按压式弹性自锁机构,原理真的很巧妙

按压式弹性自锁机构,大概的意思就是按一下自动锁止,再按一下自动弹开,能实现这么个效果的机构。我们知道,一般的纯弹性机构,按压后,不能保持在固定位置,而是很快就恢复到初始的状态,而按压式弹性自锁机构,是在纯弹性机构的基础上增加了可以反复循环锁止和弹开的机构,按压后,能保持在一个特定的位置,再按一次,能很快就恢复到初始的状态,具体的表现为,可以实现两个不同行程的控制。比如圆珠笔,利用此类机构可以实现笔芯的伸出和缩回两种行程状态,具体的原理请查看上一遍文章:上课最爱玩的圆珠笔,你知道它的原理吗。本文不再重复介绍圆珠笔。

本文着重介绍的是,手机存储卡座、门扣开关、门柜反弹器、急停开关这几个案例的结构,下面逐一介绍。

01 手机存储卡座

存储卡有很多种,本文主要介绍的是TF卡,TF卡又称micro SD卡,是一种极小的快闪存储器卡,这种卡主要应用于手机,它的体积为 15mm x 11mm x 1mm,具体形状如下图:

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下图为TF卡座:

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TF卡的锁止与弹开动画:

首先,了解卡座的内部结构,这里主要起关键作用的结构有拉杆滑块(滑块上主要有拉杆导槽结构和存储卡拉钩结构)、复位弹簧(这里用的是拉簧,有些卡座用的是压簧,用压簧的话,结构是反过来的);存储卡这边起关键作用的是与卡座相对应的锁止槽

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具体的原理如下:

1.锁止过程:当存储卡往卡座内按压进去时,存储卡会推动滑块往里运动,滑块在运动过程中,拉杆会自动地沿着导槽(图示红色轨迹)运动,松手后,拉杆运动到凹槽处,滑块在复位弹簧的作用下理应复位回初始的位置,由于被拉杆勾住滑块凹槽处,滑块是无法复位的,滑块被锁住在这个位置,这个位置也是存储卡插进去后的的位置。

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2.存储卡被锁住过程:第一步骤中,存储卡只是充当了按压杆的作用,你用一根细小的针同样也可以把滑块按压进去并锁住。存储卡被锁住的原因在于,存储卡的锁止槽被滑块的拉钩拉住。

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3.弹出过程:再一次按压存储卡时,拉钩会自动地沿着导槽(图示轨迹)运动,松手后,拉杆回到起点,滑块在复位弹簧的作用下复位回初始的位置,此位置也是存储卡弹出后的的位置。

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关键点:拉杆为什么每次都是会先沿着红色轨迹运动,然后再沿着黑色轨迹返回,而不是反过来?

巧妙之处就在导槽的设计上,每个转弯处都设计有台阶,以至于拉杆只能沿着特定的轨迹运动而不能逆行。

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02 门扣开关

门扣开关,或者叫按压式锁扣,当然叫法有很多种,主要指以下这种具有自锁和弹开功能的锁扣,由于安装简单方便,常应用在一些轻巧的门盖上,比如以下这个垃圾桶。

各种门扣开关的形状大小各有区别,原理大致一样,本文主要以其中一种常用的门扣开关进行介绍,实际上,它主要由以下4个结构件组成,外壳、卡扣、拉杆、弹簧,其中外壳上有导槽,卡扣需要与拉钩配合使用才能实现门盖的锁合。

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具体的原理如下:

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按压过程

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拉杆轨迹

1.锁止过程:通过对拉钩按压间接对卡扣施力,卡扣往下运动5.8mm左右,同时带动拉杆沿着图中轨迹运动到“1”位置,拉杆开始进去入导槽,松手后,拉杆沿着图中轨迹上移1mm左右到达“2”位置,然后被卡住。(拉杆上移1mm的过程中,卡扣、拉钩也跟着上移1mm)

2.弹出过程:再次按压拉钩,卡扣往下运动1mm左右,同时带动拉杆沿着图中轨迹运动到“3”位置,拉杆开始离开导槽,松手后,拉杆沿着图中轨迹上移到达“4”位置,最终回到起点。

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拉钩被锁住的过程:拉钩推动卡扣向下运动的过程中,两边的卡扣由于遇到外壳的卡位,导致卡扣会以铰链为旋转轴向中间转动,直到卡住拉钩。

关键点:拉杆为啥会自动进入导槽,并在导槽的过程中自动向右移动,而不是反过来向左返回?

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玄机就在拉杆的转轴上,转轴不是圆型的,而是一个半圆型,弹簧压紧后,转轴半圆上的平面与卡扣对应的平面贴紧,此时,拉杆的初始状态与竖直方向行程一个角度,所以当拉杆沿着斜面向左下移图示位置是,在弹簧的作用下,拉杆自然而然受到一个向右偏转的力矩,同理,当拉杆脱离导槽时,拉杆受到一个向左偏转的力矩,直到拉杆恢复到初始位置。

03 门柜反弹器

门柜反弹器主要应用于家装的一些储物柜、衣柜、抽屉等需要经常开启的门盖,主要的优点是,外观上可免去拉手,操作简单,整体效果简洁大方。

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原理上其实跟手机储存卡座的原理差不多,这里就不重复介绍了,可以参考以下动画。主要区别在于门盖的锁止方式,门柜反弹器与门盖的锁止方式采用的是磁吸。

04 急停开关

急停开关最基本的作用就是在紧急情况下的切断电路,让机器停止工作或保持当前状态,避免机械事故或人身事故,一般常应用于涉及到人身安全的机器设备上,比如机床、电梯、地铁等设备。

急停开关跟普通开关的主要区别在于,急停开关都是使用常闭触头,急停开关按下后能够自锁在分断的状态,只有旋转后才能复位,这样的设计是为了防止误操作解除停止状态。急停开关都是红色,蘑菇头,便于拍击,有些场合为防止误碰,还加一个防误碰的盖,翻开保护盖后才能按下急停开关。

急停开关主要分为两大部件,机械部分和电气部分,电气部分本文就不过多介绍了,主要介绍的是机械部分,机械部分主要实现的是按下后自锁,再旋转后复位这一功能。以下以其中的一款急停开关进行介绍。

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机械部分起作用的主要是以下几个部件

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具体的原理如下:

1.锁止过程:按帽和卡座其实是通过 螺钉固定在一起,当按压按帽时,间接推动卡座往下运动,直到基座上金属卡环(形状类似扭簧)刚好卡进卡座上两边的凹槽。

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2.复位过程:当对按帽旋转一定的角度时,卡座对应的凹槽脱离了基座上的金属卡环,在弹簧的作用下卡座和按帽都上移到原来的高度,这是解锁过程。但是并没有复位回到初始的位置,也就是说之前顺时针旋转了一个角度,此时必须要逆时针旋转一个同样的角度才能回到初始的位置,以便进行下一次的锁止过程。

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关键点:怎么样在解锁的过程中,让按帽和卡座逆时针旋转一个角度复位回到初始位置呢?

巧妙之处就在弹簧,按正常理解,压簧只提供轴向方向的弹力,扭簧提供沿轴扭转的扭力,有没有办法能让弹簧同时提供弹力和扭力呢。

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结合压簧和扭簧的特点,压簧两端多出一小段,安装弹簧时,多出的两小段分别卡进按帽和基座对应的限位孔,并对弹簧顺时针扭转一定的角度,最后通过底部的螺钉锁紧,这样在初始位置,按帽就受到一个往逆时针方向的预紧力(注意限位,避免按帽在初始位置时就往逆时针转动),所以当对按帽顺时针旋转解锁后,按帽就会自动逆时针旋转回到初始位置。

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以上几种是常见的利用按压式弹性自锁机构的案例,当然可能还有其他更具代表性的案例,只是作者并不知晓,本文着重的是对原理的理解,具体的详细结构应根据具体的应用场景设计。实际上本作者已经对以上的手机储存卡座、门扣开关、急停按键都进行了实物拆解,这样对帮助理解有很大的好处;同时为了让广大朋友更好地理解,特地花了不少时间收集动画素材甚至拍照视频,并且作图,虽然处理得不尽人意,但对于理解内容应该还是有帮助的。

最后,整篇文章从构思、收集资料、拆解、拍照、画图、码字,这一过程花了大量时间,所以每次更新并不是很频繁,请谅解,同时,也希望输出的内容是对大家有帮助的,而不是浪费大家的宝贵时间。在此,再次感谢大家一直以来的关注与支持!

END


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