直流鋰電鏈鋸設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙燕翔

( 江蘇蘇美達(dá)五金工具有限公司，江蘇 南京 210032 )

直流鋰電鏈鋸設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙燕翔

( 江蘇蘇美達(dá)五金工具有限公司，江蘇 南京 210032 )

依據(jù)EN60754-1和EN60745-2-13標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求，從產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計(jì)思考等方面介紹直流鋰電鏈鋸產(chǎn)品應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)構(gòu)參數(shù)和認(rèn)證試驗(yàn)項(xiàng)目，以及鏈條線速度的計(jì)算方法和電池包容量計(jì)算方法。

鏈鋸；結(jié)構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)；參數(shù)；鋰電池

0 引言

電鏈鋸是園林電動(dòng)工具系列產(chǎn)品中重要的一個(gè)類別。在鏈鋸產(chǎn)品由串激電機(jī)驅(qū)動(dòng)或兩沖程汽油機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)向鋰電池供電、直流永磁電機(jī)或直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展過程中，隨著高容量鋰離子電池的不斷發(fā)展，直流鋰電鏈鋸產(chǎn)品的市場(chǎng)份額不斷增加。鋰電池鏈鋸注重其產(chǎn)品系列的輕量化以及便捷性，體現(xiàn)在環(huán)保性和工作環(huán)境等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的汽油鏈鋸，呈現(xiàn)出擠壓與替代汽油鏈鋸市場(chǎng)份額的趨勢(shì)。本文主要介紹直流鋰電鏈鋸產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)構(gòu)參數(shù)和認(rèn)證試驗(yàn)項(xiàng)目以及鏈條線速度的計(jì)算方法和電池包容量計(jì)算方法。

1 產(chǎn)品規(guī)劃

在明確目標(biāo)市場(chǎng)的前提下，應(yīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定位和規(guī)劃，即：確定工作電壓、電池包容量、電機(jī)選用、有效切割長度、鏈條線速度、鏈輪齒數(shù)、鏈條節(jié)距、剎車方式；確定微量油泵、鏈條張緊機(jī)構(gòu)及參數(shù)。如選用直流無刷電機(jī)且采用電子剎車方案，認(rèn)證時(shí)，主控板軟件必須通過評(píng)估。

2 設(shè)計(jì)思考

電池包結(jié)構(gòu)排布應(yīng)緊湊，便于與保護(hù)板連接。確定整體或單節(jié)電池保護(hù)方案以及過充、過放、過流保護(hù)；整機(jī)需設(shè)計(jì)控制板，應(yīng)能與電池包進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如采用電子剎車，則需通過控制板對(duì)無刷電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)剎車功能，并安排軟件評(píng)估。

假設(shè)電池包中采用S節(jié)電池串聯(lián)后并聯(lián),并聯(lián)數(shù)為P,單節(jié)電池電壓為3.6 V，容量為2 Ah，則該電池包中：

電池總節(jié)數(shù)為：S×P節(jié)

理論電壓為：S×單節(jié)電壓（3.6×S V）

理論容量為：P×單節(jié)容量（2×P Ah）

理論電量為：理論電壓×理論容量（3.6 S×2 P Wh）

圖1所示為電池包在整機(jī)中布置的四種形式：機(jī)身后下部、機(jī)身后端部、機(jī)身電機(jī)上部、機(jī)身中部。

圖1中，a、b布置方式適合于低電壓電池包，如18 V；c、d布置方式適合于高電壓電池包，如40 V或80 V，其中，d的布置方式更易滿足安規(guī)要求的機(jī)身平衡和開關(guān)板機(jī)后端與前手柄中心線距離不小于225 mm的要求，但應(yīng)注意，該方式具有專利保護(hù)，需有針對(duì)破解。

圖1 電池包布置通用方式

3 定義及參數(shù)

3.1 定義

1）鏈條節(jié)距P

三個(gè)相鄰鉚釘兩個(gè)間距和的數(shù)學(xué)平均值（見圖 2）。

2）反彈

鏈鋸使用中，當(dāng)鏈條在導(dǎo)板附近接觸到硬物如原木、枝條時(shí)，鏈鋸會(huì)產(chǎn)生快速向上和向后的移動(dòng)。

圖2 鏈條節(jié)距

3）有效切割長度

從插木齒根部沿導(dǎo)板軸線方向至鏈環(huán)外沿的距離；如導(dǎo)板頂部裝有擋板，則該長度計(jì)算從插木齒根部至擋板內(nèi)側(cè)。導(dǎo)板頂部擋板即安裝在導(dǎo)板頂部的護(hù)罩，其作用是防止被切割物體接觸頂部鏈條，可降低鏈鋸反彈的范圍（見圖 3）。

圖3 鏈條限制器

4）鏈條限制器

鏈條限制器是一種防護(hù)裝置，用于鏈條脫軌或斷裂時(shí)，限制其向后甩出傷及操作者。也有設(shè)計(jì)成與插木齒一體化的，要求高度必須超過導(dǎo)板中心平面5 mm以上（見圖4）。

圖4 有效切割長度

5）跑停時(shí)間

切斷主電路開關(guān)至鏈條停止運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的時(shí)間（專用臺(tái)架上專用儀器測(cè)試）。

3.2 參數(shù)

手柄擋板的尺寸和間隙要求如下：

1）扳機(jī)在自然狀態(tài)下，下方空間應(yīng)滿足圖5所示要求。

圖5 扳機(jī)下方最小間隙要求

2）扳機(jī)在自然狀態(tài)下，后方要應(yīng)留有足夠空間（4個(gè)帶手套的手指），見圖6。

圖6 扳機(jī)后方最小間隙要求

3）鏈鋸必須設(shè)計(jì)成雙手柄，前手柄后端離最近的鏈條刀刃距離應(yīng)≥120 mm（全路線）；后手柄底部右側(cè)應(yīng)有擋板（在≥100 mm長度內(nèi)，寬度≥30 mm），以防止鏈條斷裂而對(duì)操作者的手部造成傷害，見圖7，且擋板強(qiáng)度必須滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖7 前后手柄安全距離要求

4）前手柄與機(jī)殼、前手柄與擋板之間、扳機(jī)后端與前手柄之間的間隙、距離要求，如圖8、圖9、圖10、圖11所示。

圖8 前手柄擋板安全距離要求

圖8 中，前手柄擋板拉起狀態(tài)時(shí)，其高度應(yīng)比前手柄頂部高出A(≥20 mm),前手柄擋板放下狀態(tài)時(shí)，應(yīng)保證A≥0;

圖9 前手柄與插木齒齒根距離要求

圖10 前手柄與扳機(jī)后端距離要求

圖11 前手柄擋板尺寸、安全距離要求

圖11 中，G為推開前手柄擋板處于剎車狀態(tài)時(shí)，前手柄與擋板之間的距離，EF為拉起時(shí)的距離。

3.3 平衡要求

測(cè)試前狀態(tài)：安裝導(dǎo)板鏈條、電池包，油壺，裝入插木齒，在前手柄抓握區(qū)域內(nèi)找到支架點(diǎn)（滾珠軸承放置點(diǎn)），見圖12標(biāo)注的1處，該點(diǎn)能讓工具保持側(cè)平衡，然后測(cè)量導(dǎo)板中心線與水平面的角度，上下偏擺≤30°。

圖12 平衡要求

4 性能

1）鏈條剎車

前手柄擋板推下即剎鏈條，擋板的釋放力為20 N～60 N。

剎車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在圖13中的的擺錘機(jī)構(gòu)上進(jìn)行，分別在-25℃和+40℃環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，要求剎車護(hù)板無破裂損壞現(xiàn)象，功能正常。試驗(yàn)方法見圖13(與導(dǎo)板中心線成45°方向)，要求平均剎車時(shí)間：0.12 s，最大剎車時(shí)間：0.15 s。測(cè)25次，取前5次和后5次平均值考核。

圖13 鏈條剎車試驗(yàn)

2）跑停時(shí)間

試驗(yàn)前，鏈鋸須進(jìn)行10個(gè)周期的通、斷試跑機(jī)，每個(gè)周期時(shí)間為1 min，包含通、停各30 s。

隨后，空載情況下做2 500周期的跑停試驗(yàn)，要求前6次的跑停時(shí)間≤2 s，最后6次的跑停時(shí)間≤3 s。

3）鏈條張緊力調(diào)節(jié)

在鏈條下部鋸割中心點(diǎn)施加1 kg拉力，鏈條側(cè)鏈節(jié)與導(dǎo)板之間的間隙為0.017 X(導(dǎo)板長度)，此時(shí)張緊力度合適。

5 測(cè)試

1）鏈條限制器強(qiáng)度測(cè)試

鏈條限制器有沖擊強(qiáng)度要求，在如圖14的擺錘機(jī)構(gòu)上進(jìn)行一次沖擊，限制器不得失效，限制器是鋼結(jié)構(gòu)件以外的材料時(shí)，必須在-10℃±3℃環(huán)境下進(jìn)行。

圖14 鏈條限制器沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)

2）后手柄保護(hù)板強(qiáng)度測(cè)試

后手柄保護(hù)板強(qiáng)度測(cè)試在剎車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)上進(jìn)行，分別在-25℃和+40℃環(huán)境下進(jìn)行，沖擊點(diǎn)位置見圖15。沖擊25次，要求無破裂損壞，功能正常。

圖15 后手柄保護(hù)板沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)

3）靜載強(qiáng)度測(cè)試

將鏈鋸按圖16所示裝夾至臺(tái)鉗上，機(jī)體離臺(tái)鉗≥15 mm，分別在前手柄和后手柄中央位置的X、Y、Z三個(gè)方向加載，載荷大小見表1。要求加載后無破裂損壞現(xiàn)象發(fā)生，確保前述的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍能滿足要求。

圖16 前后手柄靜載強(qiáng)度試驗(yàn)

表1 靜載載荷方向及大小

6 計(jì)算

如圖17所示，鏈條的平移回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由鏈輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，鏈條線速度可由單位時(shí)間內(nèi)等邊多邊形的周長數(shù)計(jì)算，鏈條的線速度為：

式中 P—鏈條節(jié)距

z—鏈齒輪齒數(shù)

n—鏈齒輪轉(zhuǎn)速

圖17 鏈條及鏈齒輪示意

7 結(jié)語

電鏈鋸作為充電式電動(dòng)工具產(chǎn)品之一，其產(chǎn)品認(rèn)證較為嚴(yán)格，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段必須嚴(yán)格按照安規(guī)要求進(jìn)行，除了重視上述要點(diǎn)外，還須進(jìn)行一些常規(guī)測(cè)試，如EMC測(cè)試、耐久性試驗(yàn)、 有害物質(zhì)控制、實(shí)際性操作試驗(yàn)、噪音測(cè)試和一些目擊測(cè)試等，只有通過以上種種測(cè)試及考核，才算是開發(fā)出了一款合格的鋰電鏈鋸。

[1]Hand-held motor-operated electric toolsparticular requirements for chainsaw:EN60745-2-13 [S].

科技信息

韓國開發(fā)出蜘蛛網(wǎng)狀鋰離子電池新材料

韓國成均館大學(xué)發(fā)布消息稱，其研究組根據(jù)蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與功能開發(fā)出鋰離子電池高性能電極活性材料，成功解決了高容量材料退化和充放電速度慢等問題，可以應(yīng)用于多種類型的高容量二次電池。

目前科學(xué)家為了克服鋰離子電池負(fù)極材料石墨容量受限的缺點(diǎn)，開發(fā)了高容量硅和過渡金屬氧化物等多種材料，但是，大部分高容量材料因電傳導(dǎo)速度較慢，導(dǎo)致充電和放電速度緩慢或充電放電時(shí)因體積膨脹而出現(xiàn)限速特性和長期不穩(wěn)定性等問題。

韓國研究組通過運(yùn)用冰膜方法，將蜘蛛網(wǎng)形狀的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組建成具有多重保障的碳納米管，并對(duì)其進(jìn)行臭氧處理，使納米管表面像蜘蛛網(wǎng)一樣，具有彈性功能。

俄美科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)超輕鋁材

俄羅斯南方聯(lián)邦大學(xué)與美國猶他大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)對(duì)金屬鋁晶格結(jié)構(gòu)成功進(jìn)行了“改造”，所研發(fā)的材料具有超輕等一系列新性能。

該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)從事金剛石晶格結(jié)構(gòu)方面的研究工作，以金剛石的晶格結(jié)構(gòu)作為藍(lán)本進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，采用鋁原子替代四面體結(jié)構(gòu)晶格中的碳原子從而獲得了這種特殊結(jié)構(gòu)的鋁材。所獲得的材料具有超輕的特征，其密度為0.61g/cm3（普通鋁的密度為2.71g/cm3），可漂浮在水面。

初步檢測(cè)結(jié)果表明，除了具有超輕的特點(diǎn)外，該材料還具有抗順磁腐蝕性、生產(chǎn)成本相對(duì)低廉的特點(diǎn)，這些性能拓寬了新材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)對(duì)新材料的性能目前正在進(jìn)行全面的檢測(cè)，以期進(jìn)一步完善制備工藝，未來計(jì)劃將此研發(fā)方法擴(kuò)展到其它材料上，以期賦予更多傳統(tǒng)材料以新的性能。

The Keypoints of the Design of Chainsawwith Lithium-ion Battery

Zhao Yanxiang
( Jiangsu SUMEC Hardware Tools Co., Ltd. Nanjing 210032, Jiangsu )

According to the safty standard EN60745-1 and EN60745-2-13, this paper introduces the structure parameters and certification tests about chainsaw with lithium-ion battery on production programme and design, as well as the calculation methods of the linear velocity of the chain and the capacity of lithium- ion battery.

Chainsaw; Structure; Standard; Parameter; Lithium- ion battery

TM910.2

A

1674-2796（2017）06-0004-05

2017-08-17

趙燕翔（1968—），男，大學(xué)本科,高級(jí)工程師，主要從事電動(dòng)園林工具的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。