一種便于拆卸高預緊力螺栓的扳手的人機學設計

寧文博 宋士學 劉萬榮

摘要：運用人機工程學的基本原理和理論，對螺栓扳手進行了研究，分析了各種種類的螺栓扳手及其使用場景、使用規格以及平時使用時所遇到的困難，最后提出了設計方案。該設計創新點在于可以更換不同規格的套筒，并輕松扭下高扭矩螺母。

關鍵詞：人機工程學;螺栓;扳手

0 ? ?引言

螺栓在日常的生產生活中應用十分廣泛，也被稱為“工業之米”，螺栓是利用物體的斜面圓形旋轉和摩擦力的物理學及數學原理，循序漸進地緊固器物機件的工具。螺栓的運用范圍有：電子產品、機械產品、數碼產品、電力設備、機電機械產品以及船舶、車輛、水利工程等。對于不同的應用場景，螺栓的規格要求不同，同時對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、工藝參數等方面，擰緊策略對螺栓連接預緊力具有重要影響[1]。針對預緊力來說，汽車制造過程中，制動盤螺栓固定時使用的預緊力通常要達到47.62 kN甚至更高[2]。針對這種螺栓，在擰緊時通常使用扭矩扳手甚至氣動扳手來進行緊固，以達到高預緊力的目的，而在拆卸時則會因其預緊力過高而遇到一定的困難。以修車廠為例，在拆卸高預緊力螺栓時會使用氣動扳手或電動扳手，但是一些沒有條件的修理廠商一般會使用套筒扳手和橡皮錘組合制造沖擊，來拆卸高預緊力螺栓，但由于沒有專業工具和有效的、符合人機學設計的工具來進行拆卸，不免會產生不安全因素，導致危險。

人體工程學，也稱人機工程學、人類工程學，是一門涉及多學科的新興邊緣科學，它通過研究人、機、環境之間相互關系的規律，力求使人—機—環境系統的總體性能達到最優[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或電動扳手及扭矩扳手，而扭矩扳手由于價格過高且功能過于單一，通常只有高端修理廠商才會使用，所以在拆卸高預緊力螺栓時使用的工具較為單一。同時目前設計出的一些省力扳手或進行特種操作的扳手多半是針對大型器具的拆卸，如供電鐵塔、高壓艙蓋等[4]，而針對日常民用（以汽車修理為例）市場設計的省力扳手雖種類繁多，但結構過于復雜，對于使用后的日常維護造成了很大的不便，并且會帶來許多附加費用。

鑒于此，設計了一種便于拆卸高預緊力螺栓的扳手，其分為四個部分（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。

該設計利用沖量原理來拆卸高預緊力螺栓，解決了維修人員在拆卸高預緊力螺栓時由于缺乏有效的、符合人機學設計的工具而造成危險的問題。同時此工具構造簡單、造價低廉、使用快速，具有良好的社會、經濟效益。

1 ? ?便于拆卸高預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，要充分保證其強度過關，所以這兩個部件在連接時應使用焊接工藝，充分保證強度。同時，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不會發生損壞，凹槽底部裝入彈簧球，用于固定活動套筒。同時，為方便工人攜帶和移動，在主桿的尾部應加上方便提起的軟質把手。

1.2 ? ?套筒

套筒（圖2）作為和螺栓接觸的第一個部件要保證足夠的強度，同時套筒要設計多個且內徑符合國家現行標準，套筒尾部應做六角形凸桿，且凸桿尾部做環形凹槽與主桿（b）凹槽每部彈簧球相對應，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，以其自身的旋轉來儲存動能并在撞擊到限位器的時候轉化為使高預緊力螺絲松動的能量。重物桿的長度應適當加長以提高力矩，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 ? ?便于拆卸高預緊力螺栓的扳手人機學分析

2.1 ? ?主桿的人機學分析

主桿負責連接各個部件，同時在各部件連接好之后使用時又是使用者用手直接接觸到的第一個部件，所以主桿的人機學設計就顯得尤為重要。

主桿末端設計的把手是使用者在移動工具時需要觸碰到的地方，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計有直接的關聯[5]。除了運用人體的基礎數據進行設計保障基本使用功能以外，還需針對把手在日常使用中的細節問題提出更優化的設計理論原則。

在把手的設計過程中還應對三個問題進行分析，分別是尺寸與空間、造型與位置、隔熱與摩擦。

同時，主桿的另一端連接負責拆卸高預緊力螺栓的套筒，螺栓在日常的生產生活中有著許多規格，這就要求此次設計的工具需要適應不同規格螺栓的設計，所以在主桿的另一頭應銑六角凹槽并在內部裝上彈簧球，使此工具可以在不過分降低強度、降低抗扭能力的同時，滿足適配多種規格螺栓的需求。

2.2 ? ?重物桿的人機學分析

此次設計的工具歸根到底就是人為制造沖擊，使螺栓松動，從而達到拆卸高預緊力螺栓的目的。而重物桿起到的作用就是提供沖擊，其依靠自身的旋轉撞擊限位桿從而產生沖擊，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系;同時，此工具在使用時地點可能不固定，而在挪動過程中過大的重量會造成使用不便，所以應在桿長和重量之間取得平衡。

3 ? ?便于拆卸高預緊力螺栓的扳手設計

主桿作為扳手的主體部分，把手的設計和套筒插槽的設計直接影響工具的便利程度和牢固系數。

把手的一般設計原則是必須有效實現預定功能;與操作者的手成適當比例，使操作者發揮最大效率;按照作業者的力度和作業能力設計，要適當考慮性別、年齡、訓練程度和身體素質上的差異;把手要求的作業應盡量避免靜態施力且不能引起過度疲勞。例如把手應符合成人食指近位指關節寬15～21 mm及遠位指關節寬13～19 mm的要求。同時，把手的隔熱與摩擦是與人機工程學中人的觸感分不開的，如經過3 s，觸壓覺就可以下降到元水平的1/4，適應時間與刺激強度成正比，與刺激作用的面積成反比。所以，把手設計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。

高預緊力螺栓在日常的生產生活中應用十分廣泛，高強度螺栓連接必須施加一定的預緊力，合理的預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]。日常使用的高預緊力螺栓雖然對預緊力的要求不是那么高，但在拆卸時依舊需要工具的配合，通常使用的是氣動扳手或電動扳手，依靠沖擊和高扭矩來拆卸高預緊力螺栓。不過氣動扳手和電動扳手的成本過高，加之高預緊力螺栓的使用雖頻繁，但在日常生產生活中只是個別對連接強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到拆卸高預緊力螺栓的目的。然而，這種組合對工人師傅的敲擊準度和力度都有門檻，稍有不慎就可能造成人員受傷。

本文所述便于拆卸高預緊力螺栓的扳手，在設計時由于材料的限制首先選擇了鐵質，從源頭造成了工具總體較沉的問題，同時由于設計初期使用人數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方面。所以，在接下來的改進中，首先要尋找合適的材料主桿，保證強度合適、重量夠輕;其次要增加實驗次數，收集反饋，改進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 ? ?結語

此次設計的便于拆卸高預緊力螺栓的扳手解決了拆卸高預緊力螺栓沒有經濟耐用的專業工具的問題，根據沖量定理，利用重物的旋轉制造沖擊從而達到拆卸高預緊力螺栓的目的，既保證了使用人員的安全，又可以減輕使用人員使用時的身體負擔，因而具有良好的經濟、社會效益。

綜上所述，此工具可以在一般情況下代替氣動或電動扳手達到拆卸高預緊力螺栓的目的。

[參考文獻]

[1] 李小強，孟慶闊，杜一凡，等.擰緊策略對航空發動機單螺栓連接預緊力的影響[J].機械工程學報，2020（13）：231-241.

[2] 徐傳來，米彩盈.輪盤和螺栓預緊力對車輪疲勞強度的影響[J].現代制造工程，2015（1）：35-38.

[3] 李美君，張亞池.家具把手設計中的人體工程學[J].木材加工機械，2005，16（2）：41-44.

[4] 國家電網公司，山西省電力公司晉城供電分公司.鐵塔地腳螺栓拆卸工具：CN201220122666.0[P].2013-01-16.

[5] 文雪.人機功效原理在日用陶瓷產品把手設計中的應用研究[J].工業設計，2019（2）：157-158.

[6] 朱若燕，李厚民.高強度螺栓的預緊力及疲勞壽命[J].湖北工學院學報，2004，19（3）：135-136.

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。