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1、 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： 102目 录1. 作品简介12. 研究背景及意义13. 设计方案的筛选24. 重要零部件及相应功能分析24.1引擎24.2驱动机构35. 设计说明46. 斯特林实物展示 57小车的特点和创新68参考文献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
2、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
3、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。型引擎：型引擎最大特征是引擎体型小。但
4、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。型引擎：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。型引擎：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。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
5、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
6、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，酒精灯试管内置
7、活塞铜轴套橡皮塞橡皮管酒精灯 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。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。飞轮皮带轮皮带偏心轮 图七
8、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。 5.设计说明5.1加热量Q 热效率=（1）C=（1）=0.00416式中，C为卡诺
9、热效率比（=0.10）；为加热效率（=0.10）；为机械效率（=0.80）； 因此加热头部的加热量Q=96W5.2转速n根据在开发实际斯特林引擎时得出的经验，其轴输出功率L可由行程容积V，平均气体压力p（kpa）及转速n整理得到关系式：L=2.5Vpn= L=2.5=0.4得出n=1970rmin 5.3飞轮的尺寸选择： 通过查阅相关资料，书籍和自己的运算我们得到：1. 驱动轴转一圈所需要的能量W大约为0.02J。2. 速度变化率=（）/=0.0053. 平均角速度=( + )/2=206rad/s下计算飞轮的尺寸：能量变化部分E=W=0.250.02=0.005J式中为能量变化率（=0.25
10、）。飞轮要求的转动惯量I=E/【(Wm)*】=0.005/(0.005206)=0.000023kgm我们所做的飞轮的尺寸：厚度=5mm，半径25mm转动惯量Is=br/2=85300.0050.025/2=0.000026kgm经计算可得飞轮尺寸基本符合所要求的尺寸。橡皮管飞轮6.小车整体三维图驱动轴前轮后轮皮带轮皮带偏心轮内置活塞试管酒精灯 图八（隐藏车板时重要零件的相对位置）如图八所示，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。试管内气体的受热膨胀和冷却收缩带动内置活塞往复运动，内置活塞上两个连
11、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，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皮带轮的转动。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。 图九（小车整体的轴测图）7. 小车的特点和创新。特点：1.小车的所有组成零件制作都非常简单，很多是低价的外购件。大大地节约了制作成本和制作时间。 2.考虑到所有小组的结构可能类似，而且小车的机械效率差别不大。在这种情况下，想要小车走的更远，只有减轻小车的自重。我们小组把更多的时间和精力投入到了选用轻便的材料上，以此来减轻小车的自重。如选用的内置活塞，橡皮塞，橡皮管等，这些都是密度很小的材料。创新：1考虑到小车运动时橡皮塞与杆之间存在相对运动，这会导致引擎气密性不好。为了解决这个问题，我们在橡皮塞与杆之间加了一个铜轴套，使得金属杆与铜轴套直接接触，并且加上润滑油。从而以低成本很好地解决了气密性的问题。8. 参考文献1滨口和洋 户田富士夫 平田弘一 斯特林引擎模型制作 上海交通大学出版社 2010.62濮良贵， 纪名刚. 机械设计（第七版）. 高等教育出版社，20013 江耕华，胡来榕，陈启松.机械传动设计手册(修订本)下册 .煤炭工业出版社,1983.4
