定时器操作新要求的设计

王海彬 杨恒杰

珠海德豪润达电气有限公司 广东珠海 519085

1 引言

机械式烤箱一般有三个功能选择，温度/时间/档位（上下火/热风/旋转等），定时器是时间控制的关键元器件，起计时和开关功能。结合食物的烘烤需求，定时器的计时从数分钟到数小时不等，但一般不大于2小时。为满足用户长时间烘烤需求，部分定时器带有常通功能，即设定到此位置时，烤箱可以一直工作。近年来烤箱长时间工作造成的安全事故逐步增加，为此美国UL 1026家用烘烤类产品安全法规在2016年初更新要求，针对定时器带常通功能的烤箱，如定时器的归零和常通方向是一样的，在操作时用户须增加一个动作才能使定时器触发常通功能。目的是防止在用户未知的情况下烤箱常通造成危险：

（1）用户提前手动归零时，操作力度偏大，定时器在到起始位置后继续移动，导致定时器到达常通位置；

（2）定时器发生故障，在其自动归零至零点后继续移动至常通位置。

2 定时器原理及操作

定时器是通过拧紧内部发条作为动力驱动擒纵轮传动的原理进行计时通断的，如图1所示。拧动定时器轴，定时器触点接通开关，拧动角度设定其计时时间。常通功能是内部通过走凸轮爬坡角度实现，无需动力，为能方便顺利进入常通，避免受到发条力影响，常通方向与发条拧动方向相反。

结合定时器的结构，烤箱计时启动常规操作方式，如图2所示。默认状态下，定时器在“关”位置，此时定时器触点断开电路未通。顺时针拧动定时器至计时位置，如10分钟，电路同步连通烤箱开始工作，擒纵轮经过一系列的传动慢慢释放发条力，带动定时器轴逆时针转动10分钟至零点“关”后电路断开。常通位置在零点“关”位置左侧45°，即归零方向与常通功能方向一致，触发UL的新要求。

结构及原理的限制，使得更改定时器自身结构来满足安规无法实现。为满足安规新要求，保证烤箱在北美市场正常销售，新烤箱只能重新设计一种旋钮/定时器/面板三者的配合结构。同时，为保证产品竞争力，新结构要做到易操作/低成本。

3 方案原理

面板设计挡块结构，旋钮组件（定时器）设计按键结构，两者通过弹性限位结构配合，其中定时器通过螺钉连接于面板，挡块设计于面板定时器安装孔内，旋钮组件与定时器通过轴孔配合连接。工作原理如下：当用户不使用常通功能（如图3所示），定时器归零时，面板内挡块与旋钮内按键接触干涉，定时器因限位无法到达常通位置，可以防止用户在提前关闭定时器时无意识的旋转到常通位置，同样防止定时器出现故障自动跳到常通位置而一直工作。当用户需要使用常通功能时（如图4所示），需用手指将按键往内移动（即增加一个动作），按键向内移动避开挡块干涉解除，此时旋钮可以继续逆时针旋转45°带动定时器到达常通位置。当用户需要烤箱从常通回到其他状态时，旋钮按键的斜面设计，按键与挡块此时相互让开，用户可正常旋转旋钮至零点或其余定时位置。

4 方案设计

4.1 旋钮组件

旋钮组件由4部分组成：旋钮、按键、弹簧、挡圈，如图5所示。其中，弹簧为按键按压恢复提供弹力；按键作为与面板挡块限位及操作部分，顶部凸起作为按压操作面，底部斜平面起两个作用，平面为挡块直接接触面，斜面考虑按键常通后归零时与挡块的相互让位；旋钮侧边开孔作为按键安装配合孔，中间为定时器配合轴及弹簧左右限位边，底部增加小平台支撑弹簧，平台高度与弹簧安装高度一致，便于弹簧安装后水平；按钮与挡块有效限位距离为1mm，按键行程5mm，行程过大时按键易脱出旋钮以及影响按键操作手感，增加挡圈（编号4）作为按键行程的限位，行程减小至3mm，安装固定于旋钮侧壁缺口处。

4.2 面板组件

面板定时器孔内翻边，作为与旋钮按键结构配合的挡块结构，可直接在面板翻边或者增加小零件形成翻边。

5 方案加工

5.1 旋钮组件

弹簧一端先安装至按键内侧轴内固定，按键斜向嵌入安装到旋钮通孔处，安装时弹簧另一端需放入轴左右限位边内，注意安装后弹簧需水平使按键受力平衡。挡圈装入旋钮两侧壁缺口处，热熔工装接触旋钮侧壁缺口使其在高温下融合，以此固定挡圈至旋钮处不脱落，装配后如图6所示。为保证操作寿命，按键采用PBT+10%玻纤材料，生产过程中纯原料生产不加水口料，避免脆性加大易破损。

5.2 面板组件

面板的翻边：方案一：直接通过面板开缺后向上成型翻边；方案二：翻边采用小码仔（如图7所示）无痕焊接到面板的方式形成。经过前期手板验证装配效果及对比两种方案的生产工艺，实际采用方案二执行。

5.2.1 后工序处理

面板后工序需要进行温度/时间刻度等的丝印，方案一需在丝印前翻边，凸起的翻边挡块与丝印网版干涉，刻度的形成需更改为多次移印，加工成本随之增加，多次移印导致内容刻度整体位置精度不易控制。方案二通过小码仔的方式，则可以在面板丝印后再进行焊接，后工序流程无变动，即成本不变化。

5.2.2 挡块的承受力

面板材料厚度0.4mm，即与挡板接触的平面只有0.4mm宽度，相当于按键与挡块为面与线接触，长久的使用过程中旋钮按键斜面承受挡块切边力，容易变形破损。小码仔设计2mm宽边（小于按键的行程），有效加大按键受力面，线与面接触变为面与面接触，提高了按键承受力可靠性。前期的手板对比测试，采用小码仔的方式，旋钮按键破坏性测试中最大承受力比方案一直接翻边的方式大30%，平均达到8kg扭力，避免用户误操作异常，即未按下按键强行拧动旋钮导致按键破损断裂。

图1 机械定时器内部结构

图2 烤箱定时器操作面

图4 按压让位状态

图5 旋钮组件

图6 旋钮装配

图8 小码仔装配

确定采用小码仔的设计方案，需要保证限位配合的有效性，小码仔的焊接位置精度则是第一要素。根据旋钮零点位置制作工装，平面采用耐磨不导电的电木制作，厚度2mm。定位工装分别有与面板定位轴及小码仔定位孔。定位工装轴先与面板孔配合，小码仔再放入定位工装内，如图8所示，设定无痕焊接机参数后，电极下压自动进行焊接固定。

图7 小码仔结构

5.3 成本分析

定时器常通二次动作方案的设计，增加的成本为0.8元左右，分为零件成本及人工装配成本两部分：零件成本由按键/弹簧/挡圈/小码仔组成，共0.3元，装配成本由按键安装和小码仔焊接两方面组成，共0.5元。

6 总结

通过带按键的旋钮组件与翻边面板的配合，定时器需要增加一动作才能到达常通位置，满足了UL安规对产品的新要求，为产品的出口提供了保障，低成本的设计加上简易的操作又让产品在市场上继续保持一定的竞争力。本文介绍的方案目前已经在实际产品中应用，效果良好，具有非常优良的使用价值。