軍用轉動開關帽防脫落設計技術研究

張斌強

摘要：飛機座艙中設計有多種多樣的儀表，為了確保良好的人機交互功能，往往需要設計各種旋鈕開關，以便控制和輸入各種參數。但由于開關旋鈕為機械部件，在實際使用過程中，由于頻繁操作或者意外施加的大扭矩，常常會出現轉動開關帽脫落的問題，本文在對開關脫落問題原因分析的基礎上，針對性地提出了防脫落設計改進措施，并經仿真驗證，完全能夠滿足在復雜環境下的使用要求，解決了產品在長期使用過程中外場頻繁出現開關帽脫落的問題。

關鍵詞：開關帽;防脫落

引言

在機載座艙顯示儀表中，諸多人機交互操作離不開旋鈕。旋鈕 是數量最多且使用最頻繁的人機交互接口之一。實際中，旋鈕作為 開關，可以有效地控制產品的狀態或者作為產品的電源控制開關。 還可以作為調節器，實現參數的調節等。常規的開關旋鈕結構是將 旋鈕帽緊固在轉動開關的扭桿上，長期使用過程中容易受力不均， 嚴重時導致旋鈕帽脫落。

某型產品面板上使用了開關旋鈕，在外場使用過程中多次出現 了開關帽脫落的問題，針對該情況，進行了深入的原因分析，并提 出了有效的設計改進措施。

一、軍用轉動開關介紹

以美國科爾（COLE）公司生產的兩檔波段開關A1136-102P為 例，該型號屬航空專用產品，符合美軍標MIL-S-3786標準要求。 其溫度范圍-65°C～85°C，其他濕熱、鹽霧等環境測試符合 MIL-STD-202要求，開關壽命25000轉，使用海拔高度21336米， 其操作使用力矩要求最小21.2N.mm，最大42.33N·.mm。

開關帽通常為圓形孔，套置在開關軸上，固定方式使用的是常 規的雙螺釘固定方式，兩個螺釘角度成120°分布。

二、開關帽脫落問題及分析

在實際使用過程中，產品中會經常出現開關帽脫落的問題，經 過分析，主要存在以下問題：

（一）開關帽內孔為圓形

圓形孔沒有充分利用開關軸的”D”形結構，讓旋鈕與開關軸 直接平面進行貼合，均勻受力，而是通過螺釘支點接觸，使得旋鈕 的固定、支撐完全依賴螺釘頂部擠壓開關軸來實現，應力集中在螺 釘頂部與開關軸接觸面處。旋鈕在使用過程中施加的轉動力矩，所 產生的應力再度在螺釘頂部與開關軸接觸面處集中，使得應力容易 超過開關軸材料的強度，開關軸受損而形成凹痕。

（二）過大的旋轉扭矩

參照GB/T14775-1993《操縱器一般人類工效學要求》 ，直徑 10mm～100mm，操作力矩為20N·mm～500N·mm，而A1136-102P轉 動開關的軸直徑為12mm，開關實際轉動所需的最大扭矩為 42.33N·.mm，當操作者意外施加了較大的力矩時，假設對旋鈕施 加5 倍開關實際力矩，即200N·mm，通過ANSYS結構應力分析。從 仿真實驗的結果可以得出， “D”形軸端面應力值最大約為270.4MPa， 雖未超出開關軸材料（銅）的強度極限295MPa，但已超出屈服極限 160MPa，因此在受到意外較大扭矩的情況下，也會存在開關軸受損 的可能，最終導致開關帽的脫落。

三、防脫落設計

（一）防脫落設計改進措施

根據上述原因分析，采取如下改進措施，以避免開關帽的脫落 問題。

（1）將開關帽內孔由圓型孔更改為”D”形孔，使之與開關”D”形軸相匹配;

（2）將原先120°分布分布的開關帽緊固螺釘孔，更改成90° 分布方式，且緊固螺釘不再直接作用于開關軸的端面上，而是垂直 作用于開關軸的圓柱面上，僅起到防止松脫的效果。

（二）仿真驗證

對更改后的旋鈕僅從施加旋鈕扭矩進行開關軸受到的應力分 析。從應力角度出發，按實際情況進行仿真分析。

先從開關操作實際需要力矩開始，施加50N·mm力矩，應力分 布云圖，如圖1所示。

D 形軸端面應力值約為26.02MPa，與材料的屈服極限160MPa 比較，安全系數值為160/26.02=6.2，與之前3.8倍增加了近3 倍， 完全能滿足正常操作要求。

從安全系數出發，施加5倍開關操作力矩200N·mm力矩，由 于為圓形旋鈕，操作旋鈕通過摩擦傳遞扭矩，考慮手套織物和金屬 噴漆面摩擦系數，取0.5，則200N·mm相當于操作人員以33N的力 捏在旋鈕（指握操作）上旋撥且不發生打滑的最大扭矩，查 GB/T14775-1993操作器一般人類工效學要求，使用大拇指按動按鈕 的作用力范圍為8～35N應力分布云圖。

由此可知，改進后的旋鈕結構，能滿足5 倍開關操作力矩 200N·mm要求，符合GB/T14775-1993操作器一般人類工效學極限 要求。另外，改進后的產品在外場實際使用過程中，再未出現過開 關脫落的現象。

四、結束語

通過對軍用轉動開關帽脫落原因的分析，針對性地提出了改進 設計措施，并通過仿真驗證的方法及外場飛行驗證，表明了改進措 施合理，可以有效解決開關帽在長期使用過程中出現的脫落問題。

參考文獻：

[1] GB/T14775-1993. 操作器一般人類工效學極限要求。

[2] COLE A1136-102P datasheet.

[3]丁欣碩，ANSYS Workbench 17.0有限元分析從入門到精通， 出版社：清華大學出版社，2017.04