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小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问

导读:

很多工程师忽视间隙的设计,但是间隙恰恰能够体现工程师的设计水准。这是因为间隙在产品结构设计中占有非常重要的地位,会对产品的可装配性、功能、质量和可靠性等造成影响。

本文从手机壳的设计细节处入手,让你快速掌握间隙设计的基本原则。

01手机壳的设计细节
手机保护壳大家都用吧。
不知道大家注意到一个现象没有?在屏幕区域,手机壳会高于屏幕一定距离,可能从0.1mm~1.0mm不等。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问手机壳高于屏幕
而在摄像头区域,手机壳也会高于镜头表面一定距离。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问手机壳高于镜头
这样的设计从外观和触感来说,并不是最优的。
从外观上看,一高一低,影响美感。
从触感上来说,手一摸就有一个断差和台阶,感觉不是很美好。
那么这样的设计有什么特别的原因吗?为什么不让保护壳与屏幕持平、以及与镜头持平,这样既保证美观,又保证触感?小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问手机壳与屏幕持平这主要考虑到手机壳和手机的高度在加工制造时永远存在误差。如果在加工时手机壳高度尺寸偏小,而手机高度尺寸偏大,这会发生什么现象?
在这种情况下,屏幕就会高于手机壳。当手机跌落地面时,屏幕就有可能直接碰撞地面,把屏幕撞坏,手机壳起不到保护的作用。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问屏幕碰撞地面
所以,在考虑到手机壳和手机高度的加工误差的情况下,必须保证手机壳永远高于屏幕表面。
从本质上来说,这就是一个公差分析计算和应用的问题。
在产品结构设计时,我们需要考虑到零部件尺寸的加工制造误差,并在合适的区域预留合适的间隙,从而避免出现不应有的配合、以及装不上或干涉等不良现象的发生。
手机壳的设计就是其中的一个典型案例。如果我们把手机壳、手机屏幕和地面当成一个零部件的话,那么我们就需要在手机屏幕和地面预留一定的间隙,避免二者直接碰撞。
但是,能够认识到这一点,并充分设计间隙或断差的工程师不多。我看见过太多的产品结构设计,零部件之间的间隙统统是0,根本上没有考虑到尺寸误差和公差分析。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问

02间隙的五大设计原则
既然间隙很重要,那么如何去设计间隙呢?这里主要有五个原则:
原则一:找到贴合面,贴合面0间隙任何零部件在组装时,在每一个自由度方向上,都有一个贴合面,在贴合面上零部件互相紧紧贴合在一起。这类似于一个安装基准面或者定位基准面。
在设计间隙时,首先是找到贴合面,在贴合面处间隙设计为0。
例如,手机壳、屏幕与地面的组装中,设计意图是使手机壳与地面贴合,这样在手机跌落时,是手机壳与地面碰撞,不是屏幕与地面碰撞。
那么,手机壳与地面的配合面就是贴合面,间隙应当设计为0。

手机壳的贴合面

贴合面如何选择,可以参考以下几点:1)一般来说,贴合面垂直于零部件紧固(螺丝、卡扣和焊接等)方向上。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问卡扣设计的贴合面设计
2)贴合面一般也是大面,即面积较大的面。如果仅仅靠小面贴合,有可能组装时受力不均匀而造成零部件变形。
在卡扣设计的案例中,我们就不会把卡扣的扣合面作为贴合面。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问贴合面应该是大面
3)贴合面一般是定位基准面。当具有定位精度要求时,错误的选择贴合面会增加零部件的装配精度误差。

贴合面是定位基准面
例如,在之前的文章中曾经讲过塑胶件加强筋的设计,如果塑胶件的加强筋不是作为定位基准,而仅仅起着增加强度的作用,那么就不应该作为贴合面。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问塑胶件加强筋一般不会作为贴合面4)在零部件的每一个自由度方向上都应该有一个贴合面。唯一的例外是孔轴配合(此处不考虑传统的过盈配合等)时、或者圆柱形零部件配合时,在轴向方向上都预留了间隙,并没有一个间隙为0的贴合面。

小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问类似孔轴组装时无贴合面

否则会造成过定位,请参考文章:干货 | DFA设计指南:过定位案例

原则二:一个自由度上只能有一个贴合面
对于刚性物体,在一个自由度方向上只能有一个贴合面;如果在一个自由度上方向上存在多个贴合面,那么就会发生过定位,零部件很容易装配不上。
对于非刚性物体,原则上也是在一个自由度方向上只有一个贴合面;有多个贴合面时,则发生了过定位,在组装时容易造成零部件的变形、产生内应力,或者组装不上。

只能有一个贴合面

小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问多个贴合面,会发生过定位
很多工程师会说:我设计的产品零部件之间都是贴合在一起的,在一个自由度方向上有几个贴合面,也没有发生干涉、组装不上的情况啊?
那可能因为零部件是塑胶件,是非刚性,有弹性,可以变形,即使有一些干涉,也能组装上。
在卡扣设计的案例中,在Z方向上,靠卡扣的扣合面处必须预留间隙,否则发生过定位。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问扣合面处需设计间隙

原则三:零部件不会悬在空中零部件在任意一个自由度方向上,必须有一个贴合面间隙为0,因为零部件不会悬在空中,无依无靠。

小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问零部件悬挂在空中–不正确的设计
原则四:非贴合面预留间隙零部件之间的非贴合面需要设计一定的间隙。
例如,手机屏幕与地面之间就需要设计一定的间隙。否则,如果把手机壳、手机屏幕与地面之间平齐没有任何间隙,那么由于加工误差的存在,手机屏幕可能会高于手机壳,在跌落时与地面直接碰撞,把屏幕摔坏。

手机屏幕与地面必须设计一定间隙
在卡扣设计的案例中,卡扣的扣合面是非贴合面,需要设计一定间隙。

卡扣设计的非贴合面预留间隙

原则五:在允许的情况下,非贴合面间隙越大越好非贴合面的间隙应该放多少呢?这是一个比较难的问题,并没有一个简单的答案。
间隙大小的最小值可以通过公差分析计算出来。
例如在手机壳案例中,假设手机壳内侧高度为公差为±0.1,手机高度为7.4±0.05mm;地面为平面,不考虑公差。
如果我们采用极值法进行计算,在手机壳内侧高度最小、手机高度最值时,手机高度也不能超过手机壳高度,那么手机与地面的间隙至少应设计为0.15mm,即手机壳内侧高度值为7.55mm。小小的间隙看似微不足道,背后却隐藏着大学问公差分析的用处很多
在允许的情况下,这个间隙是越大越好。间隙越大,那越不可能发生手机超过手机壳的情形,越不容易发生屏幕摔坏的情况。同时,可以允许手机壳内侧或者手机高度较大的公差,降低零部件加工成本。
当然,这个允许的情况需要考虑很多的情形。例如,如果把手机与地面的间隙设计得比较大,即手机壳高于屏幕很多,这确实是减小屏幕摔坏的可能性。但是,这会造成手机壳与手机之间存在段差,触感会不好。

03写在最后
间隙无小事,一旦出事就是大事。很多时候出事了,还不知道根本原因是间隙设计不正确。
以上是我对于间隙设计的理解。大家如果有其它更好的想法、建议和案例,欢迎在下面留言讨论或者私信我。

来源:降本设计,本文观点不代表自营销立场,网址:https://www.zyxiao.com/p/39906

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