基于人機(jī)工程學(xué)的偏心連接件改良設(shè)計(jì)研究

金慧娜　鄭業(yè)琦

摘要：傳統(tǒng)偏心連接件“三合一”中的預(yù)埋螺母體積小、質(zhì)量輕，在安裝的時(shí)候不易拾取、不易對孔，給安裝帶來一定的不便性，影響工人心理與組裝效率。本文運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理分析柜體安裝過程中的人機(jī)因素，總結(jié)出影響效率的因素，并結(jié)合人體參數(shù)與柜體裝配尺寸的要求，對預(yù)埋螺母的外觀尺寸及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。希望為同類產(chǎn)品的改良設(shè)計(jì)提供新的思路與方法。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué);偏心連接件;預(yù)埋螺母;改良設(shè)計(jì)

中圖分類號：TS64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）11-0159-02

“三合一連接件”也稱為偏心連接件，是板式家具常用的緊固類結(jié)構(gòu)五金件，用于連接柜體內(nèi)部側(cè)板、中立板、頂?shù)装宓炔考倪B接。自20世紀(jì)70年代被海福樂家發(fā)明出來，因安裝簡單、制造方便、隱蔽效果好等優(yōu)點(diǎn)，在家具中得到廣泛運(yùn)用。它一般由偏心輪、預(yù)埋螺母、連接桿三部分組成。預(yù)埋螺母具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，給柜體的組裝帶了一定的不便。由于體積小，在組裝的時(shí)候不易拿取;在放入小孔時(shí)，會(huì)時(shí)常對不準(zhǔn)孔，即使對準(zhǔn)，也容易從孔中滑出。這些因素將影響工人心情與組裝效率。因此，本文對預(yù)埋螺母在組裝時(shí)候的不便性進(jìn)行研究，使用人機(jī)工程學(xué)分析組裝過程，研究預(yù)埋螺母的造型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對其進(jìn)行改進(jìn)，以期提高組裝效率。

1人機(jī)工程學(xué)概述

人機(jī)工程學(xué)是研究人機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)因素之間的相互作用，以及應(yīng)用的相關(guān)理論、原理、數(shù)據(jù)和方法來設(shè)計(jì)以達(dá)到優(yōu)化人類和人類系統(tǒng)效能的一門邊緣性學(xué)科。人機(jī)工程學(xué)通過對人的生理特征和心理特性進(jìn)行研究，深入分析了人、機(jī)器和環(huán)境三者之間的相互關(guān)系和相互作用，使設(shè)計(jì)的機(jī)械操作性更加簡潔，具有良好的安全性、舒適性，提高機(jī)械整體的工作效率，同時(shí)讓人、機(jī)器和環(huán)境的配合達(dá)到最佳的狀態(tài)。大量的研究表明，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)是必要和有效的。

2基于人機(jī)工程學(xué)的偏心連接件改良設(shè)計(jì)的意義

人機(jī)工程學(xué)以人為本，基于人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)需要研究人體的相關(guān)數(shù)據(jù)以及人在操作過程中體現(xiàn)出的特性。運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)對操作者特性、產(chǎn)品特征、工作環(huán)境及操作過程進(jìn)行分析，能夠得出適應(yīng)人機(jī)需要的改良點(diǎn)。對預(yù)埋螺母進(jìn)行再設(shè)計(jì)的目的是使功能操作工序耗時(shí)最少、結(jié)構(gòu)與人體的尺寸比例更合理、操作者所耗的體力最小、控制按鈕的設(shè)置更合理。使操作者在輕松、舒適、宜人的環(huán)境下操作設(shè)備，避免給操作者造成記憶力和注意力過重的負(fù)擔(dān)。

3運(yùn)用偏心件連接件過程中的人機(jī)現(xiàn)象分析

人機(jī)工程學(xué)以人為本，基于人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)需要研究人體的相關(guān)數(shù)據(jù)以及人在操作過程中體現(xiàn)出的特性。在運(yùn)用偏心連接件進(jìn)行柜體裝配過程中，出現(xiàn)的典型人機(jī)現(xiàn)象如下：

1）根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，從事組裝柜體的木工年齡跨度較大，且男性居多，他們精力相對旺盛，力量也較強(qiáng)。

2）年紀(jì)大的工人，手指靈活性不夠，動(dòng)作緩慢，一些精細(xì)動(dòng)作無法完成或者完成質(zhì)量較低;年輕的工人動(dòng)作靈活，相對能夠較快較好的完成組裝工作。

3）在柜體安裝時(shí)，板材上少則一兩個(gè)，多則十幾個(gè)的預(yù)埋螺母。在安裝時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行重復(fù)性的操作。

4）組裝柜體時(shí)，身體動(dòng)作較多，如搬運(yùn)板材時(shí)需要直立或者彎腰，進(jìn)行分類時(shí)需要彎腰甚至蹲著，放入預(yù)埋螺母時(shí)需要彎腰甚至蹲著等，這些動(dòng)作大大增加了腰部負(fù)擔(dān)。

5）有些木工會(huì)帶著手套進(jìn)行工作，對于填放預(yù)埋螺母這種需要精細(xì)的操作，會(huì)帶來一定的不便性。

6）在組裝時(shí)，木工往往會(huì)先搬運(yùn)板材，分類后再進(jìn)行組裝。在搬運(yùn)板材用力的時(shí)候，手掌及手指由于需要發(fā)力，肌肉會(huì)舒張，血管會(huì)充血，等發(fā)力結(jié)束后再填埋螺母時(shí)，手指往往靈敏度下降，動(dòng)作僵硬，使得安裝效率下降。

7）螺母一般為尼龍等制成，往往因?yàn)槟Σ领o電的原因?qū)е孪嗷フ尺B在一起，木工需要分解后再進(jìn)行操作，導(dǎo)致安裝時(shí)間增加。

4基于人機(jī)工程學(xué)的偏心連接件改良設(shè)計(jì)思路

4.1 外觀尺寸改良設(shè)計(jì)

螺母的尺寸外觀一般受到人機(jī)工程學(xué)和柜體連接結(jié)構(gòu)兩方面的約束。

1）在拾取預(yù)埋螺母埋入孔的時(shí)候，可以將其近似看作是手握手柄。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，手指捏握手柄直徑參考范圍為10mm～20mm，優(yōu)先選用12mm～18mm。預(yù)埋螺母直徑越大，操作起來越方便，組裝效率越高。

2）在柜體連接結(jié)構(gòu)方面，以18mm板材連接、預(yù)埋螺母直徑為10mm為例（如圖1），預(yù)埋螺母裝在板2上，裝好后，距離板材邊緣約4mm。從安裝效果來看，預(yù)埋螺母直徑越大，孔距離板材邊緣的距離就越小。距離的減少不但容易出現(xiàn)打孔崩邊的情況，而且容易導(dǎo)致抓壁性不足，柜體連接不牢固。因而，預(yù)埋螺母的直徑尺寸不宜過大。

3）在深度方面，18mm厚的板材，在去除10mm的孔深之后，還有8mm的板材留存?？紤]到16mm等板材規(guī)格、打孔鉆頭深度、打孔時(shí)候會(huì)不會(huì)打穿孔等因素，將預(yù)埋螺母的長度設(shè)計(jì)成12mm，不影響連接后的牢固性。

綜上所述，設(shè)計(jì)的預(yù)埋螺母外觀尺寸為直徑12mm，高度為12mm，中心為M6螺紋孔。

4.2 結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)

根據(jù)緊固件的工作原理，當(dāng)連接桿插入預(yù)埋螺母后，將螺母撐開。被撐開后，螺母內(nèi)表面通過螺紋與連接桿緊緊連在一起，外表面與板材緊緊貼在一起，依靠靜摩擦力達(dá)到緊固的目的。目前常見的做法是在外表面上做出凸紋，在螺桿的擠壓之下，它可以緊壓內(nèi)壁，甚至嵌入內(nèi)壁，從而達(dá)到緊固的目的。在改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，要考慮增加摩擦因數(shù)的影響。

根據(jù)觀察，施工人員操作時(shí)容易出現(xiàn)兩個(gè)不便之處：（1）螺母尺寸較小，容易出現(xiàn)打滑捏不住的現(xiàn)象;（2）在將螺母放入孔時(shí)，常常因?yàn)檫^小，下方內(nèi)收坡度過緩，會(huì)引起引導(dǎo)性不足，導(dǎo)致不好對孔而滑出的現(xiàn)象，影響組裝效率。

針對第一個(gè)問題，在設(shè)計(jì)時(shí)候可以考慮采用增加接觸面積和增加粗糙程度的方法，一般可采用對頂部微孔化、突出化等增加接觸面積的方法進(jìn)行解決;針對第二個(gè)問題，底部較為平緩，容易從孔內(nèi)滑出的特點(diǎn)，可以考慮在底部設(shè)計(jì)凸塊來解決，在設(shè)計(jì)凸塊的時(shí)候，需要注意它不能影響對孔的操作。

4.3設(shè)計(jì)呈現(xiàn)

經(jīng)過一系列的分析與總結(jié)，得出偏心連接件改良設(shè)計(jì)的立足點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)。將總結(jié)出的外觀尺寸作為外觀設(shè)計(jì)約束條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為功能設(shè)計(jì)方向，進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)與選取、尺寸等細(xì)節(jié)推敲。定稿后通過3D打印出立體模型進(jìn)行再次評估。效果圖如圖2所示，3D打印成品如圖3所示。

1）在方案中，外徑尺寸為12mm，整體高度為12mm。

2）在結(jié)構(gòu)上，為了增加接觸面積，頂部使用齒形結(jié)構(gòu)。通過對比分析與工藝要求，設(shè)計(jì)齒的個(gè)數(shù)為16個(gè)，在齒楞處倒圓角，以滿足制造要求。過多的齒數(shù)將影響接觸面的壓強(qiáng)大小，降低手指拿取的便利性。

3）中間為錐形結(jié)構(gòu)，可以更好的與孔壁進(jìn)行咬合。

4）在設(shè)計(jì)底部凸塊時(shí)，考慮到以下因素：不影響預(yù)埋螺母與螺桿的裝配、滿足加工、滿足安裝時(shí)定位方便找孔、滿足對孔時(shí)不易滑出等要求。在螺母底部的螺紋口下方與螺母終端切除部分邊緣設(shè)計(jì)出4個(gè)3.5mm長、直徑1.2mm的頂針。頂針長度過長，中間部分較短，不利于與孔壁的咬合;長度過短，將失去其引導(dǎo)與限位的功能;直徑過大會(huì)影響螺桿的裝配，而太小會(huì)影響加工需要。裝配時(shí)，頂針比較容易先進(jìn)入孔內(nèi)，達(dá)到引導(dǎo)對孔的作用。即使在視線受阻時(shí)，也能夠很好地完成對孔。滑動(dòng)時(shí)，因?yàn)轫斸樀拇嬖?，螺母不易滑出，進(jìn)而提高了效率。

5總結(jié)

本文利用人機(jī)工程學(xué)理論的方法對偏心連接件、組裝過程進(jìn)行觀察分析，總結(jié)出相關(guān)人機(jī)因素，指導(dǎo)對偏心連接件的改良設(shè)計(jì)。改良后，能消除原有產(chǎn)品的缺點(diǎn)，提高組裝效率，同時(shí)也為同類產(chǎn)品的改良設(shè)計(jì)提供新的思路與方法。