瞬時(shí)動(dòng)作按鈕開關(guān)設(shè)計(jì)

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(貴州振華華聯(lián)電子有限公司，貴州凱里，556000)

1 引言

按鈕開關(guān)是由與按鈕行程同一直線的推動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)內(nèi)部觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換的開關(guān)。瞬時(shí)動(dòng)作按鈕開關(guān)的是按鈕開關(guān)的一種，主要特點(diǎn)是其大部分時(shí)間是處于初始自由狀態(tài)的位置上，只是在有要求時(shí)才在外力作用下轉(zhuǎn)換到第二種狀態(tài)(位置)，當(dāng)外力一旦除去，由于彈簧的作用，開關(guān)就又回到初始位置。本文針對(duì)瞬時(shí)動(dòng)作按鈕開關(guān)的使用要求，通過對(duì)產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)等進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和計(jì)算，為按鈕開關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

本文針對(duì)整機(jī)裝備的信號(hào)控制使用要求，結(jié)合以往在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、選材等方面進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)。產(chǎn)品研制要求如下：

工作電壓: 220V(AC)；

額定電流：3A(阻性)；

絕緣電阻：≥1000 MΩ；

介質(zhì)耐壓：1000V AC；

耐濕：10d；

鹽霧：96h；

長期工作環(huán)境溫度：-55～85℃；

電壽命：50000次；

低氣壓：4.39kPa。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 開關(guān)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)開關(guān)的主要使用環(huán)境、技術(shù)要求等進(jìn)行分析研究，確定開關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由以下四個(gè)部分組成：安裝附件、換向機(jī)構(gòu)、電接觸機(jī)構(gòu)、基座組件。產(chǎn)品采用螺母安裝方式，接線形式為焊接式，產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1、安裝附件 2、換向機(jī)構(gòu) 3、電接觸機(jī)構(gòu)4、基座組件圖1 產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 換向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

換向機(jī)構(gòu)由按鈕頭、套圈、換向壓簧、鋼球、上聯(lián)結(jié)座、復(fù)位壓簧、接觸組等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1、按鈕頭 2、套圈 3、換向壓簧 4、鋼球 5、上聯(lián)結(jié)座 6、復(fù)位壓簧 7、接觸組圖2 換向機(jī)構(gòu)圖

如圖2所示，在設(shè)計(jì)時(shí)換向機(jī)構(gòu)中設(shè)有瞬動(dòng)突跳機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在按動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生明顯的換向動(dòng)作，使開關(guān)在實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換過程中能產(chǎn)生清晰的手感和實(shí)現(xiàn)快速接觸，減少觸點(diǎn)表面的電磨損和拉弧，其設(shè)計(jì)原理是：在按鈕組件聯(lián)結(jié)桿上設(shè)計(jì)一橫孔，在橫孔中裝入換向壓簧和鋼球，并設(shè)有金屬套圈將鋼球進(jìn)行限位，按鈕按動(dòng)過程中通過換向壓簧促使鋼球與上聯(lián)結(jié)座相互作用，當(dāng)按動(dòng)力達(dá)到一定值時(shí)換向機(jī)構(gòu)處于臨界狀態(tài)，按鈕因慣性力作用產(chǎn)生突跳動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)開關(guān)換向，并推動(dòng)接觸組與基座組件中的靜觸點(diǎn)接觸，當(dāng)松開按動(dòng)力后，在復(fù)位壓簧的復(fù)位力作用下，促使換向機(jī)構(gòu)回彈，達(dá)到一定位移時(shí)換向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生突跳恢復(fù)原位。此換向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠，按動(dòng)時(shí)增強(qiáng)了開關(guān)換向手感，并能保證開關(guān)在強(qiáng)振動(dòng)和強(qiáng)沖擊環(huán)境中工作可靠性。

3.2.1 按鈕頭設(shè)計(jì)

按鈕頭屬開關(guān)的操作部分，采用嵌壓結(jié)構(gòu)將金屬按柄包裹在塑料件內(nèi)，塑料部分起到了很好的絕緣作用，而金屬部分又提高了整個(gè)組件的強(qiáng)度，保證了產(chǎn)品的安全性和可靠性，其結(jié)構(gòu)圖示意如下圖6所示：

3.2.2 接觸組設(shè)計(jì)

接觸組是開關(guān)的載流零件，它采用圓環(huán)式接觸面保證接觸時(shí)無接觸盲點(diǎn)，斜面設(shè)計(jì)保證接觸時(shí)與接觸點(diǎn)產(chǎn)生的剪切運(yùn)動(dòng)能夠有效地戳破膜層，保證接觸可靠。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4所示：

圖3 按鈕頭結(jié)構(gòu)示意圖圖4 接觸組結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 基座組件

開關(guān)的基座組件由基座、接觸簧片組、鉚釘、焊片等組成，焊片和接觸簧片組通過鉚接的方式固定在基座上，該方式可以有效地固定載流零件，防止振動(dòng)、發(fā)熱等因素導(dǎo)致的脫落。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

1、基座 2、接觸簧片組 3、鉚釘 4、焊片 圖5 基座組件結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.1 接觸簧片組

接觸簧片組由接觸簧片和接觸點(diǎn)鉚接而成，接觸簧片選用彈性和強(qiáng)度較好的錫青銅材料；接觸點(diǎn)采用具有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和工藝性的銀合金材料，觸點(diǎn)表面作鍍金處理，防止零件在潮濕的空氣中氧化。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

3.4 電接觸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電接觸機(jī)構(gòu)由換向組件中的接觸組和基座組件中的接觸簧片組構(gòu)成，它采用雙觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品接觸可靠，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

4 可靠性設(shè)計(jì)

4.1 電接觸可靠性設(shè)計(jì)

4.1.1 電接觸形式的選擇

圖6 接觸簧片組結(jié)構(gòu)示意圖圖7 電接觸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

常見的接觸形式有點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸等三種形式。對(duì)帶觸點(diǎn)開關(guān)而言，正確選擇觸點(diǎn)對(duì)的接觸形式至關(guān)重要，對(duì)于大、中負(fù)荷的觸點(diǎn)，其表面膜層易被破壞或被電弧燒穿，所以其接觸電阻取決于收縮電阻，因此，應(yīng)選擇接觸點(diǎn)數(shù)量較多的面接觸或線接觸。對(duì)于小負(fù)荷觸頭，其表面膜層不易被破壞，因而其接觸電阻主要取決于膜電阻，為增大接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)以提高其清膜能力，宜選擇點(diǎn)接觸。該型號(hào)開關(guān)的電流屬于中小負(fù)荷，同時(shí)為提高開關(guān)的靈敏度，宜采用點(diǎn)接觸方式。

4.1.2 接觸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型號(hào)按鈕開關(guān)屬于直線驅(qū)動(dòng)開關(guān)，其接觸機(jī)構(gòu)采用切入式點(diǎn)接觸形式，在轉(zhuǎn)換動(dòng)作過程中，通過壓簧的壓縮和釋放帶動(dòng)鋼球在上聯(lián)結(jié)座內(nèi)彈跳實(shí)現(xiàn)開關(guān)觸點(diǎn)對(duì)的斷開和接觸。接觸機(jī)構(gòu)主要由接觸組與接觸簧片組等組成，而接觸簧片組由接觸簧片和靜觸點(diǎn)構(gòu)成，接觸簧片為彈性元件，保證開關(guān)實(shí)現(xiàn)良好的電接觸和電傳導(dǎo)。

接觸壓力和電接觸有密切關(guān)系，是產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少的參數(shù)，也是減小和穩(wěn)定接觸電阻，保證產(chǎn)品性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為使開關(guān)觸點(diǎn)接觸可靠，應(yīng)使接觸電阻盡可能的減少，其接觸電阻的保證是十分關(guān)鍵的，接觸電阻又與觸點(diǎn)壓力密切相關(guān)，開關(guān)的接觸電阻與觸點(diǎn)壓力成反比關(guān)系，其關(guān)系成形的曲線如圖8所示。

圖8 接觸電阻與觸點(diǎn)壓力關(guān)系圖

開關(guān)在轉(zhuǎn)換過程中，隨著觸點(diǎn)壓力的增加，接觸電阻逐漸減小，當(dāng)接觸壓力達(dá)到一定值時(shí)，接觸電阻基本穩(wěn)定。在接觸電阻穩(wěn)定的前提下，如果接觸壓力過大，將直接影響開關(guān)使用壽命，使開關(guān)產(chǎn)生早期失效。根據(jù)開關(guān)觸點(diǎn)設(shè)計(jì)多年積累的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也考慮其電負(fù)荷，電壽命等因素，設(shè)定開關(guān)觸點(diǎn)壓力為1.5N(單個(gè)觸點(diǎn))，能保證觸點(diǎn)接觸可靠。

接觸簧片設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 接觸簧片結(jié)構(gòu)示意圖

本開關(guān)的觸點(diǎn)對(duì)的接觸壓力主要通過簧片形變來實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)對(duì)的可靠接觸，根據(jù)結(jié)構(gòu)可知，接觸簧片的形變力等于觸點(diǎn)對(duì)的接觸壓力，簧片的形變力計(jì)算公式如下：

P=Ebh3X/4L3

式中：

P-簧片的觸點(diǎn)壓力(N)

E-彈性模量(N/mm2),取值1.1×105N/mm2

b-簧片的寬度(mm)，設(shè)計(jì)值為3mm

h-簧片厚度(mm)，選材為0.3mm

X-簧片最大撓度(mm)，設(shè)計(jì)值為0.2(mm)

L-簧片有效長度(mm)6.6mm

將各值代入公式，求得：

P=(1.1×105×3×0.33×0.2)/(4×6.63)

=1.55N

開關(guān)觸點(diǎn)的接觸壓力應(yīng)滿足P≥88.5×Ie1.52×10-4=0.047N，開關(guān)的額定電流Ie為3A，因此代入公式P=1.55N≥0.047N，因此接觸壓力1.55N，符合接觸壓力設(shè)計(jì)要求。

a) 簧片固有頻率的計(jì)算

式中：

f0-簧片固有頻率；

h-簧片厚度，這里h=0.03cm；

L-簧片長度，這里取L=0.66cm；

E-材料彈性模量，錫青銅為(1.1～1.3)×106kgf/cm2，這里取E=1.1×106kgf/cm2

γ-材料密度，錫青銅γ=8.23g/ cm3。

將數(shù)據(jù)代入公式得：f0=5640Hz。由此可見，開關(guān)接觸簧片的固有頻率在振動(dòng)頻率(10～2000Hz)范圍之外，可以避免簧片在振動(dòng)時(shí)發(fā)生共振而導(dǎo)致產(chǎn)品失效，接觸簧片設(shè)計(jì)滿足要求。

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b) 接觸簧片強(qiáng)度校核

σ=6PL/bh2

式中：

σ-簧片應(yīng)力；

P-簧片正壓力，0.36kg；

L-簧片有效長度，6.6mm；

b-簧片寬度，3mm

將數(shù)據(jù)代入公式得：σ=52.8kgf/mm2。

錫青銅材料在靜負(fù)荷條件下，其許用應(yīng)力[σ]=58～60 kgf/mm2，因σ<[σ] ，所以，上述設(shè)計(jì)方案能達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求。

4.1.3 電接觸材料的選擇

經(jīng)查找大量資料和咨詢生產(chǎn)廠家，我們列出部分觸點(diǎn)材料性能指標(biāo)，以助于觸點(diǎn)材料的選擇。幾種觸點(diǎn)材料的對(duì)比如表1所示：

表1 觸點(diǎn)材料性能對(duì)比表

純銀：純銀有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、工藝性較好(即容易加工)，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的觸點(diǎn)材料。

金：金具有較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性最好，在空氣中不易氧化，工藝性好，硬度低，但價(jià)格昂貴，不適合批量生產(chǎn)。

銀合金：銀合金具有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、工藝性較好等銀的主要性能，但電阻系數(shù)較銀高。

經(jīng)綜合對(duì)比，并結(jié)合工廠生產(chǎn)開關(guān)多年的成功經(jīng)驗(yàn)，本開關(guān)選用銀線Ag作為觸點(diǎn)材料，其表面作鍍金處理。其工藝為：調(diào)直→用模具打頭成形→檢驗(yàn)→電鍍→檢驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能滿足使用要求。

4.2 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)

按鈕開關(guān)的換向特性是靠換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性來實(shí)現(xiàn)的，換向特性是開關(guān)的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

4.2.1 換向壓簧設(shè)計(jì)

換向壓簧是轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中的重要零件，是實(shí)現(xiàn)開關(guān)按鈕產(chǎn)生突跳的關(guān)鍵零件，其設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響開關(guān)的動(dòng)作力、抗環(huán)境能力(如振動(dòng)、沖擊)，壽命等。壓簧的材料選用碳素彈簧鋼絲，繞制成形后經(jīng)油爐回火處理和發(fā)蘭處理。

壓簧尺寸參數(shù)見下圖：

圖10 換向壓簧設(shè)計(jì)圖

根據(jù)如下公式：

式中:

F-壓力，N；

λ-軸向變形量，mm；

G-切變模量，碳素彈簧鋼絲

G=78000MPa；

d-彈簧鋼絲直徑, mm；

D2-彈簧中徑，mm；

n-彈簧的有效圈數(shù)。

λ=2.5mm；G=78000MPa；d=Φ0.4mm；D2=Φ2.4mm；n=5圈；

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式：

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，在成形時(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=D2/d=2.4/0.4 =6

經(jīng)計(jì)算彈簧指數(shù)為6在4～14之間，彈簧指數(shù)合理，即壓簧設(shè)計(jì)合理。

校核彈簧切應(yīng)力：

τ=8KFD2/(πd3)

式中：K-曲度系數(shù)(應(yīng)力修正系數(shù))；查得K=1.08

將數(shù)據(jù)代入公式得:

τ =8×1.08×9×2.4/(3.14×0.43)

=928.7N/mm2

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):Φ0.4mm碳素彈簧鋼絲的許用切應(yīng)力[τ]=1040 N/mm2。

因τ<[τ]，表明彈簧強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，證明換向壓簧設(shè)定參數(shù)合理。

4.2.3 復(fù)位壓簧的設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

復(fù)位壓簧的設(shè)計(jì)也是該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。復(fù)位壓簧的設(shè)計(jì)不但要考慮產(chǎn)品的按動(dòng)力要求，也要考慮壓簧本身的抗疲勞能力，綜合以上因素復(fù)位壓簧的設(shè)計(jì)如圖11。材料選用碳素彈簧鋼絲，繞制成形后油爐回火處理。

根據(jù)如下公式：

式中:

F-壓力，N；

λ-軸向變形量，3.7mm；

G-切變模量，碳素彈簧鋼絲

G=78000MPa；

d-彈簧鋼絲直徑,Φ0.6mm；

D2-彈簧中徑，Φ6.1mmmm；

n-彈簧的有效圈數(shù)：3圈。

求得：F=6.87N

圖11 復(fù)位壓簧設(shè)計(jì)圖

彈簧指數(shù)(旋繞比)C值的確定：

根據(jù)公式：C=D2/d=6.1/0.6

=10.2

經(jīng)計(jì)算彈簧指數(shù)為10.2在4～14之間，彈簧指數(shù)合理，即壓簧設(shè)計(jì)合理。

校核彈簧切應(yīng)力：

τ=8KFD2/(πd3)

式中：K-曲度系數(shù)(應(yīng)力修正系數(shù))；查得K=1.21

將數(shù)據(jù)代入公式得:

τ =8×1.21×6.87×6.1/(3.14×0.63)

=598.1N/mm2

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):Φ0.6mm碳素彈簧鋼絲的許用切應(yīng)力[τ]=980N/mm2；因τ<[τ]，表明彈簧強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，證明復(fù)位壓簧設(shè)定參數(shù)合理。

5 環(huán)境性能參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 工作溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)

產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性是開關(guān)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在滿足產(chǎn)品性能的前提下，盡可能對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行簡(jiǎn)化，防止為了獲得微小的性能改進(jìn)而增加零件，造成可靠性水平下降。在設(shè)計(jì)過程中，為確保開關(guān)能在-55℃～85℃條件下工作，在設(shè)計(jì)時(shí)，所選用的零件原材料均滿足環(huán)境溫度需求，對(duì)一些特殊制造均增加了必要的特殊工藝進(jìn)行保證，如熱處理、穩(wěn)定處理；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)動(dòng)態(tài)工作的部分均對(duì)配合間隙進(jìn)行優(yōu)化選擇，保證動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)在低溫下不被“卡死”，確保機(jī)構(gòu)正常動(dòng)作。

5.2 低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

低氣壓條件為4.39kPa(相當(dāng)于20000m高空)，在此環(huán)境條件下，主要考慮開關(guān)的導(dǎo)電件之間最小間隙不產(chǎn)生電壓擊穿，根據(jù)計(jì)算在此條件下工作時(shí)，最小耐壓值設(shè)定為250V，實(shí)際上設(shè)計(jì)時(shí)觸點(diǎn)間的電場(chǎng)并不是理想電場(chǎng)，通過理論計(jì)算參數(shù)大于設(shè)定值，同時(shí)該型號(hào)開關(guān)主要用于機(jī)艙內(nèi)，環(huán)境遠(yuǎn)沒有指標(biāo)嚴(yán)酷，因此設(shè)計(jì)能滿足技術(shù)要求。

5.3 防潮、防鹽霧適應(yīng)性設(shè)計(jì)

本開關(guān)所選用的零件原材料均滿足潮濕環(huán)境需求；尤其是塑料零件采用PT-310塑料，該材料具有絕緣性能好、熱變形溫度高、韌性好、強(qiáng)度高、阻燃、耐化學(xué)腐蝕、吸水率低、收縮率小、成型后收縮變形小等特點(diǎn)。為開關(guān)在惡劣的環(huán)境條件下正常工作提供了材料保障，在工藝上增加后穩(wěn)定處理，按試驗(yàn)方法進(jìn)行考核驗(yàn)證能達(dá)指標(biāo)要求。所有的金屬零件在設(shè)計(jì)時(shí)均考慮防腐蝕性能，外殼、螺母、墊圈等采用黃銅表面作電鍍處理，所有的導(dǎo)電零件均采取表面電鍍處理，保證滿足濕熱、鹽霧等指標(biāo)要求。

6 結(jié)論

通過對(duì)該按鈕開關(guān)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電接觸理論分析，關(guān)鍵零件的選用設(shè)計(jì)，特殊復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計(jì)等方面的研究，為開關(guān)元件的設(shè)計(jì)提供一定的參考。