電動車手套加熱組件的結構、性能參數設計

李海燕　羅凱　張勤星　張?zhí)m

摘 要：利用人體生理學測量參數，人體在不同溫度下活動過程中的生理變化與適應和人機工程生物力學知識，結合電動車使用特點，研究了發(fā)熱部件的結構和不同合金材料的發(fā)熱特性，并對熱電阻的結構和大小進行了設計，通過計算與驗證，設計出以鎳鉻Cr20Ni50為發(fā)熱元件的螺旋線機構的保暖手套。計算依據電工技術，金屬熱導性能，鎳鉻合金傳熱性能、物理化學性質和力學特性，人機生理特性和人體生物力學特性最適結構設計，知識、技術準確，發(fā)熱元件結構、性能參數設計合理，降低了手套發(fā)熱組件的設計和加工成本，適合企業(yè)生產加工。

關鍵詞：電動車手套；加熱組件；人機工程學；合金材料

中圖分類號：TM924.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.008

交通的便捷性使電動車成為人們出行的重要工具。隨著電動車用戶的日益增多，很多學者開始關注電動車的適用性和舒適性，比如駕駛護板、擋風板、發(fā)熱手套等。發(fā)熱手套是電動車的重要安全附件之一，尤其是在寒冷的冬天，發(fā)熱手套對電動車的駕駛安全性影響較大。另外，發(fā)熱手套對電動車用戶的手指關節(jié)病也可起到積極的預防作用。

目前，電動車市場上常見的手套的發(fā)熱元件多由復合纖維加熱線構成。這種結構形式已被少數企業(yè)申請為核心專利，因此，企業(yè)使用成本較高，嚴重影響到電動車的市場價位和銷售。還有一些加熱手套是在手套內加入水帶、防水膠條、溫度傳感器等。這種加熱手套不僅結構復雜，還需要對金屬絲通電，通過加熱水來傳遞熱量，本身就具有一定的危險性，同時，還會使手套的質量增加，從而加大手指的負荷，無法滿足人的手指對便捷性和靈活性的需求。而傳統(tǒng)的加熱元件的電熱絲由碳纖維構成，強度較低，壽命較短，尤其是五指使用部分，容易因多次變形而出現疲勞斷裂。鑒于此，本文利用人體測量參數和人機工程學知識，根據人與電動車手柄的人機環(huán)境特點和受力特性，設計一種安全、舒適、耐用、成本低的手套發(fā)熱組件，不僅保溫，還能滿足手指靈活性等個性化需求。

1 發(fā)熱手套的設計原理

根據手套的使用環(huán)境、現有特點及人體工程學參數，我們分別從以下兩方面進行了研究：①結構方面。發(fā)熱絲選用螺旋線結構，以滿足對手指的加熱均勻和運動需求。在材料上，發(fā)熱手套擁有復合纖維加熱線的核心專利技術，不存在一般的電熱絲或碳纖維經多次彎折后容易因疲勞而斷裂的問題。由于五指部分經常彎折，因此成本較高，市場價位也較高。在材質的選擇上，該種手套應從根本上克服這一問題。②參數方面。根據人機學人體生理參數、力學特性等對參數進行了優(yōu)化設計和驗證，設計出合理的加熱器件結構和性能參數，以盡可能地滿足人體安全、舒適需求。

2 發(fā)熱絲

2.1 發(fā)熱絲的選材

電熱合金按其化學元素的含量和組織結構的不同可分為兩大類，即鐵鉻鋁合金系列和鎳鉻合金系列。

鐵鉻鋁合金系列（0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2等）的主要優(yōu)點為使用溫度高，最高使用溫度可達1 400 ℃；使用壽命長、表面負荷高、抗氧化性能好、電阻率高、價格便宜。缺點主要為高溫強度低，且隨著使用溫度的升高，其塑性增大，元件易變形，不易彎曲和修復。

鎳鉻電熱合金系列的主要優(yōu)點為高溫強度比鐵鉻鋁合金系列高，高溫下使用不易變形，其結構不易改變，塑性較好，易修復；輻射率高、無磁性、耐腐蝕性強、抗氧化、使用壽命長等。缺點為由于采用較稀缺的鎳金屬材料制成，因此，該系列產品的價格要高出鐵鉻鋁合金系列幾倍，使用溫度比鐵鉻鋁合金系列低。

基于發(fā)熱手套的使用特點，在騎行時，根據人體實際操作及使用情況，保證手指的靈活性尤為重要。由于手指經常蜷縮，因此對發(fā)熱手套的抗疲勞性要求較高。通過對比兩組元件得出，鐵鉻鋁合金雖然價格較低，但其元件不能彎曲和修復，而鎳鉻合金的性能能夠滿足使用需求。因此，我們選用了鎳鉻Cr20Ni50絲。

2.2 發(fā)熱絲的結構設計

在結構上，為滿足人手指需求，通過了解矩形螺旋線截面的寬度和厚度對其冷測特性的影響，我們選擇了螺旋線結構的加熱方式。螺旋線結構能夠保證加熱的均勻性。同時，為了提高其耐用性和防腐、絕緣性，在其內層和外層分別增加了玻璃纖維、塑料絕緣層。

多層復合結構如圖1所示。其中，電阻絲1起發(fā)熱的作用；玻璃纖維層2承受拉力，電阻絲纏繞在上面；塑料絕緣層3起絕緣、防腐的作用，其強度較大。

螺旋線如圖2所示，最外層為塑料絕緣層，內層為玻璃纖維芯線1，電阻絲2螺旋式繞在玻璃纖維芯線上。

3 發(fā)熱手套設計相關參數

3.1 額定電壓選定

目前，市場上電動車電瓶的額定電壓為36 V或48 V，多為48 V。為了最大限度地與市場上現有的電動車匹配，我們將發(fā)熱手套的額定電壓設定為48 V。

3.2 溫度設定

根據人機工程學原理，人體的最適溫度是25 ℃。在冬季，室外溫度可以達到-20 ℃。考慮到電能的耗費，我們將電熱手套的溫度設定為25 ℃。

3.3 發(fā)熱手套功率設定

根據人體測量學原理，選取95%百分位進行設計。發(fā)熱手套的發(fā)熱面積選為400 cm2。另外，由于該發(fā)熱手套的溫控器只宜在50 W以下運行，因此我們將發(fā)熱手套的功率設定為10 W。

3.4 電阻絲的表面負荷

電阻絲的表面負荷與芯線直徑和實際發(fā)熱長度成正比，即：

6 試算

發(fā)熱線選螺旋線結構，材料選鎳鉻Cr20Ni50絲。由上面設定的設計參數T=25 ℃、V=48 V、P=10 W計算得出ρt=1.110 5（取平均），αt=1.000 5（取平均），Rt=230.4 Ω，R20=230.28 Ω。

假定表面負荷W=1 W/cm2，將相關數據代入式（2）可得電阻絲的直徑D=0.124 8 mm。取D=0.13 mm，計算得r=83.65 Ω/m；L=2.75 m，查表得υ=4.408 4 cm2/m，則W=P/L·υ=10/（2.75×4.408 4）=0.890 39<1，滿足安全要求。

設玻璃纖維芯線直徑D1為0.5 mm，螺旋線節(jié)距t為1 mm，則得到D2=0.13 mm，S=1 240.05 mm。

因此，如果發(fā)熱絲選擇螺旋線結構，材料選用鎳鉻Cr20Ni50絲，則電阻絲直徑為0.13 mm，螺旋線長度為1 240.05 mm。

7 結論

發(fā)熱手套的發(fā)熱絲結構一般選用螺旋線結構，使電阻絲對手指部分均勻加熱，而非局部加熱，以滿足溫度舒適度要求，同時其結構更能滿足人體手指運動需求，滿足手指靈活度需求。因此，該設計能滿足基本需求及強度要求。發(fā)熱絲材料一般選用鎳鉻Cr20Ni50電阻絲，柔軟度高、耐折、抗拉、無磁性、抗氧化、使用壽命長，避免了短期利用的資源浪費。另外，本設計參考人機學參數進行最適設計，然后推算論證，最終可以滿足人們的要求。根據此計算方法可以科學、合理、有效地進行發(fā)熱手套的設計和生產。

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〔編輯：劉曉芳〕