下拉门式蒸烤箱的外观间隙仿真研究

包 捷 赵超一 彭定元

（广东美的厨房电器制造有限公司 佛山 528311）

引言

蒸烤箱是一种密封的对食物进行蒸煮与烧烤烹饪的电器，目前蒸烤箱品类较多，外观风格各式各样，其开门方式一般分为侧拉门与下拉门式两种，下拉门式蒸烤箱多见于中高端品类，随着用户审美的提高，其外观也是产品竞争力体现，而整机间隙是外观优劣的核心指标。

下拉门式蒸烤箱由炉门组件，腔体，底板，铰链，外罩等部件构成，主要通过铰链完成炉门下拉开启操作，其产品装配爆炸示意图参看图1，开发人员在设计蒸烤箱结构时，单个部件的尺寸公差设定依赖经验，而当零部件装配成整机后，误差累加会加剧外观间隙问题，影响产品外观，严重时会导致部件干涉引发性能故障。

图1 下拉门式蒸烤箱装配结构爆炸示意图

目前国内外采用CETOL 软件对复杂的机构进行公差分析，张先令针对空调内机两端配合外观面差问题进行仿真分析，制定并验证了整改优化方案[1]。郭亮亮，孙金鑫等建立了聚变实验堆真空室在CETOL 中的仿真模型，确定了影响目标的关键尺寸[2]。王振林针对车前罩与前大灯的间隙段差进行公差仿真分析，通过优化定位方案，加强车身制造精度[3]。

在当前的研究成果中，专门针对蒸烤箱的研究较为少见，通过CETOL 软件对下拉门式蒸烤箱外观间隙值进行仿真，找到影响外观间隙的核心关键零部件，可以对平台零部件尺寸进行合理优化，提升制程装配合格率，改善产品外观。

1 公差分析理论

公差分析是一个循环往复迭代的过程，结合产品装配关系，通过对核心部件的尺寸公差的优化分配，最终实现目标尺寸的精度要求，公差分析法一般由极值分析法与统计分析法两类方法构成。

1.1 极值分析法

极值分析法又称最坏情况分析法，即要求对应的零部件的尺寸公差都处于极限偏差。

极值法的一维状态计算公式：

式中：

T0—装配尺寸公差；

Ti—第i个零部件尺寸公差。

二维及以上状态的计算公式：

式中：

在实际生产过程中，每个零部件处于极限公差的概率较小，此方法对制造精度要求高，虽计算简单，但生产成本较高。

1.2 统计分析法

统计分析法也称概率分析法，利用统计学知识建立相应的数理模型，考虑零部件尺寸的实际概率分布，使得其公差在弹性范围内，也可满足装配精度要求。与极值法不同之处在于：在一定概率分布范围内满足装配要求即可，可适度放宽对零部件的公差要求，从而降低制造成本。

贡献度表示尺寸链各组成环尺寸公差对于封闭环尺寸公差的贡献程度大小.利用统计法计算的贡献度公式为：

式中：

Contributionxi—第i 个零部件贡献度；

σxi—第i 个零部件的尺寸标准差；

σU—组成环的尺寸标准差。

敏感度表示尺寸链中各组成环的尺寸变化对于目标尺寸的影响程度，其计算公式为：

式中：

F—目标尺寸函数；

h—零部件尺寸公差；

∆h —公差变动量。

2 仿真模型建立与分析

以某款20 L 下拉门式蒸烤箱为例，采用旋钮结合玻璃面板触屏操作模式，其三维仿真模型如图2所示，涉及的外观面有A 面，B 面等。

图2 下拉门式蒸烤箱三维仿真模型

水盒与炉门之间的间隙称为C 缝间隙，C 缝过大，影响外观；C 缝过小，开门时旋钮容易碰到水盒，产生干涉。

电脑板、门面与玻璃面板之间的装配关系参看图3，其中玻璃面板上面印有圆形按键丝印，通过双面胶贴在门面上；电脑板上面有圈状弹簧，电脑板与门面螺钉固定装配，其上的圈状弹簧接触玻璃面板内表面。当用户触碰按键丝印时，压力传导至弹簧产生微小形变，转换为电信号，触发电脑板工作。卷状弹簧理论上与按键丝印同心，实际因装配误差会存在偏心情况，偏心值超过一定数值，会存在弹簧会与丝印部分重叠，遮挡丝印，从而造成按键文字显示不全的现象，影响外观。

图3 下拉式蒸烤箱外观间隙示意图

综上所述，关于下拉门式蒸烤箱外观间隙，定义以下几个物理量观察指标，分别为C 缝间隙，左侧弹簧与丝印的圆心距，右侧弹簧与丝印的圆心距，门面与外罩A 面高低段差。其具体标准值如表1所示。

表1 外观间隙指标表

模型仿真基于以下假设：①蒸烤箱的各零部件不会发生热变形，如腔体组件，铰链，金属支架等；②所有零部件的公差分布均满足正态分布；③对间隙指标影响不大的零部件如金属发热管，排气罩，电机等部件可省略。

将三维软件与CETOL 建立通讯连接，结合各零部件的装配次序，设定好对应的约束关系，依据图纸输入对应零部件的尺寸公差。仿真结果如表2所示，根据表2可知：初始设计状态炉门与水盒C 缝间隙，左侧弹簧与丝印的圆心距，右侧弹簧与丝印的圆心距，门面与外罩A 面高低段差的sigma 水平较低，分别只有1.53，1.65，1.09，0.76。

表2 CETOL 外观间隙仿真结果

炉门与水盒C 缝间隙，左侧弹簧与丝印的圆心距，右侧弹簧与丝印的圆心距，门面与外罩A 面高低段差的具体尺寸分布图如图4所示。由图可知：

图4 外观间隙仿真分布图

1）蒸烤箱的炉门与水盒C 缝间隙实际为4.0 ～6.0 mm之间，间隙标准值为4.5 ～5.5 mm，装配成功率87.49 %；

2）左侧弹簧与丝印的圆心距实际间隙为-0.9～0.9 mm之间，间隙标准值为-0.5～0.5 mm，装配成功率为90.10 %；

3）右侧弹簧与丝印的圆心距实际为-1.2～1.4 mm，间隙标准值为-0.5～0.5 mm，装配成功率为72.60 %；

4）门面与外罩A 面高低段差实际为-1.1～1.3 mm，间隙标准值为0～0.8 mm，实装配成功率只有55.28 %。

3 优化方案

上述几项外观间隙指标偏低的主要原因是蒸烤箱的构成部件复杂，难以直接用理论分析，误差累积导致指标超差，为改善对应外观间隙指标，需对零部件尺寸公差进行优化，以炉门与水盒C 缝间隙为例，各零部件尺寸的贡献度分布截选如图5所示，由图5可知，对指标贡献度较大，且可通过工艺进行调控的尺寸有以下几个：①铰链支架上固定孔边距38.5 mm；②铰链下固定孔边距39.2 mm；③下金属支架长度67.5 mm；④铰链支架固定孔径4.5 mm。几个关键尺寸如图6所示。

图5 各零部件尺寸的贡献度分布（截选）

图6 影响C 缝间隙的关键尺寸图示

根据以上方法，针对其他外观间隙指标，找出贡献度靠前的关键尺寸并对其修正优化，具体尺寸公差修正如表3所示。

表3 尺寸公差修正表

优化后的外观间隙指标的仿真结果如表4所示，炉门与水盒的C 缝间隙、左侧与右侧弹簧与丝印的圆心距、门面与外罩A 面高低段差的具体尺寸分布图如图7所示。由图可知：

图7 优化后的外观间隙仿真分布图

表4 优化后间隙段差仿真结果

1）炉门与水盒的C 缝间隙实际为4.2～5.8 mm 之间；C 缝间隙sigma 值由1.53 提升至1.81，装配成功率由初始的87.49 %，改善至92.9 %；

2）左侧弹簧与丝印的圆心距为-0.7～0.7 mm 之间；圆心距sigma 值由1.65 提升至2.21；装配成功率由初始的90.1 %改善至97.32 %；

3）右侧弹簧与丝印的圆心距为-0.8～1.1 mm 之间；圆心距sigma 值由1.09 提升至1.42；装配成功率由初始的72.6 %改善至84.58 %；

4）门面与外罩A 面高低段差实际为-0.6～0.9 mm；A 面段差sigma 值由0.76 提升至1.08；装配成功率由初始的55.28 %改善至71.89 %。

通过优化铰链支架上固定孔边距、铰链下固定孔边距、铰链支架固定孔径、下金属支架长度等9 个关键尺寸公差，对外观间隙指标改善效果较为明显，优化手段可通过提升生产工艺制造精度实现。

4 结论

1）制定了下拉门式蒸烤箱外观间隙的评价指标，在CETOL 软件中构建起公差仿真模型，通过仿真数据表明：初始设计状态炉门与水盒C 缝间隙，左侧弹簧与丝印的圆心距，右侧弹簧与丝印的圆心距，门面与外罩A 面高低段差的sigma 水平较低。

2）结合实际生产工艺水平，根据各部件尺寸公差对于间隙指标的贡献度分布，确定对指标影响较大的关键尺寸，通过进一步优化，炉门与水盒C 缝间隙装配成功率涨幅6.2 %；左侧弹簧与丝印的圆心距装配成功率涨幅7 %；右侧弹簧与丝印的圆心距装配成功率涨幅16.5 %；门面与外罩A 面高低段差装配成功率涨幅达30 %。

3）针对工程师设计下拉门式蒸烤箱的零部件时，如铰链，外罩，支架等，为其提供理论依据，对于关键尺寸需增加精度要求，而对于非关键尺寸可在合理情况下适当放大公差，降低设备精度要求从而节约经济成本，具有较大的工程指导意义与实用价值。