汽車維修手柄工具宜人性評價分析

馬天源， 鄧艷寧

（寧波工程學院 機械學院，浙江 寧波315016）

1 引 言

隨著我國汽車保有量的不斷增長，汽車維修市場規(guī)模越來越龐大，在汽車維修的過程中，維修車間的工人要經(jīng)常頻繁地使用手柄工具進行作業(yè)，手柄工具已經(jīng)成為汽車維修車間不可缺少的有力工具。但長期反復使用不符合人機工程學的手柄類工具，容易造成工人并發(fā)肌肉骨骼疾病，嚴重影響工作效率。手柄類工具的宜人性設計對于工人的工作安全和健康，對提高汽車維修車間工人的勞動效率和工作的安全可靠性，以及對提高汽車維修的質量都有很重要的作用。為此，許多手柄工具制造商對于開發(fā)宜人性的手柄類工具表現(xiàn)出極大的興趣，并以此作為產品的重要賣點。本文通過對汽車4S 店中的汽車維修手柄工具的宜人性進行調查分析，研究汽車維修手柄工具手柄的宜人性，對于工具生產廠家開發(fā)優(yōu)質人性化的手柄工具具有非常重要的指導意義。

圖1 手柄類工具宜人性評價圖

2 手柄類工具宜人性評價指標

為了設計具有宜人性的手柄類工具，有必要分析影響手柄類工具舒適性的因素。我們通過對相關的企業(yè)調查以及查詢國內外相關文獻得出了影響手柄類工具舒適性的因素，并提出了手柄類工具舒適性評價的相關指標［1］。影響手柄類工具舒適性的因素有6 點：功能因素；操作姿勢和肌肉因素；手與手指的刺激和疼痛；手面的刺激；手柄的特點；美學。這6 個因素我們可以歸納為三層含義：功能，操作姿勢和外觀。圖1 為手柄類工具宜人性評價圖［6］。

從圖1 中我們可以看出可靠性、功能性、合手性和易用性對于使用者來說與手柄工具使用的舒適性相關度最大。而實體設計、專業(yè)外觀、樣式和好看的顏色與手柄工具使用的舒適性相關度不大。我們在手柄工具的宜人性設計時應當予以重點考慮。

3 影響手柄工具宜人性設計的因素

由于手柄類工具直接與人發(fā)生作用的是手柄，人通過手柄對工具施加作用力來控制工具，因此手柄類工具宜人性設計的核心就是工具手柄的設計。工具手柄的宜人性設計我們首先得通過分析人體手部的尺寸和人手的生理結構來進行改進，其次我們可以通過對手柄的外觀形態(tài)設計來增加手柄工具的舒適性，最后我們可能通改進手柄的材質來提高工具使用的舒適性。下面就從人手的生理結構、手柄的外觀形態(tài)設計以及手柄的材質等方面分析影響手柄工具宜人性設計的因素。

3.1 人手的生理結構

我們的手掌上有豐富的肌肉，其中最豐富的是手部的指球肌、大魚際肌和小魚際肌，而肌肉最少的部位是掌心，布滿神經(jīng)末梢的部位是指骨間肌（如圖2）。因此，工具手柄的截面形狀應該遵循人手的生理結構。根據(jù)人手的生理結構，在研究手柄工具宜人性時，將人的手掌分為A-L 區(qū)（如圖3 所示），通過工具手柄這些劃定區(qū)域的刺激，我們能更科學地評價手柄工具的宜人性［2，4］。

圖2 人體手部肌肉的結構圖

圖3 手部著力分區(qū)圖

3.2 工具手柄的形態(tài)

工具手柄的形態(tài)是否符合人體手掌生理結構，對手柄工具的宜人性影響至關重要。在研究工具手柄的形態(tài)對手柄工具宜人性的影響時，可以從手柄的重量分布及重心、工具手柄的形式、工具手柄的截面形狀以及手柄的直徑與長度等進行分析。

當手柄工具較重或操作勢姿不當時，在工作時極容易造成骨骼肌肉的損傷，對工人造成生理和心理上的影響，這樣會極大地影響工作效率和產品質量。因此，對于手柄工具的宜人性研究，工具手柄的重量分布和重心的位置對工具的宜人性有非常重大的影響。目前的手柄工具一般都是單手操作，一般的手柄工具的重量建議不應超過2kg，重量最好控制在1～2kg 之間，研究表明這一重量區(qū)間工人操作時舒適感最強。同時，要保證手柄工具的舒適性，手柄工具的重心應通過手抓握手柄的中心，這樣在操作時手腕和手臂不會發(fā)生轉動，手腕和手臂處不會承受扭力，手及手臂不會產生疲勞感［4］。

生產廠家在生產手柄工具時，會根據(jù)客戶要求生產形態(tài)各異的手柄工具。手柄工具手柄形式的選擇，關鍵取決于扭力的大小、零件的方位、工人的位置和接觸零件的方式等因素。例如，工人在選擇工具手柄形式時，要選擇工作時手腕不需要彎曲的形式，應該使工作在各種操作狀態(tài)下的手腕都保持伸直狀態(tài)。

圖4 各種手柄工具手柄橫截面圖

我們經(jīng)常用到的傳統(tǒng)手柄工具的手柄是圓形截面，圓形截面不符合手抓握時的自然狀態(tài)。當工作抓握不穩(wěn)定時，手柄非常容易從手上滑落。三角形的截面：工具手柄太寬，并且不易握緊。與此同時，當手柄的轉動時會壓迫手掌，影響操作者手部的血液流動，使人指產生麻木感。正六角形和接近橢圓的截面：這種截面是較為理想的形態(tài)，貼近人手的生理結構，而且適合手柄工具工作的方向性，手握住手柄時會產生較大的摩擦力，最適合手的抓握［3］。

除了手柄的截面對手柄工具宜人性影響較大外，手柄的直徑和長度對于手柄工具的宜人性也有一定的影響。由于人體的差異性，每個人的手掌大小各異，因此，工具手柄的直徑及長度的選擇也尤為重要。對于不同的手柄工具，例如汽車美容中用到的拋光機，工人在操作時對手臂施加的力要求不一樣，直徑及手柄長度也不同；由于維修工人性別、手長、手寬、手掌長度等不同，對于手柄的握持強度、手指力峰值等也不同，這就要求直徑及手柄工具的握把長度也不同。比如，大手使用小跨度手柄工具，或者小手使用大跨度手柄工具，維修工人所用力就很大，這很容易使人在工作過程中產生疲勞。大量的研究表明，手柄工具最佳的握把范圍大約在40～50mm 之間。為了讓維修工人有更多的抓握空間，我們建議130mm 以上的握把長度比較舒適。但是，由于手柄工具不是固定的某個人使用，因此我們在保證手柄工具的性能的基礎上，要使手柄工具兼顧宜人性要求，對于選擇最佳的手柄直徑及長度，一定要兼顧各項要求，綜合考慮，這樣才能發(fā)揮工具的宜人性。

3.3 工具手柄的材質

根據(jù)以上對手柄工具舒適度相關性圖可知，當工人在使用手柄工具時，如果出現(xiàn)出汗、無防滑處理、手柄的潮濕感、手柄的硬度以及皮膚發(fā)炎等，這些都與手柄的材質有很大的關系，手柄的材料選擇合理與否也會嚴重影響手柄工具操作的舒適性［5］。目前手柄材質的選擇主要從絕緣、質輕、耐磨、防潮防汗、握持力強等方面著手，因此大多數(shù)手柄選擇木質、橡膠以及絕緣合成材料等。目前國外較為先進的手柄工具大多選用復合層板材料，這種材料能達到手柄工具的宜人性要求。有國內的廠家在設計制造手柄工具時，為了確保手柄有較好的握持感，讓手與手柄之間有較大的摩擦力，往往對手柄部位進行表面貼層處理，這樣可以使手柄工具具有較好的握持感，減少用力，防止手柄工具滑落等［9］。

4 汽車維修工具手柄宜人性評價分析

為了更直觀準確評價汽車維修手柄工具的宜人性，我們對寧波市幾大4S 店維修車間的手柄工具使用情況進行了調研。手柄工具使用起來是否舒適宜人，可以通過汽車4S 店維修工人使用的主觀感受來進行評價。為此，我們選取了寧波的3 家規(guī)模較大的4S 店維修車間的相同類的螺絲刀作為樣本，操作者選取4S 店有經(jīng)驗的師傅，通過他們使用的感受來評價不同形狀手柄工具的宜人性。手柄的受力情況我們通過實驗室壓力傳感器進行測量，通過實驗數(shù)據(jù)與主觀評價來研究維修工具的宜人性。

本次測評選取了截面形狀分別為圓形的、正六邊形的和三角形的手柄。手柄的側面形狀分別為圓柱形、雙圓錐形、圓錐形和反向雙圓錐形（如圖5），總共12 個手柄形狀不同的螺絲刀（如表1），手柄的表面都是經(jīng)過耐磨、防滑處理過的。通過力傳感器測得的軸向力和手指作用的合力，維修工人的主觀感受（主要通過舒適度等級，將舒適度分為0～5 個等級）來進行宜人性評價［7-8］。

圖5 工具手柄的縱向形狀

表1 手柄形狀不同的螺絲刀尺寸/mm

圖6 為維修工人使用螺絲刀進行作業(yè)時，通過力傳感器測得的軸向力和手指合力隨作用時間變化圖。我們可以從圖中看出在開始使用手柄工具時，手柄的軸向力大于手指的作用合力，隨著作用時間增加，手指作用合力顯著增加并大于軸向力，使用時間長了，容易造成手指麻木、疲勞以致出泡等不舒適的感覺。

圖6 手柄工具工作時的作用力隨時間變化圖

圖7 不同形狀手柄工具的舒適度等級圖

圖8 不同形狀的手柄工具手指合力變化圖

通過4S 店維修車間工人對以上12 種不同橫截面和截面不同側面形狀的手柄工具，舒適度從高到低的是：反向雙圓錐形、圓柱形、雙圓錐形和圓錐形。三角形截面的不同側面形狀的手柄工具，舒適度從高到低的是：反向雙圓錐形、圓柱形、圓錐形和雙圓錐形。就總體舒適度而言，側面形狀為反向雙圓錐形的手柄工具舒適度最好，圓柱形的次之。橫截面形狀為三角形的手柄工具側面形狀手柄的螺絲刀在指定的使用時間內使用情況的反饋，我們通過獲取的調研數(shù)據(jù)，得出如圖7 所示的不同形狀手柄工具的舒適度等級圖。從圖中我們可以得出，圓形橫截面的不同側面形狀的手柄工具，舒適度從高到低的是：反向雙圓錐形、圓柱形、圓錐形和雙圓錐形。正六邊形舒適度相對較好，正六邊形的次之。

圖8 為通過力傳感器測得的不同形狀的手柄工具使用時手指作用的合力變化圖。從圖中可以得出，就側面形狀而言，側面形狀為圓錐形的手柄工具使用時手指需要施加的力最大，圓柱形最小。就橫截面形狀而言，三角形橫截面的手柄工具使用時手指需要施加的力最大，圓形截面的最小。綜合兩方面因素，可以得出側面形狀為圓柱形，橫截面為圓形的螺絲刀使用時，手指需要作用的合力最小，使用起來要舒適。

5 結 論

手柄的形狀是影響手柄工具宜人性的一個很重要的方面，工具生產廠家在設計時都會考慮手柄的造型是否宜人，在設計時可以充分利用人機工程學原理，針對人體手掌的生理結構，設計出適合工人操作習慣和舒適度強的手柄工具。除此之外，手柄的材質、花紋、耐磨度以及手柄工具的安全性、便攜性、易用性也是值得考慮的因素。本文主要從維修工人使用主觀感受來評價汽車維修工具手柄的宜人性，但是工具的宜人性不能僅靠單方面的指標來評價，需要綜合各方面的因素來進行評價，使手柄工具在汽車維修過程中達到最佳舒適性，進而提高生產效率，減少人的疲勞與損傷。

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