直流锂电链锯设计要点

赵燕翔

( 江苏苏美达五金工具有限公司，江苏 南京 210032 )

直流锂电链锯设计要点

赵燕翔

( 江苏苏美达五金工具有限公司，江苏 南京 210032 )

依据EN60754-1和EN60745-2-13标准的相应要求，从产品规划、设计思考等方面介绍直流锂电链锯产品应重点关注的结构参数和认证试验项目，以及链条线速度的计算方法和电池包容量计算方法。

链锯；结构；标准；参数；锂电池

0 引言

电链锯是园林电动工具系列产品中重要的一个类别。在链锯产品由串激电机驱动或两冲程汽油机动力驱动向锂电池供电、直流永磁电机或直流无刷电机驱动的发展过程中，随着高容量锂离子电池的不断发展，直流锂电链锯产品的市场份额不断增加。锂电池链锯注重其产品系列的轻量化以及便捷性，体现在环保性和工作环境等方面均优于传统的汽油链锯，呈现出挤压与替代汽油链锯市场份额的趋势。本文主要介绍直流锂电链锯产品设计过程中应重点关注的结构参数和认证试验项目以及链条线速度的计算方法和电池包容量计算方法。

1 产品规划

在明确目标市场的前提下，应对产品进行定位和规划，即：确定工作电压、电池包容量、电机选用、有效切割长度、链条线速度、链轮齿数、链条节距、刹车方式；确定微量油泵、链条张紧机构及参数。如选用直流无刷电机且采用电子刹车方案，认证时，主控板软件必须通过评估。

2 设计思考

电池包结构排布应紧凑，便于与保护板连接。确定整体或单节电池保护方案以及过充、过放、过流保护；整机需设计控制板，应能与电池包进行数据交互，如采用电子刹车，则需通过控制板对无刷电机的控制实现刹车功能，并安排软件评估。

假设电池包中采用S节电池串联后并联,并联数为P,单节电池电压为3.6 V，容量为2 Ah，则该电池包中：

电池总节数为：S×P节

理论电压为：S×单节电压（3.6×S V）

理论容量为：P×单节容量（2×P Ah）

理论电量为：理论电压×理论容量（3.6 S×2 P Wh）

图1所示为电池包在整机中布置的四种形式：机身后下部、机身后端部、机身电机上部、机身中部。

图1中，a、b布置方式适合于低电压电池包，如18 V；c、d布置方式适合于高电压电池包，如40 V或80 V，其中，d的布置方式更易满足安规要求的机身平衡和开关板机后端与前手柄中心线距离不小于225 mm的要求，但应注意，该方式具有专利保护，需有针对破解。

图1 电池包布置通用方式

3 定义及参数

3.1 定义

1）链条节距P

三个相邻铆钉两个间距和的数学平均值（见图 2）。

2）反弹

链锯使用中，当链条在导板附近接触到硬物如原木、枝条时，链锯会产生快速向上和向后的移动。

图2 链条节距

3）有效切割长度

从插木齿根部沿导板轴线方向至链环外沿的距离；如导板顶部装有挡板，则该长度计算从插木齿根部至挡板内侧。导板顶部挡板即安装在导板顶部的护罩，其作用是防止被切割物体接触顶部链条，可降低链锯反弹的范围（见图 3）。

图3 链条限制器

4）链条限制器

链条限制器是一种防护装置，用于链条脱轨或断裂时，限制其向后甩出伤及操作者。也有设计成与插木齿一体化的，要求高度必须超过导板中心平面5 mm以上（见图4）。

图4 有效切割长度

5）跑停时间

切断主电路开关至链条停止运动经历的时间（专用台架上专用仪器测试）。

3.2 参数

手柄挡板的尺寸和间隙要求如下：

1）扳机在自然状态下，下方空间应满足图5所示要求。

图5 扳机下方最小间隙要求

2）扳机在自然状态下，后方要应留有足够空间（4个带手套的手指），见图6。

图6 扳机后方最小间隙要求

3）链锯必须设计成双手柄，前手柄后端离最近的链条刀刃距离应≥120 mm（全路线）；后手柄底部右侧应有挡板（在≥100 mm长度内，宽度≥30 mm），以防止链条断裂而对操作者的手部造成伤害，见图7，且挡板强度必须满足实验要求。

图7 前后手柄安全距离要求

4）前手柄与机壳、前手柄与挡板之间、扳机后端与前手柄之间的间隙、距离要求，如图8、图9、图10、图11所示。

图8 前手柄挡板安全距离要求

图8 中，前手柄挡板拉起状态时，其高度应比前手柄顶部高出A(≥20 mm),前手柄挡板放下状态时，应保证A≥0;

图9 前手柄与插木齿齿根距离要求

图10 前手柄与扳机后端距离要求

图11 前手柄挡板尺寸、安全距离要求

图11 中，G为推开前手柄挡板处于刹车状态时，前手柄与挡板之间的距离，EF为拉起时的距离。

3.3 平衡要求

测试前状态：安装导板链条、电池包，油壶，装入插木齿，在前手柄抓握区域内找到支架点（滚珠轴承放置点），见图12标注的1处，该点能让工具保持侧平衡，然后测量导板中心线与水平面的角度，上下偏摆≤30°。

图12 平衡要求

4 性能

1）链条刹车

前手柄挡板推下即刹链条，挡板的释放力为20 N～60 N。

刹车动态试验在图13中的的摆锤机构上进行，分别在-25℃和+40℃环境下进行测试，要求刹车护板无破裂损坏现象，功能正常。试验方法见图13(与导板中心线成45°方向)，要求平均刹车时间：0.12 s，最大刹车时间：0.15 s。测25次，取前5次和后5次平均值考核。

图13 链条刹车试验

2）跑停时间

试验前，链锯须进行10个周期的通、断试跑机，每个周期时间为1 min，包含通、停各30 s。

随后，空载情况下做2 500周期的跑停试验，要求前6次的跑停时间≤2 s，最后6次的跑停时间≤3 s。

3）链条张紧力调节

在链条下部锯割中心点施加1 kg拉力，链条侧链节与导板之间的间隙为0.017 X(导板长度)，此时张紧力度合适。

5 测试

1）链条限制器强度测试

链条限制器有冲击强度要求，在如图14的摆锤机构上进行一次冲击，限制器不得失效，限制器是钢结构件以外的材料时，必须在-10℃±3℃环境下进行。

图14 链条限制器冲击强度试验

2）后手柄保护板强度测试

后手柄保护板强度测试在刹车动态试验机构上进行，分别在-25℃和+40℃环境下进行，冲击点位置见图15。冲击25次，要求无破裂损坏，功能正常。

图15 后手柄保护板冲击强度试验

3）静载强度测试

将链锯按图16所示装夹至台钳上，机体离台钳≥15 mm，分别在前手柄和后手柄中央位置的X、Y、Z三个方向加载，载荷大小见表1。要求加载后无破裂损坏现象发生，确保前述的结构参数仍能满足要求。

图16 前后手柄静载强度试验

表1 静载载荷方向及大小

6 计算

如图17所示，链条的平移回转运动由链轮的旋转运动驱动，链条线速度可由单位时间内等边多边形的周长数计算，链条的线速度为：

式中 P—链条节距

z—链齿轮齿数

n—链齿轮转速

图17 链条及链齿轮示意

7 结语

电链锯作为充电式电动工具产品之一，其产品认证较为严格，在产品设计和试验阶段必须严格按照安规要求进行，除了重视上述要点外，还须进行一些常规测试，如EMC测试、耐久性试验、 有害物质控制、实际性操作试验、噪音测试和一些目击测试等，只有通过以上种种测试及考核，才算是开发出了一款合格的锂电链锯。

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

科技信息

韩国开发出蜘蛛网状锂离子电池新材料

韩国成均馆大学发布消息称，其研究组根据蜘蛛网的结构与功能开发出锂离子电池高性能电极活性材料，成功解决了高容量材料退化和充放电速度慢等问题，可以应用于多种类型的高容量二次电池。

目前科学家为了克服锂离子电池负极材料石墨容量受限的缺点，开发了高容量硅和过渡金属氧化物等多种材料，但是，大部分高容量材料因电传导速度较慢，导致充电和放电速度缓慢或充电放电时因体积膨胀而出现限速特性和长期不稳定性等问题。

韩国研究组通过运用冰膜方法，将蜘蛛网形状的三维网络结构组建成具有多重保障的碳纳米管，并对其进行臭氧处理，使纳米管表面像蜘蛛网一样，具有弹性功能。

俄美科学家联合研发超轻铝材

俄罗斯南方联邦大学与美国犹他大学的联合科研团队对金属铝晶格结构成功进行了“改造”，所研发的材料具有超轻等一系列新性能。

该联合团队曾经从事金刚石晶格结构方面的研究工作，以金刚石的晶格结构作为蓝本进行计算机仿真，采用铝原子替代四面体结构晶格中的碳原子从而获得了这种特殊结构的铝材。所获得的材料具有超轻的特征，其密度为0.61g/cm3（普通铝的密度为2.71g/cm3），可漂浮在水面。

初步检测结果表明，除了具有超轻的特点外，该材料还具有抗顺磁腐蚀性、生产成本相对低廉的特点，这些性能拓宽了新材料的应用领域。

联合团队对新材料的性能目前正在进行全面的检测，以期进一步完善制备工艺，未来计划将此研发方法扩展到其它材料上，以期赋予更多传统材料以新的性能。

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

赵燕翔（1968—），男，大学本科,高级工程师，主要从事电动园林工具的设计与开发工作。