安装环境对墙壁开关性能影响研究

王孝利 何安民 柯寒文

（浙江德力西国际电工有限公司 杭州 310024）

前言

在墙壁开关插座中，安装架是主要的组成部件；安装架在安装时会承受较大的螺钉拧紧力而发生变形使固定架失效；经调研发现，固定架在承受1.2 N.m的扭力情况下，在少数安装环境下安装架已经产生一定量形变，若墙面不平整情况更加恶劣，其变形量在更大，甚至有些固定架已经出现了断裂，直接致使开关失效[1]。所以对固定架的结构与安装环境关联研究具有重要的意义。

本文使用两种常用的开关结构，在有限元、设计试验台中模拟安装多种环境下开关性能并量化较研究。

1 墙壁开关结构与安装模拟设备介绍

1.1 墙壁安装模拟设备介绍

为模拟墙壁开关安装墙面复杂情况，设计出如图1所示设备。深灰色基台与底座作为设备框架；红色升降台只具有上下活动的自由度；棕色定位螺钉为升降台的升降机构；选定升降高度后，由夹紧螺钉保证测试过程中模拟墙面状况稳定。

图1 模拟安装设备示意图

十个升降台作为核心部件，四周升降台可模拟单边缺陷状态下墙面。中间增加六个升降台增加安装接触面的同时，也可模拟墙面中间凹陷墙面。由于安装螺钉开关处安装架变形最为剧烈，此处分为上下两排螺钉。

在本文研究中，选取两种典型安装环境，即将图1中所示的模拟设备全部升降台与平台平齐设置为安装台Ⅰ，模拟未变形的平整墙面；将模拟设备中上下六个升降台升起2 mm设置为安装台Ⅱ，模拟安装螺钉侧下陷的缺陷墙面。

1.2 开关结构与安装模拟

墙壁开关是实现远程操控电灯闭合需求的重要组成。主要工作原理是在合适位置安装墙壁开关，控制电源的接通与断开实现远程控制。一个多世纪以来，根据主要结构或者外形可以分为一下几种开关，拉线式开关、拨动开关、翘板式开关、摆片式开关[2]。翘板式开关作为现在主流开关结构，本文以此结构进行展开。

由图2所示，翘板式开关包括运动部件与支撑部件。运动部件中开关按键转动带动弹簧座组件转动，随后拨动通断机构实现开关比和动作；支撑部件中，底座容纳五金通断机构，安装架连接面板、底座、墙壁（在部分产品中，设计师为组装方便将安装架与底座集成起来，设计为连体底座），面板连接按键或者作为装饰部件。

图2 翘板式开关结构示意图

在开关结构示意图中我们可以很清晰看到，按键作为转动作为人力传动机构的最初始段，若由于机构变形其扭矩无法传递至末端执行机构，直接会造成开关失效。

市面上常用开关安装螺钉形式多样，包括头部形状（盘头、沉头、十字、一字）、长度（适应多种形状各异）、螺钉尾部形状（自攻、自切、平头）。但其公称直径大多为4 mm，即M4螺钉。这为螺钉预紧力计算提供便利。式（1）为螺钉预紧力的计算公式[3]。

对于一些中型企业，在发展中已经形成较为科学的结构来进行经营活动，企业间部门的分化和权责范围非常的明确，这种经营方式能够有效对增加企业的管理效率和各方面工作的执行力度。但是一些企业在管理中，没有协调好各个部门之间的关系，使得部门之间的难以进行通力合作，在现金流的反应上，就会使得部门都开始向企业讨要过多的备用金。对于企业的经营发展而言，这种方式不仅仅会让企业的备用金过多，造成企业经营利润下井，同时这种方式也会让企业的资金管理混乱，不利于企业的长期发展。

式中：

Mt—预紧扭矩，单位为N·m；

k—拧紧力系数，表面镀锌的螺钉约在0.18～0.22 N；

d—螺钉公称直径，单位为m；

F0—螺钉轴向预紧力，单位为N。

根据预紧力经验公式，当螺钉预紧扭矩为1.2 N·m是，轴向预紧力计算后约为1450 N。两颗螺钉作用在塑料安装架上，甚至铁安装架上会造成一定程度变形，为降低变形影响各公司设计了如下结构。

1.2.1 转轴在安装架

按键转轴与安装架直接配合时，面板仅作为装饰用途。

在图3所示模拟安装台Ⅱ中，螺钉预紧力致使的安装架严重下陷，而上下两侧在受到支撑的情况下还会产生一定翘起，中间转轴下降致使按键转动行程大幅下降，产生较大概率的行程失效风险。

图3 按键与安装架配合试验台安装图

1.2.2 转轴在面板

转轴在面板上的开关结构中，面板作为连接按键与安装架的主要结构，通过孔轴与扣脚将三者连接起来。

在图4所示安装台Ⅰ中，安装架在四周翘起较小，失效概率较小。

图4 按键转轴与面板配合试验台安装图

在安装台Ⅱ中，安装架靠近安装螺丝处下陷、较远处翘起。面板与安装架的配合处上翘，致使面板与按键有一定程度抬起，但是弹簧座却因为变形向下位移。此时，按键摆杆与弹簧座之间间隙增大。外观中无法查看内部变形情况，但是按压时已出现虚位、手感不良等扭力传动失效风险。

1.2.3 按键与弹簧座配合

由于按键卡扣直接与功能部连接，若安装架与底座为一体式，在安装台Ⅱ中安装架变形后，开关按键位置降低，会产生类似1.2.1的转动行程失效风险。

若安装架与底座为分体式，底座功能键会一定程度上降低向下位移程度，同时按键与弹簧座半刚性连接会降低1.2.2中传递失效风险。此结构可能性较多，在后续研究中暂不拓展。

2 墙壁开关变形有限元模拟

2.1 模型简化

有限元研究中需要消耗大量计算资源，计算时需要在计算精度与计算时间中相互取舍。最为常用的方法为简化三维模型。

此处主要根据Ⅰ、Ⅱ种两种安装方式三维模型将安装环境进行简化，此处仅包括部分墙面与螺钉两种结构。

2.2 材料参数获取

聚碳酸酯,英文名Polycarbonate,常用缩写PC，是一种线型碳酸聚酯，现在常用于墙壁开关中。虽然型号相同，但各厂家生产的PC材料性能会产生较大差别为此，本文使用万能拉伸试验机，将原始标距为50 mm，长款分别为10 mm、4.1 mm的PC试样放置于在万能试验机上进行拉伸试验。获取到本公司某一款PC的应力应变曲线。

根据图5可知，PC材料在拉伸后并非属于单一弹性变形规律，在有限元仿真模拟中同样需要考虑PC材料特性，尤其是材料达到屈服后少量增加拉力应变激增情况[4]。根据计算，此材料主要分为前期的弹性应变环节，此时屈服强度为65 MPa，弹性模量为2.32 GPa。屈服后的剪切模量为193 MPa。

2.3 转轴在安装架有限元结果分析

图6（a）为在安装台Ⅰ中有限元模拟竖直方向变形云图，此时按键转轴处翘起0.13 mm，安装架最边缘翘起高度约为0.29 mm。对于按键转动行程而言，变化量可以忽略。

图6（b）为在安装台Ⅱ中有限元模拟竖直方向变形云图，此时按键转轴下降1.9 mm，而安装架两侧上翘约0.4 mm。按键转动行程减少2.5 mm，如图所示，若将按键转轴下降2.5 mm时，按键已经几乎无法转动，出现如图5所示现象，判定为开关失效。

图5 某PC架子料拉伸应力应变曲线

图6 按键与安装架配合有限元模拟

2.4 转轴在面板有限元结果分析

图7（a）为在安装台Ⅰ中有限元模拟竖直方向变形云图，此时与面板配合处安装架上翘0.33 mm，底座部位下沉0.53 mm。弹簧座与安装件配合处整体偏移0.83 mm。

图7（b）为在安装台Ⅱ中有限元模拟竖直方向变形云图，安装架在安装孔处偏移量达到2.02 mm，此时与面板配合处安装架上翘0.55 mm，底座部位下沉0.83 mm。整体偏移高达1.38 mm。此时会出现图8所示现象，按键失效概率增加。

图7 按键与面板配合有限元模拟

3 总结

综上研究可以发现，开关通断性能作为最基础的功能要求，我们不应该限制在开关结构对其影响，墙面状况也是不可忽略的一种重要因素。