法式转换器伸缩防尘门设计研究

王鸿达 柴孟立 聂杰文 柳 凯 宋国良

（公牛集团有限公司 慈溪 315000）

引言

防尘门是目前移动式插座（转换器）领域中很少提及和应用的一个重要零部件，它在转换器中起着防尘、防异物的作用，同时使产品更加美观。它的出现使得人们用电更加安全、便捷。

目前不同国家使用的转换器形式不同，但都大同小异 ，多数国家转换器多为隐藏式电极，因此单独防尘门的实用性不大，大多以保护门的形式出现，既可以防单极插入，也可以起到防尘效果。但德法式转换器由于外露地极的存在，使得转换器插孔多为型腔状设计，这就导致了传统的保护门结构无法起到防尘效果，易使灰尘等异物沉积在转换器内，在用户使用过程中，外露地极易受外力影响，导致地极歪斜，在长时间的插拔使用后，易使裸漏地极柱氧化，且在通电情况下意外溅水可能导致水溅入转换器内部，不仅影响用户体验，而且存在很大的安全隐患。

为提高德法式转换器的实用性、安全性及美观性，特此开发一款伸缩防尘门结构。

由于德式与法式防尘门的原理一致，本文主要以法式防尘门的设计过程进行阐述。

本技术研究的法式伸缩防尘门模块分为回弹锁定状态与下陷解锁状态，在回弹锁定状态时，与传统法式转换器不同，防尘门面板弹出，与产品上表面共面，地极柱隐藏在防尘门下，此时防尘门的两极孔处于封闭状态，起到防尘效果。

在解锁状态时，在插头的外力下，防尘门下陷，此时和普通法式转换器一样，地极柱露出，从而与插头相连接，从而达到正常取电的目的。

这里需要解决的技术难题是：

1）防尘门面板受到外力时，保证面板不下陷；

2）插头插入时触发保护门面板解锁；

3）面板应保证正常回弹，不卡死；

4）插拔手感应适宜，无卡顿现象。

经过对上述技术难点的研究与分析，对多种设计方案进行对比，最终确认了以“旋转+伸缩”来实现功能的防尘模块。

目前基于此技术开发的德、法式转换器已成功上市，填补了德法式转换器市场的空白其各项性能均已达标，且外形简约的设计荣获了2021年IF设计大奖。

1 行业现状

由于各国的插头插座标准有所区别，转换器的种类与规格也存在很大差异。法式转换器的插头与插孔需根据法国标准NFC61-303移动式转换器规格2P+T 10/16 A 250 V的插头插座系统进行设计，与其它国家不同的是，大多数国家的转换器都为隐藏式地极，安装保护门即可做到防尘防污效果，但德法式转换器孔型为凹形孔，且地极外露。

目前德法市场上的转换器均在内部安装保护门组件，延伸出的地极组件不做遮挡处理。因此目前有关遮挡地极的德法式防尘门的相关产品市场一片空白，目前也没有相关专利、论文等研究资料可供参考，因此法式伸缩防尘门的设计具有很大的挑战性。

2 防尘门模块介绍

为解决上述问题，本文通过大量实践与测试分析，从而提出使用伸缩式防尘门结构。

该结构主要组成部分由小面板、防尘门、压扭簧、插孔座组成，如图1、2所示小面板在插头的外力与压扭簧的作用下相对于插孔座上下浮动，压扭簧的两端固定在防尘门和保护盒的孔内，安装时，需将压扭簧固定下端，再通过扭转防尘门对压扭簧进行扭转蓄能，再将蓄能后防尘门组件通过小面板压入插孔座，从而完成组装。

图1 爆炸图

图2 组装结构图

该结构主要包含以下特点：

1）防尘门面板可回弹

小面板镶嵌在插孔座内，两侧的挂钩牢牢卡住插孔座底端，插孔座内置的压扭簧作用在防尘门上，使得防尘门对小面板施加向上的推力，小面板在推力下，向上运动，直至两侧卡扣钩住插孔座底部（结合图5），此时小面板刚好复位，面板与产品外表面平行，使产品更加美观。

当插头插入时，防尘门解锁，防尘门面板在插头的推力作用下下沉，使插头插入转换器，成功取电。

2）面板自锁

当防尘门LN极插孔未插入时，面板锁死，无法下沉。

3）结构模块化

新的结构设计将防尘门组件、保护门组件、铜件座三者配合，集成为一个独立模块，将其变为通用件，不仅结构精巧，适用性强，同时，模块化的设计也大大降低了后续的研发项目成本。

3 防尘门组件设计过程

3.1 防尘门的选材

目前NFC61.314安规标准与德法安规标准中都并未明确规定防尘门应达到何种标准，但考虑到转换器的实际使用中，插头先通过防尘门，再通过保护门才能接通电源。因此，防尘门的的使用寿命应大于保护门，对防尘门的强度要求也应高于保护门的安规要求，因此我们参照NFC 61.314中的测试项：“正确操作” 来对防尘门进行标准约束。

安规标准要求：

1）电气附件应能承受正常使用中时出现的机械、电、热应力而不会出现过度的磨损或其他有害影响。

2）保护门寿命测试

采用尺寸、材料符合实验规定的黄铜插销，按一定速率，对产品进行5 000 次的插拔实验，实验之后样品不得出现标准定义的损坏。

因此为保证防尘门的强度与插拔手感，我们需要考虑到防尘门的材料及尺寸。防尘门由于使用环境与保护门类似，因此对材料的要求可参照目前产品中常用的保护门材料。

常用的保护门材料应涵盖以下材料特性：材料强度高、材料自身润滑性好、材料抗冲击性强，且要保证尺寸稳定性好、热稳定性好、以及高阻燃性。

涵盖以上所述的特性的首选材料便是PA66，也被叫做尼龙材料，PA66在较高温度也能保持较强的强度和刚度。但单纯的尼龙 PA66作为保护门材料来说还是偏软，其洛氏硬度在90HRC上下。该强度仍无法满足使用，因此需要对PA66料性进行改变，以提高其材料强度。在注塑行业中，常见的改性方法是向PA66加改性剂玻纤，玻璃纤维作为一种填充料，主要目的是为了增强PA66的刚性、韧性，改变材料的流动性。但是随着玻纤的增加，合金本身的自润滑性也会随之下降,且材料呈现硬而脆的特性，改性剂添加的比例对合金材料特性影响很大，所以我们通过大量的实验数据分析得出向尼龙 PA66里加25 %的玻璃纤维后，其综合性能最好，最终刚确认了使用“尼龙 PA66+GF25”，该材料既有尼龙材料的耐摩擦、自润滑性好，同时又兼顾了玻璃纤维的强度，因此很好的解决了防尘门卡死，使用手感不顺滑的问题。

3.2 防尘门结构设计

谈到防尘门的结构设计，必然离不开防尘门的运动方式的考量，防尘门在转换器中的运动方式水平方向转动，而法式插头接电后需要垂直插入，仅通过防尘门实现功能，只能通过驱动斜切面设计实现，简单的原理图如图3、4。图3中通过上下作用的插头，对滑块施加一个向下的力，压力作用在滑块的斜面上，对滑块进行受力分析，滑块收到的合力进行受力分解，滑块收到插头驱动，最终像水平方向位移，结合这一简单的力学模型，我们得到防尘门的大致模型图4。

图3 滑块运动分析

图4 防尘门结构

此外，德法插头尺寸为Φ4.8 mm的圆插头，规定两极孔Φ5.6 mm，孔间距为19 mm，结合保护门尺寸，得出保护门的最少滑动弧长在 5.7 mm。 在上述条件下，通过调整插头轴线与防尘门斜面的夹角，测试角度范围20 °～ 80 °，通过插入力测试、保护门强度测试、5 000 次正确操作，得出防尘门的最佳斜面角度在20 °～ 25 °，在这个范围内，防尘门斜面越小，插入手感最佳，如图5所示。

图5 防尘门开闭

3.3 面板自锁设计

在确定了防尘门结构与大致运动方式后，下一步便需要通过机构来实现防尘门的运动。

图7 插孔座结构

图8 插孔座内孔

首先我们对防尘门进行运动分析，它仅需要满足以下两个条件：

1）当插头插入时，防尘门旋转，当插头拔出时，防尘门自动旋扭闭合；

2）当插头插入时，小面板可下沉，未插入时，小面板自锁，无法按动。

现在对上述条件进行分析：

要满足条件一，仅需一根扭簧作用于防尘门，提前扭转扭簧蓄能，并用挡板结构将防尘门固定，使扭簧始终处于扭转状态，当插头插入时，结合图3、5，防尘门在外力作用下，克服扭簧阻力，旋转打开，使插头插入。

当插头拔出时，防尘门失去插头施加的外力，在扭簧的作用下复位，从而关闭插孔。

因此我们对小面板背部位置，两插孔处新增两个挡板设计（图6），从而很好的限制了防尘门的行程。

图6 小面板设计

而要满足条件二中的要求，首先根据小面板运动方式，不难看出需要上下运动，因此我们仍需要弹簧，在工作状态时，小面板在插头的外力作用下，压缩弹簧，使面板下沉，从而接电，当插头拔出时，小面板需要在弹簧的作用下复位。但是想完成自锁功能，却不容易，如何在零件尽可能少的情况下完成自锁功能是个难题。

结合上述两个条件，分析防尘门组件工况，当防尘门旋转后，其轴方可在外力作用下沉入保护盒底部孔内，未旋转时，防尘门的轴与保护盒底部孔的形状无法吻合，无法配合。

因此，我们可以尝试采用空间错位的方法来解决上述问题。在图4中，保护门两侧增加两条筋，同时对插孔座的孔也开出与之配合的两个槽，当防尘门未扭转至合适角度时，轴孔不配合，导致面板无法下压，而当插头插入时，带动防尘门旋转一定角度，此时轴孔的形状刚好配合，从而使防尘门在外力的作用下沉入插孔座完成取电工作。

结合上述方案，我们将扭簧与压簧结合，仅采用一根特制的压扭簧，并对小面板、插孔座内孔、防尘门进行了细节设计，从而保证了保护门可正常扭转与小面板的伸缩复位工作。至此，防尘门模块的核心结构设计悉数完成，新的结构设计将防尘门组件、保护门组件、铜件座三者配合，集成为一个独立模块，将其变为通用件，不仅结构精巧，适用性强，同时，模块化的设计也大大降低了后续的研发项目成本。

4 样机测试

针对防尘门的测试内容此前并没有明确测试方法，但是防尘门结构和作用与保护门相像，因此，主要通过与保护门相关的形式测试来衡量，参见IEC60884-1《家用和类似用途插头插座通用要求》[1]的相关章节。

针对防尘门组件的相关试验如下：

1）产品老化测试

2）产品正常操作

3）插孔吊重测试

4）端子温升测试

4.1 具体实验情况

1）产品老化测试

在实验室工业烘箱（70±2）℃的烘烤下，受测时限为7天。

实验判定标准：在经过烘箱烘烤后，将受测样品取出取出，通过目视产品表面，观察表面变化、有无断裂、龟裂等物理及化学性能发生变化、尺寸变化等。

实验结论：样品表面良好，无异常。

2）产品正常操作

正常操作也被称为寿命测试。采用实验室专用设备对产品插孔进行插拔，插拔次数参照出口产品当地安规标准，一般在5 000～10 000 次，测试后，取出样品，检测相关零部件是否达完好，产品是否可正常使用，接电时导电部件是否接触完好。

实验判定标准：在经过正常操作后，样品接电部件应无明显变形，接电时应接触完好，相关部件不能失效。

实验结论：受测样品在通过正常操作后，防尘门组件性能完好，结构尺寸材质等达到设计要求。

3）插孔吊重测试

插孔吊重试验也被叫做插拔力试验。通过安规要求尺寸、重量的测试插头治具，通过拉力计，插入受测样品插孔中，观察插入力与拔出力数据。

实验判定标准：受测样品在Φ3.8 mm，200 g的插头治具插入插孔内，应保证在10 s内插头治具不脱落。

实验结论：受测样品在插拔力测试中未脱落，符合要求。

4）端子温升测试

端子温升试验是指在一定室温下，对产品内部结构布点，接入负载机，一定的电流、电压下，检测布点的相关内部件的温度。

实验判定标准：通过观察设备参数，布点处温差≤45 K即为合格。

实验结论：受测样品布点处测试温差小于45 K，符合要求。

通过上述安规测试可知，目前防尘门组件的的结构合理，使用上也更加稳定，并通过了一系列安规测试。

最终使产品能够投入量产，并取得客户认同，本结构的设计目前以应用与我公司的德法式以及延申国家的移动转换器和固定式转换器产品上，并顺利上市，目前已有几十款产品投入海外市场，市场效益颇丰。

5 结语

德法式防尘门组件的研究一直是我公司外贸产品的重要研究课题，在此之前德法式防尘门在转换器领域一直处于行业空白，且无资料可查，因此在前期的探索中也投入了很大的研究成本，本文通过对法式防尘门组件的功能分析与结构介绍，阐述了实施例中的关键技术、工作原理、以及防尘门组件设计中的难点和解决方法，最终研究设计出更加符合要求的防尘门组件，填补了市场空白，为插头插座等产品设计与加工提供了理论基础。