一种全密封钮子开关的设计思路分析

王迎 胡云亮

摘 要：钮子开关又称为“乒乓开关”，在电子仪器和通信设备中起到电流通断和信号转换的作用。随着电子信息技术的快速发展，普通肘节及面板密封产品已不能满足各种环境应用需求。现提出一种全金属密封、多刀位钮子开关的结构设计思路，为元件的多功能化结构设计和材料选择拓展了方向。

关键词：全密封;钮子开关;设计思路

0    引言

传统密封钮子开关在使用过程中若面板下处在潮湿或灰尘严重的环境中，易使开关内部积水或积灰导致接触不良，从而引起开关失效。针对现有技术中存在的缺陷，本产品利用外壳封装、橡胶弹性密封、灌胶等技术实现开关的全密封功能，扩大了钮子开关的使用范围，提高了开关的环境适应性及可靠性。下面以一种全密封钮子开关（KN6B-2D2W）的结构设计、材料选择为例，介绍其设计思路，为该类钮子开关设计提供了参考。

1    结构设计

如图1所示，KN6B-2D2W全密封钮子开关本体由换向机构和接触机构两部分构成。换向机构由拨叉组件（拨叉10与手柄1铆装）、轴套组件（轴套2与外壳9铆装）、内防水垫圈6、轴销7、拨叉10（除单刀、双刀外）、压簧11、拨块15、滑头16构成。接触机构由接线端17、中导电件18、基座14、动触片12构成。将换向机构准确装入接触机构后用专用铆装夹具铆装在一起，然后依次采用703硅橡胶和环氧树脂将基座（外罩）装入装配完毕的传统密封开关的基座上封固，实现开关全密封。

KN6B-2D2W全密封钮子开关包括换向组件和基座组两大主要部分。换向组件是由手柄、轴套、外壳、内防水垫圈、轴销等零件组成，即本开关的重要组成部分——换向机构。换向机构由金属外壳装入轴套通过专用夹具翻铆在一起，再将内防水垫圈、手柄组件（在装换向组件之前先将拨叉装入手柄通过专用夹具翻铆在一起，以备用）、轴销依次装入轴套组件中，采用专用夹具翻铆轴销，然后将压簧、滑头分别涂上低温油脂后依次装入拨块的孔内，最后将装好的拨块组件压装在手柄组件的拨叉上，在扳动过程中，通过对手柄施加往键槽一侧或键槽对侧换向力，从而使压簧变形，带动动触片轴向运动，使动触片端点与接线端接触导通实现电路转换。基座组是由接线端、基座、中导电件等零件组成，即本开关的另一重要组成部分——接触机构。接触机构由接线端（导电件）、中导电件依次装入基座后通过专用夹具切铆在一起，然后将动触片装入基座组件适当的位置，形成整个接触机构。通过对手柄施加换向力，从而使压簧变形，带动动触片换向，与接线端接触实现电路转换。

2    参数设计

压簧是换向机构中的关键零件，其设计参数不但直接影响开关换向力的大小，还对抗振动、冲击能力和接触稳定性有较大影响。因此，应根据执动机构整体结构的设计要求，设定压簧尺寸。压簧参数设计如图2所示。

F=

式中，F为压力（N）;λ为轴向变形量（mm）;G为切变模量，弹簧钢丝G=83 000 MPa;d为弹簧钢丝直径（mm）;D2为弹簧中径（mm）;n为弹簧的有效圈数。

λ=9.5-6.5=3 mm，G=83 000 MPa，d=0.6 mm，D2=3.4 mm，n=7圈，将相关数据代入上式得到：

F==≈14 N

弹簧指数（旋绕比）C值的确定：

查《机械设计手册》，得知C值规定在4～14之间，C值越小，在成型时金属丝的变形越大，卷绕越困难;C值过大时，弹簧不稳定。

根据公式：

C==≈5.6

C在4～14之间，弹簧指数合理，即设计合理。

校核弹簧切应力：

τ=

式中，K为曲度系数（应力修正系数），查得K=1.31。

将数据代入公式得：

τ=≈735.50 N/mm2

查表得碳素弹簧钢丝的许用切应力[τ]=1 020 N/mm2，因τ<[τ]，表明弹簧强度满足设计要求，证明设定参数正确。

接触电阻指标是量化开关电气性能重要指标之一，是衡量开关接触可靠性的重要参数。在开关产品中关键零件是接触对（触点对），是完成电能或信号传输（传递）的必经之路，接触对的可靠性是开关可靠性的主要表现，所以开关的接触对（触点对）的设计及关键技术研究至关重要。

在电接触理论中，导体的接触表面不管经过多么细致的精加工（研磨和抛光），其微观上总是有许多凸出和凹进的部分，两个导体之间只有凸出部分的顶端能够接触，电流仅从少数接触点流过，从而形成收缩状的电流线（图3）。又由于裸露在空气中的任何物体，其表面均吸附着表面膜，因此，开关的接触电阻是由收缩电阻和膜电阻组成，实际应用过程中，测量的接触电阻还包括构成回路的载流件导体电阻。

R=RS+Rb+Rp

式中，R为开关接触电阻（mΩ）;RS为收缩电阻（mΩ）;Rb为膜电阻（mΩ）;Rp为载流件导体电阻（mΩ）。

开关在设计理论计算时主要考虑触点对接触时的理论接触电阻Rj，通常其理论计算公式如下：

Rj=

式中，Rj為触点表面接触电阻（mΩ）;n为接触点个数（点接触取1、线接触取2、面接触取3）;ρ为材料的电阻率（m·Ω）;H为材料硬度（N/m2）;N为触点对的正压力（N）。

KN6B-2D2W触点对表面均为镀金，金的硬度为2.5×108 N/m2，材料的电阻率ρ为23.5×10-9 m·Ω，通过计算其触点对的最小正压力为1 N，则由上述理论公式可以计算出开关的每对触点的接触电阻为：

Rj=

=

≈0.2 mΩ

该型号开关的每组电路设计为单断点触点，实际上每个回路上的电阻由触点对接触电阻和载流件的体积电阻及表面膜电阻构成，由于开关的载流零件小，且表面均进行电镀处理，其体积电阻和表面膜电阻积累经验工艺数据为2～3.8 mΩ，一般取2.9 mΩ;因此，开关的每组回路在导通情况下实际接触电阻RC为：

RC=Rj×1+2.9=0.2×1+2.9=3.1 mΩ

由于3.1 mΩ<10 mΩ，因此每组回路的接触电阻理论参数可满足设计要求。

3    结语

本文阐述了一种全密封钮子开关的设计思路，从结构上实现了元件的全密封，对于未来元件的设计有一定的参考价值。

[参考文献]

[1] 周茂祥.低压电器设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

收稿日期：2020-04-02

作者简介：王迎（1986—），男，山东费县人，助理工程师，研究方向：机械设计。