罐头里的斯特林发动机,破铜烂铁新动力

  DIY
DIYer: PKM
制作时间: 两小时
制作难度: ★★★☆☆
GEEK指数: ★★★☆☆

作为一个热爱DIY的爱好者,我习惯处理自己DIY剩下的废料。现在,我将使用废弃不用的破铜烂铁制备一个小功率引擎。自从我2003年认识了斯特林引擎,一直在我脑海挥之不去,取材简单,原理也不难,做出来的东西又运转良好,这是DIY的境界之一吧。恰巧某工作室刚好可以给我加工器件的良机,为检验自己DIY水平是否退步,我花上一个周末的时间,从废弃物中取材,超强动力制备动力超强的引擎工作开始了!

如果对斯特林引擎原理部分有疑难部分,请 维基百科

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1   工具和材料

1.1   材料

○ 移气器气缸,其中一个是有锥形底的契形罐,组装在一起
○ 两个空的不锈钢汤罐,至少一个拥有锥形底
○ 移气器
○ 可以刚好被移气缸无摩擦纳住的铝制饮料罐。
○ 两个薄的金属碟片(例如食物罐的盖子)
○ 动力活塞缸
○ 铜管或者青铜管,尽量圆,约40-50mm长
○ 动力活塞
○ 飞轮
○ 具有较低摩擦系数的球轴承
○ CD片,或者其他类似的圆片,制备轮圈
○ 硬币(配重)
○ 横梁
○ 金属片或者木头(12”厚),要保证足够厚,有一定刚度
○ 引擎支架
○ 支撑小木头(1”×1/2”也可以稍大),至少24”(600mm)长
○ 一块木头作为支承座,至少12″长4″宽(300 x 100mm)
其他
○ 青铜管(内径1/8”)、不锈钢丝(直径1/8”)-每个约12”长(上述值并不需要非常精确,只需要不锈钢丝可以在管内可以紧贴滑行)
○ 衣架 铁丝
○ 两个接线端子
○ JB环氧胶
○ 快干环氧胶(例如Araldite)

1.2   工具

必要工具
● 钢锯
● 电钻
● 木工锯
特别工具
● 可以打磨去料的抛光工具

2   设计

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γ型斯特林引擎(伪爱因斯坦说:γ型斯特林引擎——具有两个独立气缸,其中一缸中配备动力活塞,一缸配备移气器)的“核心”乃是一个大的移气缸纳住一个移气器(也可以称作转换器,是斯特林引擎的核心装备),该移气缸与另一个动力缸连通,动力活塞缸同时还纳住一个动力活塞,动力活塞通过一系列传动装置,反过来再为移气器提供动力。在曲柄设计中,我采用了Darryl Boyd’s设计,加入了一个“平衡木”的系统。利用该平衡木可以实现动力活塞和移气器的动力转换。不是多新奇或者多巧妙,仅仅是因为……我手上就那点材料,而且看起来效果也可圈可点。

踏破铁鞋,蓦然发现,铝制易拉罐可以与不锈钢的汤罐配合的很好。因此移气缸我决定选用不锈钢汤罐,而移气器则使用铝制的饮料罐,至于理由嘛,便宜(重点)、轻便、易安装。不锈钢汤罐成为了整个引擎稳固的躯体,同时我可以将底部设计成可拆卸的以维持平衡。

关于剩下的部分,废弃的底板用来制作底座,一个1”×1/2”的松木制备整个引擎装置的支撑体,一片3/4”的铝条用作平衡杆。总结起来,整个引擎就是一个零件的凌乱集合体。如果你是笔耕不辍,并且热衷废弃物品的DIY者,你懂的。

3   动力活塞

动力活塞和动力活塞缸的制作可以有好几种方法。一种简便方案就是到网上买石墨活塞和玻璃缸,可以保证良好的质量。另外,你还可以参照 路人甲的方法 ,就是在空心圆柱端部套上橡胶膜。这可能是最简单的一种方法,但是他限制了行程,同时也会有摩擦过大的问题。

也可以用JB环氧胶水和空心圆管制备动力活塞,很简单,就是用保鲜膜将空心圆管封装起来,具体参看 路人乙的方法 。声明,虽然我看过他们的制作,但是我不会这么做的,我已经拥有了加工好的活塞/气缸组合。不过他们的方法还是颇为流行的。

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活塞尺寸是直径20mm×20mm的实体圆柱。在圆柱的一端打了一个1/8”的小孔,一小段不锈钢条制作曲柄,热焊在孔中,同时一段青铜管胶结在不锈钢曲柄上。用钳子将铜管末端压扁,钻个2.5mm小孔,用来连接用衣架铁丝制备的曲轴。在发动机术语中,它叫做“连杆小头轴承”。

4   飞轮

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飞轮是盒式录像机上的某个零件。由于它和轴承可以完美的配合,同时其洁白无暇的胴体(好吧,我邪恶了),让我对其爱不释手。轴承中心又孔刚好与我手头的青铜管的尺寸绝对配合,这绝不是一个巧合!因此它就充当飞轮的角色啦。

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开始,我尝试将一小段青铜管粘接在录像带盘的表面上,以充当凸轮轴。但是胶水连接金属表面的表现实在让人不敢恭维,总是粘接失效。因此我不得不在轮盘上钻个小孔(给力的钻机),然后使用衣架上的铁丝穿在中间来制做凸轮轴。取一块松木作为飞轮的支撑块,然后在松木一端钻一个小孔,用一小段青铜管将木头和飞轮固定起来,把飞轮套在这个管子上。

5   移气器

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移气器是用一个铝制啤酒罐做的。找一个比啤酒罐直径略微偏大的盖子,用热熔胶将盖子胶结在铝制啤酒罐上,使移气器成为是一个平整的空心圆柱。但是用热熔胶密封会使移气器密闭,为防止加热加压导致密闭的移气器爆炸,继而导致斯特林引擎失效,在移气器顶部,我们用小针扎上几个“出气孔”。在正面顶部的中央,用钻头钻一个小孔,然后把用不锈钢丝制备成的连杆粘接到孔中。我手头上的不锈钢连杆,与青铜动力活塞配合的很好,保证较小摩擦力的同时,气密性也不差。我手头上的不锈钢连杆,与这个小孔配合的很好,保证较小摩擦力的同时,气密性也不差。

移气器的长度是非常重要的——理论上,它应该占据移气缸内2/3的空间。在此之前也还要计算一下曲柄行程(我的曲柄前进行程约为20mm),然后用气缸尺寸(90mm)减去该行程,得到移气器最大的尺寸为70mm。

实际上,在制备气缸的过程中,我们才将曲柄粘接到移气器上,否则要是移气器与气缸配合不好将很难修改。同样,也不需要尺寸都量取精确,这都是为后来修改提供便利。胶合曲柄,我使用JB环氧胶。但是温度稍高时,这种快干胶就好像有发软的迹象。

6   移气缸

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移气器气缸制作:用开罐器把一个不锈钢罐的底面全部剪掉。拿起另外一个同样规格的不锈钢罐,从同样的底部网上剪掉2英尺,将边缘整理成楔形。这样楔形的设计比较灵活。他能够与配合的第一个不锈钢罐形成良好的密闭条件。同时,在加入移气器和动力活塞时也能够顺利取下。

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在移气器顶部的中央钻孔,用JB胶水将铜管与移气器粘接起来,形成密闭空间。在不锈钢罐侧壁部分掏个洞,尺寸与动力活塞的直径相差无几,这时就要用到打磨工具和各种套件。最后把将动力活塞粘接好。

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组装时需要把各个曲轴连接起来。在移气器上面的连杆部分也需要加一小段青铜管,整平,像制作动力活塞连杆一样制作一个移气器连杆。连杆最终和曲轴连接起来。活塞外面的外套(用来接触冷却水,降低顶部温度用)是用金枪鱼罐头做的。但是这个用起来其实比简单的空气散热效率还要低,并且有渗水现象。最后,这个外套还是取消了。

7   曲柄制作

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曲柄连杆是用衣架铁丝制作的。在上部的连接头,只需要将衣架铁丝折弯成90度角,然后插入2.5mm的定位孔当中。在孔的另一端(也就是衣架铁丝的从孔中的突出部分)用热粘胶将铁丝和连杆固定起来。连杆将整个装置连接成一个连贯的循环整体(从动力活塞出发,通过曲柄装置将动力传递到飞轮),这些铜质的连接件都取材于废旧的接线端子。

连接各个连杆时,其形状和尺寸都是比较随意的,但是要保证相互连接时尽量保持垂直。其中一颗连接螺栓整体被掏空,在侧面还攻丝一个小螺纹,另外一颗螺栓用来夹紧连接器中连杆的末端。这个想法参照路人丙。

为了在折弯过程中很好的控制有效长度,连杆中间部分都采用了“Z”型折弯。

8   装配配件

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在装配之前,先在稿纸上画个草图,计算引擎各个零件所占的空间。这样可以避免装配之后发现各个零件有干涉或者互相影响,导致引擎不能正常工作。在裁剪和粘接之前,按照装配图先量量,观察哪些地方需要修改。底座用废弃的甲板木制做,横梁使用长度250mm,材料为金属铝条,铝条中央钻孔用来和支撑轴连接,两端分别钻取孔径略小的孔,用来和曲轴连接。用松木做三个木条,较长的用来支撑铝条横梁,两根较短的用来支撑气缸和飞轮盘,用螺钉紧固在底座上。

尽管在着手装配之前就计算了各个尺寸,并在木条和横梁上划了线。我的钻孔无能加上我的“醉汉”便宜钻床搞的最后甚至不能在木条上完整的钻一个笔直通孔。总之,在经历各种错误各种调试后,终于将各个零件各安其位,各做其事。

9   根据效果修修补补

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引擎第一次顺利运行成功,但随后也出现了几个问题。首先,飞轮盘的位置不大合适,这会导致气动活塞曲轴不水平,活塞和气缸会产生强烈的摩擦。另外,飞轮盘自重还是太轻,转动惯量太小,我在飞轮上增加了CD盘片(用以加大半径),还增加了两个硬币(增加飞轮重量)。其次,引擎工作过程中,横梁和飞轮盘稍微有点晃动,这个倒是加入几个垫片就可以解决。

经历各种修改和调整,在浪费了不少燃料之后,引擎终于看起来正常工作了。在蜡烛作为燃料的情况下,引擎转速约为150~200转/分,我不甘这个成绩,弄来一台酒精灯,引擎转速达到了近500转/分。而且在高速运转下,引擎运行都灰常良好,我自我感觉也相当良好~但是我担心的是,酒精灯太给力,会不会将环氧胶给点着,然后,噼里啪啦,引擎也灰常良好的解体了……

10   DIYer签到处

资料来源

编辑: Greeny

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