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小小的间隙看似微不足道，背后却隐藏着大学问

钟元

1年前浏览478

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。

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。

▲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。

▲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？

▲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。

▲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。

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。

▲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。

▲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。

▲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。

▲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

▲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。

▲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。

▲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。

▲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。

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。

—END—

来源：降本设计

碰撞焊接

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首次发布时间：2023-11-13