手电钻钻孔辅助装置人机工程学分析与研究

周涛　王海舰　刘行健

摘 要：为减少传统手电钻钻孔难以保证垂直度的发生以及提高鉆孔效率，设计了一种符合人机工程学的手电钻钻孔辅助装置。该装置成本低，与手电钻配装快捷、简便，两者配合可提供高质量、安全的钻孔作业，降低操作者疲劳程度，有效地减少了震动和用力方向影响钻孔质量的问题并提高了钻孔效率，为手电钻钻孔并提高效率保证质量提供了新的思路。

关键词：手电钻 辅助装置 疲劳 人机工程学

1手电钻钻孔作业现状

纵观现有研究，国内外针对手电钻的人机工程学的研究与优化，大多着重于对手电钻本身的设计入手，而对脱离手电钻本体直接对手电钻加装辅助配件的研究与产品设计却相当罕有，因此，设计一个成本低、配装快捷的手电钻辅助装置，使其具有提供减少震动和用力方向对钻孔质量影响的功能，能够有效提高钻孔效率与质量并消除一定安全隐患的工具。

2手电钻钻孔辅助装置整体设计

手电钻钻孔辅助装置设计主要分为三部分：安装设计、外观设计和内筒设计。

2.1安装设计

手电钻在使用过程中，手部距离钻孔位置应该保持一定距离，而在安装外挂辅助装置之后，应该保持这个安全距离。同时结合手电钻实际使用时的操作方式，负责稳持电钻的那只手通常是抓握在机身前端但距离最前端的转子有一小段距离的部位。

因此，得到结论：辅助装置应该将除手柄以外的部位完全包括在内，同时紧贴机身前端凸出的部位。这样，可以为手部提供抓握地点，在不影响原始操作的情况下，最大限度的保障钻孔时手部的安全。

2.2 外观设计

辅助装置外观设计应考虑的因素包括：长度，外形，厚度，颜色。

2.2.1 长度设计

从研究的几款常见的手电钻得到的数据来看，人手抓握手柄部位距离手电钻最前端的钻头夹具部位最小距离≥90mm。

手电钻常用的钻头主要为麻花钻。根据《GBT 1438.1-1996 锥柄麻花钻 第1部分莫氏锥柄麻花钻的型式和尺寸》与《GB-T 1438.2-1996锥柄麻花钻 第2部分：莫氏锥柄长麻花钻的型式和尺寸》，家用手电钻最常用的几种钻头，长度在30mm-150mm不等。

因此得出结论：目前常见的家用手电钻设计时，抓握手柄部位离钻孔孔位最近距离应≥120mm，同时≤300mm，所以装置长度应设计在120mm至300mm之间。

2.2.2 外形设计

根据调查发现，目前市场上常见的家用手电钻结构，前端均为一个不规则的近圆形。

人手掌在抓握圆柱形物体时，物体对手产生的压迫力最小，手掌受力最均匀，因此，圆柱形设计对于使用者而言抓持风险最低，产生伤害最小。

同时，钻孔作业中不可避免的有用力反复推进的重复操作，辅助装置应有凸缘或卡座以防止手掌滑落。

想要减少钻孔时因反复推动而产生的震动，装置与被钻孔物体接触部分应有一个稳定机身用的结构。

钻孔时震动不可避免，因此表面因有相应的减震结构，来缓解反复震动对手腕造成的伤害。

固得出以下结论：辅助装置应设计为一个圆筒形的结构。装置中段的表面应黏贴一些增加摩擦力的结构，如橡胶、海绵等。装置末端向外延出一圆形的平面座，用于提高稳定性。

2.2.3 厚度与颜色设计

根据人机工程学研究发现，在钻孔时，人的最佳视野区为60°，即中心孔上下30°。

因此，所选材料应为透明材料，能够直接透过筒壁观察到孔的状况；同时材料的抗震与抗压性能应该较好。

最终，我们决定选用直径在5-10cm之间，筒壁厚度为8mm的亚克力材料。以同时确保透明度与耐压能力。

2.3 内筒结构

根据原始设计，预计在外筒内加装一个内筒，以内筒顶住手段钻机身前端，同时以弹簧来配合钻孔的推进与收缩复位。

（1）内筒的形状问题

由于内筒需要同时与外筒内壁和手电钻进行配合，所以内筒外壁截面应为圆形，内壁截面则需根据所配合的手电钻决定。由于手电钻机身可视为近似圆，所以内筒内壁设计为圆形也是合理的。

（2）弹簧强度问题

此装置弹簧的位置关键在于辅助复位，因此弹力不能太强，否则影响钻孔时的推进，同时不能太弱，否则无法辅助复位。

根据数据查找，一个成年人的最大推力为自身体重的1.5倍左右，即800N-1200N范围内，所以弹簧的弹力不应大于最大推力的1/10，也不应小于所需拔出力的1/2。所以弹力范围应该在30N-120N之间。

3 实施方式

下面结合具体实施方式对手电钻钻孔辅助装置作进一步的说明。

手电钻钻孔辅助装置结构示意图如图1所示，使用时，内筒1套接在手电钻壳体7上，手电钻的手柄8从缺口3中置于引导外筒2外，盖上端盖6，与手电钻配装的钻头9可随内筒1的滑动在引导外筒2的前端进行伸缩运动，平面座5贴合作业面，手持手电钻手柄8往前用力，钻头9在作业面上钻孔，钻孔完成后停止用力，手电钻在复位弹簧4的作用下向引导外筒2后端运动，钻头9脱离作业面，完成钻孔。打开端盖6，将手电钻从引导外筒2的后端取出，再将套接的内筒1从手电钻的壳体7上拿下即可。

4 结论

本装置结合实际测量数据、手电钻实际市场与操作人员需求，综合运用工业工程思想，设计和研发出了一种符合人机工程学的手电钻钻孔辅助装置，这种钻孔辅助装置成本低，与手电钻配装快捷、简便，配装了这种钻孔辅助装置的手电钻钻孔质量高、速度快，能够有效提高手电钻操作的安全性与工作效率。本装置的预期技术产品具有实用性，可形成面向市场产品和具有市场推广的空间，项目技术具有新颖性和创造性已申请国家专利。

参考文献：

[1] 郭伏，钱省三主编.人因工程学.机械工业出版社， 2014， 7.

[2] 易树平，郭伏主编.基础工业工程（第2版）.机械工业出版社， 2013.8.