电动车手套加热组件的结构、性能参数设计

李海燕　罗凯　张勤星　张兰

摘 要：利用人体生理学测量参数，人体在不同温度下活动过程中的生理变化与适应和人机工程生物力学知识，结合电动车使用特点，研究了发热部件的结构和不同合金材料的发热特性，并对热电阻的结构和大小进行了设计，通过计算与验证，设计出以镍铬Cr20Ni50为发热元件的螺旋线机构的保暖手套。计算依据电工技术，金属热导性能，镍铬合金传热性能、物理化学性质和力学特性，人机生理特性和人体生物力学特性最适结构设计，知识、技术准确，发热元件结构、性能参数设计合理，降低了手套发热组件的设计和加工成本，适合企业生产加工。

关键词：电动车手套；加热组件；人机工程学；合金材料

中图分类号：TM924.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.008

交通的便捷性使电动车成为人们出行的重要工具。随着电动车用户的日益增多，很多学者开始关注电动车的适用性和舒适性，比如驾驶护板、挡风板、发热手套等。发热手套是电动车的重要安全附件之一，尤其是在寒冷的冬天，发热手套对电动车的驾驶安全性影响较大。另外，发热手套对电动车用户的手指关节病也可起到积极的预防作用。

目前，电动车市场上常见的手套的发热元件多由复合纤维加热线构成。这种结构形式已被少数企业申请为核心专利，因此，企业使用成本较高，严重影响到电动车的市场价位和销售。还有一些加热手套是在手套内加入水带、防水胶条、温度传感器等。这种加热手套不仅结构复杂，还需要对金属丝通电，通过加热水来传递热量，本身就具有一定的危险性，同时，还会使手套的质量增加，从而加大手指的负荷，无法满足人的手指对便捷性和灵活性的需求。而传统的加热元件的电热丝由碳纤维构成，强度较低，寿命较短，尤其是五指使用部分，容易因多次变形而出现疲劳断裂。鉴于此，本文利用人体测量参数和人机工程学知识，根据人与电动车手柄的人机环境特点和受力特性，设计一种安全、舒适、耐用、成本低的手套发热组件，不仅保温，还能满足手指灵活性等个性化需求。

1 发热手套的设计原理

根据手套的使用环境、现有特点及人体工程学参数，我们分别从以下两方面进行了研究：①结构方面。发热丝选用螺旋线结构，以满足对手指的加热均匀和运动需求。在材料上，发热手套拥有复合纤维加热线的核心专利技术，不存在一般的电热丝或碳纤维经多次弯折后容易因疲劳而断裂的问题。由于五指部分经常弯折，因此成本较高，市场价位也较高。在材质的选择上，该种手套应从根本上克服这一问题。②参数方面。根据人机学人体生理参数、力学特性等对参数进行了优化设计和验证，设计出合理的加热器件结构和性能参数，以尽可能地满足人体安全、舒适需求。

2 发热丝

2.1 发热丝的选材

电热合金按其化学元素的含量和组织结构的不同可分为两大类，即铁铬铝合金系列和镍铬合金系列。

铁铬铝合金系列（0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2等）的主要优点为使用温度高，最高使用温度可达1 400 ℃；使用寿命长、表面负荷高、抗氧化性能好、电阻率高、价格便宜。缺点主要为高温强度低，且随着使用温度的升高，其塑性增大，元件易变形，不易弯曲和修复。

镍铬电热合金系列的主要优点为高温强度比铁铬铝合金系列高，高温下使用不易变形，其结构不易改变，塑性较好，易修复；辐射率高、无磁性、耐腐蚀性强、抗氧化、使用寿命长等。缺点为由于采用较稀缺的镍金属材料制成，因此，该系列产品的价格要高出铁铬铝合金系列几倍，使用温度比铁铬铝合金系列低。

基于发热手套的使用特点，在骑行时，根据人体实际操作及使用情况，保证手指的灵活性尤为重要。由于手指经常蜷缩，因此对发热手套的抗疲劳性要求较高。通过对比两组元件得出，铁铬铝合金虽然价格较低，但其元件不能弯曲和修复，而镍铬合金的性能能够满足使用需求。因此，我们选用了镍铬Cr20Ni50丝。

2.2 发热丝的结构设计

在结构上，为满足人手指需求，通过了解矩形螺旋线截面的宽度和厚度对其冷测特性的影响，我们选择了螺旋线结构的加热方式。螺旋线结构能够保证加热的均匀性。同时，为了提高其耐用性和防腐、绝缘性，在其内层和外层分别增加了玻璃纤维、塑料绝缘层。

多层复合结构如图1所示。其中，电阻丝1起发热的作用；玻璃纤维层2承受拉力，电阻丝缠绕在上面；塑料绝缘层3起绝缘、防腐的作用，其强度较大。

螺旋线如图2所示，最外层为塑料绝缘层，内层为玻璃纤维芯线1，电阻丝2螺旋式绕在玻璃纤维芯线上。

3 发热手套设计相关参数

3.1 额定电压选定

目前，市场上电动车电瓶的额定电压为36 V或48 V，多为48 V。为了最大限度地与市场上现有的电动车匹配，我们将发热手套的额定电压设定为48 V。

3.2 温度设定

根据人机工程学原理，人体的最适温度是25 ℃。在冬季，室外温度可以达到-20 ℃。考虑到电能的耗费，我们将电热手套的温度设定为25 ℃。

3.3 发热手套功率设定

根据人体测量学原理，选取95%百分位进行设计。发热手套的发热面积选为400 cm2。另外，由于该发热手套的温控器只宜在50 W以下运行，因此我们将发热手套的功率设定为10 W。

3.4 电阻丝的表面负荷

电阻丝的表面负荷与芯线直径和实际发热长度成正比，即：

6 试算

发热线选螺旋线结构，材料选镍铬Cr20Ni50丝。由上面设定的设计参数T=25 ℃、V=48 V、P=10 W计算得出ρt=1.110 5（取平均），αt=1.000 5（取平均），Rt=230.4 Ω，R20=230.28 Ω。

假定表面负荷W=1 W/cm2，将相关数据代入式（2）可得电阻丝的直径D=0.124 8 mm。取D=0.13 mm，计算得r=83.65 Ω/m；L=2.75 m，查表得υ=4.408 4 cm2/m，则W=P/L·υ=10/（2.75×4.408 4）=0.890 39<1，满足安全要求。

设玻璃纤维芯线直径D1为0.5 mm，螺旋线节距t为1 mm，则得到D2=0.13 mm，S=1 240.05 mm。

因此，如果发热丝选择螺旋线结构，材料选用镍铬Cr20Ni50丝，则电阻丝直径为0.13 mm，螺旋线长度为1 240.05 mm。

7 结论

发热手套的发热丝结构一般选用螺旋线结构，使电阻丝对手指部分均匀加热，而非局部加热，以满足温度舒适度要求，同时其结构更能满足人体手指运动需求，满足手指灵活度需求。因此，该设计能满足基本需求及强度要求。发热丝材料一般选用镍铬Cr20Ni50电阻丝，柔软度高、耐折、抗拉、无磁性、抗氧化、使用寿命长，避免了短期利用的资源浪费。另外，本设计参考人机学参数进行最适设计，然后推算论证，最终可以满足人们的要求。根据此计算方法可以科学、合理、有效地进行发热手套的设计和生产。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕