斯特林小車設(shè)計(jì)書(shū)(2)

1、 斯特林小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué) 院：年級(jí)專業(yè)：二年級(jí) 機(jī)械工程及自動(dòng)化設(shè) 計(jì) 者：任課老師： 輔導(dǎo)教師： 起止時(shí)間： 102目 錄1. 作品簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)35. 設(shè)計(jì)說(shuō)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(jiǎn)介：我們通過(guò)對(duì)斯特林引擎的研究和認(rèn)識(shí)，加上已有的機(jī)械知識(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)我們選擇了皮帶傳動(dòng)。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(shí)盡量選用便宜，易

2、買到的零件，節(jié)約生產(chǎn)成本。2研究背景及意義：斯特林發(fā)動(dòng)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(wèn)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(yáng)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(shì)日趨嚴(yán)峻，斯特林發(fā)動(dòng)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(lái)越受到重視，所以，在水下動(dòng)力、太陽(yáng)能動(dòng)力、空間站動(dòng)力、熱泵空調(diào)動(dòng)力、車用混合推進(jìn)動(dòng)力等

3、方面得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(gè)背景下，加快對(duì)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(gè)不斷探索和嘗試過(guò)程的。我們通過(guò)對(duì)斯特林小車的設(shè)計(jì)及三維圖的制作正是這個(gè)不斷探索和嘗試的過(guò)程。3設(shè)計(jì)方案的刪選：3.1引擎部分方案刪選對(duì)比：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理： 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)氣體受熱膨脹,遇冷壓縮而產(chǎn)生動(dòng)力的。這是一種外燃發(fā)動(dòng)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(dòng)力氣體使活塞運(yùn)動(dòng)，膨脹氣體在冷氣室冷卻，反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過(guò)程 反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過(guò)程，便可為外機(jī)提供動(dòng)力。型引擎：型引擎最大特征是引擎體型小。但

4、為了保證同軸上的2個(gè)活塞獲得合適的相位角的同時(shí)能夠來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜化等問(wèn)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(gè)動(dòng)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(kāi)發(fā)出輸出功率為3KW級(jí)的引擎。可見(jiàn)這種引擎的有著很大的潛力和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值。 由此可見(jiàn)，不管是從制作的簡(jiǎn)便性還是輸出功率的可觀性，甚至市場(chǎng)前景。型引擎都有著它的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。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

5、未加熱階段 圖一（2）對(duì)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(huì)強(qiáng)制活塞往下運(yùn)動(dòng)。 斯特林循環(huán)中的這個(gè)過(guò)程是做功過(guò)程。 圖二（3）當(dāng)右邊的活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，左邊的活塞就會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。 這會(huì)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(gè)環(huán)節(jié)壓縮 圖三（4）冷卻式氣缸中的活塞（右邊）開(kāi)始?jí)嚎s氣體。 此壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)冷卻源散發(fā)掉。 圖四（5）右邊的活塞向上運(yùn)動(dòng)，而左邊的活塞向下運(yùn)動(dòng)。 這樣就能強(qiáng)制氣體進(jìn)入加熱式氣缸，然后氣體會(huì)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(dòng)部分方案刪選對(duì)比：齒輪傳動(dòng)方案：齒輪傳動(dòng)的噪聲

6、大，而且成本微高，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(dòng)方案：皮帶傳動(dòng)的制造方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且維修方便,造價(jià)低。傳動(dòng)平穩(wěn)無(wú)噪聲，能緩沖，吸振。過(guò)載時(shí)帶將會(huì)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(dòng)的質(zhì)量小。由此可見(jiàn)，皮帶傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)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(duì)我們下學(xué)期的實(shí)物制作可能會(huì)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(gòu)，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(dòng)。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

7、活塞銅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(lái)提供熱量，使試管內(nèi)的氣體受熱膨脹推動(dòng)內(nèi)置活塞運(yùn)動(dòng)。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(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致氣密性不好。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谙鹌とc桿之間加了個(gè)銅軸套，使得金屬桿與銅軸套直接接觸，并且加上潤(rùn)滑油。從而很好地解決了氣密性的問(wèn)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(shí)又節(jié)約了制作成本。4.2驅(qū)動(dòng)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

8、小車的驅(qū)動(dòng)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(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上兩個(gè)連接桿分別接在兩個(gè)偏心輪上（相位差為90度），偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)穿在輪上的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。軸上套一個(gè)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(dòng)慣性，可將發(fā)動(dòng)機(jī)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，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(gè)小皮帶輪，在小皮帶輪的下方加一個(gè)大皮帶輪，小皮帶輪通過(guò)皮帶的連接帶動(dòng)大飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。采用小皮帶輪帶動(dòng)大皮帶輪的減速機(jī)構(gòu)。大皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)車輪驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸的兩側(cè)加車輪，從而使得小車前進(jìn)。 5.設(shè)計(jì)說(shuō)明5.1加熱量Q 熱效率=（1）C=（1）=0.00416式中，C為卡諾

9、熱效率比（=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(kāi)發(fā)實(shí)際斯特林引擎時(shí)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(guò)查閱相關(guān)資料，書(shū)籍和自己的運(yùn)算我們得到：1. 驅(qū)動(dòng)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

10、）。飛輪要求的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=E/【(Wm)²*】=0.005/(0.005206²)=0.000023kgm²我們所做的飛輪的尺寸：厚度=5mm，半徑25mm轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Is=br/2=85300.0050.025/2=0.000026kgm²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(dòng)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(shí)重要零件的相對(duì)位置）如圖八所示，酒精燈用來(lái)提供熱量，使試管內(nèi)的氣體受熱膨脹推動(dòng)內(nèi)置活塞運(yùn)動(dòng)。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

11、和冷卻收縮帶動(dòng)內(nèi)置活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)置活塞上兩個(gè)連接桿分別接在兩個(gè)偏心輪上（相位差為90度），偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)穿在輪上的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，大飛輪的旁邊加一個(gè)小皮帶輪，在小皮帶輪的下方加一個(gè)大皮帶輪，小皮帶輪通過(guò)皮帶的連接帶動(dòng)大皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。大皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)車輪驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)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(cè)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(jiǎn)單，很多是低價(jià)的外購(gòu)件。大大地節(jié)約了制作成本和制作時(shí)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(shí)間和精力投入到了選用輕便的材料上，以此來(lái)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(dòng)時(shí)橡皮塞與桿之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致引擎氣密性不好。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谙鹌とc桿之