墻壁機械開關的短鍵程優化研究

施 狄 馬 騰 彭美南 龔光輝 王萬松

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

自2020 年開始，超薄短鍵程開關作為新的市場趨勢在市場上銷售火爆。此類開關的按鈕最大鍵程僅（2～3）mm，按鈕擺動角度僅為（1.5～2）°。此類開關更加輕薄且手感更佳。故開關行業廠商紛紛發力，推出了以超薄、短鍵程為賣點的系列新品。如圖1 所示，統計行業TOP10 廠商在16～21 年的新品上市情況，自20年首款超薄短鍵程開關出現以來，21 年行業TOP10 廠商已有4 款同定位短鍵程開關相繼上市。故針對開關擺角優化結構的運動方式進行研究，識別現有技術的優劣勢，從而輸出優化創新的機構方案，方案之間的對比及選優。

圖1 常規開關結構圖

1 常規開關結構

常規開關結構，按鈕直接扣合在過渡件上，按鈕撥打轉軸與過渡件轉軸一致。通過裝配在過渡件上的彈子活動來驅動蹺板進行翻轉。在過渡件轉軸與蹺板擺動軸之間距離限制的情況下，彈子需要到達所定的撥打行程，按鈕則需要較大角度方能使彈子活動行程到達蹺板的撥打位，如果彈子行程短，則會導致開關撥打不穩定、溫升超標、銀觸點接觸不良等性能問題，如圖1 所示。

2 現有短鍵程開關結構

至2022 年，行業TOP10 的墻壁開關廠商品牌中，已有不少廠商推出了具有各自代表性的超薄短鍵程系列產品。具代表性的有三款，如圖2 所示。

圖2 超薄短鍵程開關

拆解可知，彈子需驅動蹺板實現穩定接觸，其單邊活動行程需大于1.45 mm，而按鈕轉軸至彈子距離最長為25 mm。按照常規開關設計，根據計算，按鈕擺動角度，無法實現開關的小角度短鍵程撥打。若需實現開關擺角減小至（1.5～2）°，則需對開關增加附屬的傳動機構。下面對目前主流短鍵程開關的傳動機構原理進行詳細介紹。

2.1 行程遠端轉移結構

在常規開關的過渡件兩側加入近似雙邊等臂杠桿結構即可實現近端行程往遠端轉移。常規開關的過渡件與按鈕同軸，近端按壓行程與遠端按壓行程是線性遞增關系。當過渡件兩側加入近似等臂杠桿結構，并且按鈕轉軸與過渡件轉軸分離后，按鈕即可按壓在杠桿的遠端，此時只需在遠端側按動近端側的行程即可實現開關撥打。

由圖3 所示，相較常規結構按鈕按壓點行程“s·b”，過渡件兩側加入雙邊等臂杠桿結構后，過渡件側的擺動行程“b”可通過等臂杠桿轉移至按鈕按壓點，并且按壓點距按鈕旋轉中心的距離“s· L”不變，因，則開關擺角β即可小于α。

圖3 行程遠端轉移結構原理

通過在開關過渡件兩側加入近似雙邊等臂杠桿，從而實現近端行程遠端轉移后。開關結構的按壓力值也會產生變化。為了提升撥打手感，在使開關撥打行程減小的同時也要兼顧杠桿結構對按壓力值的影響。

設常規開關按壓時按壓力為“F”，則過渡件端的驅動力為“s·F”。在過渡件兩側加入等臂杠桿后，過渡件端的驅動力“s·F”便轉移至了按鈕按壓端。行程轉移結構的按壓力與常規結構的按壓力為“s”倍的關系。而“s”為按鈕按壓點至轉軸距離與過渡件端點至轉軸距離的比值。最終可得按壓處的力值為“s·F”。

綜上所述，行程遠端轉移結構可有效減小開關按鈕撥打的擺動角度，從而縮短按壓行程。但隨之也帶來了撥打力變大以及摩擦損耗加劇的負面效果。并且兩側增加驅動部件從而提升了材料成本與制造成本。

2.2 行程兩側縮放結構

在常規開關的過渡件兩側加入單邊費力杠桿結構即可實現近端行程往遠端縮放。常規開關的過渡件與按鈕同軸，近端按壓行程與遠端按壓行程是線性遞增關系。當過渡件兩側加入單邊費力杠桿結構，并且按鈕轉軸與過渡件轉軸分離后，按鈕即可按壓在杠桿一側的中部，此時只需在杠桿一側中部按動比過渡件端更小的行程即可實現開關撥打。

圖4 所示，常規結構按壓點行程為“s·b”，過渡件兩側加入單邊費力杠桿結構后，過渡件側的擺動行程“b”可通過費力杠桿縮放至杠桿單側中部，且行程縮小至“b/2”。根據計算，按壓點的實際行程為“b·s/(s+1)”,并且按壓點距按鈕旋轉中心的距離“s·L”不變（s ＞1），則開關擺角β 即可小于α。

圖4 行程兩側縮放結構原理

通過加入單邊費力杠桿，從而實現近端行程兩側縮放。開關結構的按壓力值也會產生變化。為了提升撥打手感，在使開關撥打行程減小的同時也要兼顧杠桿結構對按壓力值的影響。

設常規開關按壓時按壓力為“F”，則過渡件端的驅動力為“s·F”。在過渡件兩側加入單邊費力杠桿后，過渡件端的驅動力“s·F”便轉移至費力杠桿中部且放大一倍，為“2s·F”。根據按鈕處的力矩換算可得，按壓處的力值為“（s+1）·F”。

綜上所述，行程兩側縮放結構可在相同的受限的空間內更高效得減小開關按鈕撥打的擺動角度，從而縮短按壓行程。但隨之帶來的撥打力變大以及摩擦損耗也相較行程遠端轉移結構來得更大。同樣，兩側增加驅動部件提升了材料成本與制造成本。

2.3 結構優劣勢對比

對以上兩個技術路線進行比較后發現，“行程遠端轉移結構”相較“行程兩側縮放結構”，擺角縮放能力不足，但是按壓力值較優，二者結構在可制造性方面表現皆一般。詳見表1。

表1 主流結構對比表

3 創新短鍵程開關結構

目前市場主流的短鍵程小擺角開關仍存在部分缺陷，主要表現為可制造性不足，裝配困難；傳動方式存在損耗，按壓力大。為解決以上不足，對新結構的創新就有了研究價值。以下針對創新機構做詳細介紹。

3.1 行程維度轉移

類似于四節表鏈組成的“M”型多連桿結構，固定最外側的兩端后，當多連桿結構的上方高處鉸接點受到垂直向下的外力時，高點處會產生豎直向下的位移，同時中部鉸接點會產生水平方向的位移。該位移維度轉移結構即可沿用至墻壁開關產品。將中部連桿視為擺臂，擺臂與過渡件轉軸上端鉸接，通過控制過渡件轉軸上端位移來實現開關撥打。如圖5 所示。

圖5 行程維度轉移結構原理

通過對原理的深入解析可知，“M”型多連桿結構的最外側兩個連桿對于中部連桿來說僅起到活動限位作用，而由于最外側兩個連桿的限位，中部鉸接點即可圍繞確定的虛擬轉軸進行擺動動作。了解結構本質的活動原理后，為了減少零件數量，兩側的連桿即可使用軌跡槽的形式來代替。

設原結構按鈕按壓力為“F”，則翹板處對彈子活動的阻力為“F·L/d”。為保證觸點壓力不變，無論上方的驅動結構產生何種變化，翹板對彈子活動的阻力為固定值。根據翹板處對彈子活動的阻力反推機構按鈕按壓力為“F·d1·d3/（d·d2）”。帶入述具體設計數值后，按鈕按壓力為“2·F”如圖6 所示。

圖6 行程維度轉移結構按鈕按壓力計算

結合上述分析，行程維度轉移結構，可同樣通過鉸鏈實現按鈕擺角減小，結構更加穩定。但其撥打力仍然較大。

3.2 虛擬轉軸結構

行程維度轉移結構的實現方式是通過為擺臂設置虛擬轉軸，再將擺臂與過渡件轉軸上端鉸接，通過將按壓行程轉化為鉸接處位移，即過渡件轉軸上端位移，最終實現開關撥打。若上述結構去除鉸接點，通過虛擬軸形式直接將過渡件的轉軸拉高，亦可實現開關擺角減小。如圖7 所示。

圖7 虛擬轉軸結構實現原理

為了減少零件數量，亦可通過軌跡槽的形式為過渡件提供虛擬軸。通過構建結構幾何關系來進行理論計算,結合具體的結構空間限制與設計要求，可計算出各部件的關鍵尺寸設計值。

按壓力值方面，設原結構按壓力為“F”，翹板處對彈子活動的阻力為“F·L/d”。為保證銀點壓力不變，無論上方的驅動結構產生何種變化，翹板對彈子活動的阻力為固定值。根據翹板處對彈子活動的阻力反推位過渡件虛擬軸結構按鈕按壓力為“F·（d+d1）/d”。帶入具體設計數值后，按鈕按壓力為“1.64·F”如圖8 所示。

圖8 虛擬轉軸結構按鈕按壓力計算

結合上述分析，虛擬轉軸結構可僅對過渡件設置虛擬轉軸來實現擺角減小，可制造性高，并且理論按壓力值增加程度最小。

3.3 結構優劣勢對比

對比可知，“二級鉸鏈機構”在驅動性能方面不具備量產型；“行程維度轉移結構”驅動穩定，但按壓力值將明顯增加；“虛擬轉軸結構”在可制造性與按壓力值方面皆優于其它二者。

4 結論

本文針對市面上主流的短鍵程開關以及創新型的新結構，總計五種結構進行深入研究分析。

通過可制造性、穩定性、力值影響等維度進行對比。最終通過理論計算得出“過渡件虛擬轉軸”方案為上述結構中的最優方案。過程中對其中結構的理解和計算方法有了更深入理解。

1）杠桿結構的理解

杠桿的定義為：由支點、動力點（F1）、阻力點（F2）、動力臂（L1）、阻力臂（L2）組成的硬性力學系統。杠桿可分為單邊受力與雙邊受力，也可分為省力/費力杠桿和等臂杠桿。通過對開關加設杠桿部件，需調節其動力臂（L1）與阻力臂（L2）的值與位置即可實現行程的縮放與力的轉移。

表2 創新結構對比表

2）“M”型多連桿結構的理解

“M”型多連桿結構，當最外側兩個腳座固定后，多連桿即可實現將上部鉸接點的垂直按壓行程轉換為中部鉸接點的水平活動行程。最外側的兩個連桿臂起到限位作用，也可由軌跡 槽代替，中部鉸接點的水平活動即可驅動過渡件活動。

3）轉軸虛擬化

在開關設計時，由于尺寸限制，過渡件的實體轉軸無法設置于離翹板支軸較遠處，導致開關擺角無法減小。通過規定過渡件運動軌跡的形式即可給過渡件創造虛擬轉軸，虛擬轉軸可原理翹板支軸。相同的擺動行程下，轉軸越遠，擺動角度即越小。

4）短鍵程按鈕撥打力較傳統結構的近似解法

可通過設傳統開關的按鈕撥打力為“F”，根據力矩平衡的原理托算出彈子處的滑動阻力。不同結構的翹板開關，驅動原理雖不同，但彈子處的滑動阻力可認為是近似相同的。以彈子阻力相同為切入點，根據力矩平衡的原理，可反推新結構的按鈕撥打力與常規結構按鈕撥打力“F”的比值。