作者： Bill Schweber

工程學(xué)的本質(zhì)，在于綜合運用藝術(shù)與技術(shù)，在尺寸、重量、功率、成本、性能與可制造性等各種屬性之間實現(xiàn)矛盾平衡。無論是小型組件還是大型系統(tǒng)的設(shè)計人員都面臨著這一挑戰(zhàn)。仔細觀察為滿足汽車要求而重新設(shè)計的一系列小型開關(guān)，可以看出創(chuàng)新重點以及設(shè)計和制造的精妙之處。

汽車限位開關(guān)目前的困境

瞬時接觸開關(guān)和自鎖開關(guān)是基本單功能器件，這類開關(guān)已普及多年并且設(shè)計制造也看似很簡單。然而，開發(fā)一種能夠滿足多種電氣和機械要求、性能可靠且可以大批量生產(chǎn)的開關(guān)卻并非易事。為此，這類開關(guān)必須滿足有關(guān)尺寸、觸頭額定值、操作力、操作角度等一系列要求。

這就是 Omron Corp. 設(shè)計人員在開發(fā)一個可以指示車門開關(guān)狀態(tài)的小開關(guān)時面臨的難題。現(xiàn)代汽車的車門比以往更薄，且具備許多其他功能，因此外形是否緊湊至關(guān)重要。

因此，按鈕動作距離只有幾毫米，可確保開關(guān)結(jié)構(gòu)能夠阻止執(zhí)行器接觸按鈕；否則，正常的關(guān)門動作會損壞開關(guān)?？煽啃砸约皭毫硬僮鳝h(huán)境下的 IP67 防水防塵等級使問題變得更加復(fù)雜。

這里所需的開關(guān)類型稱為快動限位開關(guān)。這類開關(guān)具有限定的內(nèi)部行程，響應(yīng)靈敏，且提供可調(diào)柱塞/推桿、撥動、擺桿、滾輪、錐形、簧片、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動、彈簧、微觸桿及拉索等多種樣式。當(dāng)今的超微型密封開關(guān)，例如 Omron D2SW 系列（圖 1）開關(guān)，是 20 世紀 30 年代開發(fā)的經(jīng)典微動開關(guān)的后續(xù)產(chǎn)品，至今仍廣泛使用。該系列的內(nèi)部設(shè)計和操作機制與家用電器或臺式儀器中使用的“通斷”開關(guān)不同。

圖 1：D2SW 系列作為經(jīng)典快動限位開關(guān)的典范，數(shù)十年類憑借卓越的性能深受設(shè)計人員的青睞。（圖片來源：Omron Corp.）

Omron 團隊評估了現(xiàn)有開關(guān)觸發(fā)機構(gòu)的配置，涵蓋擺桿式水平觸發(fā)、無桿直動式觸發(fā)及斜角凸輪觸發(fā)等結(jié)構(gòu)。每種配置方案都獨具優(yōu)勢，但在開關(guān)按鈕按壓角偏差、機構(gòu)體積、持續(xù)性磨損點等關(guān)鍵參數(shù)方面，均存在無法避免的缺陷。

新理念指明方向

針對汽車車門等應(yīng)用對小型化可靠限位開關(guān)的嚴苛要求，Omron 設(shè)計人員在其 [D2EW]系列常開 (NO) 和常閉 (NC) 開關(guān)（圖 2）中采用了創(chuàng)新方法，例如 NO [D2EW-B03H]和互補型 NC [D2EW-B02L]。這些緊湊型密封開關(guān)可以在多個方向和角度上進行操作。

圖 2：創(chuàng)新設(shè)計使 D2EW 系列超小型密封開關(guān)能夠從多個驅(qū)動角度操作。（圖片來源：Omron Corp.）

Omron 團隊意識到三角形按鈕可以實現(xiàn)水平操作，無需使用占用空間的杠桿。然后，他們確定了按鈕傾斜的最佳角度，以實現(xiàn)可以從上方可靠按壓的形狀。這使得這種開關(guān)僅需極小的行程即可實現(xiàn)接通和斷開，而無需傾斜的水平凸輪及相關(guān)的空間和復(fù)雜性。

這種按鈕設(shè)計實現(xiàn)了無杠桿也能從多個角度進行操作。這種設(shè)計僅需幾個毫米的行程即可水平接通和斷開觸點（圖3（上）），也可進行豎向按壓操作（圖3（下））。

圖 3：D2EW 開關(guān)的按鈕設(shè)計實現(xiàn)了尺寸和行程最小化（上方），并且可以從上方以一定角度以及從左側(cè)或右側(cè)（下方）進行操作。（圖片來源：Omron Corp.）

符合 IP67 標準

毫無疑問，這種新的按鈕形狀帶來了新的問題。這種異乎尋常的三角形按鈕極難密封。傳統(tǒng)圓形按鈕采用熱熔填縫工藝，其樹脂加強筋偏向按鈕本體，并與橡膠密封帽咬合在一起，實現(xiàn)了牢固密封。然而，D2EW 按鈕的體積約為圓形按鈕的四倍，因此增加了橡膠帽的尺寸，沒有留下容納樹脂壁的空間。

該解決方案將分析與試錯法相結(jié)合。設(shè)計人員選擇通過卡扣式連接來密封外殼和橡膠帽，其中橡膠帽夾在外殼和蓋子之間，具有足夠的壓力來滿足 IP67 要求。然而，與能夠在各個方向上均勻施加壓力的圓形蓋子不同，這種蓋子的橢圓形底座會導(dǎo)致緊密度發(fā)生變化。為了克服這個問題，該團隊設(shè)計了一種使按鈕盡可能接近圓形的形狀。他們還調(diào)整了橡膠帽的形狀和橡膠厚度，以補償負載變化。經(jīng)過幾個月的反復(fù)試錯，他們終于找到了最佳形狀。

按鈕內(nèi)部也發(fā)生了變化。D2EW 器件采用帶滑塊按鈕，滑塊位于按鈕底部，按下按鈕時滑塊會向側(cè)面滑動。與傳統(tǒng)的按鈕和滑塊不同的是，這種開關(guān)的按鈕和滑塊同時移動。將多接觸面集成為單表面，實現(xiàn)了用最少組件就能實現(xiàn)觸點閉合和打開，且易于組裝的結(jié)構(gòu)。

結(jié)語

D2EW 系列采用了獨特的創(chuàng)新按鈕帽和內(nèi)部設(shè)計，既可以直接對其進行按壓操作，又可以從任何角度按壓，盡管執(zhí)行器行程只有幾個毫米。該設(shè)計使其非常適合當(dāng)今外形更薄、部件更擁擠的汽車車門，同時還能承受車門猛烈撞擊和惡劣的條件。