在中間復(fù)位彈簧壓住，同時(shí)翹板限位的斜面作用下，翹板始終保持受力的工作狀態(tài)。定位銷壓著擺塊的一邊槽，在三角錐面作用下，勢必會(huì)導(dǎo)致引起2 個(gè)邊翹起，即可實(shí)現(xiàn)3 個(gè)位置互鎖。同時(shí)，因?yàn)槎ㄎ讳N在擺塊中運(yùn)動(dòng)會(huì)撞擊擺塊上的槽面，所以產(chǎn)品在切換時(shí)會(huì)有很明顯的擋位聲。

圖4 核心部件受力分析示意圖

圖5 翹板工作運(yùn)動(dòng)簡圖

2.3 切換軸組件和翹板組件連接方案

切換軸組件和翹板組件連接方案如下：將3 個(gè)切換軸組件與閥體中對(duì)應(yīng)的孔連接配合，形成可以上、下移動(dòng)的圓柱約束，然后將翹板組件中擺塊的中間球形支點(diǎn)和翹板中的球形支點(diǎn)分別配合閥體中對(duì)應(yīng)的上、下2 個(gè)球形槽，同時(shí)將翹板上的三邊槽凸緣分別卡入切換軸的下邊緣的凸緣，這樣就將形成了2 個(gè)結(jié)構(gòu)的連接。按下按鍵時(shí)，按鍵會(huì)直接作用在切換軸上，按鍵軸上的凸緣會(huì)使與之連接的翹板繞著球形支點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，翹板上的其中一個(gè)邊的凸緣會(huì)跟著切換軸移動(dòng)而發(fā)生同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，翹板上的定位銷沿著擺塊的限位槽移動(dòng)，擺塊會(huì)向與翹板轉(zhuǎn)動(dòng)的對(duì)邊轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到一個(gè)反向坡面的定位效果。此時(shí)翹板的另外2 個(gè)凸緣會(huì)繞著球形支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)另外2 個(gè)切換軸往上移動(dòng)，達(dá)到按鍵開關(guān)復(fù)位的效果。

3 結(jié)論

該文通過對(duì)市面花灑產(chǎn)品現(xiàn)有按鍵切換技術(shù)進(jìn)行研究，分析出現(xiàn)有按鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行總結(jié)，再結(jié)合消費(fèi)者的調(diào)研報(bào)告，確立了消費(fèi)者的體驗(yàn)及購買需求，從而確立了設(shè)計(jì)的研究方向，通過多次功能手板調(diào)試驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)出新型的按鍵式水路切換方式。1）可以直觀進(jìn)行各功能切換。2）開啟閥口時(shí)，切換軸可以根據(jù)壓差自適應(yīng)向打開閥口方向保持力；關(guān)閉閥口時(shí)，切換軸也會(huì)根據(jù)閥口位置的壓差自適應(yīng)向閥口關(guān)閉方向保持力，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能。3）采用了空間的船型互鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效實(shí)現(xiàn)各擋位之間的位置互鎖，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，采用了一個(gè)彈簧與空間特殊的翹板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中多個(gè)彈簧的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，零件加工工藝簡單，穩(wěn)定性高，可提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。