一种便于拆卸高预紧力螺栓的扳手的人机学设计

宁文博 宋士学 刘万荣

摘要：运用人机工程学的基本原理和理论，对螺栓扳手进行了研究，分析了各种种类的螺栓扳手及其使用场景、使用规格以及平时使用时所遇到的困难，最后提出了设计方案。该设计创新点在于可以更换不同规格的套筒，并轻松扭下高扭矩螺母。

关键词：人机工程学;螺栓;扳手

0    引言

螺栓在日常的生产生活中应用十分广泛，也被称为“工业之米”，螺栓是利用物体的斜面圆形旋转和摩擦力的物理学及数学原理，循序渐进地紧固器物机件的工具。螺栓的运用范围有：电子产品、机械产品、数码产品、电力设备、机电机械产品以及船舶、车辆、水利工程等。对于不同的应用场景，螺栓的规格要求不同，同时对于螺栓连接工艺的要求也不同，例如拧紧策略具体涉及拧紧控制方法、工艺参数等方面，拧紧策略对螺栓连接预紧力具有重要影响[1]。针对预紧力来说，汽车制造过程中，制动盘螺栓固定时使用的预紧力通常要达到47.62 kN甚至更高[2]。针对这种螺栓，在拧紧时通常使用扭矩扳手甚至气动扳手来进行紧固，以达到高预紧力的目的，而在拆卸时则会因其预紧力过高而遇到一定的困难。以修车厂为例，在拆卸高预紧力螺栓时会使用气动扳手或电动扳手，但是一些没有条件的修理厂商一般会使用套筒扳手和橡皮锤组合制造冲击，来拆卸高预紧力螺栓，但由于没有专业工具和有效的、符合人机学设计的工具来进行拆卸，不免会产生不安全因素，导致危险。

人体工程学，也称人机工程学、人类工程学，是一门涉及多学科的新兴边缘科学，它通过研究人、机、环境之间相互关系的规律，力求使人—机—环境系统的总体性能达到最优[3]。

目前市面上广泛使用的可以提供冲击或高扭矩的扳手工具一般是气动或电动扳手及扭矩扳手，而扭矩扳手由于价格过高且功能过于单一，通常只有高端修理厂商才会使用，所以在拆卸高预紧力螺栓时使用的工具较为单一。同时目前设计出的一些省力扳手或进行特种操作的扳手多半是针对大型器具的拆卸，如供电铁塔、高压舱盖等[4]，而针对日常民用（以汽车修理为例）市场设计的省力扳手虽种类繁多，但结构过于复杂，对于使用后的日常维护造成了很大的不便，并且会带来许多附加费用。

鉴于此，设计了一种便于拆卸高预紧力螺栓的扳手，其分为四個部分（图1），分别是可拆卸套筒（a）、主杆（b）、限位器（c）、重物杆（d）。除限位器和主杆之间通过焊接相连外，其余均为可拆卸、可替换部件。

该设计利用冲量原理来拆卸高预紧力螺栓，解决了维修人员在拆卸高预紧力螺栓时由于缺乏有效的、符合人机学设计的工具而造成危险的问题。同时此工具构造简单、造价低廉、使用快速，具有良好的社会、经济效益。

1    便于拆卸高预紧力螺栓的扳手简介

1.1    主杆和限位器

此工具中主杆（b）和限位器（c）作为接受冲击和施力的主要部件，要充分保证其强度过关，所以这两个部件在连接时应使用焊接工艺，充分保证强度。同时，主杆连接套筒处做出六角形凹槽，保证套筒和凹槽在受到高扭矩时不会发生损坏，凹槽底部装入弹簧球，用于固定活动套筒。同时，为方便工人携带和移动，在主杆的尾部应加上方便提起的软质把手。

1.2    套筒

套筒（图2）作为和螺栓接触的第一个部件要保证足够的强度，同时套筒要设计多个且内径符合国家现行标准，套筒尾部应做六角形凸杆，且凸杆尾部做环形凹槽与主杆（b）凹槽每部弹簧球相对应，起到固定套筒的作用。

1.3    重物杆

重物杆（d）的作用是为工具整体提供冲击，以其自身的旋转来储存动能并在撞击到限位器的时候转化为使高预紧力螺丝松动的能量。重物杆的长度应适当加长以提高力矩，使工具在配重足够轻的前提下提高力矩的提供能力，并兼顾携带性。

2    便于拆卸高预紧力螺栓的扳手人机学分析

2.1    主杆的人机学分析

主杆负责连接各个部件，同时在各部件连接好之后使用时又是使用者用手直接接触到的第一个部件，所以主杆的人机学设计就显得尤为重要。

主杆末端设计的把手是使用者在移动工具时需要触碰到的地方，把手的舒适度以及牢固程度直接影响着操作者的正常操作。把手是器具与人体接触最为紧密的一个配件，功能性和使用性是其存在的主要意义。器物的适用程度与把手的设计有直接的关联[5]。除了运用人体的基础数据进行设计保障基本使用功能以外，还需针对把手在日常使用中的细节问题提出更优化的设计理论原则。

在把手的设计过程中还应对三个问题进行分析，分别是尺寸与空间、造型与位置、隔热与摩擦。

同时，主杆的另一端连接负责拆卸高预紧力螺栓的套筒，螺栓在日常的生产生活中有着许多规格，这就要求此次设计的工具需要适应不同规格螺栓的设计，所以在主杆的另一头应铣六角凹槽并在内部装上弹簧球，使此工具可以在不过分降低强度、降低抗扭能力的同时，满足适配多种规格螺栓的需求。

2.2    重物杆的人机学分析

此次设计的工具归根到底就是人为制造冲击，使螺栓松动，从而达到拆卸高预紧力螺栓的目的。而重物杆起到的作用就是提供冲击，其依靠自身的旋转撞击限位杆从而产生冲击，所以冲击的大小与配重物的重量还有重物杆的长度有着直接的关系;同时，此工具在使用时地点可能不固定，而在挪动过程中过大的重量会造成使用不便，所以应在杆长和重量之间取得平衡。

3    便于拆卸高预紧力螺栓的扳手设计

主杆作为扳手的主体部分，把手的设计和套筒插槽的设计直接影响工具的便利程度和牢固系数。

把手的一般设计原则是必须有效实现预定功能;与操作者的手成适当比例，使操作者发挥最大效率;按照作业者的力度和作业能力设计，要适当考虑性别、年龄、训练程度和身体素质上的差异;把手要求的作业应尽量避免静态施力且不能引起过度疲劳。例如把手应符合成人食指近位指关节宽15～21 mm及远位指关节宽13～19 mm的要求。同时，把手的隔热与摩擦是与人机工程学中人的触感分不开的，如经过3 s，触压觉就可以下降到元水平的1/4，适应时间与刺激强度成正比，与刺激作用的面积成反比。所以，把手设计为和主杆一体的杆状，并在末尾加上防滑的泡棉手柄，即可满足耐用和舒适两种要求。

高预紧力螺栓在日常的生产生活中应用十分广泛，高强度螺栓连接必须施加一定的预紧力，合理的预紧力不仅可以提高螺栓的防松能力，还可以增加螺栓的疲劳寿命和被连接件的可靠性[6]。日常使用的高预紧力螺栓虽然对预紧力的要求不是那么高，但在拆卸时依旧需要工具的配合，通常使用的是气动扳手或电动扳手，依靠冲击和高扭矩来拆卸高预紧力螺栓。不过气动扳手和电动扳手的成本过高，加之高预紧力螺栓的使用虽频繁，但在日常生产生活中只是个别对连接强度有要求的部位使用，所以工人师傅一般使用橡皮锤和套筒扳手组合，人为制造冲击从而达到拆卸高预紧力螺栓的目的。然而，这种组合对工人师傅的敲击准度和力度都有门槛，稍有不慎就可能造成人员受伤。

本文所述便于拆卸高预紧力螺栓的扳手，在设计时由于材料的限制首先选择了铁质，从源头造成了工具总体较沉的问题，同时由于设计初期使用人数过少且可参考资料较少，无法确定限位杆和重物杆以及重物的长度和重量，并不能完美地兼顾便于携带和冲击足够这两个方面。所以，在接下来的改进中，首先要寻找合适的材料主杆，保证强度合适、重量够轻;其次要增加实验次数，收集反馈，改进限位杆和重物杆以及重物的长度和重量，方便使用者使用。

4    结语

此次设计的便于拆卸高预紧力螺栓的扳手解决了拆卸高预紧力螺栓没有经济耐用的专业工具的问题，根据冲量定理，利用重物的旋转制造冲击从而达到拆卸高预紧力螺栓的目的，既保证了使用人员的安全，又可以减轻使用人员使用时的身体负担，因而具有良好的经济、社会效益。

综上所述，此工具可以在一般情况下代替气动或电动扳手达到拆卸高预紧力螺栓的目的。

[参考文献]

[1] 李小强，孟庆阔，杜一凡，等.拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响[J].机械工程学报，2020（13）：231-241.

[2] 徐传来，米彩盈.轮盘和螺栓预紧力对车轮疲劳强度的影响[J].现代制造工程，2015（1）：35-38.

[3] 李美君，張亚池.家具把手设计中的人体工程学[J].木材加工机械，2005，16（2）：41-44.

[4] 国家电网公司，山西省电力公司晋城供电分公司.铁塔地脚螺栓拆卸工具：CN201220122666.0[P].2013-01-16.

[5] 文雪.人机功效原理在日用陶瓷产品把手设计中的应用研究[J].工业设计，2019（2）：157-158.

[6] 朱若燕，李厚民.高强度螺栓的预紧力及疲劳寿命[J].湖北工学院学报，2004，19（3）：135-136.

收稿日期：2020-07-20

作者简介：宁文博（1999—），男，山东聊城人，研究方向：安全工程技术。