油鋸造型設計論文

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一、問題的提出

油鋸的不當設計，會給操作人員帶來不堪重負的疲勞。長期暴露在強震動、強噪聲和強污染的環境中，直接影響操作人員的身心健康和作業效率，導致多種職業疾病，如腱鞘炎、關節炎、血管收縮癥（白手病）、肺炎等，這些疾病都是長期重復性勞作后積累而產生的。油鋸作業屬于重體力勞動，操作過程中對于操作人員的上肢承受力有著重要影響。油鋸重量及不舒適的手柄，會使操作人員的上肢肌肉產生疲勞；不合適的操控鍵尺寸、色彩和形狀，更會給操作人員帶來安全隱患。因此在進行油鋸的設計時,應該遵循人機工程學的原則，減少人機方面設計不當所帶來的風險。本課題研究的目的在于探究油鋸造型的人機設計，對油鋸的人機界面進行優化，也為油鋸作業環境的合理化提供理論依據。

二、人機工程學設計原則

在人機工程學中關于手動工具設計的設計原則包括：

（1）必須能有效完成預定功能；

（2）必須與人的身體形成適當比例，使人力作業效率最大；

（3）必須按照作業者的力度和工作能力來設計；

（4）不應引起過度疲勞；

（5）必須以一些合理的形式向使用者提供感官反饋；

（6）所需要的研發和維護成本應當是合理的。手動工具涉及到的生理因素包括避免靜態肌肉施力、避免不協調的腕部方位、避免掌部組織受壓、避免手指重復動作。油鋸設計必須在有效地實現預期功能的同時，與使用者身體部位成適當比例，緩解使用者的疲勞，使其工作效率最大化，并在使用合理性最大化的同時，充分考慮到操作的安全性和舒適性。油鋸的設計主要研究人體上肢與工具的相互協調，設計時需要將人手、工具和戶外林場作為一個系統，除了對手部、臂部構造的研究外，更為重要的是研究與手部相接觸的產品部件。只有這樣才能滿足人機工程學原則，設計出符合使用者要求的油鋸來。

三、油鋸造型的人機設計研究

1.操控設計

（1）后把手設計

操作油鋸時，操作者身體臂部主要的受力肌肉為右手掌長肌、右手肱二頭肌、左手肱三頭肌。隨著把手直徑增大，肌肉收縮增強，但當直徑大于30毫米時，收縮強度迅速增大；而當把手直徑小時，雖然肌肉收縮強度小，但是太小會增加局部壓力，使手指局部產生刺痛，并且在需要施加扭矩的情況下，會增大握力，導致肌肉收縮增大。因此，30毫米左右的把手直徑有利于保持最大握力。我們可以看出，有一定角度和平直的把手，會使腕部處于平直和彎曲的狀態，而當人手的腕部處于平直狀態時，手的持握力有所減耗，并且別扭的手部方位將導致手部疼痛。因此，油鋸后把手傾角設計為20-30度左右為宜。如圖4所示，男性最寬手幅大約為97毫米，因為后把手還有一定的傾角，故把手長應當為120-140毫米，帶手套長度最少增加10毫米。把手形狀不能為圓形或正方形，斷面為矩形或三角形更適合,操作起來更順手、更舒適。

（2）剎車桿設計

人推操縱桿比拉操縱桿的反應時間要短。也就是說，當緊急情況下，有效的操縱應該是推這個動作。因此，當工作的油鋸需要停止時，剎車桿應該是向前推的，此時剎車帶抱緊鏈輪，鏈條停止運轉；當需要油鋸恢復正常工作，向后拉剎車桿，則剎車帶松開鏈輪，鏈條恢復工作。如圖4所示，男性最寬手幅大約為97毫米，剎車桿把手長應當在100-120毫米，帶手套長度最少增加10毫米。因為是操作活動的把手，采用22毫米左右的直徑最好。

（3）控制鍵設計

操作人員在其工作過程中免不了重復進行開關操作。重復地按鍵操作將增加疼痛和疲勞。按鍵形狀不合理、尺寸偏大或偏小、表面容易打滑、操作力過大等，都可能增加手和手指的疲勞，導致手部損傷。油鋸手柄和機身上的按鍵，其水平截面應為矩形，用手指按壓的表面要有適合指形的凹陷輪廓。由圖4，選取95%男性手指近位指關節寬度值，后把手矩形按鍵（拇指操作）的參考值為25毫米×12毫米，機身上矩形開關鍵參考值為30毫米×12毫米。油鋸的拆除及減壓旋鈕，應該采用指針旋鈕的形式，圓形或錐形的旋鈕不太適合手上油污或戴手套時使用。如圖6，指針旋鈕的厚度參考為5毫米左右，長度可以在20-40毫米之間。指針旋鈕的造型可以多樣化設計，如圖7所示。在有多個控制鍵的情況下，各控制鍵在形狀、大小、色彩、質感以及位置等方面，盡量給予明顯區別，使它們易于識別，以避免互相混淆。另外在控制鍵的安置上，必須結合操作者的使用習慣及生理需求，讓操作者在合理的體位下操作，避免勞動損耗，使其與人的自然行為協調一致，如圖8所示。

2.材料選擇

林區工人非常歡迎質量輕的油鋸，這是毋容置疑的。國內油鋸的重量絕大部分在4.5公斤以上。而德國、日本、美國的輕型油鋸的重量大都在3.5公斤以下，如日立CS25EC（S）單手操作油鋸，重量僅為2.9公斤，可掛于腰上，上樹爬山時方便攜帶，體積雖小但卻毫不影響動力。因此，我國油鋸只要在材料和發動機性能上下功夫，使用輕質合金（如鎂鋁合金）和合成樹脂材料進行優化設計，重量可以大大減輕。另外，與手相接處的部位，材料的觸感與操作的舒適度有著很大的關系。如工具手柄上覆蓋的黑色軟膠以及皮紋明確地告訴使用者，這里是可以用手把持的。此外，控制鍵上的磨砂、槽紋或花紋的材質，也可以使操作更加準確。

3.色彩設計

油鋸的色彩人機設計主要體現在：

（1）較緊張工作中能完成快速分辨，操作準確安全，提高生產率。不同的功能最好進行色彩分區，并且需要用到對比較為強烈的色彩。

（2）需要遵循有關技術標準的規定和已被廣泛認可的色彩表義習慣。如紅色為警示，須做開關使用。

（3）宜用沉重、堅實的色彩，給人一種穩定、安全的感覺。

4.設計案例分析

受寧波大業工業設計公司的委托，筆者為國內一家致力于高端園林機械產品的公司設計一款導板為16寸、功率為1.7千瓦的輕型油鋸。目標用戶為農戶、園藝工人、農場工人和手工匠人等，適合家用、裝潢、物業、園林公司等單位。產品定位為砍伐小樹、削剪灌木、建造樹頂小屋，以及準備過冬薪柴專用油鋸。特點是輕便省力，低震動，在惡劣條件下，油鋸質量穩定，性能可靠等。這款油鋸依照人機工程學原理進行設計，整個機身材質為高強度塑料，能耐高溫、耐腐蝕、減震、耐摔。具體部件設計包括：環形把手部分表面采用黑色橡膠材質，直徑為30毫米，寬為200毫米，高為200毫米；后把手部分直徑為30毫米，長為130毫米，高為120毫米；剎車把手直徑22毫米，寬110毫米；發動機罩形態為放射圓形，散熱性好，中心處可放公司LOGO；控制鍵的排布比較集中，便于識別和操作。在色彩設計上使用了較為跳躍的紅色、綠色、黃色和橙色，使得產品外觀色彩醒目，而且具有視覺舒適度，一改以往工具設計中的色彩運用的局限性。此油鋸適合多場合環境作業，其特點是質量輕、功率大、結構簡單、造型新穎，其造型設計嚴格遵循了人機工程學的設計原理，操作更輕巧，使用更便捷。

四、結語

作為林業工作必不可少的操作工具——油鋸，必須遵循人機工程學的設計原則來實現造型設計，這對于減輕勞動疲勞及安全操作有著至關重要的意義。在人機工程學方面，油鋸設計應該遵循以下四個指導思想：不要使腕部彎曲，把手應該有助于抓握，確定適當的功能分區，以及提供適當的安全空間。未來油鋸的發展，必然朝向新技術、新材料、新工藝的方向，但是人機設計的根本原則不可改變，產品設計必須以人的使用為前提，這樣的設計才能是優良的設計。

作者:張明月單位:常州大學藝術學院