墙壁开关强度设计优化以及常见结构设计

王 婉

（飞雕电器集团有限公司 上海 201614）

前言

墙壁开关自上世纪70年代，由澳洲奇胜和日本松下引入中国市场，至今已有50年。目前我国墙壁开关材料主要是由工程塑胶材料PC、PA66、ABS、PP和铜材组成，而塑胶件的比例约占开关总重量的80 %以上，因此把握好塑胶件的设计要点显得非常重要。开关插座的塑胶材料应用最广泛的是PC料。一般开关面板、按键、支架等部件都是由PC料制成，主要功能为外观装饰、固定功能件模块、底座等。可见在墙壁开关产品中，塑胶零部件设计是整个产品设计的重要部分,所以下面以塑胶零部件展开分析研究。

1 墙壁开关强度设计优化

墙壁开关安装支架的强度设计非常重要，支架的强度直接影响到整个产品的外观，以及产品的性能。支架强度不够，安装过程中容易产生变形，从而导致外观缝隙大，按键按不动，面板无法安装等问题。因此，支架的强度越来越受到人们的关注。这也是很多公司采用了钢支架的原因。但是钢支架成本高，因此，强度好的塑胶支架，就显得尤为受欢迎。

针对某公司的D9系列产品支架在安装过程中出现变形，从而导致D9开关性能受影响，将于ANSYS中的静力学板块对安装支架的力学性能进行分析，得出最佳方案。

1.1 功能件周边筋位的有限元分析

通过对改前改后的有限元分析，可以看出，以图1周边红色面为约束，在螺钉孔位置施加200 N的压力，改前图2的变形量为9.5 mm，改后图3的变形量为1.3 mm，变形量降低了86 %。因由此可看出，在安装螺钉孔处增加一圈封闭式筋位大大提高了开关支架的力学性能。

1.2 斜桥式筋位的有限元分析

整个安装支架的强度，跟背后的筋位形状的设计也有很大的关系。斜桥式筋位类似桥梁拉锁式结构，各个方向受力，都会减小支架的变形。

同样在螺钉孔位置施加200 N的压力，改前图1的变形量为9.5 mm，改后图2的变形量为8.7 mm，强度有所提升。由此可看出，在安装螺钉孔周围增加斜桥式筋位也可以在一定程度上提高开关支架的力学性能。

1.3 支架增加加强钢片的结构

图1 支架示意图

图2 改前支架结构以及应力分析结果

工程上还有很多连体式开关插座，众所周知，支架越长，变形量就越大，因此，连体支架的设计要点就是它的强度。以连体系列为例，如图7。在连体支架螺钉孔之间增加钢片，这样在安装螺钉时，就可以承载较大的扭力，大大减小了支架的变形量。

图3 改后支架结构以及应力分析结果

图4 改前支架结构以及应力分析结果

图5 改为斜桥式支架结构以及应力分析结果

1.4 结构优化结果

D9系列出现面板安装不到位，按键晃动，缝隙大等问题，主要是因为开关支架的强度太弱。因此D9系列开关支架的设计采取了功能件周边封闭式筋位，螺钉孔周边斜桥式筋位，来提高支架的强度；连体式产品采取增加钢片辅助增强，来提高整个系列开关的综合力学性能。

2 墙壁开关的内部结构

产品结构有内部结构和外部结构之分，内部结构是基础，支撑着外部结构的实现，比如产品的外观结构有许多部件组成，那么就要在外壳的内部设计一些卡扣、螺丝或者其他一些连接结构来实现零部件之间的组装。内部结构与外部结构共同发挥作用实现产品的各项功能，因此产品的内部结构设计在产品的形成过程中发挥着至关重要的作用。墙壁开关较典型的结构为翘板式开关结构和摆杆式开关结构。

2.1 翘板式开关的内部结构

翘板开关，顾名思义，它的关键通电部件，俗称动触片，类似跷跷板的结构，为卧式的。

按键的摆动角度设计根据产品的需求，确定开关接触头间隙后，在确保电气间隙的同时，以按键高低的美观度，以及按动的手感来决定摆动角度。以正常间隙开关，以K3系列为例，按键摆动角度为6 °，翘起高度5.8 mm，整个开关看起来比较薄，不会很厚重，但是按动的手感很好，以及银点之间的接触压力较大，不容易产生闪弧。如图8所示。

2.2 摆杆式开关的内部结构

摆杆式开关的动触片为立式的，它的通断电通过按键控制摆动件，摆动件控制动触片实现。以BY系列为例，按键摆动角度3 °，按键翘起高度只有3.5 mm，触头间隙为3.2 mm。且此系列为大板式按键。

2.3 摆动件的设计

以K3系列为例，摆动件与按键之间的配合为间隙插入式结构，在最容易断裂的按键卡扣根部与摆动件之间为间隙配合，按键卡扣的尖端与摆动件为紧配合，利用卡扣的尖端来拨动摆动件，从而实现开关的功能。由于按键和摆动件之间不存在过盈配合，卡扣根部不受外应力，因此没有断裂的风险，而且降低了按键的按压力度，提升了开关的手感，也延长了开关的使用寿命。

传统的开关按键和摆动件之间的配合是过盈配合，这样按键一直存在外应力，时间久了存在断裂的风险。而且按压按键的力度偏大，手感不好。

3 墙壁开关的外部结构

3.1 墙壁开关的按键结构设计

图6 增加钢片的支架

图7 翘板式开关的内部结构

图8 摆杆式开关的内部结构

墙壁开关的按键结构可以分为好多种，按键可以直接与摆动件装配，也可以与压板装配，或者与面板装配。这几种装配方式各有利弊。下面分别看一下这三种结构的具体实现方式。A9系列，按键是与摆动件装配在一起，按键带动摆动件直接拨动动触片。由于按键卡扣一直是受力状态，容易造成 断裂的风险，因此对按键卡扣的结构要求较高，此种圆柱形的卡扣方式就解决了此问题。

K3系列，按键与压板扣合在一起，按键与摆动件之间为插入间隙式配合，此种装配方式可以避免按键卡扣断裂的风险。

K2.0系列为按键与面板之间扣合，这样就完全避免了按键与面板摩擦，缝隙不均匀等问题，大大提高了产品外观的美观度。但是此种结构也有弊端，按键与摆动件之间是靠无间隙配合，按压式，对装配精度以及零部件尺寸精度要求很高，不然会出现按键有虚位，按键松动，手感不良等问题。

图9 圆柱型卡扣按键与摆动件扣合方式

图10 插入式按键与压板扣合方式

3.2 墙壁开关的后座结构设计

墙壁开关的后座，一般有两种结构形式，第一种就是单独的后座，需要与单独的支架装配在一起。这种结构的优点是，支架可以通用在其他产品上，降低了研发成本以及模具费用。缺点就是支架的强度比较低，支架容易变形，造成功能件的脱出。第二种就是后座与支架为一体式的结构。这种结构的优点是产品的强度较高，由于后盖和支架是一体化结构，在安装时，绝对不会出现功能件脱出的现象，支架变形也较小。缺点就是整个产品系列需要做的零件模具较多，通用化不强。

4 结语

一个好产品，需要从好的市场调查入手，结合实际流行趋势，选定大家接受和喜爱的外观。但一个优秀的产品，除了有很好的结构设计外，还要满足产品功能和品质，并且能够极大的简化生产制造过程，降低产品成本，为公司创造价值和给消费者带来极致体验的完美结合。在工作中积极探索和总结，并以实验的方式来验证长期总结的经验，才能不断的优化产品的结构。