材料和工具:
铁质八宝粥易拉罐3个。自行车辐条3根,要求辐条帽能在辐条杆上自由滑动。空牙膏管一个。废旧的光盘3张。气球一个。有韧性的泡沫塑料一块(如拖鞋底)。大头针一个,直径2毫米铁丝20厘米。透明胶布。废圆珠笔管。
使用的工具为钳子,剪刀,电烙铁和焊锡(没有电烙铁也可以使用二合一强力胶),锥子或钻,直尺,圆规。
制作方法:
本设计使用的是八宝粥罐易拉罐,因为它的开口是一个大圆形,而饮料易拉罐的开口较小,需要扩口。文中所给尺寸没有严格要求,并尽量说明设计原理,以便读者可以用其它容器自行设计制作。
一、 加工支架易拉罐
取一个易拉罐,在距罐口2厘米处左右对称地钻两个孔,孔的直径略大于自行车辐条的直径。这两个孔是曲轴主轴(参见图1图2图5)运转孔。
在此易拉罐的底部正中钻一个孔,插入自行车辐条帽。为了保证辐条帽的螺孔和易拉罐的轴心同心,在易拉罐塑料盖的中心钻一个小孔,盖在罐口。用一根辐条穿过辐条帽,再从塑料盖的小孔伸出,用电烙铁将辐条帽和罐底焊在一起。见图4。此孔是热置换活塞杆滑道。
二、 制作热置换气缸和动力气缸
1.制作热置换气缸。
在一个易拉罐壁距罐口4厘米处钻一个直径4毫米左右的孔。此孔最好从罐内向罐外钻,钻好后毛刺朝处,不必处理。
2.制作动力气缸。
取半个易拉罐作为动力气缸。在距罐底1.5厘米的罐壁上钻一个直径4毫米左右的孔,用于连接热置换气缸。
3.连接热置换气缸和动力气缸。
用铁皮卷一个直径1厘米、长2厘米的圆筒,把接缝焊牢。把热置换气缸、圆筒和动力气缸焊接在一起。这样两气缸通过壁上的孔和圆筒,形成了一个空气流通的通道。热置换气缸和动力气缸之间的连接筒做得较粗,是为了增加强度。
三、 制作曲轴和热置换活塞系统
1.制作曲轴。
用自行车辐条按图5形状和尺寸弯制曲轴,转角处顺滑一些,尺寸差不多就行,要求不严格。弯制前在车辐条上套上一段圆珠笔管,要紧一些,以防止曲轴在支架上串动。顺着曲轴主轴方向观察时,动力活塞曲柄与热置换活塞曲柄之间成90度角。
图5 曲轴
①曲轴主轴(右侧白色部分为圆珠笔管)
②热置换活塞曲柄(长度约1.5厘米) ③热置换活塞连杆轴
④动力活塞曲柄 (长度约1厘米) ⑤动力活塞连杆轴
2.制作热置换活塞上的挡片。
见图6。
3.制作连杆和热置换活塞杆接头。
用一块长5厘米,宽16毫米的铁皮,对折成长5厘米,宽8毫米的铁皮,这样做是为了增加强度。在此铁皮两端各钻一个孔,一个孔的直径略大于自行车辐条的直径,另一个孔的直径略大于大头针的直径。连杆就制作完成了。再制作热置换活塞杆连接头。取一块3厘米长8毫米宽的铁皮,中心钻孔插入辐条帽,焊牢,在辐条帽顶端也焊一点焊锡,使辐条能够拧紧到辐条帽上而不能穿过它。在铁皮两端各钻一个与大头针粗细相当的孔,把铁皮两端向上折成U形。用大头针把这个连接头和连杆连接起来。见图7。
图7 热置换活塞连杆和活塞杆接头组件
一、 整体组装与制作动力橡皮膜组件
1.把热置换活塞装入热置换气缸,热置换气缸口与支架易拉罐底对齐,曲轴主轴线与热置换气缸和动力气缸的连接筒平行。用手把住两个易拉罐,摇动曲轴,如果曲轴转动灵活,就用透明胶布缠绕接缝处,否则查明故障原因,排除故障。缠绕时拉紧透明胶布,使罐口与罐底之间接合牢固不透气。
2.制作动力活塞橡皮膜组件。把气球横向剪开,取碗形部分,碗底正中间剪一个小洞。按照图8把一段铁丝与螺丝杆连接起来,铁丝就是动力活塞连杆。制作两个泡沫塑料圆片,圆片中心钻孔。在螺杆上依次穿上圆片、气球、圆片,拧紧螺母。
3.在动力气缸口处缠绕两层透明胶布,胶布边缘比气缸口略高,以防止气缸口割破气球。把气球套在动力气缸口上,不要把气球拉得太紧,在包住气缸的气球外部缠绕透明胶布,使气球不能从气缸口脱落。铁丝靠近曲轴动力活塞连杆轴,此时由于热置换活塞的重力作用,动力活塞曲柄处于水平状态。把铁丝在轴上绕一圈,多余部分剪断。找一只旧棉线袜子,剪去脚尖部分,剩下的部分卷成宽4厘米的圆环套在罐口与罐底的接缝处,做为散热器。
图8 动力活塞组件
二、 组装支架易拉罐、曲轴和热置换活塞系统
1.把曲轴飞轮端穿过支架易拉罐的一个孔,把连杆放到罐内穿到曲轴上,向各个方向试着旋转曲轴,直到连杆穿到热置换活塞连杆轴上,曲轴飞轮端从支架易拉罐的另一个孔穿出。在曲轴飞轮端穿上一段圆珠笔管固定曲轴,使它能够自由转动而不左右串动。把一根自行车辐条从支架易拉罐底部的车辐条帽中拧过,再拧紧到热置换活塞杆接头的车辐条帽上。用两段C型圆珠笔管夹在曲轴上连杆两侧,左右调节连杆位置,使曲轴转动灵活。
2.确定热置换活塞杆长度。转动曲轴,使热置换活塞连杆轴降到最低点(离支架易拉罐罐口最远处),因八宝粥易拉罐做的热置换气缸的深度为118毫米,留出5毫米的间隙,从支架易拉罐罐底算起,保留113毫米长的车辐条,多余部分截断。
3.把一个热置换活塞档片穿入活塞杆,小圆筒方向向下。转动曲轴,使热置换活塞连杆轴升到最高点。移动档片,使它到达距支架易拉罐罐底5毫米处。把钢丝清洁球穿在活塞杆上,再把另一个档片穿到活塞杆上,档片上的小圆筒方向向上。拉伸揉捏钢丝清洁球,使它布满两档片之间,并略粗于易拉罐内径。参见图6。
六、制作飞轮
用一个大号的牙膏管,拧下管帽,把光盘套在牙膏管上,再拧紧管帽,剪去多余的牙膏管,飞轮就制作完成了。用一小段竹筷子把飞轮固定到曲轴上。也可以用其它圆形材料制作飞轮,但用光盘和牙膏管制作的好处是能方便地增减光盘数量,研究飞轮质量对发动机工作的影响。
使用方法
把散热器用水浸湿,燃气灶打到小火状态,然后把发动机架在燃气灶上,热置换气缸底部正对火焰,用手转动曲轴,过一会感到发动机有动力输出后松开手,发动机就自己转动起来了。在实验室或课堂上使用时可以使用酒精灯作为热源,但最好的办法是使用吃火锅用的固体酒精膏,它比液体酒精要安全很多。