電池箱及其導電片的設計.ppt

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電池箱及其導電片的設計 目錄 1 電池箱的介紹2 電池箱設計的基本要求3 電池箱導電片設計的基本要求4 常用電池的分類及基本尺寸5 圓柱形堿性電池的電池箱設計6 鈕扣電池的電池箱設計7 如何確定電池箱位于產品的位置8 電池箱的標識9 如何驗證電池箱及其導電片的設計是否合格附錄一 常用材料的彈性模量附錄二 常用材料的許用應力附錄三 電池彈簧的常用材料附錄四 電池彈片的常用材料附錄五 電池彈片 簧 的常見表面處理方式 電池箱及其導電片的設計 1 電池箱的介紹 電子產品中的電池箱部分主要由電池容納箱體 導電片 包括正極片 負極片 正負聯(lián)接片 電池門 電池組成 其在設計時需要考慮的要素有以下幾個方面 用戶使用的要素 人機工程 安全的要素 機械強度的要素 環(huán)境的要素 設計電池箱時需要考慮的要素 正確的電池標識 防止電池反向導通 電池門易拆裝 電池易拆換 防止電池門打開后電池飛出 防止短路 電池箱部分遠離熱源 滿足跌落測試的需要 足夠的接觸壓力 避免電池瞬間斷電 電池片 電池門能耐受足夠的拆裝次數(shù) 防止化學腐蝕 防止氧化 電池箱及其導電片的設計 電子產品中使用的電池從類型上來說 主要有鈕扣電池 Buttoncell 圓柱形堿性干電池 其常用的規(guī)格見2 由于同樣規(guī)格的電池 其外形尺寸是按標準尺寸進行制造的 所以電池箱及其導電片的設計是可以標準化的 標準化可以縮短開發(fā)周期 降低成本 提高效率 本教材編寫的目的就是要將電池箱及其導電片的設計標準化 以期達到上述目的 電池箱及其導電片的設計 2 電池箱設計的基本要求 A 防止反向導通 即將電池正 負極反向裝入電池槽后是不能導通的 B 不能漏電 即放入任何一個電池后 無論以哪一個角度使用一根直的任意長度的無尺寸要求的直導線 以任何方式都不可以使這個電池的正負極導電片直接短路 實際操作是選用一根0 5mm的活動鉛筆中的鉛芯 隨便搭配 都不能使得電池的正負極短路 C 要有明確的標記 包括電池的規(guī)格及正負極方向符號 D 電池門開啟后 電池不能輕易飛出 E 電池及電池門的拆裝符合人機工程學要求 F 電池周邊的材料 要使用耐酸及耐堿佳的材料 G 設計美觀 從電池箱處不能看到產品內部構件 電池箱及其導電片的設計 3 電池箱導電片設計的基本要求 A 良好的導電性 B 不易生銹 C 對電池有足夠的軸向壓緊力 D 耐疲勞 E 防拔出結構 F 好的焊接工藝性 如有焊接要求 一般采用磷青銅片 如導電性能要求高的可表面鍍金 表面需做防銹處理 一般鍍5 m以上的厚鎳 不銹鋼可以不處理 導電片對電池兩端端子的軸向壓緊力一般要求 0 5 1 5kgf 電池反復拆裝 6000次以上 導電片仍能保持所需性能 導電片插入電池槽內不能輕易撥出 要求焊接時上錫容易 尤其是選擇用不銹鋼材料時要考慮其焊接工藝 電池箱及其導電片的設計 4 常用電池的分類及標準尺寸 4 1 圓柱形堿性電池 干電池 尺寸示意圖 外形圖 下頁的表一列出了不同執(zhí)行標準及不同規(guī)格的電池的尺寸值 并列出了我們在設計中的標準取值 電池箱及其導電片的設計 表一 干電池的標準尺寸 本公司常用品牌 金霸王 GP 雙鹿 最常用AAA AA兩種規(guī)格 單位 mm 電池箱及其導電片的設計 4 2 鈕扣電池尺寸示意圖 外形圖 下頁的表二列出了不同規(guī)格的鈕扣電池的尺寸值及其標稱電壓和容量 電池箱及其導電片的設計 表二 鈕扣電池的使用參數(shù)及尺寸 單位 mm 鈕扣電池命名規(guī)則 C 鋰 二氧化錳 R 圓柱形 本公司常用品牌 高能達 常用CR2032 CR2430兩種 5 1 常規(guī)結構 電池箱及其導電片的設計 5 圓柱形堿性電池的電池箱設計 負極導電彈弓 正極導電片 容納兩節(jié)電池的電池箱 注 本頁以容納兩節(jié)電池的電池箱作為設計參考 正負極聯(lián)接片 干電池 負極導電片焊線端子 正極導電片焊線端子 正面 背面 電池箱及其導電片的設計 5 2 干電池箱的常規(guī)設計尺寸 A 52 52 5mmB 59 9mmC 0 7 0 8mmD 14 5 14 7mmE 5 8 6 5mmF 9 9 5mmG 10 11mm負極彈弓有效圈數(shù) 4 5負極彈弓線徑 0 6mm 5 2 1 AA電池的電池箱設計尺寸 電池箱及其導電片的設計 5 2 2 AAA電池的電池箱設計尺寸 A 45 8 46mmB 53 4mmC 0 6 0 7mmD 10 5 10 7mmE 5 5 5mmF 7 7 5mmG 8 9mm負極彈弓有效圈數(shù) 4負極彈弓線徑 0 5mm 電池箱及其導電片的設計 5 3 1 AA電池的電池槽總長度設計方法 H G 電池標準長度 I 電池裝配間隙 4 50 5 1 4 1 56 9mm電池裝配間隙取值 1mm G 負極彈簧完全壓縮后總高度I 正極導電片總高度H 電池槽總長度 5 3 如何設計電池槽的總長度 電池箱及其導電片的設計 5 3 2 AAA電池的電池槽總長度設計方法 H G 電池標準長度 I 電池裝配間隙 3 3 44 5 1 6 1 50 4mm電池裝配間隙取值 1 1 5mm G 負極彈簧完全壓縮后總高度I 正極導電片總高度H 電池槽總長度 電池箱及其導電片的設計 5 4 1 正極導電片的常規(guī)設計 推薦材料 磷青銅片推薦厚度 0 3mm表面處理 鍍鎳5 m以上 倒刺 防撥出 電池正極接觸區(qū) 勾線焊接孔 電池箱位于面殼時應用 電池片可正反兩個方向插拔 5 4 如何設計電池導電片 電池箱及其導電片的設計 5 4 1 1 AA電池的正極導電片的常規(guī)設計尺寸 電池箱及其導電片的設計 5 4 1 2 AAA電池的正極導電片的常規(guī)設計尺寸 電池箱及其導電片的設計 5 4 1 3 正極導電片的常規(guī)設計要點 電池片最高面應比電池箱圍骨低0 5 1mm 電池片的寬度比電池片槽位寬度小0 5 1mm 良 電池反裝應接觸不到正極片 x 不良 電池反裝接觸到正極片 電池箱及其導電片的設計 5 4 1 3 正極導電片的常規(guī)設計要點 電池片撥刺與塑膠的過盈量0 2 0 25mm 為防止電池向上彈起 電池片正極接觸區(qū)的縱向平面范圍需高于電池正極 設計時電池正極片到此骨位的距離要按規(guī)定的標準來設計 因為各國家的要求及各電池品牌的電池正極高度有差異 因此此距離要按最小之電池正極高度來設計 這樣就可以適用各不同品牌的電池 這種品牌的電池可以接觸到 更換另一品牌的電池接觸不到 x 電池箱及其導電片的設計 5 4 2 負極導電片的常規(guī)設計 推薦材料 磷青銅片厚度0 3mm彈簧推薦材料 琴鋼線表面處理 鍍鎳5 m以上 倒刺 負極接觸彈簧 勾線焊接孔 電池箱位于面殼時應用 電池片可正反兩個方向插拔 電池箱及其導電片的設計 5 4 2 1 AA電池的負極導電片的常規(guī)設計尺寸 彈簧材料 琴鋼線 推薦 線徑 0 6mm大端直徑 7mm小端直徑 5mm 有效圈數(shù) 4 5圈自由長 9 7 10 7mm頂端 壓平處理連接方式 鉚接 電池箱及其導電片的設計 5 4 2 2 AAA電池的負極導電片的常規(guī)設計尺寸 彈簧材料 琴鋼線 推薦 線徑 0 5mm大端直徑 6mm小端直徑 4mm 有效圈數(shù) 4圈自由長 7 7 8 7mm頂端 壓平處理彈簧固定方式 鉚接 電池箱及其導電片的設計 5 4 2 3 負極導電片的常規(guī)設計要點 電池片最高面應比電池箱圍骨低 0 5 1mm 電池片的寬度比電池片槽位寬度小0 5 1mm 電池片撥刺與塑膠的過盈量 0 2 0 25mm 電池箱及其導電片的設計 5 4 2 3 負極導電片的常規(guī)設計要點 為防止傷人及提供一個平整的接觸平面 彈簧末端應做壓平處理 x 做壓平處理 末端彎折并做壓平處理 末端未做壓平處理 電池中心與電池彈簧中心要對齊 否則彈簧易偏出造成失效 中心偏離 彈簧容易向上滑出 中心偏離 彈簧容易向下滑出 x x F F F 綠色箭頭為受力方向 電池箱及其導電片的設計 5 4 3 正負極聯(lián)接片的常規(guī)設計 推薦材料 磷青銅片厚度0 3mm彈簧推薦材料 琴鋼線表面處理 鍍鎳5 m以上 倒刺 電池正極接觸區(qū) 負極彈簧 電池片可正反兩個方向插拔 電池箱及其導電片的設計 5 4 3 1 AA電池的正負極聯(lián)接片的常規(guī)設計尺寸 推薦材料 磷青銅片彈簧材料 琴鋼線 推薦 線徑 0 6mm大端直徑 7mm小端直徑 5mm 有效圈數(shù) 4 5圈自由長 9 7 10 7mm頂端 壓平處理彈簧固定方式 鉚接 電池箱及其導電片的設計 5 4 3 2 AAA電池的正負極聯(lián)接片的常規(guī)設計尺寸 推薦材料 磷青銅片彈簧材料 琴鋼線 推薦 線徑 0 5mm大端直徑 6mm小端直徑 4mm 有效圈數(shù) 4圈自由長 7 7 8 7mm頂端 壓平處理彈簧固定方式 鉚接 電池片最高面應比電池箱圍骨低0 5 1mm 電池箱及其導電片的設計 5 4 3 3 正負極聯(lián)接片的常規(guī)設計要點 電池片的寬度比電池片槽位寬度小0 5 1mm 電池片撥刺與塑膠的過盈量 0 2 0 25mm 負極彈簧及正極接觸區(qū)關于中心的要求應分別遵從電池正極片及負極片的要求 電池箱及其導電片的設計 5 4 3 3 正負極聯(lián)接片的常規(guī)設計要點 負極彈簧與正極接觸區(qū)的中心距離 電池標準值 電池箱中間檔骨厚度 14 5 AA 1 2 參考 15 7mm 10 5 AAA 1 2 參考 11 7mm A 電池彈片的接觸面中心應與電池的中心對齊 B 電池彈片對AA電池的壓緊力應在1kgf 1 5kgf之間 電池彈片對AAA電池的壓緊力應在0 5kgf 1kgf之間 電池箱及其導電片的設計 5 5 如何確保電池彈片對電池的有效接觸 AA電池 F作用力 1 1 5kgfAAA電池 F作用力 0 5 1kgf F 電池箱及其導電片的設計 5 6 如何計算電池彈簧對電池的壓緊力 5 6 1 圓錐形電池彈簧作用力的計算 G 彈簧系數(shù)不銹鋼絲 7000kg mm2彈簧鋼絲 8000kg mm2琴鋼線 8000kg mm2d 材料線徑Nc 有效圈數(shù)p 自由狀態(tài)下節(jié)距p 在F作用力下的節(jié)距k 彈簧剛度 R2 p p F 作用力 材料 琴鋼線d 0 6mmR1 2 5mmR2 3 5mmNc 4 5p 2mmp 0 8mm K G d4 R2 R1 16 Nc R24 R14 8000 0 64 3 5 2 5 16 4 5 3 54 2 54 0 1297kgf mm2 F作用力 G d4 p p 64 Ri3 8000 0 64 2 0 8 64 2 53 1 244kgf mm 1kgf mm R1 此公式適用于圓錐形壓縮彈簧 電池箱及其導電片的設計 G 彈簧系數(shù)不銹鋼絲 7000kg mm2彈簧鋼絲 8000kg mm2琴鋼線 8000kg mm2d 材料線徑Dcen 中心徑OD 外徑 Dcen d Nc 有效圈數(shù)L 作用長度 L0 L L0 自由長度L 在F作用力下的長度k 彈簧剛度 K G d4 8 Dcen3 Nc 8000 0 64 8 6 0 6 3 4 5 0 1829kg mm2 OD L0 L F 作用力 F作用力 k L 0 1829 10 4 5 1 00594kg mm 材料 琴鋼線d 0 6mmOD 6mmNc 4 5L 10mmL 4 5mm 此公式適用于圓柱形壓縮彈簧 5 6 2 圓柱形電池彈簧作用力的計算 電池箱及其導電片的設計 5 7 堿性電池箱的非常規(guī)結構 5 7 1 彈簧式 當由于產品空間及結構的原因 造成電池箱及其導電片不能采用規(guī)范的結構設計時 可以按照適合產品要求的設計方式重新設計 特點 電池正極 負極 正負極聯(lián)接均采用彈簧 優(yōu)缺點 1 打樣 生產快捷方便 不需開模 可用專用的彈簧機按所需要求調整參數(shù)直接成形 2 成本低 3 焊接較困難 易掉線 一般要求在焊線末端打勾 4 定位較麻煩 5 受成形工藝的限制 難于應用在電池接觸連接比較復雜的場合 負極彈簧 正極彈簧 彈簧固定卡扣 需要遵循的幾個要求 1 防止反向導通 2 對電池的壓緊力符合要求 3 電池的容納尺寸設計按標準要求 固定卡扣 正負極聯(lián)接彈簧 電池箱及其導電片的設計 5 7 2 彈片式 特點 電池正極 負極 正負極聯(lián)接均采用彈性金屬片 優(yōu)缺點 1 可應用在電池接觸連接比較復雜的場合 尤其是需要二次接觸的場合 2 打樣周期長 需要開沖壓模具 簡單的沖壓件打樣時可先用線切割成形 確認結構 沒問題后再開模 2 成本較高 3 彈片易永久變形 不能回復初始彈力 4 受材料的影響較大 在使用材料時要嚴格控制 5 彈片對電池的壓緊力較難控制 需要遵循的幾個要求 1 防止反向導通 2 對電池的壓緊力符合要求 3 電池的容納尺寸設計按標準要求 正負聯(lián)接片 正極片 負極片 這種需要二次聯(lián)接的情況下不得不采用彈片的方式 電池箱及其導電片的設計 5 7 2 1 電池彈片的設計要點 1 材料的選用 電池彈片的材料一般選用磷青銅片 通用 推薦使用 一般選用3 4H硬度狀態(tài) 鈹銅片 高要求時用 需熱處理 一般選用1 2H 3 4H硬度狀態(tài) 不銹鋼片 無焊接要求時一般選用1 2H 3 4H硬度狀態(tài) 厚度選用 視彈力要求 一般選用0 2mm 其變形區(qū)的截面積可根據(jù)力學公式校核 來確定材料厚度和寬度 2 如何保證彈片的使用壽命 A 盡可能長的彈性臂 B 設計防止過負荷結構 C 滿足強度設計條件 彎曲正應力 材料許用應力 D 防止應力集中 電池片在電池裝入后產生彈性變形 藍色綠色 變形區(qū) 應力區(qū) 防止過負荷結構 裝入電池時此擋骨會頂住電池 避免裝入受到電池的大力擠壓 彈性臂的長度太長會降低彈力 太短則正應力過大 3 如何保證彈片對電池有效接觸 A 壓緊量 1 5 2mm B 壓緊力 0 5 1 5kgf 電池箱及其導電片的設計 5 7 2 2 電池彈片的彈性變形力學分析 如右圖 彈片在受到一定的載荷F時會產生一定距離 的變形 這種應力 應變的變化是存在一定的關系的 如果F作用力所產生的彎曲正應力 不超過材料的許用應力 的話 那么這種變形是可以回復到原來的狀態(tài)的 在產品設計上 我們經常會應用到這種彈性變形 如電池彈片 接觸片等 F L b t 截面形狀 如何計算彈性變形的載荷 內應力及彎曲變化量 F 3EI L3 3Et 2L2 其中 E 彈性模量 可查機械設計手冊 I 慣性矩 彎曲變化量L 跨度 彎曲正應力t 材料厚度 材料的許用應力 可查機械設計手冊 慣性矩I需計算獲得 不同截面形狀的計算公式不同 由于我們通常只應用這種長方形的的形狀 在這里我們僅介紹長方形的慣性矩的計算方法 I bt3 12 從應力 應彎的計算公式中可以看出 要設計一款變形量 力度及使用壽命符合要求的彈片 需要根據(jù)以下幾個因素來設計 A 材料 確定彈性模量及許用應力 B 截面形狀C 跨度 電池箱及其導電片的設計 5 7 2 3 彈片的彈性變形力學分析 實例 9 2mm 1 2mm 4mm 0 2mm 截面尺寸 慣性矩I bt3 12 4 0 23 12 0 00267mm4 如圖 彈片在受到電池的壓力從藍色形狀變形為綠色形狀 如果電池不取出 在靜態(tài)情況下 彈片始終對電池負極端子有一個作用力F 接觸壓F 3EI L3 3 12000 0 00267 1 2 9 23 0 148kgf mm2 0 1kgf mm2 正應力 3Et 2L2 3 12000 0 2 1 5 2 72 51 04kgf mm2 52 3kgf mm2 結論 該彈片的接觸壓力大于0 1kgf mm2的要求 彎曲正應力小于許用應力 所以這個彈片適用 F 設計一款電池彈片 要求接觸壓力 0 1kgf 第一步 選材 磷青銅片E 12000kgf mm2 52 3kgf mm2第二步 確定橫截面t 0 2mm b 4mm第三步 設計彈片受壓后變形量 1 2mm第四步 強度校核 電池箱及其導電片的設計 附錄一 常用材料的彈性模量 E 附錄二 常用材料的許用應力 上述數(shù)值僅供參考 不同的材料在不同的情況下有不同的取值 具體可參考 機械設計手冊 單位轉換 1kgf mm2 9 8MPa 電池箱及其導電片的設計 6 鈕扣電池的電池箱設計 6 1 常規(guī)結構 注 本節(jié)以容納一粒CR2032電池的電池箱作為設計參考 鈕扣電池 電池箱 負極片 正極片 正極片焊線端子 負極片焊線端子 電池固定卡扣 電池箱及其導電片的設計 6 2 鈕扣電池的極性接觸范圍 從圖中可以看出 電池的正極接觸是金黃色部分 通常設計時采用接觸側面或電池正面兩種方式 電池的負極接觸是深謁色部分 設計時負極片只接觸這一區(qū)域 鈕扣電池的正負極靠得比較近 設計時要特別注意短路的問題 鈕扣電池是一種較扁的圓柱形狀 其正負極作如下圖的區(qū)分 金黃色部分為電池的正極范圍 深謁色部分為電池的負極范圍 紅色圓環(huán)為電池的正負極絕緣層 電池正面 電池反面 在這里描述的電池的顏色僅為方便描述而添加了顏色 實物是沒有這種顏色的 電池箱及其導電片的設計 6 3 鈕扣電池的導電片接觸位置與電池取出方向的關系 鈕扣電池箱的電池片接觸位置跟電池的取出方向有關 負極片接觸位置 正極片接觸位置 電池取出方向1 側面取出 電池取出方向2 向上取出 負極片接觸位置 電池取出方向 側面取出 正極片接觸位置 正負導電片通常用彈片設計 也有用彈簧的 但不常的 材料的選擇參考附錄四 其對電池的壓緊力要求在0 2 1kgf之間 電池箱及其導電片的設計 6 4 鈕扣電池箱的結構設計要點 電池箱的容納直徑 電池直徑 0 4mm如CR2032的容納直徑 20 0 4 20 4mm 電池彈片需有一定的保護結構 避免電池對其擠壓造成永久變形 為方便電池裝入及取出 電池箱取出位置需設計手指位 其大小至少應容納成年人食指 電池箱內應有明顯的電池規(guī)格及極性標識 方便使用者裝取 手指位 電池標識 這種結構的彈片很容易向后面變形 所以必須在后面設計支撐骨 電池箱及其導電片的設計 6 5 鈕扣電池箱的其它結構設計方式 鈕扣電池的電池箱及其導電片的設計 在接觸方式上基本固定 但電池箱的形狀 導電片的形狀會根據(jù)不同類型的產品可能會有一些變化 但是在一般情況下 設計時會優(yōu)先考慮應用現(xiàn)有的成熟的設計 上面所描述的電池箱設計是本公司電子秤的較成熟的設計 一般情況下都會優(yōu)先選用這種設計 下面再介紹幾種不同的設計形式 以供參考 電池箱及其導電片的設計 7 如何確定電池箱位于產品的位置 在設計產品的電池箱位置時應考慮以下幾個方面 A 電池箱一般情況下應放在整個產品在使用時的不可見面 并位于不影響外觀的位置 B 使用者能很方便地開啟電池門 更換電池 C 方便整機布線 方便工人作業(yè) 電池箱的出線盡可能在主PCB的一側 D 電池箱應遠離熱源及有化學腐蝕的地方 E 盡量不要太靠近PCB 避免電池漏液的影響 電池箱及其導電片的設計 8 電池箱的標識 AA電池箱的標識 AAA電池箱的標識 CR2032電池箱的標識 為方便模具加工 標識符號一般為凸刻 高0 2mm 電池箱及其導電片的設計 9 如何驗證電池箱及其導電片的設計是否合格 A 外觀設計應美觀 不能有利邊利角 不能對產品的外形造成不良影響 打開電池蓋后不能看到產品的內部布線和結構 電池片不能有銹蝕 B 使用在設計時要充分考慮使用者的使用習慣 沒有刮傷手的危險 電池蓋能順利開啟 力度適中 電池拆裝方便 C 測試a 強度能滿足跌落測試 b 壽命電池門正常開啟2000次以上 電池拆裝6000次以上 c 環(huán)境滿足高低溫測試滿足鹽霧測試