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研究生:黃萬福
研究生(外文):Wan-Fu Huang
論文名稱:專業地毯舖設工具膝踢器『KneeKicker』之緩衝墊設計研究
論文名稱(外文):A Study on the Design of 『Knee Kicker』 Bumper for Carpet Layer
指導教授:吳志富吳志富引用關係
指導教授(外文):Chih-Fu Wu
學位類別:碩士
校院名稱:大同大學
系所名稱:工業設計學系(所)
學門:設計學門
學類:產品設計學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
論文頁數:132
中文關鍵詞:Knee Kicker測量裝置緩衝墊設計
外文關鍵詞:measurement deviceBumper designKnee Kicker
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地毯舖設從業人員常以『膝踢器』( Knee Kicker )從事室內滿舖地毯之舖設,其膝蓋部位之職業傷害比一般勞工高出108倍。改變操作型態或使用適當護具可減低危害因子,工具改良亦為手法之一。就膝踢器而言改良緩衝墊最為有效方式之一,而設計一簡單且合適的量測機構用於量測緩衝墊之特性有其必要性。
改良擺鎚式衝擊測驗台,用以探討『膝踢器』緩衝墊受衝擊時之力量傳遞及回彈狀態,以最大衝力、衝量及彈性回復係數作為緩衝墊評估指標。先期研究結果驗證自行設計的量測裝置為可行之設計。而在緩衝墊設計改良部分,則以緩衝墊之材料軟硬度、接觸面之幾何外型、組合方式等為自變數進行實驗,利用鑽盲孔方式產生新型緩衝墊設計( 非線性組合配合幾何接觸面外形,使其與膝部接觸端較軟 ),在反彈性能與向前傳遞之有效力量取得最佳之平衡點,同時考慮工作效率與安全,作為新型緩衝墊之開發準則。
新設計之緩衝墊在最大有效傳遞力表現比舊款設計佳、在衝量及彈性回復係數改進不大;而改變緩衝墊弧度,使接觸面加大,可分散降低膝蓋部位的壓力峰值。
改良之樣品經美國原廠進行測試,使用者主觀評量結果良好。將本測試裝置改良,亦可用於手工具、包裝器材、座墊、鞋墊、把手、、、等緩衝特性評估與新產品開發設計。
Carpet layers often use knee kickers for comprehensive floor carpet laying. They are more prone to occupational knee injuries than other laborers by 108 times. Change of operational approaches or the use of appropriate protective equipment helps reduce risk factors. Tool improvement is another feasible option. When it comes to knee kickers, improving the Bumper is one of the most effective methods, and it is necessary to design a simple and suitable gauging mechanism for measuring the characteristics of the Bumper.
An improved pendulum-type impact test platform is employed to examine the mechanical transmission and rebound of the Bumper of the knee kicker when it sustains impacts. The maximum impact force (impetus), impulse, and elasticity restoration coefficients serve as indicators for assessing the Bumper. Preliminary study confirms the feasibility of the measurement device designed by the researchers. In the area of Bumper design enhancement, Bumper material hardness, the geometrical configuration of the contact surface, and the assembly method are employed as independent variables for the experiment. Through the blind borehole method, the new Bumper (featured by a nonlinear combination in conjunction with a geometrical shape contact surface to make it softer at the knee contact end) is designed. The optimal balance between the rebound and the effective force passed forward is obtained. Work efficiency and safety are also treaded as the principles for developing the new Bumper.
In terms of the maximum effective force transmitted, the new Bumper outperforms the one adopting old designs. No significant improvement is noted in the impulse and the geometrical configuration of the contact surface. Improving the radian of the Bumper enlarges the contact surface to dissipate the peak pressure at the knee area.
Samples of the improved product are tested by a US manufacturer, and the outcome of users’ subjective evaluation is promising. Following proper enhancement, this test device can be applied to the appraisal of the buffering characteristics of hand tools, packaging equipment, cushions, shoe pads, handles and so on, as well as to new product design and development.
目錄
摘要.................................i
誌謝.................................iv
目錄.................................v
圖目錄...............................vii
表目錄...............................xi
第一章 緒論.........................1
1.1 研究背景......................1
1.2 研究動機......................3
1.3 研究目的......................3
1.4 研究範圍與限制................ 4
1.5 研究架構與流程.................5
第二章 文獻研究與現場觀察訪談.........7
2.1 膝部生物力學與職業傷害........7
2.2 衝擊力量測量.................13
2.3 碰撞緩衝與橡膠材料特性............18
2.4 現場觀察與使用者訪談..............22
2.5 小結.............................25
第三章 測量裝置設計....................26
3.1 自製測試機台概述................26
3.2 感測元件介紹....................31
3.3 力學理論推導與公式計算...........35
3.4 荷重元件與放大電路校正...........40
3.5 小結...........................42
第四章 先期研究與測試...................43
4.1 測試流程........................43
4.2 測試結果........................45
4.3 測試取樣頻率探討.................49
4.4 小結........................... 50
第五章 實驗結果與討論................... 51
5.1.1 衝鎚接觸面幾何外形對有效推力之測試研究...... 51
5.1.2 衝頭幾何外形與接觸面壓力分佈之測試研究...... 53
5.2 十三款試片性能測試比較..................... 55
5.3 試片變異分析.............................. 60
5.4 主觀評量與實驗測試結論..................... 73
第六章 結論與建議..................................75
參考文獻............................................78
附 錄............................................81

圖目錄

圖1- 1:膝踢器之使用……………………………………………………… 1

圖1- 2:強力拉張器………………………………………………………… 2

圖1- 3:膝踢器緩衝墊 …………………………………………………… 4

圖1- 4:研究架構與流程…………………………………………………… 6

圖2- 1:地毯施工時工人以膝部敲擊『膝踢器』………………………… 7

圖2- 2:『膝踢器』( Knee Kicker) 構造 …………………………… 8

圖2- 3:膝部結構(一)……………………………………………………… 9

圖2- 4:膝部結構(二)……………………………………………………… 9

圖2- 5:臏骨前滑囊發炎腫大示意圖……………………………………… 11

圖2- 6:膝蓋骨碎裂後動外科手術之示意圖……………………………… 12

圖2- 7:材料的彈性性質量測與實驗示意圖……………………………… 15

圖2- 8:攝影機與測試機台架設示意圖…………………………………… 15

圖2- 9:衝擊實驗機之試驗原理示意圖…………………………………… 16

圖2-10:Lupke擺鎚式衝擊實驗台 ……………………………………… 17

圖2-11:碰撞行為與交互作用力………………………………………… 18

圖2-12:多數黏彈材質應力應變時間關係圖…………………………… 21

圖2-13:使用膝踢器之現場施工圖(連續) …………………………… 23

圖3- 1:衝擊試驗機台各部份名稱 ……………………………………… 26

圖3- 2:衝擊試驗機台立體示意圖 ……………………………………… 27

圖3- 3:衝擊試驗機台電子信號流程示意圖 …………………………… 28

圖3- 4:衝擊試驗機台角度量測原理示意圖 …………………………… 28

圖3- 5:衝擊試驗機台實體外觀 ………………………………………… 29

圖3- 6:衝擊試驗機台前端荷重元件特寫 ………………………………… 29

圖3- 7:衝擊試驗機台衝鎚擺臂特寫 …………………………………… 30

圖3- 8:荷重元件之原理及S型、懸臂樑型力量感測單元 …………… 31

圖3- 9:華研科技Advantech USB-4711資料收集模組 ………………… 33

圖3-10:衝擊試驗機台擺臂角度與位能關係圖 ………………………… 34

圖3-11:衝擊試驗機台擺臂角度與最大衝擊速度關係圖 ……………… 36

圖3-12:衝擊試驗機台擺臂角度與電壓關係圖 ………………………… 38

圖3-13:校正時荷重單元與信號放大器之配置………………………… 39

圖3-14:以萬能材料校正荷重單元 …………………………………… 40

圖3-15:讀取壓縮力量與放大電壓讀數………………………………… 40

圖3-16:校正時荷重單元信號放大與外力負荷關係圖………………… 41

圖4- 1:中立位置之角度刻度盤特寫…………………………………… 44

圖4- 2:將衝鎚擺臂提高至特定角度…………………………………… 44

圖4- 3:電路接線………………………………………………………… 45

圖4- 4:Wave_Scan 軟體呈現之電壓_時間圖…………………………… 45

圖4- 5:40mm厚之緩衝墊、1ms 取樣之電壓_時間圖………………… 46

圖4- 6:70mm厚之緩衝墊、1ms 取樣之電壓_時間圖………………… 46

圖4- 7:40mm厚之緩衝墊、0.2ms 取樣之電壓_時間圖…………… 47

圖4- 8:70mm厚之緩衝墊、0.2ms 取樣之電壓_時間圖……………… 47

圖4- 9:40mm厚之緩衝墊試片、最大電壓9V( 約540kgf )…………… 48

圖4-10:70mm厚之緩衝墊試片、最大電壓4.6V( 約280kgf )………… 48

圖4-11:1000Hz取樣電壓_時間圖 ……………………………………… 49

圖4-12:2000Hz取樣電壓_時間圖 ……………………………………… 49

圖4-11:5000Hz取樣電壓_時間圖 ……………………………………… 50

圖5- 1:三款衝頭(平面、球面及圓柱面) ………………………………… 52

圖5- 2:擺臂提高60度衝擊三種不同衝頭之電壓_時間圖 …………… 52

圖5- 3:擺臂提高37度衝擊三種不同衝頭之電壓_時間圖 …………… 53

圖5- 4:富士壓力底片衝擊前後照片 …………………………………… 54

圖5- 5:富士壓力底片衝擊後所得顏色分佈結果 ……………………… 54

圖5- 6:十三款緩衝墊試片之彈性回復係數比較圖 …………………… 57

圖5- 7:十三款緩衝墊試片之往前傳遞衝量比較圖 …………………… 58

圖5- 8:十三款緩衝墊試片之往前傳遞瞬間最大衝力比較圖 ………… 58

圖5- 9:十三款緩衝墊試片之往前傳遞衝量/最大衝力比較圖 ………… 59

圖5-10:凹痕硬度計原理示意圖 ………………………………………… 61

圖5-11:凹痕硬度計實體( ShoreA)及校正座 ……………………………… 61

圖5-12:蕭氏硬度計種類刻度讀數對照表(部分) ……………………… 62

圖5-13:弘達儀器HT-2402型電腦伺服控制材料實驗機與電腦畫面 …… 63

圖5-14:五款緩衝墊壓縮實驗(一) ………………………………………… 64

圖5-15:五款緩衝墊壓縮實驗(二)_壓縮量在11mm內 …………………… 64

圖5-16:五款緩衝墊壓縮實驗(三) _壓縮量在16mm內 ………………… 65

圖5-17:五款緩衝墊最大衝力比較圖 …………………………………… 67

圖5-18:五款緩衝墊衝量比較圖 …………………………………………… 69

圖5-19:五款緩衝墊回復係數比較圖 ……………………………………… 72

圖5-20:新設計緩衝墊示意圖 …………………………………………… 73
參考文獻
一、中文部份
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二、英文部份

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