墙壁机械开关的短键程优化研究

2023-05-25彭美南龚光辉王万松

日用电器 2023年4期

施狄马腾彭美南龚光辉王万松

（宁波公牛电器有限公司慈溪 315314）

引言

自2020 年开始，超薄短键程开关作为新的市场趋势在市场上销售火爆。此类开关的按钮最大键程仅（2～3）mm，按钮摆动角度仅为（1.5～2）°。此类开关更加轻薄且手感更佳。故开关行业厂商纷纷发力，推出了以超薄、短键程为卖点的系列新品。如图1 所示，统计行业TOP10 厂商在16～21 年的新品上市情况，自20年首款超薄短键程开关出现以来，21 年行业TOP10 厂商已有4 款同定位短键程开关相继上市。故针对开关摆角优化结构的运动方式进行研究，识别现有技术的优劣势，从而输出优化创新的机构方案，方案之间的对比及选优。

图1 常规开关结构图

1 常规开关结构

常规开关结构，按钮直接扣合在过渡件上，按钮拨打转轴与过渡件转轴一致。通过装配在过渡件上的弹子活动来驱动跷板进行翻转。在过渡件转轴与跷板摆动轴之间距离限制的情况下，弹子需要到达所定的拨打行程，按钮则需要较大角度方能使弹子活动行程到达跷板的拨打位，如果弹子行程短，则会导致开关拨打不稳定、温升超标、银触点接触不良等性能问题，如图1 所示。

2 现有短键程开关结构

至2022 年，行业TOP10 的墙壁开关厂商品牌中，已有不少厂商推出了具有各自代表性的超薄短键程系列产品。具代表性的有三款，如图2 所示。

图2 超薄短键程开关

拆解可知，弹子需驱动跷板实现稳定接触，其单边活动行程需大于1.45 mm，而按钮转轴至弹子距离最长为25 mm。按照常规开关设计，根据计算，按钮摆动角度，无法实现开关的小角度短键程拨打。若需实现开关摆角减小至（1.5～2）°，则需对开关增加附属的传动机构。下面对目前主流短键程开关的传动机构原理进行详细介绍。

2.1 行程远端转移结构

在常规开关的过渡件两侧加入近似双边等臂杠杆结构即可实现近端行程往远端转移。常规开关的过渡件与按钮同轴，近端按压行程与远端按压行程是线性递增关系。当过渡件两侧加入近似等臂杠杆结构，并且按钮转轴与过渡件转轴分离后，按钮即可按压在杠杆的远端，此时只需在远端侧按动近端侧的行程即可实现开关拨打。

由图3 所示，相较常规结构按钮按压点行程“s·b”，过渡件两侧加入双边等臂杠杆结构后，过渡件侧的摆动行程“b”可通过等臂杠杆转移至按钮按压点，并且按压点距按钮旋转中心的距离“s· L”不变，因，则开关摆角β即可小于α。

图3 行程远端转移结构原理

通过在开关过渡件两侧加入近似双边等臂杠杆，从而实现近端行程远端转移后。开关结构的按压力值也会产生变化。为了提升拨打手感，在使开关拨打行程减小的同时也要兼顾杠杆结构对按压力值的影响。

设常规开关按压时按压力为“F”，则过渡件端的驱动力为“s·F”。在过渡件两侧加入等臂杠杆后，过渡件端的驱动力“s·F”便转移至了按钮按压端。行程转移结构的按压力与常规结构的按压力为“s”倍的关系。而“s”为按钮按压点至转轴距离与过渡件端点至转轴距离的比值。最终可得按压处的力值为“s·F”。

综上所述，行程远端转移结构可有效减小开关按钮拨打的摆动角度，从而缩短按压行程。但随之也带来了拨打力变大以及摩擦损耗加剧的负面效果。并且两侧增加驱动部件从而提升了材料成本与制造成本。

2.2 行程两侧缩放结构

在常规开关的过渡件两侧加入单边费力杠杆结构即可实现近端行程往远端缩放。常规开关的过渡件与按钮同轴，近端按压行程与远端按压行程是线性递增关系。当过渡件两侧加入单边费力杠杆结构，并且按钮转轴与过渡件转轴分离后，按钮即可按压在杠杆一侧的中部，此时只需在杠杆一侧中部按动比过渡件端更小的行程即可实现开关拨打。

图4 所示，常规结构按压点行程为“s·b”，过渡件两侧加入单边费力杠杆结构后，过渡件侧的摆动行程“b”可通过费力杠杆缩放至杠杆单侧中部，且行程缩小至“b/2”。根据计算，按压点的实际行程为“b·s/(s+1)”,并且按压点距按钮旋转中心的距离“s·L”不变（s ＞1），则开关摆角β 即可小于α。

图4 行程两侧缩放结构原理

通过加入单边费力杠杆，从而实现近端行程两侧缩放。开关结构的按压力值也会产生变化。为了提升拨打手感，在使开关拨打行程减小的同时也要兼顾杠杆结构对按压力值的影响。

设常规开关按压时按压力为“F”，则过渡件端的驱动力为“s·F”。在过渡件两侧加入单边费力杠杆后，过渡件端的驱动力“s·F”便转移至费力杠杆中部且放大一倍，为“2s·F”。根据按钮处的力矩换算可得，按压处的力值为“（s+1）·F”。

综上所述，行程两侧缩放结构可在相同的受限的空间内更高效得减小开关按钮拨打的摆动角度，从而缩短按压行程。但随之带来的拨打力变大以及摩擦损耗也相较行程远端转移结构来得更大。同样，两侧增加驱动部件提升了材料成本与制造成本。

2.3 结构优劣势对比

对以上两个技术路线进行比较后发现，“行程远端转移结构”相较“行程两侧缩放结构”，摆角缩放能力不足，但是按压力值较优，二者结构在可制造性方面表现皆一般。详见表1。

表1 主流结构对比表

3 创新短键程开关结构

目前市场主流的短键程小摆角开关仍存在部分缺陷，主要表现为可制造性不足，装配困难；传动方式存在损耗，按压力大。为解决以上不足，对新结构的创新就有了研究价值。以下针对创新机构做详细介绍。

3.1 行程维度转移

类似于四节表链组成的“M”型多连杆结构，固定最外侧的两端后，当多连杆结构的上方高处铰接点受到垂直向下的外力时，高点处会产生竖直向下的位移，同时中部铰接点会产生水平方向的位移。该位移维度转移结构即可沿用至墙壁开关产品。将中部连杆视为摆臂，摆臂与过渡件转轴上端铰接，通过控制过渡件转轴上端位移来实现开关拨打。如图5 所示。

图5 行程维度转移结构原理

通过对原理的深入解析可知，“M”型多连杆结构的最外侧两个连杆对于中部连杆来说仅起到活动限位作用，而由于最外侧两个连杆的限位，中部铰接点即可围绕确定的虚拟转轴进行摆动动作。了解结构本质的活动原理后，为了减少零件数量，两侧的连杆即可使用轨迹槽的形式来代替。

设原结构按钮按压力为“F”，则翘板处对弹子活动的阻力为“F·L/d”。为保证触点压力不变，无论上方的驱动结构产生何种变化，翘板对弹子活动的阻力为固定值。根据翘板处对弹子活动的阻力反推机构按钮按压力为“F·d1·d3/（d·d2）”。带入述具体设计数值后，按钮按压力为“2·F”如图6 所示。

图6 行程维度转移结构按钮按压力计算

结合上述分析，行程维度转移结构，可同样通过铰链实现按钮摆角减小，结构更加稳定。但其拨打力仍然较大。

3.2 虚拟转轴结构

行程维度转移结构的实现方式是通过为摆臂设置虚拟转轴，再将摆臂与过渡件转轴上端铰接，通过将按压行程转化为铰接处位移，即过渡件转轴上端位移，最终实现开关拨打。若上述结构去除铰接点，通过虚拟轴形式直接将过渡件的转轴拉高，亦可实现开关摆角减小。如图7 所示。

图7 虚拟转轴结构实现原理

为了减少零件数量，亦可通过轨迹槽的形式为过渡件提供虚拟轴。通过构建结构几何关系来进行理论计算,结合具体的结构空间限制与设计要求，可计算出各部件的关键尺寸设计值。

按压力值方面，设原结构按压力为“F”，翘板处对弹子活动的阻力为“F·L/d”。为保证银点压力不变，无论上方的驱动结构产生何种变化，翘板对弹子活动的阻力为固定值。根据翘板处对弹子活动的阻力反推位过渡件虚拟轴结构按钮按压力为“F·（d+d1）/d”。带入具体设计数值后，按钮按压力为“1.64·F”如图8 所示。