二极插座常见保护门结构设计

邢晓东

（飞雕电器集团有限公司 上海 201614）

前言

随着人们生活水平的提高及电器时代的到来，电源插座广泛用于家庭、工业、建筑等领域，它包括固定插座和可移动插座。为了提高插座使用的安全性，避免误操作或不懂事的小孩用金属部件插入插座接触导电体而发生触电的意外事故，特意在插座内部设置保护门。本文主要分析了二极插座常见保护门结构设计中容易出现的各种问题、材料的选用、弹簧的选用、零部件与零部件的相互配合及原因。

1 国标要求（GB/T 2099.1）

目前国标GB/T 2099.1-2008 中对插座保护门的要求有二：①3×1 mm 的探针以20 N 的推力依次从三个方向施加在保护门最不利的位置，同一位置三个方向每个方向约为5 s时间（每次操作期间中，应不旋转探针，探针应以20 N维持力的方式来施加，当探针从一个方向变动到另一个方向时，不施加力，但不能拔出探针。），探针不能接触到带电部件以及Φ1 mm 的探针施加1 N 的推力以三个方向施加在保护门上，每个方向约为5 s时间（以三个方向施加1 N的力，每个方向约5 s时间，是独立碰触，每一次碰触后都要拔出探针），探针不能接触到带电部件。②用同一个系统的插头的一个插销朝垂直于插座正表面的方向，向一个插孔的保护门施加75 N的力达1 min，实验之后，试样应不得出现本标准意义上的损坏。

2 影响保护门手感的几个因素

2.1 材料性能

常见保护门的材料要求：强度好、抗冲击性强、自润滑性好、尺寸稳定性好、热稳定性好、阻燃性好等（保护门常用材料为尼龙PA66，为了提高强度等性能，一般会加25 %～30 %的玻璃纤维）。

2.2 保护门的转换角度

保护门本身在插座里是横向运动，而插头插入插座时是垂直运动。在只有一个零部件要想实现垂直运动转换为横向运动，就要通过角度来实现（垂直方向保护门角度40～60 °比较合理）。

2.3 打开保护门的插入力

常见的保护门关闭是由弹簧驱动的，保护门的打开是由插头驱动的。一般插入力在3～5 N设计比较好。

2.4 打开保护门的运动摆角

插头在插入插头时，在一定的角度内能够打开保护门，超过这个角度就不能打开保护门。一般保护门摆角设计3～5 °比较合理。

3 保护门结构设计

3.1 保护门的强度设计

国家标准要求：①插套的一个插销朝垂直于插座的正表面方向，向一个插孔的保护门施加75 N达1 min，实验后样品不能有本标准意义上的损坏。②保护门寿命需达到10 000个行程以上。

为提供保护门的强度，我们在保护门的材料及尺寸方面有着详细的考虑。首先采用应具有以下特性的材料：强度好、抗冲击性强、自润滑性好、尺寸稳定性好、热稳定性好、阻燃性，而具有此特性的首选材料就是尼龙PA66，但单纯的尼龙PA66是偏软。所以我们将尼龙PA66进行改性，提高强度。适当向尼龙PA66加玻璃纤维，但玻璃纤维加多了本身的自润滑性就会严重下降而且变的很脆，加少了强度又达不到，所以我们通过大量的实验得出向尼龙PA66里加25 %～30 %的玻璃纤维性能是最好的，也就是我们常说的“尼龙PA66+GF25 %～GF30 %”。其次在尺寸也有一定的考量，就是保护门的高度，在好的材料只有一个薄片也是没有强度的，但高度尺寸太高又影响插座的其它结构设计，经过测试保护门（如图1中的A尺寸）的高度一般在4.5～5.5 mm是比较合理的一个范围，强度是完全可以满足要求的。

3.2 保护门的转化角度设计

保护门本身在插座里是横向运动，而插头插入插座时是垂直运动。在只有一个零部件要想实现垂直运动转换为横向运动，就要通过角度来实现，那么这个角度设计多少才算合理呢。国标要求插头尺寸为宽度尺寸为6.4 mm（圆插头为Φ4.8 mm），对应插座的宽度尺寸为7.3 mm（圆插孔为Φ5.6 mm），也就是说保护门的最少滑动距离在4.8～7.3 mm。在3.1中我们提到了保护门的高度应该设计在4.5～5.5 mm是比较合理的。如图2中的插头头部有一个R6的弧面，这个面应在保护门A面滑动（圆插头在保护门B面滑动）。在以上条件约束的情况下，我们通过实验保护门的角度（保护门与插头垂直方向的夹角，如图3）由30～80 °进行插入力实验，寿命实验，强度实验等，得出保护门的角度在40～60 °是一个合理范围，在这个合理范围内保护门斜面的角度越小越顺畅。

3.3 保护门的运动摆角

图1 二极插座常见保护门示意图

图2 保护门运动分析图

插头在接触保护门的时（如图4），由于插头不是绝对垂直于插座的正表面，所以就会产生相对的角度，这个角度也随之传递给保护门。这样一来保护门的第一个运动就是旋转，当保护门与插头的旋转角度一致时，就会在插头插入力的推动下做横向运动（如图3中，保护门在插头插入时，向右运动）。当插头于插座的正面的角度过大时（图4中角度a，理论值为90 °），带动保护门旋转，保护门旋转到挡块位置时，挡块对保护门有卡死功能，使保护门不能做横向运动，保护门打不开。那么这个最大允许角度怎么设计呢。我们从两个方面进行研究：首先我们在公司内部进行调查实验，发现在插头插入插座时，插头与插座正面产生的角度在6度以下（如图4中的a在85～95 °之间）是最被同事接受的。其次从力学角度分析，当插头插入插座时，插头对保护门有一个垂直冲击，而这个垂直冲击使保护门有一个塑性变形，塑性变形的角度约为0.5～1.5 °（如图4中的a在88.5～91.5 °之间），在根据尺寸链的关系，保护门允许打开的最大角度在3度（如图4中的a在小于87 °或大于93 °）以上安全。所以保护门允许打开的最大角度设计在 3～5 °（如图 4中的 a在 85～87 °或 93～95 °）最为合理。

3.4 保护门的插入力

常见的保护门关闭是由弹簧驱动的，保护门的打开是由插头驱动的。根据3.2中提到的保护门斜面设计在40～60 °，还有插头与保护门的摩擦力、保护门与旋转轴的摩擦力。我们分析出插头的插入力与弹簧的弹力之间的线形图（如图5），从图中我们不难看出插头的插入力是弹簧力的1.2倍，当插头的插入力在3～5 N手感也是比较好的，弹簧的弹力在2.5～4.2 N（压缩量是按照约7 mm计算的）。

3.5 运动部件的相对配合

隔板的设计：隔板的主要功能是下面压住铜件及端子，使铜件及端子固定住不能移动或只能在设定的范围内移动。隔板的上面的支撑保护门旋转、滑动以及防止保护门后退的机构。支撑保护门旋转、滑动的位置（如图4中的旋转轴）需要抛光处理，尽量减小摩擦力，高度之间的理论间隙为0 mm。保护门与防止保护门后退的机构（如图4中的挡块）高度之间的间隙应大于0.5 mm以上，挡块的高度应在1mm以上（保护门与隔板挡块卡住的位置模具会形成自然R角0.2左右，挡块高度太矮的话就没有用了）。

压板的设计：压板的主要功能是压住隔板保证保护门的运动空间，配合保护门来实现保护门的运动过程。压板中的导向筋（如图4）与保护门的高度方向的间隙在0.3 mm以上，压板中的导向筋（如图4）与保护门的左右方向的单边间隙在0.3 mm以上。保护门静止时（如图6），保护门上侧位置应该盖住压板插孔0.5 mm左右（如图6中A尺寸），保护门左右位置应该单边盖住压板插孔0.5 mm以上（如图6中B尺寸），保护门下侧位置应该盖住压板插孔0.8 mm以上（如图6中C尺寸）。

图3 保护门受力分析图

图4 插头插入过程中保护门运动角度剖视图

图5 插入力与弹簧力关系示意图

图6 保护门闭合状态示意图

结语

本文主要是对常见二极插保护门设计中容易出现的各种问题、材料的选用、弹簧的选用、零部件与零部件的相互配合，进行详细的分析、比对、设计中注意的关键点及合理范围值、国家标准对保护门的要求等做一次详细的方案。在用户体验上面解决手感问题，把插入手感调到最佳状态，进而完善产品结构、提高产品性能、改善产品工艺，为用户提供更安全、舒适的体验。