斯特林小車設(shè)計(jì)書2

1、 斯特林小車設(shè)計(jì)說明書學(xué) 院：年級專業(yè)：二年級 機(jī)械工程及自動化設(shè) 計(jì) 者：任課老師： 輔導(dǎo)教師： 起止時間： 目 錄1. 作品簡介12. 研究背景及意義13. 設(shè)計(jì)方案的篩選24. 重要零部件及相應(yīng)功能分析24.1引擎24.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)35. 設(shè)計(jì)說明46. 斯特林實(shí)物展示 57小車的特點(diǎn)和創(chuàng)新68參考文獻(xiàn)7 1作品簡介：我們通過對斯特林引擎的研究和認(rèn)識，加上已有的機(jī)械知識，在老師的幫助和改進(jìn)下完成了自己設(shè)計(jì)的第一輛小車。我們的小車采用的是型引擎，驅(qū)動機(jī)構(gòu)我們選擇了皮帶傳動。我們的設(shè)計(jì)理念是在不影響小車性能的情況下，盡量減輕小車的質(zhì)量，選用較輕的零件以使小車走的更遠(yuǎn)。同時盡量選用便宜，易買到的

2、零件，節(jié)約生產(chǎn)成本。2研究背景及意義：斯特林發(fā)動機(jī)屬外燃機(jī)，它避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的震爆做功問題，從而實(shí)現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本?？梢匀紵鞣N可燃?xì)怏w，如：天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體燃料，還可以燃燒木材，以及利用太陽能等。只要熱腔達(dá)到700，設(shè)備即可做功運(yùn)行，環(huán)境溫度越低，發(fā)電效率越高。外燃機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是出力和效率不受海拔高度影響，非常適合于高海拔地區(qū)使用。 隨著全球能源與環(huán)保的形勢日趨嚴(yán)峻，斯特林發(fā)動機(jī)由于具有多種能源的廣泛適應(yīng)性和優(yōu)良的環(huán)境特性已越來越受到重視，所以，在水下動力、太陽能動力、空間站動力、熱泵空調(diào)動力、車用混合推進(jìn)動力等方面得

3、到了廣泛的研究與重視，并且已得到了一些成功的應(yīng)用。 在這個背景下，加快對斯特林引擎的了解和研究是至關(guān)重要。而一樣事物從發(fā)明到正式投入生產(chǎn)運(yùn)用是需要一個不斷探索和嘗試過程的。我們通過對斯特林小車的設(shè)計(jì)及三維圖的制作正是這個不斷探索和嘗試的過程。3設(shè)計(jì)方案的刪選：3.1引擎部分方案刪選對比：斯特林發(fā)動機(jī)原理： 斯特林發(fā)動機(jī)是通過氣體受熱膨脹,遇冷壓縮而產(chǎn)生動力的。這是一種外燃發(fā)動機(jī),使燃料連續(xù)地燃燒，蒸發(fā)的膨脹氫氣 蒸發(fā)的膨脹氫氣（或氦）作為動力氣體使活塞運(yùn)動，膨脹氣體在冷氣室冷卻，反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過程 反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過程，便可為外機(jī)提供動力。型引擎：型引擎最大特征是引擎體型小。但為了保

4、證同軸上的2個活塞獲得合適的相位角的同時能夠來回往復(fù)運(yùn)動，從而產(chǎn)生了驅(qū)動機(jī)構(gòu)復(fù)雜化等問題。型引擎：型引擎小型化比較困難。而且結(jié)構(gòu)上由于不能提高壓縮比，所以想得到大輸出功率也非常困難。型引擎：型引擎由兩個動力活塞構(gòu)成，具有高壓縮比（最大容積/最小容積）和高輸出功率的特征。而且該引擎在1980年實(shí)施的月光計(jì)劃中已經(jīng)被開發(fā)出輸出功率為3KW級的引擎?？梢娺@種引擎的有著很大的潛力和市場開發(fā)價值。 由此可見，不管是從制作的簡便性還是輸出功率的可觀性，甚至市場前景。型引擎都有著它的特點(diǎn)和優(yōu)勢。涇小組協(xié)商以及咨詢老師后，最終我們決定采用型引擎作為本次項(xiàng)目小車的引擎。我們采用的引擎工作原理圖：（1）初始未加熱

5、階段 圖一（2）對加熱式氣缸（左邊）內(nèi)的氣體進(jìn)行加熱，導(dǎo)致壓力上升。 這會強(qiáng)制活塞往下運(yùn)動。 斯特林循環(huán)中的這個過程是做功過程。 圖二（3）當(dāng)右邊的活塞向下運(yùn)動時，左邊的活塞就會向上運(yùn)動。 這會將熱氣推入冷卻式氣缸中，然后將氣體快速冷卻到冷卻源的溫度，從而降低壓力。 這有助于在循環(huán)的下一個環(huán)節(jié)壓縮 圖三（4）冷卻式氣缸中的活塞（右邊）開始壓縮氣體。 此壓縮過程產(chǎn)生的熱量會通過冷卻源散發(fā)掉。 圖四（5）右邊的活塞向上運(yùn)動，而左邊的活塞向下運(yùn)動。 這樣就能強(qiáng)制氣體進(jìn)入加熱式氣缸，然后氣體會快速升溫，從而將壓力提升至可重復(fù)循環(huán)的點(diǎn)。 圖五3.2傳動部分方案刪選對比：齒輪傳動方案：齒輪傳動的噪聲大，而

6、且成本微高，這與斯特林引擎低噪音，低成本的優(yōu)點(diǎn)相違背，且維修較為麻煩。質(zhì)量相比于皮帶較大。皮帶傳動方案：皮帶傳動的制造方便,結(jié)構(gòu)簡單，且維修方便,造價低。傳動平穩(wěn)無噪聲，能緩沖，吸振。過載時帶將會在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護(hù)作用。且皮帶傳動的質(zhì)量小。由此可見，皮帶傳動的優(yōu)勢非常明顯。而且考慮到如果采用齒輪，齒輪的尺寸很小，加工很不方便。對我們下學(xué)期的實(shí)物制作可能會產(chǎn)生很大的困難。而皮帶輪的加工則非常方便，而且皮帶可以外購，這增加了我們實(shí)物小車制作的成功性。最終我們決定采用皮帶傳動。4重要零部件及相應(yīng)功能分析4.1引擎機(jī)構(gòu)1)零件組成：試管，活塞，橡皮管，酒精燈試管內(nèi)置活塞銅

7、軸套橡皮塞橡皮管酒精燈 圖六 CATIA中的小車引擎功能分析：如圖六所示，酒精燈用來提供熱量，使試管內(nèi)的氣體受熱膨脹推動內(nèi)置活塞運(yùn)動。橡皮管連接兩試管，使得試管內(nèi)的氣體能夠不斷地壓縮冷卻，不斷地在兩試管間循環(huán)?？紤]到橡皮塞與桿之間存在相對運(yùn)動，會導(dǎo)致氣密性不好。為了解決這個問題，我們在橡皮塞與桿之間加了個銅軸套，使得金屬桿與銅軸套直接接觸，并且加上潤滑油。從而很好地解決了氣密性的問題。而且我們采用的是活塞和橡皮管這些極其易得且輕便的材料，這能很大程度上減輕小車整體的質(zhì)量，同時又節(jié)約了制作成本。4.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)2）零件組成：皮帶輪，皮帶，軸，飛輪，連接桿，偏心輪。飛輪皮帶輪皮帶偏心輪 圖七 小車的

8、驅(qū)動機(jī)構(gòu) 功能分析：如圖七所示，試管內(nèi)氣體的受熱膨脹和冷卻收縮帶動活塞往復(fù)運(yùn)動，活塞上兩個連接桿分別接在兩個偏心輪上（相位差為90度），偏心輪的轉(zhuǎn)動帶動穿在輪上的軸轉(zhuǎn)動。軸上套一個大飛輪，大飛輪不僅起到一定的平衡作用，而且大飛輪具有轉(zhuǎn)動慣性，可將發(fā)動機(jī)能量儲存起來，克服其他部件的阻力，使軸均勻旋轉(zhuǎn)。大飛輪的旁邊加一個小皮帶輪，在小皮帶輪的下方加一個大皮帶輪，小皮帶輪通過皮帶的連接帶動大飛輪的轉(zhuǎn)動。采用小皮帶輪帶動大皮帶輪的減速機(jī)構(gòu)。大皮帶輪的轉(zhuǎn)動帶動車輪驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動。驅(qū)動軸的兩側(cè)加車輪，從而使得小車前進(jìn)。 5.設(shè)計(jì)說明5.1加熱量Q 熱效率=（1）C=（1）=0.00416式中，C為卡諾熱效率

9、比（=0.10）；為加熱效率（=0.10）；為機(jī)械效率（=0.80）； 因此加熱頭部的加熱量Q=96W5.2轉(zhuǎn)速n根據(jù)在開發(fā)實(shí)際斯特林引擎時得出的經(jīng)驗(yàn)，其軸輸出功率L可由行程容積V，平均氣體壓力p（kpa）及轉(zhuǎn)速n整理得到關(guān)系式：L=2.5Vpn= L=2.5=0.4得出n=1970rmin 5.3飛輪的尺寸選擇： 通過查閱相關(guān)資料，書籍和自己的運(yùn)算我們得到：1. 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)一圈所需要的能量W大約為0.02J。2. 速度變化率=（）/=0.0053. 平均角速度=( + )/2=206rad/s下計(jì)算飛輪的尺寸：能量變化部分E=W=0.250.02=0.005J式中為能量變化率（=0.25）。飛

10、輪要求的轉(zhuǎn)動慣量I=E/【(Wm)*】=0.005/(0.005206)=0.000023kgm我們所做的飛輪的尺寸：厚度=5mm，半徑25mm轉(zhuǎn)動慣量Is=br/2=85300.0050.025/2=0.000026kgm經(jīng)計(jì)算可得飛輪尺寸基本符合所要求的尺寸。橡皮管飛輪6.小車整體三維圖驅(qū)動軸前輪后輪皮帶輪皮帶偏心輪內(nèi)置活塞試管酒精燈 圖八（隱藏車板時重要零件的相對位置）如圖八所示，酒精燈用來提供熱量，使試管內(nèi)的氣體受熱膨脹推動內(nèi)置活塞運(yùn)動。橡皮管連接兩試管，使得試管內(nèi)的氣體能夠不斷地壓縮冷卻，不斷地在兩試管間循環(huán)。試管內(nèi)氣體的受熱膨脹和冷卻收縮帶動內(nèi)置活塞往復(fù)運(yùn)動，內(nèi)置活塞上兩個連接桿分

11、別接在兩個偏心輪上（相位差為90度），偏心輪的轉(zhuǎn)動帶動穿在輪上的軸轉(zhuǎn)動，大飛輪的旁邊加一個小皮帶輪，在小皮帶輪的下方加一個大皮帶輪，小皮帶輪通過皮帶的連接帶動大皮帶輪的轉(zhuǎn)動。大皮帶輪的轉(zhuǎn)動帶動車輪驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動。驅(qū)動軸的兩側(cè)加車輪，從而使得小車前進(jìn)。 圖九（小車整體的軸測圖）7. 小車的特點(diǎn)和創(chuàng)新。特點(diǎn)：1.小車的所有組成零件制作都非常簡單，很多是低價的外購件。大大地節(jié)約了制作成本和制作時間。 2.考慮到所有小組的結(jié)構(gòu)可能類似，而且小車的機(jī)械效率差別不大。在這種情況下，想要小車走的更遠(yuǎn)，只有減輕小車的自重。我們小組把更多的時間和精力投入到了選用輕便的材料上，以此來減輕小車的自重。如選用的內(nèi)置活塞，橡皮塞，橡皮管等，這些都是密度很小的材料。創(chuàng)新：1考慮到小車運(yùn)動時橡皮塞與桿之間存在相對運(yùn)動，這會導(dǎo)致引擎氣密性不好。為了解決這個問題，我們在橡皮塞與桿之間加