二極插座保護(hù)門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

何安民 蘭慶明 張 靖

（浙江德力西國(guó)際電工有限公司 杭州 310024）

前言

二極插座是國(guó)標(biāo)插座系統(tǒng)中極為重要一個(gè)插座型式，而二極插座的保護(hù)門更是二極插座系統(tǒng)中的核心結(jié)構(gòu)。在日常生活中二極插座使用的頻率極高，既需要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的防觸電保護(hù)測(cè)試、正常操作測(cè)試，還要滿足日常生活中的各種環(huán)境下的正常使用，以及帶給用戶良好的使用體驗(yàn)感。因此設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出一個(gè)好的二極插座可以體現(xiàn)生產(chǎn)廠商的技術(shù)實(shí)力，并影響著每一個(gè)人的日常生活電器使用。

在二極插座系統(tǒng)中保護(hù)門常見種類有扭簧旋轉(zhuǎn)式保護(hù)門、對(duì)插雙片型保護(hù)門、單片斜面式保護(hù)門。本文所述為應(yīng)用最為廣泛、數(shù)量最多、成本最低的單片斜面式保護(hù)門。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求

防觸電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。GB/T 2099.1第10.1條：插座應(yīng)能做到當(dāng)插座按正常使用要求安裝和接好線后，帶電部件是不易觸及的。用IEC 61032中的試具B標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)指，施加到各個(gè)可能的位置上，電指示器顯示試驗(yàn)指與相關(guān)部分的接觸情況。在此附加試驗(yàn)期間，電器附件要經(jīng)受75 N的力達(dá)1 min，此力是通過IEC 61032的試具11的直的無節(jié)試驗(yàn)指的端部來施加的。

插座保護(hù)門對(duì)防觸電保護(hù)的測(cè)試要求。GB/T 2099.1第10.5條[2]：帶保護(hù)門的插座在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)做到用20 N和1 N的探針施加到與帶電插套對(duì)應(yīng)的插入孔，應(yīng)不接觸到帶電部件。插座在結(jié)構(gòu)上應(yīng)做到，當(dāng)插頭被拔出時(shí)，帶電插套能自動(dòng)被遮閉。

2 用戶體驗(yàn)及測(cè)試要求

插座產(chǎn)品在正常安裝后，二極插座在使用時(shí)，插頭垂直于插孔90 °，不需搖動(dòng)即能順利插入，使用戶使用體驗(yàn)更便利。

由于實(shí)際使用環(huán)境的不確定性，用戶未能使插頭垂直于插孔使用時(shí)，要求當(dāng)插頭傾斜一定的角度時(shí)亦能夠順利插入。

為了提升用戶體驗(yàn)，二極插頭插入時(shí)保護(hù)門打開的推力要輕。

裝配工藝要求彈簧對(duì)保護(hù)門的保持力≥0.3 N，使其在裝配過程中不會(huì)散落。

國(guó)標(biāo)的正常操作測(cè)試為機(jī)械插拔，其插頭插入時(shí)是垂直于插孔90 °，測(cè)試過程中保護(hù)門能順利打開，插拔次數(shù)5 000次。

3 保護(hù)門外形尺寸設(shè)計(jì)影響因素

3.1 保護(hù)門厚度

保護(hù)門的強(qiáng)度。保護(hù)門需要經(jīng)過5 000次的帶載插拔，以及75 N的試具11防觸電測(cè)試。

不接觸規(guī)。插套至插合面的距離，國(guó)標(biāo)GB/T 1002的規(guī)定單相插座中的插套離插合面的距離應(yīng)不小于8.45（+0/-0.05）mm，用不接觸規(guī)檢測(cè)判定[1]。因二極插頭插銷長(zhǎng)度為16 mm，為保證插頭的插銷與插套有足夠的接觸長(zhǎng)度（影響插拔手感、電性能）又要能滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的安全距離。考慮到裝配疊加公差影響，插套距離插合面的距離推薦值通常控制在9～11 mm之間（在保證保護(hù)門的斜度與插套接觸長(zhǎng)度之間平衡）。

插套接觸長(zhǎng)度。國(guó)標(biāo)規(guī)定二極插頭的插銷長(zhǎng)度尺寸為16 mm。插頭的插銷與插座的插套連接，其功能要求是電氣連接性能與安全良好（電氣壽命高、溫升低、插拔手感體驗(yàn)好等），這就要求插套與插銷的有效接觸：接觸行程合理，夾持力良好。（GB/T 2099.1第22.2條規(guī)定二極插座的最小拔出力多插銷為40 N，單插銷最小拔出力1.5 N，單插銷最大拔出力17 N）。通過多次的驗(yàn)證，插銷與插套的實(shí)際接觸行程通常需＞4 mm（圖1）。當(dāng)實(shí)際接觸行程偏小時(shí)，會(huì)影響插銷與插套的實(shí)際載流面積，以及用戶插拔手感。

圖1 接觸行程示例

插座蓋的厚度。墻壁開關(guān)的插座蓋通常分單層和雙層。單層式插座蓋的通常是功能件的蓋直接作為外觀件，厚度約1.5～2.0 mm左右。雙層式插座蓋的外觀面蓋通常是整體式，功能件的蓋僅僅是作為固定板使用，雙層式插座蓋由于有2層塑料蓋，故其疊加厚度比單層式厚，一般取值3.0 mm左右。

3.2 保護(hù)門長(zhǎng)度

保護(hù)門長(zhǎng)度＞最大插孔寬度（圖2）（GB/T 1002圖2、表5），推薦值為＞24.6 mm。

圖2 最大插孔寬度

L/N插套最大外輪廓尺寸（圖3）。保護(hù)門長(zhǎng)度＞插套最大外輪廓。

圖3 L/N插套最大外輪廓尺寸

3.3 保護(hù)門寬度

國(guó)標(biāo)GB/T 1002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了二極插座的插孔寬度尺寸為7.3（+0.22/-0）mm，為了滿足第1.2條所述的探針測(cè)試，保護(hù)門需要屏蔽遮蓋住插孔，使插座內(nèi)部的帶電部件不被探針接觸，保護(hù)門寬度尺寸＞7.52 mm。

4 單片斜面式保護(hù)門防觸電結(jié)構(gòu)原理

4.1 保護(hù)門結(jié)構(gòu)原理

單片斜面式保護(hù)門（圖4）對(duì)應(yīng)插座插孔面是斜面機(jī)構(gòu)，下方設(shè)置有滑軌，斜面反方向設(shè)置復(fù)位彈簧。

圖4 單片斜面式保護(hù)門

正常插頭插入使用：當(dāng)插銷插入推力作用在保護(hù)門斜面上時(shí)，保護(hù)門沿著滑軌向后移動(dòng)，直至插孔漏出，插銷順利插入（圖5）。當(dāng)拔出插頭時(shí)，保護(hù)門在復(fù)位彈簧力的作用下復(fù)位，從而遮蔽住插孔內(nèi)的帶電插套。

圖5 保護(hù)門打開結(jié)構(gòu)

4.2 小角度插入要求

小角度傾斜插入確保正常使用：當(dāng)用戶因?yàn)槭褂每臻g等環(huán)境因素、手拿插頭的隨意性導(dǎo)致未做到插頭面與插座面垂直插入時(shí)，同樣要求用戶能夠方便插入，經(jīng)過人體工程學(xué)模擬以及多次實(shí)驗(yàn)人員手動(dòng)體驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)保護(hù)門傾斜角度尺寸A在0～4 °（圖6），防單極插入止位凸臺(tái)不起阻擋作用時(shí)即能滿足日常絕大部分場(chǎng)合環(huán)境下使用。

圖6 尺寸A

4.3 防單極要求

防單極插入或異常導(dǎo)電體插入。當(dāng)插座在防觸電測(cè)試或意外使用導(dǎo)體插入插座的單個(gè)插孔時(shí)，保護(hù)門應(yīng)能遮蔽插座內(nèi)部的帶電部件，防止帶電部件被觸及而引起意外觸電傷害。插座在保護(hù)門被單極插入傾斜達(dá)到一定角度時(shí)，防單極止位凸點(diǎn)開始作用，以阻止保護(hù)門滑開。

接合小角度傾斜插入情況下所述的尺寸A的0～4 °度要求，再考慮到機(jī)械測(cè)試插頭對(duì)保護(hù)門的推力偏大時(shí)保護(hù)門會(huì)產(chǎn)生一定的下彎變形情況下保護(hù)門能正常打開，故推薦防單極止位凸點(diǎn)的作用角度尺寸B推薦為5～6 °（圖7）。

底座（或支架）的防單極結(jié)構(gòu)：當(dāng)保護(hù)門旋轉(zhuǎn)傾斜到其最大角度時(shí)，防單極止位凸點(diǎn)與保護(hù)門重合的高度尺寸C應(yīng)＞0.5 mm（圖7），防止保護(hù)門受力往后滑移時(shí)，防單極止位凸點(diǎn)有足夠的強(qiáng)度保證插座內(nèi)部的帶電部件不被接觸。

圖7 尺寸B/C

底座（或支架）的防單極結(jié)構(gòu)：當(dāng)保護(hù)門復(fù)位狀態(tài)時(shí)，垂直方向保護(hù)門應(yīng)與防單極止位凸點(diǎn)有適當(dāng)?shù)拈g隙，此間隙尺寸D （圖8）推薦值為0.5～0.6 mm，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)取值，原則一是保護(hù)門前端與插座孔前壁縫隙不能通過φ1 mm的探針；二是單極插入時(shí)保護(hù)門的旋轉(zhuǎn)傾斜不能直接被防單極止位凸點(diǎn)頂住，會(huì)造成防單極失效。

圖8 尺寸D

保護(hù)門防單極插入結(jié)構(gòu)：其一，在保護(hù)門上增加凸點(diǎn)（圖6），使其與插座蓋板的插孔形成防單極功能，其優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)增加保護(hù)門的斜坡角度，降低插入力，改善插入手感，但保護(hù)門的小角度傾斜插入使用及防單極結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)符合尺寸A、B、C、D的要求。其二，在保護(hù)門前端設(shè)置小平臺(tái)，防止探針測(cè)試時(shí)因保護(hù)門斜面滑入。

蓋板防單極插入結(jié)構(gòu)：在探針測(cè)試時(shí)，保護(hù)門的前端與蓋板接觸面是高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，故蓋板與保護(hù)門前端應(yīng)確保在保護(hù)門最大傾斜角度下是重合屏蔽內(nèi)部銅件的（圖9），防止探針從蓋板與保護(hù)門前端的縫隙插入。

圖9 蓋板防單極重合區(qū)

在保護(hù)門蓋板上設(shè)置類似于底座或保護(hù)門支架的凸臺(tái)（圖10）。

圖10 蓋板防單極凸臺(tái)

4.4 保護(hù)門的定位

保護(hù)門應(yīng)防止其在底座（或支架）與保護(hù)門蓋之間位移產(chǎn)生超出探針直徑的縫隙。在保護(hù)門上方設(shè)置導(dǎo)軌或滑槽，蓋板上應(yīng)設(shè)置限制保護(hù)門脫出導(dǎo)軌或滑槽的限位筋（圖11），但不能妨礙保護(hù)門的傾斜旋轉(zhuǎn)。保護(hù)門垂直方向的配合間隙推薦值0.5 mm。

圖11 保護(hù)門的活動(dòng)定位

5 單片斜面式保護(hù)門插入力及防觸電的仿真分析

5.1 對(duì)象及變量（圖12）

圖12 仿真設(shè)計(jì)條件

仿真初始條件設(shè)置中。元件、底座、蓋板、面板設(shè)置為塑料，插片設(shè)置為銅，探針設(shè)置為鋼，彈簧設(shè)置為65 Mn。其中彈簧剛度為0.369 N/m，初始?jí)嚎s賦予載荷為0.601 N。

5.2 仿真結(jié)果與失效分析

根據(jù)表1所示：?jiǎn)纹泵媸奖Ｗo(hù)門，并不是斜面角度越大越好，需要其它部位的配合尺寸合理，才能在插入插頭時(shí)順利滑開；保護(hù)門彈簧在工作長(zhǎng)度時(shí)的力，達(dá)到0.6 N即能滿足保護(hù)門的防探針要求。

表1 仿真驗(yàn)證數(shù)據(jù)

圖13 仿真失效狀態(tài)

6 總結(jié)

通過上述各方面的分析，二極插座保護(hù)門的設(shè)計(jì)即要滿足防觸電安全要求，又要降低插入力提高用戶體驗(yàn)。需從以下方向進(jìn)行優(yōu)化改善：

材料方面：選擇帶有自潤(rùn)滑性、防火，強(qiáng)度高的；防觸電保護(hù)：保護(hù)門與關(guān)聯(lián)裝配件配合，保護(hù)門本體結(jié)構(gòu)細(xì)；插入力：保護(hù)門彈簧的力，保護(hù)門的斜面角度及其本體結(jié)構(gòu)。