電動(dòng)車手套加熱組件的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)設(shè)計(jì)

李海燕　羅凱　張勤星　張?zhí)m

摘 要：利用人體生理學(xué)測(cè)量參數(shù)，人體在不同溫度下活動(dòng)過程中的生理變化與適應(yīng)和人機(jī)工程生物力學(xué)知識(shí)，結(jié)合電動(dòng)車使用特點(diǎn)，研究了發(fā)熱部件的結(jié)構(gòu)和不同合金材料的發(fā)熱特性，并對(duì)熱電阻的結(jié)構(gòu)和大小進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過計(jì)算與驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出以鎳鉻Cr20Ni50為發(fā)熱元件的螺旋線機(jī)構(gòu)的保暖手套。計(jì)算依據(jù)電工技術(shù)，金屬熱導(dǎo)性能，鎳鉻合金傳熱性能、物理化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)特性，人機(jī)生理特性和人體生物力學(xué)特性最適結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，知識(shí)、技術(shù)準(zhǔn)確，發(fā)熱元件結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)設(shè)計(jì)合理，降低了手套發(fā)熱組件的設(shè)計(jì)和加工成本，適合企業(yè)生產(chǎn)加工。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車手套；加熱組件；人機(jī)工程學(xué)；合金材料

中圖分類號(hào)：TM924.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.008

交通的便捷性使電動(dòng)車成為人們出行的重要工具。隨著電動(dòng)車用戶的日益增多，很多學(xué)者開始關(guān)注電動(dòng)車的適用性和舒適性，比如駕駛護(hù)板、擋風(fēng)板、發(fā)熱手套等。發(fā)熱手套是電動(dòng)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(duì)電動(dòng)車的駕駛安全性影響較大。另外，發(fā)熱手套對(duì)電動(dòng)車用戶的手指關(guān)節(jié)病也可起到積極的預(yù)防作用。

目前，電動(dòng)車市場上常見的手套的發(fā)熱元件多由復(fù)合纖維加熱線構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)形式已被少數(shù)企業(yè)申請(qǐng)為核心專利，因此，企業(yè)使用成本較高，嚴(yán)重影響到電動(dòng)車的市場價(jià)位和銷售。還有一些加熱手套是在手套內(nèi)加入水帶、防水膠條、溫度傳感器等。這種加熱手套不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還需要對(duì)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(xiǎn)性，同時(shí)，還會(huì)使手套的質(zhì)量增加，從而加大手指的負(fù)荷，無法滿足人的手指對(duì)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(gòu)成，強(qiáng)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(xiàn)疲勞斷裂。鑒于此，本文利用人體測(cè)量參數(shù)和人機(jī)工程學(xué)知識(shí)，根據(jù)人與電動(dòng)車手柄的人機(jī)環(huán)境特點(diǎn)和受力特性，設(shè)計(jì)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(gè)性化需求。

1 發(fā)熱手套的設(shè)計(jì)原理

根據(jù)手套的使用環(huán)境、現(xiàn)有特點(diǎn)及人體工程學(xué)參數(shù)，我們分別從以下兩方面進(jìn)行了研究：①結(jié)構(gòu)方面。發(fā)熱絲選用螺旋線結(jié)構(gòu)，以滿足對(duì)手指的加熱均勻和運(yùn)動(dòng)需求。在材料上，發(fā)熱手套擁有復(fù)合纖維加熱線的核心專利技術(shù)，不存在一般的電熱絲或碳纖維經(jīng)多次彎折后容易因疲勞而斷裂的問題。由于五指部分經(jīng)常彎折，因此成本較高，市場價(jià)位也較高。在材質(zhì)的選擇上，該種手套應(yīng)從根本上克服這一問題。②參數(shù)方面。根據(jù)人機(jī)學(xué)人體生理參數(shù)、力學(xué)特性等對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出合理的加熱器件結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，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(xué)元素的含量和組織結(jié)構(gòu)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(diǎn)為使用溫度高，最高使用溫度可達(dá)1 400 ℃；使用壽命長、表面負(fù)荷高、抗氧化性能好、電阻率高、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)主要為高溫強(qiáng)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(fù)。

鎳鉻電熱合金系列的主要優(yōu)點(diǎn)為高溫強(qiáng)度比鐵鉻鋁合金系列高，高溫下使用不易變形，其結(jié)構(gòu)不易改變，塑性較好，易修復(fù)；輻射率高、無磁性、耐腐蝕性強(qiáng)、抗氧化、使用壽命長等。缺點(diǎn)為由于采用較稀缺的鎳金屬材料制成，因此，該系列產(chǎn)品的價(jià)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(diǎn)，在騎行時(shí)，根據(jù)人體實(shí)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(jīng)常蜷縮，因此對(duì)發(fā)熱手套的抗疲勞性要求較高。通過對(duì)比兩組元件得出，鐵鉻鋁合金雖然價(jià)格較低，但其元件不能彎曲和修復(fù)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)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(duì)其冷測(cè)特性的影響，我們選擇了螺旋線結(jié)構(gòu)的加熱方式。螺旋線結(jié)構(gòu)能夠保證加熱的均勻性。同時(shí)，為了提高其耐用性和防腐、絕緣性，在其內(nèi)層和外層分別增加了玻璃纖維、塑料絕緣層。

多層復(fù)合結(jié)構(gòu)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(qiáng)度較大。

螺旋線如圖2所示，最外層為塑料絕緣層，內(nèi)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(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

3.1 額定電壓選定

目前，市場上電動(dòng)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(xiàn)有的電動(dòng)車匹配，我們將發(fā)熱手套的額定電壓設(shè)定為48 V。

3.2 溫度設(shè)定

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，人體的最適溫度是25 ℃。在冬季，室外溫度可以達(dá)到-20 ℃。考慮到電能的耗費(fèi)，我們將電熱手套的溫度設(shè)定為25 ℃。

3.3 發(fā)熱手套功率設(shè)定

根據(jù)人體測(cè)量學(xué)原理，選取95%百分位進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(yùn)行，因此我們將發(fā)熱手套的功率設(shè)定為10 W。

3.4 電阻絲的表面負(fù)荷

電阻絲的表面負(fù)荷與芯線直徑和實(shí)際發(fā)熱長度成正比，即：

6 試算

發(fā)熱線選螺旋線結(jié)構(gòu)，材料選鎳鉻Cr20Ni50絲。由上面設(shè)定的設(shè)計(jì)參數(shù)T=25 ℃、V=48 V、P=10 W計(jì)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(fù)荷W=1 W/cm2，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）可得電阻絲的直徑D=0.124 8 mm。取D=0.13 mm，計(jì)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)論

發(fā)熱手套的發(fā)熱絲結(jié)構(gòu)一般選用螺旋線結(jié)構(gòu)，使電阻絲對(duì)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(shí)其結(jié)構(gòu)更能滿足人體手指運(yùn)動(dòng)需求，滿足手指靈活度需求。因此，該設(shè)計(jì)能滿足基本需求及強(qiáng)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(fèi)。另外，本設(shè)計(jì)參考人機(jī)學(xué)參數(shù)進(jìn)行最適設(shè)計(jì)，然后推算論證，最終可以滿足人們的要求。根據(jù)此計(jì)算方法可以科學(xué)、合理、有效地進(jìn)行發(fā)熱手套的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

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〔編輯：劉曉芳〕