墻壁開關(guān)插座分體式固定架的剛度提升及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 宇 夏 添 劉井龍 姚思捷 張志穎 戎 程 彭衛(wèi)平

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

在目前的墻壁開關(guān)市場上，墻開類產(chǎn)品的后座結(jié)構(gòu)主要分為兩種形式。

第一種是一體式結(jié)構(gòu)，即功能件包含固定架作為一個(gè)整體，一體成型。這種結(jié)構(gòu)整體剛度高，可以很好滿足日常的安裝要求，但這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)就是固定架作為專用件，很難被其他產(chǎn)品所借用，從而導(dǎo)致在新品項(xiàng)目流程內(nèi)，產(chǎn)品的模具成本以及研發(fā)成本變高，增添重復(fù)性工作。

第二種是分體式結(jié)構(gòu)，即將功能件與固定架分開，作為兩個(gè)獨(dú)立部分組裝配合。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)十分明顯：分體式的固定架可以作為通用件被不同產(chǎn)品直接借用，從而大大減少了模具成本，進(jìn)而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，可以很好的解決一體式結(jié)構(gòu)帶來的缺陷。但與之同時(shí)，這種分體式的固定架由于結(jié)構(gòu)原因，整體剛度較低，固定架在安裝過程中容易變形，很可能造成功能件脫出，使產(chǎn)品功能失效。

對于開關(guān)類產(chǎn)品，固定架變形過大不僅能會(huì)導(dǎo)致外觀縫隙大不美觀，更會(huì)由于配合不到位使按鍵按不動(dòng)、面板無法安裝甚至脫落等問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品使用手感以及性能。而對于插座類產(chǎn)品，分體式固定架發(fā)生形變將會(huì)導(dǎo)致插銷與插套配合度降低，進(jìn)而引起通斷不良等性能問題。因此，對于分體式固定架而言，提升其剛度就顯得尤為重要。

為了提升分體式固定架的剛度，行業(yè)內(nèi)也曾嘗試采用鋼材作為原材料制造分體式固定架，但是鋼材固定架在增加剛度的同時(shí)，它的劣勢也十分明顯的凸顯出來：鋼材這種材料成本過高，且不易加工，在發(fā)生形變后也很難恢復(fù)原始形狀。因此，我們就十分需要一種能在不改變材料的前提下，保證分體式固定架擁有足夠剛度的結(jié)構(gòu)。

綜上所述，優(yōu)化分體式固定架結(jié)構(gòu)的研究具有十分重要的意義。本文將通過結(jié)合有限元分析的方式，對分體式固定架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度增強(qiáng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 固定架剛度設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 原有分體式固定架的有限元分析

首先我們對原有的固定架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，詳見圖1。材料參數(shù)為E=2 200 Mpa，μ=0.39，剪切模量G無需輸入，F(xiàn)EA軟件會(huì)根據(jù)E和μ自動(dòng)計(jì)算出G[1]。需要強(qiáng)調(diào)的是，彈性模量E是由試驗(yàn)測量而得，PC產(chǎn)品由于注塑條件不同，如注塑壓力和注塑速度均會(huì)對注塑件的彈性模量造成很大的影響[2]。通過下圖可以看出，將固定架上下底面設(shè)置為約束，在安裝螺釘孔處施加500 N的壓力，可以很直觀的看出，安裝孔附近發(fā)生了較為明顯的形變，Y向最大位移甚至達(dá)到了5.1 mm。

如圖1所示，固定架整體向下凹陷。變形嚴(yán)重的情況下更是可能會(huì)導(dǎo)致固定架斷裂，不僅僅影響了產(chǎn)品本身的性能，也極大地破壞了產(chǎn)品自身的美觀性，給用戶帶來了不好的用電體驗(yàn)。

1.2 固定架與功能件配合位結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在實(shí)際安裝過程中，由于螺釘擰入，安裝孔附近受力，固定架兩邊向中心處凹陷。在功能件與固定架配合中心增加一個(gè)臺(tái)階，給予安裝孔附近一個(gè)向上支撐的力時(shí)，可以在一定程度上分擔(dān)安裝孔所承受的壓力，使固定架的形變量相應(yīng)的減小，如圖2所示。

圖2 功能件與固定架安裝孔配合位結(jié)構(gòu)

眾所周知，材料越薄或者用料最少的地方，越容易產(chǎn)生變形。在安裝過程中，螺釘旋轉(zhuǎn)擰入，由于分體式固定架受到螺釘給予的作用力，固定架本身不僅僅向中心發(fā)生了凹陷形變，上下兩側(cè)也會(huì)有不同程度的翹起，如圖3所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于高分子材料是由粘彈性，測試時(shí)間對結(jié)果影響明顯[3]，本文的測試時(shí)間規(guī)定為5 s內(nèi)測量位移量。

圖3 固定架受力變形

所以，在圖2的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步的在固定架上下兩側(cè)以及功能件對應(yīng)的配合位置，等距離的各增加三對配合筋位，這幾對互相配合的加強(qiáng)筋可以在安裝的過程中，給予上下兩側(cè)易變形區(qū)域一個(gè)反向的支撐作用，對抗固定架的形變方向，如圖4所示。

圖4 加強(qiáng)筋示意圖

由于兩側(cè)加強(qiáng)筋均勻分布且上下一一對應(yīng)，對于結(jié)構(gòu)本身而言，采取了最小的變化方式，可以有效地控制減小固定架局部形變量，使固定架與功能件的固定配合中起到更好的效用。

在功能件與固定架安裝孔配合位的中心處增加一個(gè)臺(tái)階作為支撐的同時(shí)，在固定架上下兩側(cè)與功能件配合位置各增加三對支撐筋，增強(qiáng)了分體式固定架整體的剛度，進(jìn)而減少了固定架的形變量，十分全面有效的提升分體式固定架的力學(xué)性能。

1.3 優(yōu)化后分體式固定架的有限元分析

同樣在螺釘孔的位置施加500 N的壓力，對結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的分體式固定架進(jìn)行變形分析，并提取其對應(yīng)變形量數(shù)據(jù)。

如圖5所示，圖2中所提到的功能件與固定架安裝孔配合位結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以十分明顯的降低分體式固定架的形變程度，提升其剛度以及產(chǎn)品性能，有效解決了前文中所提到的分體式固定架的劣勢問題。

圖5 僅安裝孔結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的固定架兩側(cè)變形數(shù)據(jù)及卡扣應(yīng)力云圖

如圖6所示，基于圖2所示結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化后的圖4所示的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了固定架整體剛度，減小其形變程度。

圖6 帶有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的固定架兩側(cè)變形數(shù)據(jù)及卡扣應(yīng)力云圖

以由此可以得出，本文所提出的分體式固定架的結(jié)構(gòu)，較原有的結(jié)構(gòu)相比可以明顯的增強(qiáng)分體式固定架整體剛度，明顯減小了在實(shí)際安裝使用過程中所產(chǎn)生的因受力形變而產(chǎn)生的不良影響。

2 結(jié)論

本文首先介紹分體式固定架的優(yōu)點(diǎn)，以及其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對企業(yè)而言的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。接下來結(jié)合其現(xiàn)有不足之處，對分體式固定架由于結(jié)構(gòu)原因所導(dǎo)致剛度不足的缺陷進(jìn)行了優(yōu)化，并通過有限元分析佐以理論數(shù)據(jù)驗(yàn)證。結(jié)合本文所提到的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，可以很好的加強(qiáng)分體式固定架整體的剛度，有效的減小了分體式固定架的形變，使固定架與功能件的配合更加穩(wěn)定，充分保障了產(chǎn)品性能。

一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，在進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)該單單只考慮是否滿足產(chǎn)品功能性的要求，更要考慮到產(chǎn)品組裝或整體的制造過程是否簡潔易操作，更要站在整個(gè)新品流程的角度，降低產(chǎn)品成本，為公司創(chuàng)造更大的價(jià)值。

同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)，要從用戶和市場角度出發(fā)，分析客戶需求，設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)便捷，安全耐用的產(chǎn)品，為用戶創(chuàng)造安全舒適的用電環(huán)境，為消費(fèi)者帶來極致的用戶體驗(yàn)。