淺談改善電動(dòng)工具塑料件溫升的方法與應(yīng)用

李孝忠

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江嘉興 314009 ）

淺談改善電動(dòng)工具塑料件溫升的方法與應(yīng)用

李孝忠

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江嘉興 314009 ）

針對(duì)電動(dòng)工具采用的塑料件具有導(dǎo)熱和耐熱特性，以及可能因塑料件軟化和融化而引起的機(jī)械和電氣危險(xiǎn)，介紹改善塑料件溫升的多種方法，列舉部分應(yīng)用實(shí)例提供參考。

電動(dòng)工具；電機(jī)；塑料件；溫升

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，人們對(duì)于電動(dòng)工具的動(dòng)力和可靠性要求越來(lái)越高，對(duì)制造商而言，出于單機(jī)價(jià)格、整機(jī)重量方面的考慮，相應(yīng)的在產(chǎn)品中增加了塑料件所占比重，這也對(duì)電動(dòng)工具的設(shè)計(jì)、工藝等方面提出了新的要求。本文從電動(dòng)工具塑料件的特性入手，介紹溫升改善的方法及應(yīng)用，為解決塑料件的受熱軟化、融化的問(wèn)題提供技術(shù)參考。

1 概述

電動(dòng)工具所用塑料大多為工程塑料，除具備原料來(lái)源充沛，價(jià)格低廉、質(zhì)量輕、電絕緣性能優(yōu)異等性能外，可在各種環(huán)境下（如高溫、低溫、腐蝕、機(jī)械應(yīng)力等）保持優(yōu)良性能，并有很好的機(jī)械強(qiáng)度、韌性和剛性，可以代替部分金屬用作工程結(jié)構(gòu)材料；某些塑料還具有較好的耐腐蝕性、耐磨性、自潤(rùn)滑性以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可采用擠壓、注塑、澆注、模塑或壓制等方法加工成型，用于制作各種機(jī)械結(jié)構(gòu)類零件。當(dāng)然，這些塑料結(jié)構(gòu)件也存有一定缺陷，主要反應(yīng)在：剛性和耐熱性差、導(dǎo)熱性差。在工具實(shí)際使用過(guò)程中，塑料件在高溫下軟化、變形、融化等不良現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

2 不良現(xiàn)象

塑料件的導(dǎo)熱性能差，在一些承力部位易產(chǎn)生熱量積聚。因其耐熱性能也較差，達(dá)到或超過(guò)軟化溫度時(shí)，即發(fā)生軟化變形現(xiàn)象，從而失去承力作用直接造成工具損壞。

在一些塑料件的非承力部位，因發(fā)熱部件的熱傳遞作用（輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流），也可達(dá)到或超過(guò)融化溫度，使其融化變形，造成工具損壞。故此，有必要對(duì)塑料件受熱部位的溫升進(jìn)行控制，避免軟化或融化。

3 改善方法及應(yīng)用

改善塑料件溫升的方法頗多，通?；谌齻€(gè)方面：一是改善零部件間的生熱源，二是通過(guò)一定的措施進(jìn)行有效散熱，三是提高材料耐溫性能。

3.1 改善零部件間的生熱源

1）提高電機(jī)的工作效率

較多的電動(dòng)工具中，電機(jī)部位通常采用塑料件定位。提高電機(jī)的工作效率，相同電機(jī)輸出功率下的發(fā)熱量可減小，電機(jī)溫升下降的同時(shí)也帶動(dòng)定位塑料件的溫升下降，且有效節(jié)約能源。

2）減少工具運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)

電機(jī)、軸承、齒輪、輸出軸等運(yùn)動(dòng)部件通常存在微小的不平衡量，工具運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不平衡量造成工具的整機(jī)振動(dòng)。另外，工具中的某些承力零件間，如存有間隙配合，也會(huì)在工作中造成工具的整機(jī)振動(dòng)。受到工具振動(dòng)的影響，與運(yùn)動(dòng)部件接觸或接近的塑料件，易發(fā)生軟化、融化的現(xiàn)象，舉例如下：

在某些直流產(chǎn)品電池包與機(jī)身的配合接插口部位，通常通過(guò)彈性元件連接，且電池包與整機(jī)間存有配合間隙。當(dāng)整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)身產(chǎn)生振動(dòng)，彈性元件受到振動(dòng)影響，發(fā)生輕微變形，摩擦生熱（如彈性元件間產(chǎn)生電火花，溫度上升更快)。產(chǎn)生的熱量大量積聚后，軟化或融化固定彈性元件及周圍塑料，引起彈性元件松動(dòng)歪斜，造成工具的不通電。通過(guò)減小機(jī)身整體振動(dòng)，并在電池包與機(jī)身間采用柔性配合，同時(shí)減小電池包與機(jī)身的配合間隙，采取合理的風(fēng)路冷卻等措施，可有效降低塑料件軟化和融化的發(fā)生頻率。

對(duì)于具有盤簧式銅電刷架的電動(dòng)工具，如電刷架組合零件發(fā)生松動(dòng)，或電刷架在工具裝配中不夠穩(wěn)固，會(huì)因工具的運(yùn)行振動(dòng)引起刷架附近的塑料軟化或融化變形，造成工具損壞。某款角磨產(chǎn)品的盤簧式銅電刷架的受熱損壞情況見(jiàn)圖1。

圖1 盤簧式銅電刷架受熱損壞

某些帶有定子端板的定子，定子的漆包線與外接的連接線通過(guò)公、母端子互相緊扣連接，緊扣的端子被緊配定位在定子端板的相應(yīng)槽孔內(nèi)。母端子外接定子漆包線，公端子外接連接線。由于公端子外接的連接線又長(zhǎng)又軟，連接線隨工具的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)輕微抖動(dòng)。定位在定子端板槽內(nèi)的公、母端子相互產(chǎn)生輕微滑動(dòng)，摩擦產(chǎn)生的熱量在定子端板槽內(nèi)堆積，軟化并融化了定子端板槽。在工具的不斷振動(dòng)中，端子或漆包線在定子端板槽口附近斷開(kāi)，工具被迫停止工作（見(jiàn)圖2）。

圖2 端子損壞

為減小連接線的抖動(dòng)對(duì)定子端板槽的影響，在工具制造過(guò)程中，當(dāng)公、母端子被緊配入定子端板槽內(nèi)后，可將公、母端子的外露部分一并外包緊縮在同一個(gè)熱收縮管內(nèi)（見(jiàn)圖3），然后外接公端子的連接線，在公端子附近進(jìn)行合理固定。

應(yīng)注意，連接線的固定位到公端子間的距離范圍，連接線的軸心線，與公端子內(nèi)的連接線的軸心線夾角應(yīng)盡可能小，且公、母端子的側(cè)面也不應(yīng)承受外來(lái)推拉力。否則，即使公、母端子被同一個(gè)熱收縮管外包緊縮，也同樣存在定子端板槽融化，公端子或漆包線在定子端板槽附近斷開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 公、母端子被同一熱收縮管包縮

3）緊固零部件

工具中的大多軸承與塑料件直接配合。如軸承外圈與塑料材質(zhì)的機(jī)殼定位筋間存在著間隙配合，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中易跑外圈，摩擦生熱，軟化機(jī)殼的軸承定位筋。

圖4為某兩級(jí)傳動(dòng)的電鉆齒輪結(jié)構(gòu)圖。箭頭指示為中間齒軸支撐架，該支撐架被定位在對(duì)開(kāi)式塑料機(jī)殼的對(duì)應(yīng)槽內(nèi)，利用對(duì)半機(jī)殼的對(duì)應(yīng)筋將支撐架壓固。如定位筋與支撐架間存在間隙配合，當(dāng)工具運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，支撐架在機(jī)殼的槽中晃動(dòng)導(dǎo)致摩擦生熱，積聚的熱量軟化支撐架周圍的塑料件，造成齒輪無(wú)法正常嚙合，從而損壞工具。

圖4 齒輪

4）變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦

對(duì)于持續(xù)旋轉(zhuǎn)的軸類零件，通常采用軸套、滾珠或滾針軸承支撐。在支撐軸類零件旋轉(zhuǎn)的等效條件下，滾動(dòng)摩擦系數(shù)較滑動(dòng)摩擦系數(shù)小。在工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)允許的情況下，將某些持續(xù)旋轉(zhuǎn)的軸類零部件支撐軸套采用滾珠或滾針軸承，較為有效。

5）合理使用潤(rùn)滑油

潤(rùn)滑油具有潤(rùn)滑功能，可在運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)配合部位形成油膜，防止配合部位間的相互摩擦，減少磨損。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，潤(rùn)滑油還能帶走各摩擦副之間運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大量熱量，防止燒傷運(yùn)動(dòng)部件。

圖5 交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子前軸承

圖5所示為交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子前軸承，為球軸承。在工具運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承內(nèi)的鋼球與軸承內(nèi)、外圈間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦熱。另外，轉(zhuǎn)子軸上的齒輪在配對(duì)嚙合時(shí)所產(chǎn)生熱量一部分被潤(rùn)滑油帶走，一部分會(huì)傳遞至轉(zhuǎn)子前軸承。如轉(zhuǎn)子軸齒輪無(wú)法得到有效潤(rùn)滑，齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生更多熱量，從而汽化齒輪間的潤(rùn)滑油，燒傷齒輪表面（如圖6）。此時(shí)齒輪間嚙合產(chǎn)生的熱更多傳遞至轉(zhuǎn)子前軸承，繼續(xù)汽化球軸承內(nèi)潤(rùn)滑油，加劇鋼球與軸承內(nèi)、外圈的摩擦生熱，極易軟化與軸承外圈配合的塑料件。

圖6 齒面燒傷

3.2 有效散熱

電動(dòng)工具塑料件的散熱通過(guò)熱傳遞的三種基本方式（對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射）進(jìn)行。

1）對(duì)流散熱

機(jī)體內(nèi)部或外部采用的對(duì)流散熱是工具中塑料件的主要散熱方式。在機(jī)體內(nèi)的對(duì)流散熱主要是依靠電機(jī)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，帶走空氣中的熱量，可有效改善電機(jī)風(fēng)路通道周圍零部件（機(jī)殼、定子、轉(zhuǎn)子、軸承、電刷、電刷架等）溫升。

圖7所示為一款直流電機(jī)的后支撐架，銅電刷架被有效固定在支撐架上，銅電刷架周圍通風(fēng)良好；電刷與換向器的彈性接觸通過(guò)電刷后部的扭力彈簧提供的彈力完成。扭力彈簧的一端與電刷后端面接觸，支撐架上的一條筋（圖7箭頭所示塑料筋）支撐住扭力彈簧的另一端點(diǎn)。在工具運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，扭力彈簧受工具本身運(yùn)動(dòng)部件間產(chǎn)生振動(dòng)的影響（尤其是電刷與換向器的運(yùn)轉(zhuǎn)配合所產(chǎn)生的振動(dòng)），產(chǎn)生彈性變形。隨著與扭力彈簧端點(diǎn)的持續(xù)振動(dòng)，塑料支撐筋受熱融化，致使扭力彈簧失效，工具停止工作。

設(shè)計(jì)相應(yīng)的改善方法：在支撐架的彈簧端點(diǎn)支撐筋旁開(kāi)一通風(fēng)孔，該通風(fēng)孔處在彈簧端點(diǎn)下方。當(dāng)工具運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)風(fēng)扇工作，流動(dòng)的空氣從通風(fēng)口帶走彈簧端點(diǎn)處熱量，有效改善支撐架受熱處溫升。

圖7 電機(jī)后支撐架

在圖5中所示的通過(guò)機(jī)殼定位的轉(zhuǎn)子前軸承，承載電機(jī)的部分機(jī)械力、齒輪嚙合分力高速旋轉(zhuǎn)。軸承的冷卻通過(guò)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)行。一些制造商為減少轉(zhuǎn)子在電機(jī)啟動(dòng)瞬間的軸向竄動(dòng)，在轉(zhuǎn)子前軸承與電機(jī)風(fēng)葉間設(shè)計(jì)環(huán)筋。如果環(huán)筋為封閉狀態(tài)，軸承外圈的熱量無(wú)法被空氣帶走，易引起機(jī)殼軸承定位筋軟化變形。另外，一些直流產(chǎn)品的充電器或電池包在使用中產(chǎn)生大量的熱，通常也會(huì)采用內(nèi)置風(fēng)扇快速冷卻發(fā)熱部件。

2）傳導(dǎo)、輻射散熱

傳導(dǎo)、輻射散熱適用于某些無(wú)法利用電機(jī)風(fēng)路進(jìn)行有效冷卻的受熱塑料件部位。在電動(dòng)工具中，利用吸熱材料冷卻受熱部件也是可行辦法。另外，增大料件的散熱面積，也可以進(jìn)行有效傳導(dǎo)、輻射散熱。同樣是被塑料定位筋定位的球軸承外圈，在工具內(nèi)部空間允許的情況下，如換用外圈加大或加寬的球軸承，即可增大球軸承的散熱面積。在相同的載荷下，與軸承外圈配合的塑料部位溫升降低，從而減少了塑料件軟化或融化可能。

由圖8、圖9所示，軸的一端通過(guò)固定在機(jī)殼定位筋上的軸套支撐，在風(fēng)葉與軸套間設(shè)置塑料筋進(jìn)行了阻隔。實(shí)測(cè)證明，采用了圖8中的軸套，支撐軸套的塑料定位筋極易變形。如在軸套兩側(cè)設(shè)計(jì)增加支撐邊，形成圖9所示的軸架后，隨著散熱面積增加，支撐軸架的機(jī)殼定位筋變形情況可以得到有效控制和改善。

圖8 軸套支撐輸出軸

圖9 軸架支撐輸出軸

3.3 提高材料耐溫性能

綜上，經(jīng)改善了零部件間的生熱源和進(jìn)行有效散熱后，如仍發(fā)生出現(xiàn)了塑料件軟化或融化現(xiàn)象，可考慮選用耐溫等級(jí)更高的塑料或金屬材料。為保證產(chǎn)品品質(zhì)，同時(shí)合理控制整機(jī)生產(chǎn)成本，考慮在局部高溫的塑料部位采用耐高溫材料，將高溫部件與其他塑料隔離，見(jiàn)圖10。圖10中，電刷與機(jī)殼之間使用的是一種耐溫更高的熱固性塑料電刷架。

圖10 熱固性塑料的電刷架

4 結(jié)語(yǔ)

在電動(dòng)工具的操作過(guò)程中，因塑料件受熱軟化、融化的現(xiàn)象引發(fā)工具停機(jī)、失效，甚至造成人身傷害的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。本文綜合列舉了改善塑料件溫升的多種方法，可單獨(dú)使用，也可以結(jié)合使用。如運(yùn)用得當(dāng)，相信可以較好解決塑料件溫升控制問(wèn)題，不僅提升了工具的使用壽命，還可以有效提高工具操作者的使用舒適性。

[1]曾正明.實(shí)用工程材料技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

The Methods and Applications on Lowering Temperature Rise of Plastic Parts for Electric Tools

Li Xiaozhong
YAT Electrical Appliance Co., Ltd., Jiaxing Zhejiang 314009, China

Due to the characteristics of the heat conducting and heat resistance on plastic parts for the power tools, and the mechnical and electrical risk caused by the softening and melting of plastic parts, this paper introduces the various methods on lowering temperature rise of plastic parts, with some practicable methods are introduced.

Electric tools; motor; Plastic parts; Temperature rise

TM502

A

1674-2796（2017）04-0010-05

2017-04-20

李孝忠（1974—），男，大學(xué)?？?，工程師，主要從事的電動(dòng)工具產(chǎn)品研發(fā)及技術(shù)工作。