一種便于拆卸高預(yù)緊力螺栓的扳手的人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)

寧文博 宋士學(xué) 劉萬榮

摘要：運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的基本原理和理論，對(duì)螺栓扳手進(jìn)行了研究，分析了各種種類的螺栓扳手及其使用場(chǎng)景、使用規(guī)格以及平時(shí)使用時(shí)所遇到的困難，最后提出了設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于可以更換不同規(guī)格的套筒，并輕松扭下高扭矩螺母。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué);螺栓;扳手

0 ? ?引言

螺栓在日常的生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛，也被稱為“工業(yè)之米”，螺栓是利用物體的斜面圓形旋轉(zhuǎn)和摩擦力的物理學(xué)及數(shù)學(xué)原理，循序漸進(jìn)地緊固器物機(jī)件的工具。螺栓的運(yùn)用范圍有：電子產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品、數(shù)碼產(chǎn)品、電力設(shè)備、機(jī)電機(jī)械產(chǎn)品以及船舶、車輛、水利工程等。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，螺栓的規(guī)格要求不同，同時(shí)對(duì)于螺栓連接工藝的要求也不同，例如擰緊策略具體涉及擰緊控制方法、工藝參數(shù)等方面，擰緊策略對(duì)螺栓連接預(yù)緊力具有重要影響[1]。針對(duì)預(yù)緊力來說，汽車制造過程中，制動(dòng)盤螺栓固定時(shí)使用的預(yù)緊力通常要達(dá)到47.62 kN甚至更高[2]。針對(duì)這種螺栓，在擰緊時(shí)通常使用扭矩扳手甚至氣動(dòng)扳手來進(jìn)行緊固，以達(dá)到高預(yù)緊力的目的，而在拆卸時(shí)則會(huì)因其預(yù)緊力過高而遇到一定的困難。以修車廠為例，在拆卸高預(yù)緊力螺栓時(shí)會(huì)使用氣動(dòng)扳手或電動(dòng)扳手，但是一些沒有條件的修理廠商一般會(huì)使用套筒扳手和橡皮錘組合制造沖擊，來拆卸高預(yù)緊力螺栓，但由于沒有專業(yè)工具和有效的、符合人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)的工具來進(jìn)行拆卸，不免會(huì)產(chǎn)生不安全因素，導(dǎo)致危險(xiǎn)。

人體工程學(xué)，也稱人機(jī)工程學(xué)、人類工程學(xué)，是一門涉及多學(xué)科的新興邊緣科學(xué)，它通過研究人、機(jī)、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，力求使人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)的總體性能達(dá)到最優(yōu)[3]。

目前市面上廣泛使用的可以提供沖擊或高扭矩的扳手工具一般是氣動(dòng)或電動(dòng)扳手及扭矩扳手，而扭矩扳手由于價(jià)格過高且功能過于單一，通常只有高端修理廠商才會(huì)使用，所以在拆卸高預(yù)緊力螺栓時(shí)使用的工具較為單一。同時(shí)目前設(shè)計(jì)出的一些省力扳手或進(jìn)行特種操作的扳手多半是針對(duì)大型器具的拆卸，如供電鐵塔、高壓艙蓋等[4]，而針對(duì)日常民用（以汽車修理為例）市場(chǎng)設(shè)計(jì)的省力扳手雖種類繁多，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，對(duì)于使用后的日常維護(hù)造成了很大的不便，并且會(huì)帶來許多附加費(fèi)用。

鑒于此，設(shè)計(jì)了一種便于拆卸高預(yù)緊力螺栓的扳手，其分為四個(gè)部分（圖1），分別是可拆卸套筒（a）、主桿（b）、限位器（c）、重物桿（d）。除限位器和主桿之間通過焊接相連外，其余均為可拆卸、可替換部件。

該設(shè)計(jì)利用沖量原理來拆卸高預(yù)緊力螺栓，解決了維修人員在拆卸高預(yù)緊力螺栓時(shí)由于缺乏有效的、符合人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)的工具而造成危險(xiǎn)的問題。同時(shí)此工具構(gòu)造簡單、造價(jià)低廉、使用快速，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1 ? ?便于拆卸高預(yù)緊力螺栓的扳手簡介

1.1 ? ?主桿和限位器

此工具中主桿（b）和限位器（c）作為接受沖擊和施力的主要部件，要充分保證其強(qiáng)度過關(guān)，所以這兩個(gè)部件在連接時(shí)應(yīng)使用焊接工藝，充分保證強(qiáng)度。同時(shí)，主桿連接套筒處做出六角形凹槽，保證套筒和凹槽在受到高扭矩時(shí)不會(huì)發(fā)生損壞，凹槽底部裝入彈簧球，用于固定活動(dòng)套筒。同時(shí)，為方便工人攜帶和移動(dòng)，在主桿的尾部應(yīng)加上方便提起的軟質(zhì)把手。

1.2 ? ?套筒

套筒（圖2）作為和螺栓接觸的第一個(gè)部件要保證足夠的強(qiáng)度，同時(shí)套筒要設(shè)計(jì)多個(gè)且內(nèi)徑符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，套筒尾部應(yīng)做六角形凸桿，且凸桿尾部做環(huán)形凹槽與主桿（b）凹槽每部彈簧球相對(duì)應(yīng)，起到固定套筒的作用。

1.3 ? ?重物桿

重物桿（d）的作用是為工具整體提供沖擊，以其自身的旋轉(zhuǎn)來儲(chǔ)存動(dòng)能并在撞擊到限位器的時(shí)候轉(zhuǎn)化為使高預(yù)緊力螺絲松動(dòng)的能量。重物桿的長度應(yīng)適當(dāng)加長以提高力矩，使工具在配重足夠輕的前提下提高力矩的提供能力，并兼顧攜帶性。

2 ? ?便于拆卸高預(yù)緊力螺栓的扳手人機(jī)學(xué)分析

2.1 ? ?主桿的人機(jī)學(xué)分析

主桿負(fù)責(zé)連接各個(gè)部件，同時(shí)在各部件連接好之后使用時(shí)又是使用者用手直接接觸到的第一個(gè)部件，所以主桿的人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

主桿末端設(shè)計(jì)的把手是使用者在移動(dòng)工具時(shí)需要觸碰到的地方，把手的舒適度以及牢固程度直接影響著操作者的正常操作。把手是器具與人體接觸最為緊密的一個(gè)配件，功能性和使用性是其存在的主要意義。器物的適用程度與把手的設(shè)計(jì)有直接的關(guān)聯(lián)[5]。除了運(yùn)用人體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)保障基本使用功能以外，還需針對(duì)把手在日常使用中的細(xì)節(jié)問題提出更優(yōu)化的設(shè)計(jì)理論原則。

在把手的設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)對(duì)三個(gè)問題進(jìn)行分析，分別是尺寸與空間、造型與位置、隔熱與摩擦。

同時(shí)，主桿的另一端連接負(fù)責(zé)拆卸高預(yù)緊力螺栓的套筒，螺栓在日常的生產(chǎn)生活中有著許多規(guī)格，這就要求此次設(shè)計(jì)的工具需要適應(yīng)不同規(guī)格螺栓的設(shè)計(jì)，所以在主桿的另一頭應(yīng)銑六角凹槽并在內(nèi)部裝上彈簧球，使此工具可以在不過分降低強(qiáng)度、降低抗扭能力的同時(shí)，滿足適配多種規(guī)格螺栓的需求。

2.2 ? ?重物桿的人機(jī)學(xué)分析

此次設(shè)計(jì)的工具歸根到底就是人為制造沖擊，使螺栓松動(dòng)，從而達(dá)到拆卸高預(yù)緊力螺栓的目的。而重物桿起到的作用就是提供沖擊，其依靠自身的旋轉(zhuǎn)撞擊限位桿從而產(chǎn)生沖擊，所以沖擊的大小與配重物的重量還有重物桿的長度有著直接的關(guān)系;同時(shí)，此工具在使用時(shí)地點(diǎn)可能不固定，而在挪動(dòng)過程中過大的重量會(huì)造成使用不便，所以應(yīng)在桿長和重量之間取得平衡。

3 ? ?便于拆卸高預(yù)緊力螺栓的扳手設(shè)計(jì)

主桿作為扳手的主體部分，把手的設(shè)計(jì)和套筒插槽的設(shè)計(jì)直接影響工具的便利程度和牢固系數(shù)。

把手的一般設(shè)計(jì)原則是必須有效實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能;與操作者的手成適當(dāng)比例，使操作者發(fā)揮最大效率;按照作業(yè)者的力度和作業(yè)能力設(shè)計(jì)，要適當(dāng)考慮性別、年齡、訓(xùn)練程度和身體素質(zhì)上的差異;把手要求的作業(yè)應(yīng)盡量避免靜態(tài)施力且不能引起過度疲勞。例如把手應(yīng)符合成人食指近位指關(guān)節(jié)寬15～21 mm及遠(yuǎn)位指關(guān)節(jié)寬13～19 mm的要求。同時(shí)，把手的隔熱與摩擦是與人機(jī)工程學(xué)中人的觸感分不開的，如經(jīng)過3 s，觸壓覺就可以下降到元水平的1/4，適應(yīng)時(shí)間與刺激強(qiáng)度成正比，與刺激作用的面積成反比。所以，把手設(shè)計(jì)為和主桿一體的桿狀，并在末尾加上防滑的泡棉手柄，即可滿足耐用和舒適兩種要求。

高預(yù)緊力螺栓在日常的生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛，高強(qiáng)度螺栓連接必須施加一定的預(yù)緊力，合理的預(yù)緊力不僅可以提高螺栓的防松能力，還可以增加螺栓的疲勞壽命和被連接件的可靠性[6]。日常使用的高預(yù)緊力螺栓雖然對(duì)預(yù)緊力的要求不是那么高，但在拆卸時(shí)依舊需要工具的配合，通常使用的是氣動(dòng)扳手或電動(dòng)扳手，依靠沖擊和高扭矩來拆卸高預(yù)緊力螺栓。不過氣動(dòng)扳手和電動(dòng)扳手的成本過高，加之高預(yù)緊力螺栓的使用雖頻繁，但在日常生產(chǎn)生活中只是個(gè)別對(duì)連接強(qiáng)度有要求的部位使用，所以工人師傅一般使用橡皮錘和套筒扳手組合，人為制造沖擊從而達(dá)到拆卸高預(yù)緊力螺栓的目的。然而，這種組合對(duì)工人師傅的敲擊準(zhǔn)度和力度都有門檻，稍有不慎就可能造成人員受傷。

本文所述便于拆卸高預(yù)緊力螺栓的扳手，在設(shè)計(jì)時(shí)由于材料的限制首先選擇了鐵質(zhì)，從源頭造成了工具總體較沉的問題，同時(shí)由于設(shè)計(jì)初期使用人數(shù)過少且可參考資料較少，無法確定限位桿和重物桿以及重物的長度和重量，并不能完美地兼顧便于攜帶和沖擊足夠這兩個(gè)方面。所以，在接下來的改進(jìn)中，首先要尋找合適的材料主桿，保證強(qiáng)度合適、重量夠輕;其次要增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)，收集反饋，改進(jìn)限位桿和重物桿以及重物的長度和重量，方便使用者使用。

4 ? ?結(jié)語

此次設(shè)計(jì)的便于拆卸高預(yù)緊力螺栓的扳手解決了拆卸高預(yù)緊力螺栓沒有經(jīng)濟(jì)耐用的專業(yè)工具的問題，根據(jù)沖量定理，利用重物的旋轉(zhuǎn)制造沖擊從而達(dá)到拆卸高預(yù)緊力螺栓的目的，既保證了使用人員的安全，又可以減輕使用人員使用時(shí)的身體負(fù)擔(dān)，因而具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

綜上所述，此工具可以在一般情況下代替氣動(dòng)或電動(dòng)扳手達(dá)到拆卸高預(yù)緊力螺栓的目的。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2020-07-20

作者簡介：寧文博（1999—），男，山東聊城人，研究方向：安全工程技術(shù)。