案例1：厨刀设计

1、案例1：厨刀设计问题问题：厨刀是百姓居家必备的用具。它用途广泛，与人的关系密切，是人们下厨的得力助手。但厨刀设计还没有达到最优的形态。因为厨刀设计不良而引发的切断手指等意外伤害事故，以及腱鞘炎、腕道综合症等重复性积累损伤时有发生。所以，有必要对厨刀设计中的人机工程学问题进行研究。 本设计的目的：是研究握柄形状，增加持握稳定性，避免意外伤害事故的发生；研究握柄角度，以保证手腕处于顺直状态，减少重复性积累损伤；研究刃口角度，以利于运刀、施力，缓解手臂的疲劳；解决食指因局部受力而引发的疼痛；解决粘刀问题，减少无效动作，提高工作效率。厨刀人机设计流程图1 现状分析11 现有资料收集 厨刀的主要功能是完

2、成对蔬菜、肉类的切削、分割工作。切、剁、砍、割、片(削)、镦是厨刀最常用的操作动作(参见表8)。这些动作可以满足绝大部分切削、分割工作的要求。新厨刀设计应在满足人机工程学关于手工具设计原则的前提下，较好地完成这些操作。12 现有厨刀的收集厨刀的用途与分类 通过市场调查发现，厨刀随着其用途不同而表现为不同的形态。厨刀的用途与分类参见表91。表1 厨刀的用途与分类2片刀尺寸的测量统计值 通过对收集到的26把片刀的尺寸测量，得到目前市场上片刀的基本尺寸统计值如表2所示。 表2 片刀的基本尺寸统计值由于片刀是日常居家最常用的厨刀，所以，以片刀设计为例，进行人机工程的应用研究。表2 片刀的基本尺寸统计值

3、3 现有厨刀的分析3 1 功能分析 为了使片刀的设计满足人机工程学关于手工具设计原则的要求，我们对现有厨刀的功能、结构、材质进行了市场调查，期望对新片刀的设计能有所启迪和帮助。通过对市场现有产品及资料的收集，整理出几种具有代表性的厨刀结构，并对这些结构进行了功能分析，详见表3。表3 厨刀的用途、结构及功能分析详尽分析：将厨刀的结构再细分为四个部分：刀头、刀刃、刀背和刀柄，分别讨论各部分的形状和功能。 1)刀头 常见刀头的形状和功能分析见表4。表4 刀头的形状和功能分析 因为半弧形刀头切削灵活，适用范围较广，所以，可选用这种形式的刀头作为片刀刀头。2)刀刃 刀刃的形状和功能分析见表5。表5 刀刃

4、的形状和功能分析 其中，弧线后部凸起结构使用灵活、省力，受力状态合理。因此，可选用这种形式的刀刃作为片刀刀刃。3)刀背 刀背的形状及功能分析见表6。 表6 刀背的形状及功能分析 一般来说，应尽量少采用这类附加功能，因为在利用刀背操作时，另一侧的刀刃很容易引起误伤。4)刀柄刀柄侧面形状可归纳成表7中常见的几种形式。刀柄横截面一般为矩形、圆形或椭圆形。其中，圆形刀柄虽然持握舒适，但容易旋转，持握稳定性较差；椭圆形刀柄持握较圆形稳定，不易旋转，也较舒适；矩形刀柄虽然持握稳定，但舒适性较差。刀柄的形状及功能分析见表7。表7 刀柄的形状及功能分析 与矩形、圆形刀柄相比，椭圆形刀柄持握稳定，也较舒适，因此

5、，可选用这种形式的刀柄作为片刀刀柄2操作分析1)片刀持握方式及基本操作方式 (1)片刀常见的持握方式 其可分为竖握方式(两种)和横握方式(一种)，参见图2、图3。图2 竖握方式图3 横握方式图4 拇指、食指受到较大的局部压应力图5 拇指直接按在金属刀身上 由图2、图3可见，三种持握方式食指都直接与刀身尾部端面接触，在切削操作时，受到较大的局部压应力，常常造成食指中部出现红肿、压痕或不适。对竖握持握方式(a)，由于拇指直接按压在刀背上，也会受到较大的局部压应力。因此，在食指与刀身尾部端面接触处和刀背拇指按压处均需加以改进，以改善食指、拇指的受力状况(见图4箭头位置)。对于横握方式，拇指直接按在金

6、属刀身上，也应加以改进(见图5箭头位置)。（2） 片刀基本操作方式其有切、剁、砍、割、片(削)、镦六种。表8列出了片刀的基本操作分析。 表8 片刀的基本操作分析 2)刀柄、刀刃的倾角 由市场调查发现，目前市场上绝大部分片刀的刀柄为直线式刀柄，如图6所示。使用直线式刀柄进行“切”的操作时，手腕处于尺侧偏状态，见图7。 长期在这种状态下操作会引发脏鞘炎、腕道综合症等积累损伤。若使手腕处于顺直状态，刀刃与水平面会有一倾角，见图8。为使手腕处于顺直状态，可以将刀柄向下弯曲一个角度，即使用弯折式刀柄，见图9。有文献提出，工具的把手与工作部分成10左右角时，效果较好。通过计测，本设计取该角度为12。图6

7、直线式刀柄图7 手腕处于尺侧偏状态图8案手腕处于顺直状态图9 弯折式刀柄 切削时腕部不仅需要克服来自刃口的阻力，还需要克服由于阻力与用力不共线而产生的旋转力矩，见图10。它增加了腕部负荷，加快了疲劳的来临。为减小旋转力矩，提高用力效率，应尽可能使刀刃切削时的阻力与用力共线。此时，刀刃圆弧也应有一与握柄相对应的倾角12，见图11。 为缓解直线形刀刃对手臂运刀时角度的限制，保证运刀动作流畅，刀刃的前部和后部应采用圆弧形过渡。这样，既缩短了刃口与被切物接触线的长度，增加了单位长度上的切削力，同时，也利于进刀和退刀。图10 阻力与用力不共线产生旋转力矩图11 刀刃切削时的阻力与用力共线3)刀具重心分析

8、(1)重心在刀身前部 在进行砍、剁等施力较大的操作时省力，但在切、割、顿、片时容易产生疲劳，参见图12。(2)重心在刀身后部 与前者相反，在切、割、顿、片时很灵活，但在砍、剁的操作中施力困难，参见图13。 (3)重心在刀身中部 是前面两者的综合，适应面较广，参见图14。图12 重心在刀身前部图13 重心在刀身后部图14 重心在刀身中部3。材料分析1)刀片材料 由于不锈钢具有在腐蚀性介质中高度稳定、高硬度、高耐磨性、易清洁和美观等特点，绝大多数厨刀均选用不锈钢作为刀身材料。3Crl3，7Crl7M，Mo717-1、Mo717-2、Mo717-3等型号的不锈钢都是很好的刀身材料。在添加了Mo元素后

9、，不锈钢可以具有更好的韧性和耐磨性。2)刀柄材料 (1)金属刀柄 金属刀柄一般采取刀片与刀柄一体化，结实，但手感不好，且容易滑脱。 (2)塑料刀柄 塑料刀柄脆性较大，在强震动下易破裂。它还具有易滑脱，易老化，手感不好等缺点。 (3)橡胶刀柄 橡胶刀柄手感较好，与手之间的摩擦适中。但存在老化问题，与人的亲和力也较差。 (4)木制刀柄 木制刀柄手感好，摩擦适中与人的亲和力强。 (5)电木刀柄 电木刀柄手感、强度等性能均较好。 (6)组合式 组合式刀柄一般采用金屑加本质或电木结构，刀柄牢固，手感也好。可满足刀柄的多种功能要求，同时还能起到装饰作用。 。4使用者群体分析 厨刀的使用者主要是成年人，使用

10、者群体可定位在2050岁的年龄段，应同时适合男性和女性使用 2 尺寸计测 21 选择计测项目 片刀设计的尺寸计测项目见表9-9所示计测内容。 22选择计测对象 计测对象可选择20-50岁的男性和女性。 23 尺寸计测由于条件限制，本设计选取20名(男女各10名)22岁的大三学生作为计测对象，计测结果参见表9-9。3 新设计方案31 刀柄形状 刀柄外形与人手持握的弧线相吻合。椭圆形截面使人持握时有稳定感，舒适、易于施力、不旋转。鱼腹形(中间突起)刀柄，可以防止轴向滑脱。在刀柄上方增加了竖捏拇指按结构(凹坑)，在两侧均添加了横握拇指按压结构(凹坑)，见图15，它可以同时满足惯用右手和惯用左手操作者

11、的操作需要。此外，还增加了食指保护结构(护板)，见图16。这些结构可使拇指、食指免受较大的局部压应力，避免了拇指直接按在金属刀身上所产生的不适感；增加了持握的稳定性和操作的舒适性，体现了宜人性设计的人机工程设计理念。图15 竖握、横握拇指按压结构图16 食指保护结构32 刀柄、刀刃角度 本设计采用弯折式刀柄，以保证操作者持握刀具时手腕处于顺直状态。通过计测得到的弯折角为12。 为避免切削时产生旋转力矩，刀刃所受阻力最好与刀柄施加的切削力共线。因此，取刀刃切削部分与刀柄平行。33 刀身形状刀刃呈弧形设计，前部弧形大约与菜板成12角。这样既保证了刀刃切削时的阻力与用力共线，同时，也缓解了直线形刀刃

12、对手臂运刀的角度的限制。前端倾角便于往复切削，后端弧形便于退刀操作。 刀头最前端的刀尖便于进行戳、挑、刺等操作。刀背略凹，与刀身整体形状相呼应，并利于另一只手辅助施力。刀身两侧开有防粘连凹槽，能有效地防止被切割物粘在刀身上阻碍视线，节省了切莱时去除粘贴物的时间，提高了工作效率。34 材料 刀柄采用本质或电木材料；刀体选择马氏体不锈钢3Crl3。35 质量(重量) 质量(重量)取05kg。 新片刀设计效果图参见图17，尺寸图参见图18。图17图18设计总结 通过以上分析，厨刀的设计应考虑如下内容。 人体的腕部是完成切削动作的关键部位，长时间不正确的操作方式会造成腕部的积累损伤。 刀柄是人手持握的部位，它直接影响到使用的功效和人体的舒适程度，是设计的重点。 刀刃与刀柄的倾角应便于施力。 必须保证刀柄与刀体连接的强度。 刀背上的辅助(结构)功能应慎重使用，以防止用刀背操作时，由刀刃引起的误伤事故。 刀柄的材料应选择与