瞬時動作按鈕開關設計

，，，

(貴州振華華聯電子有限公司，貴州凱里，556000)

1 引言

按鈕開關是由與按鈕行程同一直線的推動力來驅動內部觸點轉換的開關。瞬時動作按鈕開關的是按鈕開關的一種，主要特點是其大部分時間是處于初始自由狀態的位置上，只是在有要求時才在外力作用下轉換到第二種狀態(位置)，當外力一旦除去，由于彈簧的作用，開關就又回到初始位置。本文針對瞬時動作按鈕開關的使用要求，通過對產品的主要技術指標、參數等進行分析、設計和計算，為按鈕開關設計提供參考。

2 主要技術指標

本文針對整機裝備的信號控制使用要求，結合以往在產品的設計、工藝、選材等方面進行分析、設計。產品研制要求如下：

工作電壓: 220V(AC)；

額定電流：3A(阻性)；

絕緣電阻：≥1000 MΩ；

介質耐壓：1000V AC；

耐濕：10d；

鹽霧：96h；

長期工作環境溫度：-55～85℃；

電壽命：50000次；

低氣壓：4.39kPa。

3 結構設計

3.1 開關的總體結構設計

通過對開關的主要使用環境、技術要求等進行分析研究，確定開關的設計結構由以下四個部分組成：安裝附件、換向機構、電接觸機構、基座組件。產品采用螺母安裝方式，接線形式為焊接式，產品總體結構示意圖見圖1。

1、安裝附件 2、換向機構 3、電接觸機構4、基座組件圖1 產品總體結構示意圖

3.2 換向機構設計

換向機構由按鈕頭、套圈、換向壓簧、鋼球、上聯結座、復位壓簧、接觸組等組成，其結構示意圖如圖2所示。

1、按鈕頭 2、套圈 3、換向壓簧 4、鋼球 5、上聯結座 6、復位壓簧 7、接觸組圖2 換向機構圖

如圖2所示，在設計時換向機構中設有瞬動突跳機構，該機構在按動時能夠產生明顯的換向動作，使開關在實現電路轉換過程中能產生清晰的手感和實現快速接觸，減少觸點表面的電磨損和拉弧，其設計原理是：在按鈕組件聯結桿上設計一橫孔，在橫孔中裝入換向壓簧和鋼球，并設有金屬套圈將鋼球進行限位，按鈕按動過程中通過換向壓簧促使鋼球與上聯結座相互作用，當按動力達到一定值時換向機構處于臨界狀態，按鈕因慣性力作用產生突跳動作，實現開關換向，并推動接觸組與基座組件中的靜觸點接觸，當松開按動力后，在復位壓簧的復位力作用下，促使換向機構回彈，達到一定位移時換向機構產生突跳恢復原位。此換向機構設計合理可靠，按動時增強了開關換向手感，并能保證開關在強振動和強沖擊環境中工作可靠性。

3.2.1 按鈕頭設計

按鈕頭屬開關的操作部分，采用嵌壓結構將金屬按柄包裹在塑料件內，塑料部分起到了很好的絕緣作用，而金屬部分又提高了整個組件的強度，保證了產品的安全性和可靠性，其結構圖示意如下圖6所示：

3.2.2 接觸組設計

接觸組是開關的載流零件，它采用圓環式接觸面保證接觸時無接觸盲點，斜面設計保證接觸時與接觸點產生的剪切運動能夠有效地戳破膜層，保證接觸可靠。其結構示意圖如下圖4所示：

圖3 按鈕頭結構示意圖圖4 接觸組結構示意圖

3.3 基座組件

開關的基座組件由基座、接觸簧片組、鉚釘、焊片等組成，焊片和接觸簧片組通過鉚接的方式固定在基座上，該方式可以有效地固定載流零件，防止振動、發熱等因素導致的脫落。其結構示意圖如圖5所示。

1、基座 2、接觸簧片組 3、鉚釘 4、焊片 圖5 基座組件結構示意圖

3.3.1 接觸簧片組

接觸簧片組由接觸簧片和接觸點鉚接而成，接觸簧片選用彈性和強度較好的錫青銅材料；接觸點采用具有較高的導電性、導熱性和工藝性的銀合金材料，觸點表面作鍍金處理，防止零件在潮濕的空氣中氧化。其結構示意圖如圖6所示。

3.4 電接觸機構設計

電接觸機構由換向組件中的接觸組和基座組件中的接觸簧片組構成，它采用雙觸點結構，保證產品接觸可靠，其結構示意圖如圖7所示。

4 可靠性設計

4.1 電接觸可靠性設計

4.1.1 電接觸形式的選擇

圖6 接觸簧片組結構示意圖圖7 電接觸機構結構示意圖

常見的接觸形式有點接觸、線接觸和面接觸等三種形式。對帶觸點開關而言，正確選擇觸點對的接觸形式至關重要，對于大、中負荷的觸點，其表面膜層易被破壞或被電弧燒穿，所以其接觸電阻取決于收縮電阻，因此，應選擇接觸點數量較多的面接觸或線接觸。對于小負荷觸頭，其表面膜層不易被破壞，因而其接觸電阻主要取決于膜電阻，為增大接觸點的壓強以提高其清膜能力，宜選擇點接觸。該型號開關的電流屬于中小負荷，同時為提高開關的靈敏度，宜采用點接觸方式。

4.1.2 接觸機構設計

該型號按鈕開關屬于直線驅動開關，其接觸機構采用切入式點接觸形式，在轉換動作過程中，通過壓簧的壓縮和釋放帶動鋼球在上聯結座內彈跳實現開關觸點對的斷開和接觸。接觸機構主要由接觸組與接觸簧片組等組成，而接觸簧片組由接觸簧片和靜觸點構成，接觸簧片為彈性元件，保證開關實現良好的電接觸和電傳導。

接觸壓力和電接觸有密切關系，是產品內部結構設計必不可少的參數，也是減小和穩定接觸電阻，保證產品性能的一項關鍵技術。為使開關觸點接觸可靠，應使接觸電阻盡可能的減少，其接觸電阻的保證是十分關鍵的，接觸電阻又與觸點壓力密切相關，開關的接觸電阻與觸點壓力成反比關系，其關系成形的曲線如圖8所示。

圖8 接觸電阻與觸點壓力關系圖

開關在轉換過程中，隨著觸點壓力的增加，接觸電阻逐漸減小，當接觸壓力達到一定值時，接觸電阻基本穩定。在接觸電阻穩定的前提下，如果接觸壓力過大，將直接影響開關使用壽命，使開關產生早期失效。根據開關觸點設計多年積累的經驗，同時也考慮其電負荷，電壽命等因素，設定開關觸點壓力為1.5N(單個觸點)，能保證觸點接觸可靠。

接觸簧片設計，如圖9所示。

圖9 接觸簧片結構示意圖

本開關的觸點對的接觸壓力主要通過簧片形變來實現觸點對的可靠接觸，根據結構可知，接觸簧片的形變力等于觸點對的接觸壓力，簧片的形變力計算公式如下：

P=Ebh3X/4L3

式中：

P-簧片的觸點壓力(N)

E-彈性模量(N/mm2),取值1.1×105N/mm2

b-簧片的寬度(mm)，設計值為3mm

h-簧片厚度(mm)，選材為0.3mm

X-簧片最大撓度(mm)，設計值為0.2(mm)

L-簧片有效長度(mm)6.6mm

將各值代入公式，求得：

P=(1.1×105×3×0.33×0.2)/(4×6.63)

=1.55N

開關觸點的接觸壓力應滿足P≥88.5×Ie1.52×10-4=0.047N，開關的額定電流Ie為3A，因此代入公式P=1.55N≥0.047N，因此接觸壓力1.55N，符合接觸壓力設計要求。

a) 簧片固有頻率的計算

式中：

f0-簧片固有頻率；

h-簧片厚度，這里h=0.03cm；

L-簧片長度，這里取L=0.66cm；

E-材料彈性模量，錫青銅為(1.1～1.3)×106kgf/cm2，這里取E=1.1×106kgf/cm2

γ-材料密度，錫青銅γ=8.23g/ cm3。

將數據代入公式得：f0=5640Hz。由此可見，開關接觸簧片的固有頻率在振動頻率(10～2000Hz)范圍之外，可以避免簧片在振動時發生共振而導致產品失效，接觸簧片設計滿足要求。

春來暑往，秋去冬藏，轉眼又到本年度的最后一期，能量滿滿的一年，編編們也收獲滿滿，漸漸堆起的信件小山是最好的證明。意絲們的鼓勵與建議，讓編編不斷加足馬力！新的一年，讓我們一起加油！

b) 接觸簧片強度校核

σ=6PL/bh2

式中：

σ-簧片應力；

P-簧片正壓力，0.36kg；

L-簧片有效長度，6.6mm；

b-簧片寬度，3mm

將數據代入公式得：σ=52.8kgf/mm2。

錫青銅材料在靜負荷條件下，其許用應力[σ]=58～60 kgf/mm2，因σ<[σ] ，所以，上述設計方案能達到產品技術要求。

4.1.3 電接觸材料的選擇

經查找大量資料和咨詢生產廠家，我們列出部分觸點材料性能指標，以助于觸點材料的選擇。幾種觸點材料的對比如表1所示：

表1 觸點材料性能對比表

純銀：純銀有較高的導電性、導熱性、工藝性較好(即容易加工)，是目前國內應用最廣泛的觸點材料。

金：金具有較好的導電性、導熱性、化學穩定性最好，在空氣中不易氧化，工藝性好，硬度低，但價格昂貴，不適合批量生產。

銀合金：銀合金具有較高的導電性、導熱性、工藝性較好等銀的主要性能，但電阻系數較銀高。

經綜合對比，并結合工廠生產開關多年的成功經驗，本開關選用銀線Ag作為觸點材料，其表面作鍍金處理。其工藝為：調直→用模具打頭成形→檢驗→電鍍→檢驗，經試驗驗證能滿足使用要求。

4.2 機械可靠性設計

按鈕開關的換向特性是靠換向機構動作特性來實現的，換向特性是開關的一項技術指標。

4.2.1 換向壓簧設計

換向壓簧是轉換機構中的重要零件，是實現開關按鈕產生突跳的關鍵零件，其設計參數直接影響開關的動作力、抗環境能力(如振動、沖擊)，壽命等。壓簧的材料選用碳素彈簧鋼絲，繞制成形后經油爐回火處理和發蘭處理。

壓簧尺寸參數見下圖：

圖10 換向壓簧設計圖

根據如下公式：

式中:

F-壓力，N；

λ-軸向變形量，mm；

G-切變模量，碳素彈簧鋼絲

G=78000MPa；

d-彈簧鋼絲直徑, mm；

D2-彈簧中徑，mm；

n-彈簧的有效圈數。

λ=2.5mm；G=78000MPa；d=Φ0.4mm；D2=Φ2.4mm；n=5圈；

將相關數據代入式：

彈簧指數(旋繞比)C值的確定：

查機械設計手冊，得知C值規定在4～14之間，C值越小，在成形時金屬絲的變形越大，卷繞越困難；C值過大時，彈簧不穩定。

根據公式：C=D2/d=2.4/0.4 =6

經計算彈簧指數為6在4～14之間，彈簧指數合理，即壓簧設計合理。

校核彈簧切應力：

τ=8KFD2/(πd3)

式中：K-曲度系數(應力修正系數)；查得K=1.08

將數據代入公式得:

τ =8×1.08×9×2.4/(3.14×0.43)

=928.7N/mm2

查機械設計手冊:Φ0.4mm碳素彈簧鋼絲的許用切應力[τ]=1040 N/mm2。

因τ<[τ]，表明彈簧強度滿足設計要求，證明換向壓簧設定參數合理。

4.2.3 復位壓簧的設計及參數確定

復位壓簧的設計也是該產品設計的關鍵技術之一。復位壓簧的設計不但要考慮產品的按動力要求，也要考慮壓簧本身的抗疲勞能力，綜合以上因素復位壓簧的設計如圖11。材料選用碳素彈簧鋼絲，繞制成形后油爐回火處理。

根據如下公式：

式中:

F-壓力，N；

λ-軸向變形量，3.7mm；

G-切變模量，碳素彈簧鋼絲

G=78000MPa；

d-彈簧鋼絲直徑,Φ0.6mm；

D2-彈簧中徑，Φ6.1mmmm；

n-彈簧的有效圈數：3圈。

求得：F=6.87N

圖11 復位壓簧設計圖

彈簧指數(旋繞比)C值的確定：

根據公式：C=D2/d=6.1/0.6

=10.2

經計算彈簧指數為10.2在4～14之間，彈簧指數合理，即壓簧設計合理。

校核彈簧切應力：

τ=8KFD2/(πd3)

式中：K-曲度系數(應力修正系數)；查得K=1.21

將數據代入公式得:

τ =8×1.21×6.87×6.1/(3.14×0.63)

=598.1N/mm2

查機械設計手冊:Φ0.6mm碳素彈簧鋼絲的許用切應力[τ]=980N/mm2；因τ<[τ]，表明彈簧強度滿足設計要求，證明復位壓簧設定參數合理。

5 環境性能參數設計

5.1 工作溫度適應性設計

產品環境適應性是開關設計的基礎，在滿足產品性能的前提下，盡可能對結構方案進行簡化，防止為了獲得微小的性能改進而增加零件，造成可靠性水平下降。在設計過程中，為確保開關能在-55℃～85℃條件下工作，在設計時，所選用的零件原材料均滿足環境溫度需求，對一些特殊制造均增加了必要的特殊工藝進行保證，如熱處理、穩定處理；在結構設計中對動態工作的部分均對配合間隙進行優化選擇，保證動態機構在低溫下不被“卡死”，確保機構正常動作。

5.2 低氣壓環境適應性設計

低氣壓條件為4.39kPa(相當于20000m高空)，在此環境條件下，主要考慮開關的導電件之間最小間隙不產生電壓擊穿，根據計算在此條件下工作時，最小耐壓值設定為250V，實際上設計時觸點間的電場并不是理想電場，通過理論計算參數大于設定值，同時該型號開關主要用于機艙內，環境遠沒有指標嚴酷，因此設計能滿足技術要求。

5.3 防潮、防鹽霧適應性設計

本開關所選用的零件原材料均滿足潮濕環境需求；尤其是塑料零件采用PT-310塑料，該材料具有絕緣性能好、熱變形溫度高、韌性好、強度高、阻燃、耐化學腐蝕、吸水率低、收縮率小、成型后收縮變形小等特點。為開關在惡劣的環境條件下正常工作提供了材料保障，在工藝上增加后穩定處理，按試驗方法進行考核驗證能達指標要求。所有的金屬零件在設計時均考慮防腐蝕性能，外殼、螺母、墊圈等采用黃銅表面作電鍍處理，所有的導電零件均采取表面電鍍處理，保證滿足濕熱、鹽霧等指標要求。

6 結論

通過對該按鈕開關的總體結構設計，電接觸理論分析，關鍵零件的選用設計，特殊復雜環境的適應性設計等方面的研究，為開關元件的設計提供一定的參考。