斯特林小车设计书(2)

斯特林小车

设计说明书

学院：

年级专业：二年级机械工程及自动化

设计者：

任课老师：

辅导教师：

起止时间：

目录

1. 作品简介 (1)

2. 研究背景及意义 (1)

3. 设计方案的筛选 (2)

4. 重要零部件及相应功能分析 (2)

4.1引擎 (2)

4.2驱动机构 (3)

5. 设计说明 (4)

6.斯特林实物展示 (5)

7小车的特点和创新 (6)

8参考文献 (7)

1作品简介：

我们通过对斯特林引擎的研究和认识，加上已有的机械知识，在老师的帮助和改进下完成了自己设计的第一辆小车。我们的小车采用的是α型引擎，驱动机构我们选择了皮带传动。我们的设计理念是在不影响小车性能的情况下，尽量减轻小车的质量，选用较轻的零件以使小车走的更远。同时尽量选用便宜，易买到的零件，节约生产成本。

2研究背景及意义：

斯特林发动机属外燃机，它避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。

随着全球能源与环保的形势日趋严峻，斯特林发动机由于具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。

在这个背景下，加快对斯特林引擎的了解和研究是至关重要。而一样事物从发明到正式投入生产运用是需要一个不断探索和尝试过程的。我们通过对斯特林小车的设计及三维图的制作正是这个不断探索和尝试的过程。

3设计方案的删选：

3.1引擎部分方案删选对比：

斯特林发动机原理：

斯特林发动机是通过气体受热膨胀,遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机,使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程反复地进行这样的循环过程，便可为外机提供动力。

β型引擎：β型引擎最大特征是引擎体型小。但为了保证同轴上的2个活塞获得合适的相位角的同时能够来回往复运动，从而产生了驱动机构复杂化等问题。

γ型引擎：γ型引擎小型化比较困难。而且结构上由于不能提高压缩比，所以想得到大输出功率也非常困难。

α型引擎：α型引擎由两个动力活塞构成，具有高压缩比（最大容积/最小容积）和高输出功率的特征。而且该引擎在1980年实施的月光计划中已经被开发出输出功率为3KW级的引擎。可见这种引擎的有着很大的潜力和市场开发价值。

由此可见，不管是从制作的简便性还是输出功率的可观性，甚至市场前景。α型引擎都有着它的特点和优势。泾小组协商以及咨询老师后，最终我们决定采用α型引擎作为本次项目小车的引擎。

我们采用的引擎工作原理图：

（1）初始未加热阶段

图一

（2）对加热式气缸（左边）内的气体进行加热，导致压力上升。这会强制活塞往下运动。斯特林循环中的这个过程是做功过程。

图二

（3）当右边的活塞向下运动时，左边的活塞就会向上运动。这会将热气推入冷却式气缸中，然后将气体快速冷却到冷却源的温度，从而降低压力。这有助于在循环的下一个环节压缩

图三

（4）冷却式气缸中的活塞（右边）开始压缩气体。此压缩过程产生的热量会通过冷却源散发掉。

图四

（5）右边的活塞向上运动，而左边的活塞向下运动。这样就能强制气体进入加热式气缸，然后气体会快速升温，从而将压力提升至可重复循环的点。

图五

3.2传动部分方案删选对比：

齿轮传动方案：齿轮传动的噪声大，而且成本微高，这与斯特林引擎低噪音，低成本的优点相违背，且维修较为麻烦。质量相比于皮带较大。

皮带传动方案：皮带传动的制造方便,结构简单，且维修方便,造价低。传动平稳无噪声，能缓冲，吸振。过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用。且皮带传动的质量小。

由此可见，皮带传动的优势非常明显。而且考虑到如果采用齿轮，齿轮的尺寸很小，加工很不方便。对我们下学期的实物制作可能会产生很大的困难。而皮带轮的加工则非常方便，而且皮带可以外购，这增加了我们实物小车制作的成功性。最终我们决定采用皮带传动。

4重要零部件及相应功能分析

4.1引擎机构

1)零件组成：试管，活塞，橡皮管，酒精灯

图六 CATIA 中的小车引擎

功能分析：如图六所示，酒精灯用来提供热量，使试管内的气体受热膨胀推动内置活塞运动。橡皮管连接两试管，使得试管内的气体能够不断地压缩冷却，不断地在两试管间循环。考虑到橡皮塞与杆之间存在相对运动，会导致气密性不好。为了解决这个问题，我们在橡皮塞与杆之间加了个铜轴套，使得金属杆与铜轴套直接接触，并且加上润滑油。从而很好地解决了气密性的问题。而且我们采用的是活塞和橡皮管这些极其易得且轻便的材料，这能很大程度上减轻小车整体的质量，同时又节约了制作成本。

酒精灯 试管

橡皮管

橡皮塞

铜轴套

内置活塞

4.2驱动机构

2）零件组成：皮带轮，皮带，轴，飞轮，连接杆，偏心轮。

图七 小车的驱动机构

功能分析：如图七所示，试管内气体的受热膨胀和冷却收缩带动活塞往复运动，活塞上两个连接杆分别接在两个偏心轮上（相位差为90度），偏心轮的转动带动穿在轮上的轴转动。轴上套一个大飞轮，大飞轮不仅起到一定的平衡作用，而且大飞轮具有转动惯性，可将发动机能量储存起来，克服其他部件的阻力，使轴均匀旋转。大飞轮的旁边加一个小皮带轮，在小皮带轮的下方加一个大皮带轮，小皮带轮通过皮带的连接带动大飞轮的转动。采用小皮带轮带动大皮带轮的减速机构。大皮带轮的转动带动车轮驱动轴的转动。驱动轴的两侧加车轮，从而使得小车前进。

飞轮

皮带 偏心轮

皮带轮