墙壁插座插入力影响因素分析

黄林平 朱飞杰 赵立锋 冷天霖 伍伟权 高 政

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

前言

墙壁插座主要由面板、面盖、保护门、弹簧、压板、固定架、内部插套五金件组成。插头插入时，保护门滑开，露出插套，插头继续插入后插销与插套形成回路，从而通电。本文首先通过调研、用户体验，识别出最合适的插座插入力的数值。然后从插座的保护门结构、零件材质、插套结构等方面找出影响插座插入力的关键因素，并对这些因素进行分析。

1 墙壁插座插入力调研

通过墙壁插座插入力进行的调研，使用了足够多的插座样品，调研了足够数量的用户，包括普通用户、从事与插座相关行业的相关用户而且这写用户是不同区域、不同年龄、不同性别的，总共调研了1 000人员样本，得出用户接受的插入力值分布如表1所示。

表1 最好插入力样本分布情况

通过表1插入力值与接受样本数，可以发现插入力值在（30～35）N之间是最理想的插入力。

2 墙壁插座插入力影响因数

为了分析研究插座的插入力主要影响因素，需要对其中插座的结构组成进行分解，了解插座的结构功能，识别可能影响插入力的插座结构[1]，插座的结构如图1所示。

图1 插座的结构

插座的工作原理：电器或者移动式插头插入面板和面盖的孔位，穿过面板及面盖，与保护门接触，插头会给保护门施加力，在压力和摩擦力作用下，保护门会发生移动，从而会露出插套的开口部分，插头继续插入与插套接触形成回路，电路通路，实现通电功能，拔出插头后断开电路。综合来说，主要影响插入力的零件是保护门、弹簧和插套，对这三个零件的材质与结构如何影响插入力大小进行分析。

2.1 保护门的材质对于插入力的影响

保护门常见材质是聚酰胺 PA（俗称尼龙），主要使用PA66，其有较好的拉伸强度、抗糯变，良好的耐磨性、耐化学品性、耐热性，较其他的工程塑料，有突出的自润滑性，磨损量和摩擦系数很小，表2是常见工程塑料的摩擦系数。

表2 常见工程塑料

通过这些摩擦系数，我们可以发现，保护门使用尼龙材质，摩擦系数较小，利于保护门的滑动，其良好的耐磨性，拉伸强度，耐热性，保证其在反复插拔中，不会变形，磨损较小，可以承受摩擦起热，图2，图3分别是正常插拔操作前的保护门与插拔5 000次后的保护门，可以看到插拔5 000次后的保护门，经过测试后磨损比较轻微，插入插头依然不会有卡滞现象，表明了尼龙材质保护门优越的力学性能和耐磨性能。

图2 正常插拔前保护门

图3 正常插拔5 000次后保护门

2.2 保护门的结构对于插入力的影响

以常见的二插保护门为例，保护门是安装在面盖里，下端在压板上滑动，底端的凹槽和压板的凸筋相互配合，保证保护门可以做直线滑动，插头插销垂直插入插孔，推动保护门并克服保护门与压板的摩擦力以及弹簧的弹力，直至保护门漏出插孔，插头插销可以完全插入插座，如图4所示。

图4 保护门与面盖及压板配合结构

下面对保护门的受力情况[2]进行简单分析，如图5所示。

图5 保护门受力分析

忽视保护门自重的情况，及设弹簧自由状态下F弹为0，在插入力F克服保护门的摩擦力f1和压板的f2下，依然能向左移动（打开保护门），根据牛顿定律，力学分析 ：

μ1Fcosθ+μ2Fcosθsinθ ≥ μ2Fcosθ2

θ≥17 °

在θ≥17°，保护门不会自锁，

取插头插销与保护门摩擦系数μ1为0.4，取保护门与压板摩擦系数μ2为0.6；

通过手板验证保护门的角度一般会取35度以上，保证插头插销可以更好的插入，也更容易克服保护门自身的摩擦力。

2.3 弹簧的结构对于插入力的影响

插入力的大小与弹簧弹力有关，由弹簧弹力公式：

式中：

k—弹性系数；

x—形变量。

弹簧压缩形变[3]，形变量x与保护门的移动距离有关，保护门的移动距离和插销插入插座的宽度有关，一般插座的插孔都是按照国标设计，所以x值基本固定，所以影响插入力和弹簧的弹性系数有关，如下弹簧的弹性系数c计算公式：

式中：

c—弹簧的刚度，（即弹性系数，中学物理也叫倔强系数k）；

F—弹簧所受的载荷；

λ—弹簧在受载荷F时所产生的变形量；

G—弹簧材料的切变模量，（钢为8×104MPa）；

d—弹簧丝直径；

D2—弹簧直径；

n—弹簧有效圈数；

C—弹簧的旋转比（又称为弹簧指数C=D2/d）

根据上面的公式，弹簧的弹性刚度（弹性系数），是弹簧的根本属性，选择合适属性的弹簧对于插入力的至关重要；通过手板验证c取（0.28 ～0.4）N/mm插头插销插入弹簧可以很好的压缩以及拔出插头能很好的回弹，并且插入手感也很好。

2.4 插套的材质对于插入力的影响

插套常见材质是锡磷青铜，主要使用QSn6.5-0.1，其有高的弹性、强度、耐磨性和抗磁性，可切削性良好、在大气、淡水中耐腐蚀。表3为QSn6.5-0.1材料的化学成分。

表3 QSn6.5-0.1化学成分

通过化学成分的锡Sn元素含量，我们可以发现插套的具有很好的弹性性能，可以保证插套能经受多次的插入后依然具有很好的弹性保证插头的插销能有很好的接触，通过对比正常操作5 000次前后插套的形状可以看出，正常操作前与5 000次正常操作后的插套形状变化不大，如图6、图7所示。

图6 正常操作前插套

图7 正常操作5 000次后插套

通过测试仪器测量出正常操作前与5 000次正常操作后的插入力曲线如图8、图9所示，对比曲线可以得出插套在经过5 000次正常操作后依然能有很好的弹性，插入力变化不大。

图8 正常操作前插入力曲线

图9 正常操作5 000次后插入力曲线

2.5 插套的结构对于插入力的影响

插套的结构是影响插入力大小的最关键的因数，下面以R型插套[4]的结构进行分析，插销插入时需要将W2的尺寸撑大到1.5 mm，需要克服的力F1和插销插入与插套斜面摩擦力f，而该摩擦力f与插套的斜角θ有关，通过手板测试斜角θ选择45 °为宜，张开力F1与张开口W2、直径D和力臂L2有关通过手板测试W2取（0.7～0.8）mm，直径D取φ4.4 mm，L2取（7.1～7.5）mm为宜；高度H值需要会比插口处的高度要高一点，是H的高度可以使直径D能做的小一点节约材料，推荐H的高度（5.7～6.0）mm，这样设计也能提高产品弹性变形能力，使得插套能有更好的寿命；如图10所示。

图10 插销插入插套起始位置

3 总结

保护门和弹簧的选择对于插入力影响至关重要，合理调整保护门的θ，可以降低插入力，弹簧自身的C值的选择，可以很好优化插入力的力值范围，稳定的插套结构可以有顺畅的插入手感，同时也会有很好的拔出手感，可以更好满足客户体验，追寻更好客户需求，需要不断的探究。