军用转动开关帽防脱落设计技术研究

张斌强

摘要：飛机座舱中设计有多种多样的仪表，为了确保良好的人机交互功能，往往需要设计各种旋钮开关，以便控制和输入各种参数。但由于开关旋钮为机械部件，在实际使用过程中，由于频繁操作或者意外施加的大扭矩，常常会出现转动开关帽脱落的问题，本文在对开关脱落问题原因分析的基础上，针对性地提出了防脱落设计改进措施，并经仿真验证，完全能够满足在复杂环境下的使用要求，解决了产品在长期使用过程中外场频繁出现开关帽脱落的问题。

关键词：开关帽;防脱落

引言

在机载座舱显示仪表中，诸多人机交互操作离不开旋钮。旋钮 是数量最多且使用最频繁的人机交互接口之一。实际中，旋钮作为 开关，可以有效地控制产品的状态或者作为产品的电源控制开关。 还可以作为调节器，实现参数的调节等。常规的开关旋钮结构是将 旋钮帽紧固在转动开关的扭杆上，长期使用过程中容易受力不均， 严重时导致旋钮帽脱落。

某型产品面板上使用了开关旋钮，在外场使用过程中多次出现 了开关帽脱落的问题，针对该情况，进行了深入的原因分析，并提 出了有效的设计改进措施。

一、军用转动开关介绍

以美国科尔（COLE）公司生产的两档波段开关A1136-102P为 例，该型号属航空专用产品，符合美军标MIL-S-3786标准要求。 其温度范围-65°C～85°C，其他湿热、盐雾等环境测试符合 MIL-STD-202要求，开关寿命25000转，使用海拔高度21336米， 其操作使用力矩要求最小21.2N.mm，最大42.33N·.mm。

开关帽通常为圆形孔，套置在开关轴上，固定方式使用的是常 规的双螺钉固定方式，两个螺钉角度成120°分布。

二、开关帽脱落问题及分析

在实际使用过程中，产品中会经常出现开关帽脱落的问题，经 过分析，主要存在以下问题：

（一）开关帽内孔为圆形

圆形孔没有充分利用开关轴的”D”形结构，让旋钮与开关轴 直接平面进行贴合，均匀受力，而是通过螺钉支点接触，使得旋钮 的固定、支撑完全依赖螺钉顶部挤压开关轴来实现，应力集中在螺 钉顶部与开关轴接触面处。旋钮在使用过程中施加的转动力矩，所 产生的应力再度在螺钉顶部与开关轴接触面处集中，使得应力容易 超过开关轴材料的强度，开关轴受损而形成凹痕。

（二）过大的旋转扭矩

参照GB/T14775-1993《操纵器一般人类工效学要求》 ，直径 10mm～100mm，操作力矩为20N·mm～500N·mm，而A1136-102P转 动开关的轴直径为12mm，开关实际转动所需的最大扭矩为 42.33N·.mm，当操作者意外施加了较大的力矩时，假设对旋钮施 加5 倍开关实际力矩，即200N·mm，通过ANSYS结构应力分析。从 仿真实验的结果可以得出， “D”形轴端面应力值最大约为270.4MPa， 虽未超出开关轴材料（铜）的强度极限295MPa，但已超出屈服极限 160MPa，因此在受到意外较大扭矩的情况下，也会存在开关轴受损 的可能，最终导致开关帽的脱落。

三、防脱落设计

（一）防脱落设计改进措施

根据上述原因分析，采取如下改进措施，以避免开关帽的脱落 问题。

（1）将开关帽内孔由圆型孔更改为”D”形孔，使之与开关”D”形轴相匹配;

（2）将原先120°分布分布的开关帽紧固螺钉孔，更改成90° 分布方式，且紧固螺钉不再直接作用于开关轴的端面上，而是垂直 作用于开关轴的圆柱面上，仅起到防止松脱的效果。

（二）仿真验证

对更改后的旋钮仅从施加旋钮扭矩进行开关轴受到的应力分 析。从应力角度出发，按实际情况进行仿真分析。

先从开关操作实际需要力矩开始，施加50N·mm力矩，应力分 布云图，如图1所示。

D 形轴端面应力值约为26.02MPa，与材料的屈服极限160MPa 比较，安全系数值为160/26.02=6.2，与之前3.8倍增加了近3 倍， 完全能满足正常操作要求。

从安全系数出发，施加5倍开关操作力矩200N·mm力矩，由 于为圆形旋钮，操作旋钮通过摩擦传递扭矩，考虑手套织物和金属 喷漆面摩擦系数，取0.5，则200N·mm相当于操作人员以33N的力 捏在旋钮（指握操作）上旋拨且不发生打滑的最大扭矩，查 GB/T14775-1993操作器一般人类工效学要求，使用大拇指按动按钮 的作用力范围为8～35N应力分布云图。

由此可知，改进后的旋钮结构，能满足5 倍开关操作力矩 200N·mm要求，符合GB/T14775-1993操作器一般人类工效学极限 要求。另外，改进后的产品在外场实际使用过程中，再未出现过开 关脱落的现象。

四、结束语

通过对军用转动开关帽脱落原因的分析，针对性地提出了改进 设计措施，并通过仿真验证的方法及外场飞行验证，表明了改进措 施合理，可以有效解决开关帽在长期使用过程中出现的脱落问题。

参考文献：

[1] GB/T14775-1993. 操作器一般人类工效学极限要求。

[2] COLE A1136-102P datasheet.

[3]丁欣硕，ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通， 出版社：清华大学出版社，2017.04