旋轉插頭設計驗證及可靠性研究

江朝軍，余嘉，沈存輝，付杰，王凌霄，李平

（公牛集團股份有限公司，慈溪 315314）

引言

隨著工業4.0時代的發展趨勢，越來越多用戶要求及需求也不斷提高，無論對數字化與智能化的需求還是對生活品質的要求都會發生本質的變化，現代化的時代促使整個社會的發展與進步，作為制造業更要率先走在時代發展的最前沿，精準快速識別用戶需求，正確理解用戶需求，通過市場調研，用戶反饋大數據的收集與整理統計分析，從而做到內部的有效轉換，落實到客戶應用層面的切實需求與期望，當然作為傳統制造業也許隨時代的發展與進步做快速轉型才可實現持續發展，未來制造業一定是將產品設計轉換為用戶場景化設計，結合用戶場景化，市場調研，用戶畫像，去真正了解用戶產品在實際使用過程中的痛點、要求、方法、步驟、體驗感從而設計出不但滿足標準的產品，更要滿足客戶應用多場景化及可靠、安全、穩健性產品；當然本項目也是對旋轉插頭的整個安全性與用戶體驗舒適感著手研究與設計驗證。

1 設計背景

基于用戶舒適感體驗與多場景化使用，從根本上解決用戶使用插座時，因插座孔位距離而造成的插座容量減少、因不能任意使用自由方向位置轉向而苦惱，因不能轉向而強制轉向所造成產品電源線連接處的損壞而帶來的安全風險與功能失效等用戶應用層面的問題（圖1、圖2），所引發的使用體驗感不佳與安全隱患；最終我們希望通過旋轉插頭研發設計的誕生而解決這一系列問題。

圖1 孔位遮擋案例

圖2 插頭線強行彎曲案例

2 設計工作原理及方案對比分析

2.1 設計工作原理

設計方案原理通過（圖3）：導電環與電源線連接，同時導電環由內心固定，當上下蓋組裝完成后，U形環靠自身彈力作用使內心向上蓋側運動使接觸到插銷，此時插銷與導電環接觸位置存在接觸壓力，從而電源線與插銷導通，插銷支撐架固定，支撐架可以帶動插銷實現自由旋轉接觸功能。

2.2 方案對比分析（圖3）

圖3 U形環式旋轉插頭

采用U形彈片靠自身彈力作用使支撐架②向上蓋側運動使接觸到插銷，本身U形環作為接觸片與導電環的旋轉重要導電連接部分，在使用時由于旋轉U形環本身材質（65 Mn）結構問題導致接觸片與導電環接觸面摩擦力過大，磨損嚴重，在經過長期使用會帶來溫升、電氣強度、的潛在質量隱患。

2.3 設計工作原理

設計方案原理通過（圖4）：導電環與插銷通過一體式注塑成型連接，由支撐架做固定，彈簧直接固定在下蓋，彈簧裝于凹行接觸端子內作為彈簧導向，凹形接觸端子由支撐架固定導向，上下蓋組長完成后，彈簧自身彈力作用使凹形接觸端子與導電環接觸，最終使電源線與插銷導線。

2.4 方案對比分析（圖4）

圖4 彈簧式旋轉插頭

采用彈簧式，接觸壓力可有效解決日常使用旋轉使，由于導電連接片的磨損而導致接觸電阻過大及電氣強度不符合現象，彈簧的作用可以在導電連接片由輕微磨損使可以通過彈簧的彈力補償導電片與導電環的安全有效接觸面積，使其始終保持良好安全接觸；彈簧的接彈力與摩擦力系數通過數據驗證分析選取最優值，具體科學計算方式如下：

假設上下蓋合攏后L/N極連接片受到的壓力為F為50 N，分別作用于導電環L/N上，兩個導電環各承受25 N的壓力，其所產生的摩擦力：f=uF=0.04*25=1 N（u值來源于實驗室測試數據），彈簧的彈力為：f=uF（其中u為摩擦系數，實驗室得到數據為0.04）。

F=kx—k=F/x（k為彈簧系數）

即：K=11.6/4=2.9 kgf/cm，Cd/8 D3m=Cd/8 C3n

式中：

G—切變橫量；

d—材料直徑；

D—彈簧中徑；

n—有效圈數；

C—旋轉比；

G—線材的剛性模量，琴剛絲為：8 000；

d—彈簧線徑；

Dm—彈性中徑；

Dn—彈簧有效圈數等于5，取K值≤3.8，最終計算結果選取直徑為0.45 mm彈簧。

3 驗證方案

通過設計方案對比與驗證分析對兩款設計結構產品進行測試驗證，具體驗證方案[2]如圖5。

圖5 驗證方案

4 數據分析

4.1 溫升驗證數據分析

通過對兩個方案的設計驗證：溫升數據分析對比采用圖3方案：U形環式結構式旋轉插頭在經過10 000次旋轉壽命后的溫升[2]（標準要求L/N極配線用14 AWG電子線，長度為38 mm的銅線短接，通額定電流電壓，持續工作4 h，試驗后溫升≤30 K）測試3個樣品，每個樣品的L/N測試12個點，83～87 %的點位都超出標準值30 K，而方案4彈簧式結構旋轉插頭在使用同樣方法與樣板量時，溫升值顯示全部合格，且L/N平均值在[15～17 K]區間內，標準偏差的離散型在[1.8～2 K]區間范圍內，整體數據呈現均表現良好。

4.2 耐壓驗證數據分析

通過對兩種方案的設計驗證：在壽命10 000次后，施加標準[3]要求在不同極性之間的1 250 V/min電壓，在進行圖3方案：U形環式結構式旋轉插頭驗證時，出現擊穿現象，導致擊穿根本原因為產品的結構式定位不夠精準，在運動過程中，零件間的相互位置易不停發生改變，造成在某些結構局部位置L/N極由于內部運動導致間隙過近，產生高壓不良，而方案4彈簧式結構旋轉插頭采用的導體結構連接為彈簧式接觸壓力式凹槽連接方式，將接觸端子固定在導向槽內，完美規避因結構配合或者使用旋轉偏離中心軌道而導致電氣間隙不足的潛在質量風險。

4.3 壽命驗證數據分析（圖6）

圖6 壽命驗證數據分析

通過對兩種方案的設計驗證：插頭以360 °旋轉，先通過一圈的順時針運動，在逆時針運動一圈，旋轉測試設備檢測儀器以每10 /min的速率，檢測壽命共10 000次后，圖3方案：U形環式結構式旋轉插頭外殼（材質ABS）出現不同程度破損，因旋轉內部結構張力且ABS材料的不足特性（ABS的彎曲強度和壓縮強度屬塑料中較差的）導致出現問題的產生，而圖4方案：彈簧式結構旋轉插頭采用的外殼材料為PA66，其特性有較高溫度也能保持較強的強度和剛度，在加上內部結構一體化設計的配合完美解決了此缺陷問題。

5 設計細節對比（見表1）

表1 設計細節對比

6 結論

綜上所述，建議2點：

1）旋轉插頭的前期設計開發應綜合多維度考量，不單純考慮產品的成本、制造工藝、產品結構布局、功能實現、工業設計、更要考慮產品的DFM、真正從IPD流程理念模式進行產品開發，設計出滿足多場景化應用需求，在體驗感、使用安全、使用壽命、進行產品信賴度設計引入，本項目設計開發融合了標準化的產品設計理念，具體項目本身可從設計研究美標旋轉插頭產品的整個內部結構布局及驗證要求可參考上述驗證《設計工作原理2》、《方案3》、《數據分析4》、《設計細節對比5》等設計案例進行借鑒。

2）設計師本身：可以很好的說明，產品設計的重要性不是體現在單一化，而是多元化，產品設計階段核心要全面確定整個產品的結構、規格，從而確定整個生產系統的布局，因而，產品設計的意義重大，具有“牽一發而動全局”的重要意義。如果一個產品的設計缺乏生產觀點，那么生產時就將耗費大量費用來調整和更換設備、物料和勞動力。相反，好的產品設計，不僅表現在功能上的優越性，而且便于制造，生產成本低，從而使產品的綜合競爭力得以增強。許多在市場競爭中占優勢的企業都十分注意產品設計的細節，以便設計出造價低而又具有獨特功能的產品。許多發達國家的公司都把設計看作熱門的戰略工具，認為好的設計是贏得市場與顧客的關鍵。作為一名合格的設計開發人員，不但會設計產品，更要掌握設計前期需要輸入，從掌握標準—了解市場動態—識別用戶關注點—用戶應用場景等多維度結合，才能真正意義上設計符合用戶需要安全、可靠、穩健的產品。