趙燕翔

( 江蘇蘇美達五金工具有限公司，江蘇 南京 210032 )

直流鋰電鏈鋸設計要點

趙燕翔

( 江蘇蘇美達五金工具有限公司，江蘇 南京 210032 )

依據EN60754-1和EN60745-2-13標準的相應要求，從產品規(guī)劃、設計思考等方面介紹直流鋰電鏈鋸產品應重點關注的結構參數(shù)和認證試驗項目，以及鏈條線速度的計算方法和電池包容量計算方法。

鏈鋸；結構；標準；參數(shù)；鋰電池

0 引言

電鏈鋸是園林電動工具系列產品中重要的一個類別。在鏈鋸產品由串激電機驅動或兩沖程汽油機動力驅動向鋰電池供電、直流永磁電機或直流無刷電機驅動的發(fā)展過程中，隨著高容量鋰離子電池的不斷發(fā)展，直流鋰電鏈鋸產品的市場份額不斷增加。鋰電池鏈鋸注重其產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份額的趨勢。本文主要介紹直流鋰電鏈鋸產品設計過程中應重點關注的結構參數(shù)和認證試驗項目以及鏈條線速度的計算方法和電池包容量計算方法。

1 產品規(guī)劃

在明確目標市場的前提下，應對產品進行定位和規(guī)劃，即：確定工作電壓、電池包容量、電機選用、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、鏈條張緊機構及參數(shù)。如選用直流無刷電機且采用電子剎車方案，認證時，主控板軟件必須通過評估。

2 設計思考

電池包結構排布應緊湊，便于與保護板連接。確定整體或單節(jié)電池保護方案以及過充、過放、過流保護；整機需設計控制板，應能與電池包進行數(shù)據交互，如采用電子剎車，則需通過控制板對無刷電機的控制實現(xiàn)剎車功能，并安排軟件評估。

假設電池包中采用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中布置的四種形式：機身后下部、機身后端部、機身電機上部、機身中部。

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)要求的機身平衡和開關板機后端與前手柄中心線距離不小于225 mm的要求，但應注意，該方式具有專利保護，需有針對破解。

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

三個相鄰鉚釘兩個間距和的數(shù)學平均值（見圖 2）。

2）反彈

鏈鋸使用中，當鏈條在導板附近接觸到硬物如原木、枝條時，鏈鋸會產生快速向上和向后的移動。

圖2 鏈條節(jié)距

3）有效切割長度

從插木齒根部沿導板軸線方向至鏈環(huán)外沿的距離；如導板頂部裝有擋板，則該長度計算從插木齒根部至擋板內側。導板頂部擋板即安裝在導板頂部的護罩，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裝置，用于鏈條脫軌或斷裂時，限制其向后甩出傷及操作者。也有設計成與插木齒一體化的，要求高度必須超過導板中心平面5 mm以上（見圖4）。

圖4 有效切割長度

5）跑停時間

切斷主電路開關至鏈條停止運動經歷的時間（專用臺架上專用儀器測試）。

3.2 參數(shù)

手柄擋板的尺寸和間隙要求如下：

1）扳機在自然狀態(tài)下，下方空間應滿足圖5所示要求。

圖5 扳機下方最小間隙要求

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

圖6 扳機后方最小間隙要求

3）鏈鋸必須設計成雙手柄，前手柄后端離最近的鏈條刀刃距離應≥120 mm（全路線）；后手柄底部右側應有擋板（在≥100 mm長度內，寬度≥30 mm），以防止鏈條斷裂而對操作者的手部造成傷害，見圖7，且擋板強度必須滿足實驗要求。

圖7 前后手柄安全距離要求

4）前手柄與機殼、前手柄與擋板之間、扳機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，其高度應比前手柄頂部高出A(≥20 mm),前手柄擋板放下狀態(tài)時，應保證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，前手柄與擋板之間的距離，EF為拉起時的距離。

3.3 平衡要求

測試前狀態(tài)：安裝導板鏈條、電池包，油壺，裝入插木齒，在前手柄抓握區(qū)域內找到支架點（滾珠軸承放置點），見圖12標注的1處，該點能讓工具保持側平衡，然后測量導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。

剎車動態(tài)試驗在圖13中的的擺錘機構上進行，分別在-25℃和+40℃環(huán)境下進行測試，要求剎車護板無破裂損壞現(xiàn)象，功能正常。試驗方法見圖13(與導板中心線成45°方向)，要求平均剎車時間：0.12 s，最大剎車時間：0.15 s。測25次，取前5次和后5次平均值考核。

圖13 鏈條剎車試驗

2）跑停時間

試驗前，鏈鋸須進行10個周期的通、斷試跑機，每個周期時間為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，要求前6次的跑停時間≤2 s，最后6次的跑停時間≤3 s。

3）鏈條張緊力調節(jié)

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

5 測試

1）鏈條限制器強度測試

鏈條限制器有沖擊強度要求，在如圖14的擺錘機構上進行一次沖擊，限制器不得失效，限制器是鋼結構件以外的材料時，必須在-10℃±3℃環(huán)境下進行。

圖14 鏈條限制器沖擊強度試驗

2）后手柄保護板強度測試

后手柄保護板強度測試在剎車動態(tài)試驗機構上進行，分別在-25℃和+40℃環(huán)境下進行，沖擊點位置見圖15。沖擊25次，要求無破裂損壞，功能正常。

圖15 后手柄保護板沖擊強度試驗

3）靜載強度測試

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

圖16 前后手柄靜載強度試驗

表1 靜載載荷方向及大小

6 計算

如圖17所示，鏈條的平移回轉運動由鏈輪的旋轉運動驅動，鏈條線速度可由單位時間內等邊多邊形的周長數(shù)計算，鏈條的線速度為：

式中 P—鏈條節(jié)距

z—鏈齒輪齒數(shù)

n—鏈齒輪轉速

圖17 鏈條及鏈齒輪示意

7 結語

電鏈鋸作為充電式電動工具產品之一，其產品認證較為嚴格，在產品設計和試驗階段必須嚴格按照安規(guī)要求進行，除了重視上述要點外，還須進行一些常規(guī)測試，如EMC測試、耐久性試驗、 有害物質控制、實際性操作試驗、噪音測試和一些目擊測試等，只有通過以上種種測試及考核，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)出蜘蛛網狀鋰離子電池新材料

韓國成均館大學發(fā)布消息稱，其研究組根據蜘蛛網的結構與功能開發(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，可以應用于多種類型的高容量二次電池。

目前科學家為了克服鋰離子電池負極材料石墨容量受限的缺點，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速度較慢，導致充電和放電速度緩慢或充電放電時因體積膨脹而出現(xiàn)限速特性和長期不穩(wěn)定性等問題。

韓國研究組通過運用冰膜方法，將蜘蛛網形狀的三維網絡結構組建成具有多重保障的碳納米管，并對其進行臭氧處理，使納米管表面像蜘蛛網一樣，具有彈性功能。

俄美科學家聯(lián)合研發(fā)超輕鋁材

俄羅斯南方聯(lián)邦大學與美國猶他大學的聯(lián)合科研團隊對金屬鋁晶格結構成功進行了“改造”，所研發(fā)的材料具有超輕等一系列新性能。

該聯(lián)合團隊曾經從事金剛石晶格結構方面的研究工作，以金剛石的晶格結構作為藍本進行計算機仿真，采用鋁原子替代四面體結構晶格中的碳原子從而獲得了這種特殊結構的鋁材。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。

初步檢測結果表明，除了具有超輕的特點外，該材料還具有抗順磁腐蝕性、生產成本相對低廉的特點，這些性能拓寬了新材料的應用領域。

聯(lián)合團隊對新材料的性能目前正在進行全面的檢測，以期進一步完善制備工藝，未來計劃將此研發(fā)方法擴展到其它材料上，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，大學本科,高級工程師，主要從事電動園林工具的設計與開發(fā)工作。