气动工具人机工程学设计

丛林，钟毅

1 人机工程学定义

人机工程学（Man-MachineEngineering）是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科。目前在国内尚属于一门发展中的新兴学科，该学科的显著特点是在研究人、机、环境三要素自身特性的基础上，不单纯着眼于单一要素的优化与否，而是将使用“机”的人、人所设计的“机”以及人机共处的“环境”作为一个“人-机-环境”系统来研究，目标就是科学地利用三要素之间的相互作用、相互依存的有机联系来寻求系统优化[1]。

2 为什么要应用人机工程学

我们先来看一下世界各国的专家或组织对人机工程学下的定义。美国人机工程学专家C.C.伍德（CharlesC.Wood）对人机工程学下的定义为：设备设计必须适合人的各方面因素，以便在操作上付出最小的代价而求得最高的效率。

国际人类工效学学会（IEA）为人机工程学下了最权威、最全面的定义，即人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作、生活中及休假时怎样统一考虑效率、健康、安全及舒适等问题的学科[2]。

我国对人机工程学给出了具体的定义：人机工程学是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科[3]。

通过上述对该学科的定义和命名来看，研究并应用人机工程学能够协调人-机-环境，创造出最适合人操作的机械设备和作业环境，最终以最小的代价获得最高的生产效率。

3 气动工具人机工程学设计的必要性

在当今激烈的市场竞争中，能够拥有高品质与高生存力的产品是企业发展的一种优势，而采用人机工程学原理进行产品设计在一定程度上可以帮助企业拥有这种优势。

现实中，产品设计的不合理会导致各种职业病的发生，而职业病对企业造成的损失也不容小觑，首先是防治费用，如康复、保险和医疗费等。其次是由此导致的产品质量和生产效率低下，也给企业带来一定的经济损失。

气动工具是一种以压缩空气为能源的手持式动力工具，广泛应用在航空、航天、汽车、家电、造船等领域，由于为手持式，所以，其握持的舒适度、产生的振动、噪声及自身重量等对于操作者来说都至关重要，如设计不当，长期使用会使操作者罹患职业病。采用人机工程学原理设计，不仅可以预防职业病的发生，而且还可提升产品品质，为企业带来长期经济效益。

4 气动工具人机工程学的设计方法

对气动工具进行人机工程学设计主要是从负荷、振动、噪声等方面进行优化，目标是避免或降低这些因素对操作者的影响。手持式工具的优化设计至关重要，因为它们与操作者有着最直接的接触。

4.1 手柄外观设计

手持式工具因工作时产生的作用力在手和手柄之间传递，所以设计时，首先要着眼于降低力所产生的负荷。其次要保证手腕的平顺，尽可能减小腕部所受的扭矩和弯矩。同时针对工位特点设计手柄形状。另外，由于振动与噪声对人体的伤害非常大，设计时要予以重点考虑。最后，在满足强度要求的情况下尽可能减轻重量。

4.1.1 枪式手柄

枪式手柄具有缩短工具长度，减小腕部弯曲负荷，易于精确作业等优点，因此在气动工具产品中广泛应用。不同品种与用途的工具其手柄的设计方法也不同，对于气钻、铆枪等在工作中需要施加进给力的工具，手柄要设计成非平衡式（工具重心不在中间）且具有高、低两个握位的形式（见图1），70°左右的柄体角度可以保证手腕的稳定[4]。两种握位使操作者可以轮换使用不同的手指按压扳机，从而减少扳机指这类职业病的发生。而对于气扳机这类自重较重且无进给力或进给力较低的工具，则可以设计成平衡式（工具重心在中间），这样可以降低重量对于手腕的损伤（见图2）。

4.1.2 直式手柄

对于直柄工具来说，首先要考虑的是直径，直径的大小取决于工具的用途与操作者的性别。直径增大可以增大扭矩，然而太大会减小握力，降低灵活性与作业速度，并使指端骨弯曲增加，长时间操作导致指端疲劳。

着力抓握时合适的直径为30~40mm，精密抓握时直径为8~16mm[1]。根据专业机构研究，男性抓握的最佳直径是38mm，而女性最佳直径是34mm，这个尺寸可以让手握住时的压力最小，最舒适[4]。

图1 前哨DP350气钻

图2 前哨B0821气扳机

除了直径之外，还要考虑长度和形状。手柄的长度主要取决于手掌的宽度，掌宽一般在71~97mm之间，因此手柄长度在100~125mm间为合适[1]。手柄的形状最好设计成锥形，可以让所有的手指都能均匀握住。手柄的表面应该有一层高摩擦力的软质弹性层（橡胶套），上面的纹理能使手握上去后透气[4]。

直柄工具还要考虑工具在手上产生的是反作用扭矩还是在手腕和手臂处产生杠杆力矩。直柄气螺刀和直柄气钻这类工具，主要是反作用扭矩。气螺刀属于轻装配工具，女工居多，所以一般设计成34mm直径（见图3），而钻孔作业，男工居多，所以设计成38mm（见图4）；角向气螺刀主要是产生杠杆扭矩，对于安全的控制很重要，所以男工人居多，设计成38mm[4]。

4.2 开关设计

开关的设计与工具的形态和功能紧密相关，下面具体说明。

图3 前哨LZ414气螺刀（直径为34mm）

图4 前哨DS550气钻（直径为38mm）

4.2.1 枪柄式开关

对于气钻、铆枪等工具，开关按钮要设计成贴合中指的形状（见图5），因为如果使用指尖按压，长期作业会造成肌腱的损伤[4]。而对于只有扭转力或低进给力的工具（如螺丝刀），按钮则要设计成符合食指按压的形状（见图6）。另外，所有按钮都要设计成渐开式，便于控制转速（频率），完成精确作业。

4.2.2 压板式开关

这种开关被压下后机器启动，整个压板是手柄的一部分，具有很大的稳定性（见图7）。压板式开关适合长时间操作的工具，可以在不影响工具操作的前提下在压板上增加安全装置。这类按钮广泛应用于直柄的钻孔、拧紧、打磨工具上。

图5 中指按压

图6 食指按压

图7 前哨DA350A角向气钻

4.3 减震设计

大多数气动工具都可视为刚体，当振动力作用于刚体上时就产生了振动。如气动发动机高速旋转的不平衡、活塞的往复运动、砂轮接触工件、冲击扳手拧紧螺栓时都会产生振动，过多的振动会造成损伤。

手部振动综合征（HAV）就是一种由振动引起的疾病。与HAV相关的症状有血管损伤、神经损伤、肌肉骨骼损伤。血管损伤指的是手指动脉增厚，导致血液流通面积减少（见图8）。这种损伤会使患处的感觉渐渐消失，最终演变成振动性白手指[4]（见图9）。

神经损伤是手指神经细胞因振动而受损，这与手指的灵敏度降低有关，时间长了会造成永久性的损害并严重影响人的日常生活。

肌肉骨骼损伤主要由高冲击类工具（气铲、铆枪）引起，手和手臂损伤，甚至关节断裂。腕管综合征（CTS）有一部分就与振动有关，而其他的原因则是因为手腕的过度弯曲[1]（见图10），症状与神经损伤相似。

图8 手指动脉正常横截面及受白手指影响时

图9 振动性白手指

依据前述振动产生的原因及机械振动学原理，设计工具时可从两方面对振动加以控制。

第一，是减小手与工具间的震动力传播，措施是对手柄进行橡胶包覆处理（图11）或是设置前端保护套（图12）等，这些都能够起到一定的减震作用。

第二，将工具中的振动源和手柄进行隔离设计，例如减振铆枪在振动源与手柄之间增加空气弹簧（见图13），空气弹簧可以有效防止冲击机构的振动传递到手柄上。

图10 腕管综合征（CTS）

图11 手柄橡胶包覆

图12 前端保护套

图13 铆枪冲击机构连接在空气弹簧上

4.4 消音设计

4.4.1 噪声的危害

（1）影响工作，降低劳动效率。如果噪声超过85 dB，会使人烦躁不安，容易使人疲劳、怠倦，无心工作，工作效率大大降低。

（2）损伤听觉。长期在90 dB以上的噪声环境里工作，听力会明显下降，严重的会使耳膜出血甚至破裂致聋。

（3）引起疾病。低频噪声容易引起人体各部位的共振，造成头晕、恶心、呕吐、心律不齐、记忆力衰退等症状[5]。

4.4.2 噪声源

气动工具有三种主要的噪声来源。

（1）工作噪声。这是工具与工件接触引起的噪声[4]。

（2）空气动力噪声。有两种类型，一种是发动机排气噪声，即气动发动机工作时因气体发生剧烈膨胀而产生的刺耳噪声。这种噪声的强度与排气速度、排气量和气路形状有关；另一种为涡流噪声，当气流通过阀门、转角、出口处或气流流过的截面面积突变时，便会在物体表面附近形成周期性分离的涡流，以声波传播[5]。

（3）机械噪声。主要是由于机械运动（齿轮、滚动轴承和各种配合零件等）产生的撞击、摩擦，以及在交变机械应力作用下，因固体发生振动而引起的噪声（见图14）。

4.4.3 减轻噪声的方法

（一）对于工作噪声，目前只能采取区域隔离，并给操作者配备防护装具等措施。

（二）对于空气动力噪声，要设计合适的消音器。对于消音器，要达到国家规定的85 dB以下，并且结构紧凑，气动阻力小，维修方便，长期使用性能不变。消声器可以分为以下几种。

图14 工具表面振动产生噪声

（1）阻性消声器，利用阻性吸声材料吸收传播管道中的声能来降低噪声。阻性材料一般用表面多孔、内部空隙率很高的轻质疏松材料制成，如玻璃纤维、毛毡、聚氨酯泡沫等，或用铜颗粒烧结，或用多孔网状材料卷制。阻性材料多用于枪式手柄，见图15、图16。

阻性消声器的消声量，可用下式近似计算

式中 △L阻性——噪声降低量，dB

α——消声器内部饰面的吸声系数

P——管道横截面的周长（对于环形管道，为圆周长），m

F——管道横截面面积，m2

l——消声器长度，m

当计算消声器噪声降低量的平均值时，吸声系数α可按频率500Hz取值。

图15 阻性消声器原理

已知排气或进气的噪声谱，可按照各倍频带的几何平均频率（63、125、250、500、1000、2000、4000、8000Hz）予以计算。从公式中分析得知，消声器长度越大，横截面积越小，内部饰面材料的吸声系数越高，消声效果越好。

图16 阻性消声器

（2）抗性消声器，根据滤波器原理设计的，因此又称为声学滤波器。当声波通过截面积发生突变的管道时，对声波的过滤作用犹如滤色镜，它对中、高频噪声放行无阻，但对低频噪声却加以阻扰，使之反射回去，以此来达到消声的目的。在声学上把这种作用原理称之为抗性消声原理。抗性消声器有扩张室式和共振式，气钻主要采用前者[5]。

（a）扩张室式

图17中，扩张室构成的抗性消声器构造简单，无需使用吸声材料，消声量△L可用下式计算。

式中△L——消声量，dB

l——扩张室的长度，m

S——扩张比

图17 扩张室式抗性消声器

F1——连接管截面积

F2——扩张室截面积

k——波数

c——通道中的声速，m/s

f——噪声频率，Hz

当扩张室的长度等于噪声波长四分之一时，可以保证消声器最大的消声量，如果S>3，则一个扩张室的消声量，可达10 dB以上。气钻常用的是单扩张室式，见图18、图19。

与阻性消声器相比，扩张室抗性消声器结构简单，消声效果好，但是体积大，表现笨拙，实际应用中应根据结构选用[5]。

图18 单扩张室式抗性消声器

图19 抗性消声器用于气钻排气过程图

（b）共振式

位于气道中的共振器，通过共振作用将声场中与共振器固有频率相接近的频率范围内足够大的声能去掉，对消除低频噪声效果较好。共振式消声器在气钻等工具上的应用情况见图20，实际上是一个塑料波纹管，安装到工具柄体后部。发动机废气通过这个波纹管排入大气，可取得较好的消声效果。小型气钻、气螺刀等可采用这种消声器。

图20 共振式消声器原理

（三）机械噪声，主要是由振动产生的噪声，因此，设计时首先要保证零件的尺寸精度及表面粗糙度要求。其次，应避免或减少气动发动机、减速器等部件与壳体之间产生共振[5]。