基于人機工程學的偏心連接件改良設計研究

金慧娜　鄭業琦

摘要：傳統偏心連接件“三合一”中的預埋螺母體積小、質量輕，在安裝的時候不易拾取、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。本文運用人機工程學原理分析柜體安裝過程中的人機因素，總結出影響效率的因素，并結合人體參數與柜體裝配尺寸的要求，對預埋螺母的外觀尺寸及結構進行改良設計。希望為同類產品的改良設計提供新的思路與方法。

關鍵詞：人機工程學;偏心連接件;預埋螺母;改良設計

中圖分類號：TS64 文獻標識碼：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構五金件，用于連接柜體內部側板、中立板、頂底板等部件的連接。自20世紀70年代被海福樂家發明出來，因安裝簡單、制造方便、隱蔽效果好等優點，在家具中得到廣泛運用。它一般由偏心輪、預埋螺母、連接桿三部分組成。預埋螺母具有體積小、質量輕的特點，給柜體的組裝帶了一定的不便。由于體積小，在組裝的時候不易拿取;在放入小孔時，會時常對不準孔，即使對準，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，本文對預埋螺母在組裝時候的不便性進行研究，使用人機工程學分析組裝過程，研究預埋螺母的造型和結構特點，并對其進行改進，以期提高組裝效率。

1人機工程學概述

人機工程學是研究人機系統中各個因素之間的相互作用，以及應用的相關理論、原理、數據和方法來設計以達到優化人類和人類系統效能的一門邊緣性學科。人機工程學通過對人的生理特征和心理特性進行研究，深入分析了人、機器和環境三者之間的相互關系和相互作用，使設計的機械操作性更加簡潔，具有良好的安全性、舒適性，提高機械整體的工作效率，同時讓人、機器和環境的配合達到最佳的狀態。大量的研究表明，在設計和生產中應用人機工程學是必要和有效的。

2基于人機工程學的偏心連接件改良設計的意義

人機工程學以人為本，基于人機工程學的設計需要研究人體的相關數據以及人在操作過程中體現出的特性。運用人機工程學對操作者特性、產品特征、工作環境及操作過程進行分析，能夠得出適應人機需要的改良點。對預埋螺母進行再設計的目的是使功能操作工序耗時最少、結構與人體的尺寸比例更合理、操作者所耗的體力最小、控制按鈕的設置更合理。使操作者在輕松、舒適、宜人的環境下操作設備，避免給操作者造成記憶力和注意力過重的負擔。

3運用偏心件連接件過程中的人機現象分析

人機工程學以人為本，基于人機工程學的設計需要研究人體的相關數據以及人在操作過程中體現出的特性。在運用偏心連接件進行柜體裝配過程中，出現的典型人機現象如下：

1）根據調研數據顯示，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。

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

3）在柜體安裝時，板材上少則一兩個，多則十幾個的預埋螺母。在安裝時，經常需要進行重復性的操作。

4）組裝柜體時，身體動作較多，如搬運板材時需要直立或者彎腰，進行分類時需要彎腰甚至蹲著，放入預埋螺母時需要彎腰甚至蹲著等，這些動作大大增加了腰部負擔。

5）有些木工會帶著手套進行工作，對于填放預埋螺母這種需要精細的操作，會帶來一定的不便性。

6）在組裝時，木工往往會先搬運板材，分類后再進行組裝。在搬運板材用力的時候，手掌及手指由于需要發力，肌肉會舒張，血管會充血，等發力結束后再填埋螺母時，手指往往靈敏度下降，動作僵硬，使得安裝效率下降。

7）螺母一般為尼龍等制成，往往因為摩擦靜電的原因導致相互粘連在一起，木工需要分解后再進行操作，導致安裝時間增加。

4基于人機工程學的偏心連接件改良設計思路

4.1 外觀尺寸改良設計

螺母的尺寸外觀一般受到人機工程學和柜體連接結構兩方面的約束。

1）在拾取預埋螺母埋入孔的時候，可以將其近似看作是手握手柄。根據相關標準，手指捏握手柄直徑參考范圍為10mm～20mm，優先選用12mm～18mm。預埋螺母直徑越大，操作起來越方便，組裝效率越高。

2）在柜體連接結構方面，以18mm板材連接、預埋螺母直徑為10mm為例（如圖1），預埋螺母裝在板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打孔崩邊的情況，而且容易導致抓壁性不足，柜體連接不牢固。因而，預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。考慮到16mm等板材規格、打孔鉆頭深度、打孔時候會不會打穿孔等因素，將預埋螺母的長度設計成12mm，不影響連接后的牢固性。

綜上所述，設計的預埋螺母外觀尺寸為直徑12mm，高度為12mm，中心為M6螺紋孔。

4.2 結構改良設計

根據緊固件的工作原理，當連接桿插入預埋螺母后，將螺母撐開。被撐開后，螺母內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，它可以緊壓內壁，甚至嵌入內壁，從而達到緊固的目的。在改進設計方案的時候，要考慮增加摩擦因數的影響。

根據觀察，施工人員操作時容易出現兩個不便之處：（1）螺母尺寸較小，容易出現打滑捏不住的現象;（2）在將螺母放入孔時，常常因為過小，下方內收坡度過緩，會引起引導性不足，導致不好對孔而滑出的現象，影響組裝效率。

針對第一個問題，在設計時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行解決;針對第二個問題，底部較為平緩，容易從孔內滑出的特點，可以考慮在底部設計凸塊來解決，在設計凸塊的時候，需要注意它不能影響對孔的操作。

4.3設計呈現

經過一系列的分析與總結，得出偏心連接件改良設計的立足點和出發點。將總結出的外觀尺寸作為外觀設計約束條件、結構特點作為功能設計方向，進行方案的設計與選取、尺寸等細節推敲。定稿后通過3D打印出立體模型進行再次評估。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）在結構上，為了增加接觸面積，頂部使用齒形結構。通過對比分析與工藝要求，設計齒的個數為16個，在齒楞處倒圓角，以滿足制造要求。過多的齒數將影響接觸面的壓強大小，降低手指拿取的便利性。

3）中間為錐形結構，可以更好的與孔壁進行咬合。

4）在設計底部凸塊時，考慮到以下因素：不影響預埋螺母與螺桿的裝配、滿足加工、滿足安裝時定位方便找孔、滿足對孔時不易滑出等要求。在螺母底部的螺紋口下方與螺母終端切除部分邊緣設計出4個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，將失去其引導與限位的功能;直徑過大會影響螺桿的裝配，而太小會影響加工需要。裝配時，頂針比較容易先進入孔內，達到引導對孔的作用。即使在視線受阻時，也能夠很好地完成對孔。滑動時，因為頂針的存在，螺母不易滑出，進而提高了效率。

5總結

本文利用人機工程學理論的方法對偏心連接件、組裝過程進行觀察分析，總結出相關人機因素，指導對偏心連接件的改良設計。改良后，能消除原有產品的缺點，提高組裝效率，同時也為同類產品的改良設計提供新的思路與方法。