人机工程学的偏心连接件改良设计研究

　　摘要：传统偏心连接件“三合一”中的预埋螺母体积小、质量轻，在安装的时候不易拾取、不易对孔，給安装带来一定的不便性，影响工人心理与组装效率。本文运用人机工程学原理分析柜体安装过程中的人机因素，总结出影响效率的因素，并结合人体参数与柜体装配尺寸的要求，对预埋螺母的外观尺寸及结构进行改良设计。希望为同类产品的改良设计提供新的思路与方法。

　　关键词：人机工程学;偏心连接件;预埋螺母;改良设计

　　“三合一连接件”也称为偏心连接件，是板式家具常用的紧固类结构五金件，用于连接柜体内部侧板、中立板、顶底板等部件的连接。自20世纪70年代被海福乐家发明出来，因安装简单、制造方便、隐蔽效果好等优点，在家具中得到广泛运用。它一般由偏心轮、预埋螺母、连接杆三部分组成。预埋螺母具有体积小、质量轻的特点，给柜体的组装带了一定的不便。由于体积小，在组装的时候不易拿取;在放入小孔时，会时常对不准孔，即使对准，也容易从孔中滑出。这些因素将影响工人心情与组装效率。因此，本文对预埋螺母在组装时候的不便性进行研究，使用人机工程学分析组装过程，研究预埋螺母的造型和结构特点，并对其进行改进，以期提高组装效率。

　　1人机工程学概述

　　人机工程学是研究人机系统中各个因素之间的相互作用，以及应用的相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和人类系统效能的一门边缘性学科。人机工程学通过对人的生理特征和心理特性进行研究，深入分析了人、机器和环境三者之间的相互关系和相互作用，使设计的机械操作性更加简洁，具有良好的安全性、舒适性，提高机械整体的工作效率，同时让人、机器和环境的配合达到最佳的状态。大量的研究表明，在设计和生产中应用人机工程学是必要和有效的。

　　2基于人机工程学的偏心连接件改良设计的意义

　　人机工程学以人为本，基于人机工程学的设计需要研究人体的相关数据以及人在操作过程中体现出的特性。运用人机工程学对操作者特性、产品特征、工作环境及操作过程进行分析，能够得出适应人机需要的改良点。对预埋螺母进行再设计的目的是使功能操作工序耗时最少、结构与人体的尺寸比例更合理、操作者所耗的体力最小、控制按钮的设置更合理。使操作者在轻松、舒适、宜人的环境下操作设备，避免给操作者造成记忆力和注意力过重的负担。

　　3运用偏心件连接件过程中的人机现象分析

　　人机工程学以人为本，基于人机工程学的设计需要研究人体的相关数据以及人在操作过程中体现出的特性。在运用偏心连接件进行柜体装配过程中，出现的典型人机现象如下：

　　1)根据调研数据显示，从事组装柜体的木工年龄跨度较大，且男性居多，他们精力相对旺盛，力量也较强。

　　2)年纪大的工人，手指灵活性不够，动作缓慢，一些精细动作无法完成或者完成质量较低;年轻的工人动作灵活，相对能够较快较好的完成组装工作。

　　3)在柜体安装时，板材上少则一两个，多则十几个的预埋螺母。在安装时，经常需要进行重复性的操作。

　　4)组装柜体时，身体动作较多，如搬运板材时需要直立或者弯腰，进行分类时需要弯腰甚至蹲着，放入预埋螺母时需要弯腰甚至蹲着等，这些动作大大增加了腰部负担。

　　5)有些木工会带着手套进行工作，对于填放预埋螺母这种需要精细的操作，会带来一定的不便性。

　　6)在组装时，木工往往会先搬运板材，分类后再进行组装。在搬运板材用力的时候，手掌及手指由于需要发力，肌肉会舒张，血管会充血，等发力结束后再填埋螺母时，手指往往灵敏度下降，动作僵硬，使得安装效率下降。

　　7)螺母一般为尼龙等制成，往往因为摩擦静电的原因导致相互粘连在一起，木工需要分解后再进行操作，导致安装时间增加。

　　4基于人机工程学的偏心连接件改良设计思路

　　4.1 外观尺寸改良设计

　　螺母的尺寸外观一般受到人机工程学和柜体连接结构两方面的约束。

　　1)在拾取预埋螺母埋入孔的时候，可以将其近似看作是手握手柄。根据相关标准，手指捏握手柄直径参考范围为10mm～20mm，优先选用12mm～18mm。预埋螺母直径越大，操作起来越方便，组装效率越高。

　　2)在柜体连接结构方面，以18mm板材连接、预埋螺母直径为10mm为例(如图1)，预埋螺母装在板2上，装好后，距离板材边缘约4mm。从安装效果来看，预埋螺母直径越大，孔距离板材边缘的距离就越小。距离的减少不但容易出现打孔崩边的情况，而且容易导致抓壁性不足，柜体连接不牢固。因而，预埋螺母的直径尺寸不宜过大。

　　3)在深度方面，18mm厚的板材，在去除10mm的孔深之后，还有8mm的板材留存。考虑到16mm等板材规格、打孔钻头深度、打孔时候会不会打穿孔等因素，将预埋螺母的长度设计成12mm，不影响连接后的牢固性。

　　综上所述，设计的预埋螺母外观尺寸为直径12mm，高度为12mm，中心为M6螺纹孔。

　　4.2 结构改良设计

　　根据紧固件的工作原理，当连接杆插入预埋螺母后，将螺母撑开。被撑开后，螺母内表面通过螺纹与连接杆紧紧连在一起，外表面与板材紧紧贴在一起，依靠静摩擦力达到紧固的目的。目前常见的做法是在外表面上做出凸纹，在螺杆的挤压之下，它可以紧压内壁，甚至嵌入内壁，从而达到紧固的目的。在改进设计方案的时候，要考虑增加摩擦因数的影响。

　　根据观察，施工人员操作时容易出现两个不便之处：(1)螺母尺寸较小，容易出现打滑捏不住的现象;(2)在将螺母放入孔时，常常因为过小，下方内收坡度过缓，会引起引导性不足，导致不好对孔而滑出的现象，影响组装效率。

　　针对第一个问题，在设计时候可以考虑采用增加接触面积和增加粗糙程度的方法，一般可采用对顶部微孔化、突出化等增加接触面积的方法进行解决;针对第二个问题，底部较为平缓，容易从孔内滑出的特点，可以考虑在底部设计凸块来解决，在设计凸块的时候，需要注意它不能影响对孔的操作。

　　4.3设计呈现

　　经过一系列的分析与总结，得出偏心连接件改良设计的立足点和出发点。将总结出的外观尺寸作为外观设计约束条件、结构特点作为功能设计方向，进行方案的设计与选取、尺寸等细节推敲。定稿后通过3D打印出立体模型进行再次评估。效果图如图2所示，3D打印成品如图3所示。

　　1)在方案中，外径尺寸为12mm，整体高度为12mm。

　　2)在结构上，为了增加接触面积，顶部使用齿形结构。通过对比分析与工艺要求，设计齿的个数为16个，在齿楞处倒圆角，以满足制造要求。过多的齿数将影响接触面的压强大小，降低手指拿取的便利性。

　　3)中间为锥形结构，可以更好的与孔壁进行咬合。

　　4)在设计底部凸块时，考虑到以下因素：不影响预埋螺母与螺杆的装配、满足加工、满足安装时定位方便找孔、满足对孔时不易滑出等要求。在螺母底部的螺纹口下方与螺母终端切除部分边缘设计出4个3.5mm长、直径1.2mm的顶针。顶针长度过长，中间部分较短，不利于与孔壁的咬合;长度过短，将失去其引导与限位的功能;直径过大会影响螺杆的装配，而太小会影响加工需要。装配时，顶针比较容易先进入孔内，达到引导对孔的作用。即使在视线受阻时，也能够很好地完成对孔。滑动时，因为顶针的存在，螺母不易滑出，进而提高了效率。

　　5总结

　　本文利用人机工程学理论的方法对偏心连接件、组装过程进行观察分析，总结出相关人机因素，指导对偏心连接件的改良设计。改良后，能消除原有产品的缺点，提高组装效率，同时也为同类产品的改良设计提供新的思路与方法。

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