Výroba základní verze

  1. Otvírákem otevřenou, čistou plechovku zabruš krouživým pohybem na jemném smirkovém plátně A4, položeném na rovnou desku. Vytvoříš tak plošku na horní obrubě plechovky, která bude pěkně těsnit se základovou deskou. Žádné patlání lepidlem.
  2. Na základové desce si narýsuj kružnici o průměru plechovky, rozvrhni a vyvrtej otvory pro vodítko pístní tyče (na úhlopříčce), pro skleněný válec (co nejblíže ke kraji) a pro stojan (přibližně uprostřed, rozvaž jak to bude s klikami). Vně kružnice (asi 3 mm) vyvrtej 6 děr 3,2mm po 60°.
  3. Provrtej náboj a spoj jej se stojanem závitem, či lepením. Hodí se i zahloubená dirka shora, kterou můžeš přivádět olej mezi ložiska.
  4. Proveď uložení hřídele v náboji. V praxi se ložiska lisují s přesahem, ale vzniklé deformace malých ložisek by otáčky brzdily. Proto je potřeba po odmaštění hřídelku v ložiskách i ložiska v náboji opatrně pojistit lepením. Pozor na čistotu ložisek, i malé smítko vás připraví o otáčky.
  5. Vyřízni závit M6 na stojanu a přišroubuj jej k základové desce.
  6. Setrvačník si nejdřív narýsuj – důlčík, pak kružnice, vystřihni na nůžkách a podélně zapiluj. Do středu vyvrtej díru 4 mm, vyřízni závit M5 a našroubuj na hřídelku.
  7. Kliky: S poloměry obou klik si časem můžeš pohrát (nastavitelné). Pro začátek pro přehaněč vyvrtej díru 2,5 asi 8 mm od středu a pro píst o něco více – asi 15 mm (přehaněč nesmí narážet, píst musí využít změnu objemu). Do klik vyřízni závity M3, zašroubuj a dotáhni mosazné šroubky, závit, který projde odřízni a zapilujb, hlavu šroubu též. Hladké, válcové části šroubů tvoří perfektní klikové čepy. Pomocí podložek našroubuj kliky na hřídel a pevně dotáhni tak, aby úhel, který klikové čepy svírají, byl 90°. Také setrvačník nesmí axiálně házet.
  8. Přehaněč: – Je vlastně malá kulatá krabička, která bude kmitat bez tření nahoru, dolu. Doporučuji mechanické provedení: Pásek zkruž na zkružovačce, nebo okolo lahve. Uvnitř plechovky nastav konce tak, aby vůle mezi přehaněčem a stěnou plechovky byla asi 2 mm. Označ nastavení čarou, přesazení nech asi 10 mm a zbytek odstřihni. Přesazení je nejlépe snýtovat malým Al nýtkem 2mm (obtížně se shání a tak udělat z Al drátku). Dál na čtverce narýsujte kružnice o průměru přehaněče a po obvodu tužkou nakreslete 8 obdélníkových jazýčků (asi 4 x 5 mm). Potom obě čela spolu v ose provrtej d=4mm. Jazýčky ohni a přehaněč sesaď. (viz obr.) Konec hliníkové pístní tyčky křížem nařízni (asi 3 mm) a rozehni. (Na obrázku je spodní uchycení řešeno nýtkem 3mm). Čela přehaněče stlač– do předpětí a označ ryskou. Provrtej vrtáčkem 1mm a prostrč závlačku – kousek drátku z kancelářské svorky.
  9. Oka přehaněče a pístu: Oka nejprve provrtejte 3 mm a teprve potom prořízněte pilkou kolmo na díru. Řez propilujte jehlovým pilníkem tak, aby se ojnice v drážce volně kývala. Na oku pístu vyřízni závit. Na jednom konci obou ojnic vyvrtej díru 3 mm. Prostrč nýt, zkrať a roznýtuj (stačí důlčíkem). Obě oka se na ojnicích musí volně kývat bez větších vůlí.
  10. Vodítko: Je hotové, pístní tyčka musí volně bez dření, ale bez větší vůle procházet vodítkem. Vodítko vlep do základové desky. Prostrč pístní tyč vodítkem, přehaněč leží volně na dně plechovky, základová deska spočívá na plechovce.
  11. Pracovní klikový mechanismus: Píst s ojnicí vložte do válce, klikový čep nastav do dolní úvrati, píst zvedni asi 3 mm nad otvor v základové desce a označte polohu otvoru pro klikový čep. Vyvrtejte díru 3mm a nasaďte ojnici. (zbytek ojnice odřízněte)
  12. Klikový mechanismus přehaněče: Přesvěč se, že přehaněč nedrhne.Zkrať pístní tyč tak, aby přesahovala vodítko asi 10 mm. Vlep pístní tyč do oka, nebo proveď spoj příčným kolíčkem z kancelářské svorky (d=1mm). Nastav klikový čep do dolní úvratě, přizvedni přehaněč asi o 2mm a označte polohu otvoru pro klikový čep v ojnici. Vyvrtej otvor 3 mm. (snadnější vrtání ojnice bude, jestliže naměření provedešpřed vlepením pístní tyče do oka, hůře se bude odměřovat). Oba klikové mechanismy jsou hotovy, musí běžet bez drhnutí. Zbývá poslední věc – přilepit skleněný válec tak, aby píst v něm volně běhal. (díra pro vstup vzduchu do válce je menší, než vnitřní průměr válce a tak je k dispozici pár milimetrů pro „manévrování“.
  13. Montáž plechovky: Z drátu vyrob šrouby – na jednom konci vytvoř háček, na druhém vyřízni závit M3, nasaď plechovku tak, aby přehaněč nedrhnul a postupně nasaď a dotáhni šrouby. (byla by chyba zredukovat 6 šroubů na 4).
  14. Spuštění motoru: Pohyblivé součásti namaž olejem, nikde nesmíš cítit drhnutí a postav jej na plynový vařič (nejmenší hořák, nejmenší plamen). Po zahřátí nesmí unikat bublinky vzduchu kolem vodítka ani kolem pístu. Píst s přehaněčem jsou pod úhlem 90°. Směr otáčení je takový, že „píst běhá za přehaněčem“.
  15. Raduj se z pohybu motoru, neboť pohyb je život a Ty jsi ho vdechnul neživé hmotě svýma rukama!

(je možné začít body 1, 2, 10, 8)

Rozpis dílů sady Stirlingova motoru

24 Pístní tyč d4 x 85 hliník 1
23

100 x 100

Přehaněč -plech 0,5 30 x 334 ..EN AW-5u754 H22

hliník

2

1

22 Komora (konzerva) d 100 x 66 ocel 1
21 Matice M6, podložka 6,4 ........ČSN 02 1403 ocel

1

1

20 Šroub . drát d3 x 83. ............ČSN 42 6403 ocel 6
19 Matice M 3 ........................ČSN 02 1401 ocel 6
18 Vodítko d12 x 20. ................ČSN 42 5510 ocel 1
17 Čep přehaněče - nýt d3 x 20... ČSN 02 2301.8 hliník 1
16 Oko přehaněče f x 16 ...........EN AW-2030 T3 dural 1
15 Ojnice přehaněče pl 2x5,5x112 EN AW-5u754 H22 dural 1
14 Stojan f 8 x 125.................. ČSN 42 5510.1 ocel 1
13 Hřídel f 6 x 34 ....................ČSN 42 5510.1 ocel 1
12 Klika přehaněče d 30 x 5 .......EN - AW - 2030 T3 dural 1
11 Ložisko SKF 626 - 2
10 Setrvačník f 140 x 0,5 ...........ČSN 42 5301.1 ocel 1
9 Náboj f 30 x 12 ...................EN AW-2030 T3 dural 1
8 Klikový čep - šroub M3 x 20 .....ČSN 02 1131.2 mosaz 2
7 Klika pístu f 30 x 5 ................EN AW - 2030 T3 dural 1
6 Ojnice pístu - pl 2 x 5,5 x 112 ..EN-AW - 5u 754 H22 dural 1
5 Oko pístu f 8 x 22..................EN AW-2030 T3 dural 1
4 Pístní čep - nýt f 3 x 20 ..........ČSN 02 2301.8 hliník 1
3 Píst f 24 x 34 .......................EN AW-2030 T3 dural 1
2 Válec Tr f 28 x 2 x 65 sklo 1
1 Zákl. deska 2x143x143 ...........EN AW-5u754 H22 hliník 1
Č. Název , rozměr Materiál p.k

 

Rady pro výrobu

Poznámky ke zhotovení motorku

  •  Lepené spoje provádějte dvousložkovým epoxidovým lepidlem. Vhodné je např. QUICK, které snáší teplotu do 120°C - stojí asi 60Kč.
  •  Na hřídeli je dobré si pro manipulaci vypilovat proti sobě dvě plošky a z kousku plechu si vypilovat malý klíček #5.5 mm.
  •  Kvůli tuhému nastavení úhlu klik 90° je závit v klikách vyroben pouze 2. stupněm závitníku M5. Pokud tuhost nestačí, je dobré mezi pozici 12 a 10 vložit podložku.
  •  Pro různé nastavení zdvihů je dobré vyrobit několik děr se závity pro klikové čepy a nastavit vhodnou kombinaci.
  •  Drážky pro ojnice v poz. 5 a 16 prořízněte pilou a vypilujte jehlovým pilníkem. Čepy pojistěte libovolně.
  •  Píst se pohybuje ve skleněném válci s malou vůlí, kterou vyplní olej.
  •  Komoru (konzervu) zabrušte pro těsnost jemným smirkovým papírem na rovné desce.
  •  Přeháněcí píst - obvod skružte na skružovačce, vůle mezi přeháněčem a komorou je asi 1 - 2 mm. Čela je možno vystřihnout i běžnými krejčovskými nůžkami. Díry svrtejte, lepte postupně.
  •  Díra ve vodítku je vystružena průměr4 H8, pístní tyč se musí pohybovat s minimálním třením, je dotěsněna olejem.
  •  Mazání musí být dostatečné (7 mazaných míst!), na vodítko a píst je kvůli teplotě dobrý motorový olej.
  •  Setrvačník musí být vystředěný. Kvůli měření otáček je vhodná nereflexní úprava jedné strany. Doporučuji vyvážení klikových mechanismů.
  •  Ložisko doporučuji zakápnout lepidlem - k náboji i ke hřídeli. (ke hřídeli až zcela nakonec).
  •  Dodržujte kolmost při výrobě a montáži.

Na činnost motorku mají vliv

  • Oba poloměry klik
  • Délky ojnic
  • Součinitelé tření - kvalita oleje
  • Průměr a výška přehaněče (vůle mezi přehaněčem a stěnou komory)
  • Vibrace - přesnost výroby, rozvažte vyvažování.
  • Chlazení základové desky - rozvažte přestup tepla prouděním i sáláním.
  • Ohřev komory - přestup tepla

Pro výrobu je vhodné použít školní zámečnickou dílnu, pokud u vás je. Konzultace: Poradit se je možné po dohodě v Národním technickém muzeu, domluvit se můžete na emailu technicke.souteze@ntm.cz . Je zde též možno si na plynovém hořáku motorek vyzkoušet. Práce na motorku bude vyžadovat vaši trpělivost, šikovnost a pro dosažení dobrých výsledků vynalézavost. Hodnota pouhého materiálu součástí jedné soupravy činí asi 600 Kč, hodnota vložené práce je mnohem vyšší. Účast přihlášeného účastníka v soutěži je povinná. Chce-li někdo od soutěže odstoupit, musí vrátit soupravu všech součástí. (pro dalšího zájemce) Přejeme i všem, kteří se do toho dali moc a moc trpělivosti. Nestyďte se přijít se zeptat na problém.    

Další praktické rady a tipy pro výrobu

VYVAŽOVÁNÍ

Náš Stirlingův motorek má dva klikové mechanismy

1) Nezkrácený - přehaněč, pístní tyč, vodítko, oko, ojnice a klikový čep.

2) Zkrácený - píst s okem, ojnice a klikový čep.

Na všechny součásti obou mechanismů působí tíha G = mg a setrvačné síly.

Setrvačné síly, vznikající změnou pohybu, se do určité míry vyvažují, ale dokonale je vyvážit není možno. V principu hmotnost krát zrychlení posouvajících se součástí (např. přehaněč, píst. tyč, oko + dvě třetiny ojnice) musí být v rovnováze s odstředivou silou protizávaží. Zájemci o tento způsob vyvážení by museli upravit tvar kliky. Více k výpočtům najdou ve školní knihovně v učebnici M Julina - Mechanika III - Dynamika.

Pro ostatní je užitečné a nepříliš náročné statické vyvážení motorku.

Princip: Tíha klikového mechanismu G = mg působící na poloměru kliky r způsobuje moment síly, který musí být v rovnováze s momentem protizávaží o hmotnosti mp, umístěného na poloměru R.

Tudíž musí platit :

1) mN x g x r1 = mp1 x g x R - Nezkrácený kl. mech.

2) mZ x g x r2 = mp2 x g x R - Zkrácený kl. mech.

Jako protizávaží je možno výhodně použít šroubek M3x8, nebo M4x8 s matičkou a potřebným množstvím podložek. Stačí jen přitáhnout okraj setrvačníku mezi podložkami.(poloměr R) Toto uspořádání umožňuje libovolnou změnu.

Příklad: Kdyby mZ bylo 26g a r2 bylo 9mm a protizávaží mp2 bylo umístěno na poloměru R = 75mm, potom platí, že mp2 = (26 x 9) / 75 = 3.12 gramů

Přesné hmotnosti mechanismů i protizávaží zvážíte jednoduše na digitální váze.

 

Druhá možnost je  vyvážit přibližně oba mechanismy jedním menším neodymovým magnetem o rozměrech asi d 15 x 5mm. 

Po doběhu se oba klikové čepy (které svírají úhel 90*) vlivem tíhy zastaví v dolní polovině jejich dráhy. Při několikerém opakování  je poloha přibližně stejná. Magnet "přicvakneme" na svislý poloměr  na stranu odvrácenou od stojanu přibližně do poloviny poloměru a dále postupujeme pokusy - roztočit motorek třeba rukou a nechat zastavit. Zastavuje-li se závažíčko nahoře, zvětšujeme poloměr a naopak. Motorek je nejlépe vyvážen, jestliže je po zastavení poloha magnetu pokaždé jiná. 

Přeji vám, aby váš motorek běhal hladce bez vibrací.

 

 

VÝROBA PŘEHANĚČE

- Pístní tyč z hliníkové trubičky. Ta má nevýhodu, že se při montáži snadno pokřiví. Někdy je v sadě součástek tyčka vyrobená z uhlíkových vláken. Tento materiál má úžasné vlastnosti - mez pevnosti 3x vyšší než ocel a nízký součinitel tření. Nevýhodou jsou místní úpravy. Zatím co hliník se na spodu unašeče pěkně zozehnul, pro uhlíkovou pístní tyč doporučuji následující úpravu:

Hliníkový nýt o průměru 3mm má stejný průměr, jako je vnitřní průměr trubičky z uhlíkových vláken. Jestliže nýtek naklepneme - mírně napěchujeme, je možné vytvořit dost pevný, nalisovaný spoj, který přehaněč bez problémů udrží. Je možné i nýtek zalepit teplotěvzdorným epoxidem či tmelem.

Protější - studenou stranu přehaněče s výhodou drží příčný kolíček z kancelářské svorky.

Jsou-li čela přehaněče spojena s obvodem pouze ohybem plechu (nejlépe 6 až 8 jazýčků po obvodu), tvoří přehaněč tuhý celek nezávislý na teplotě. (jakékoliv lepení může nepříjemně překvapit).

 

viz obr.:

 

 

 

 

TIPY PRO VYLEPŠENÍ MOTORU

ROSSŮV TŘÍBODOVÝ MECHANISMUS

 Rossův vahadlový mechanismus anglicky Ross yoke byl v naší soutěži použit už několikrát. Zajišťuje stabilní chod motoru, pro vyšší otáčky je potřeba ho vyrobit s rozdílným zdvihem pístů.

 

Pro inspiraci zde předkládám několik stránek, kde je možné se jak potěšit pohledem, tak získat podklady k výpočtům.

http://www.animatedengines.com/ross.html  - výzva - vyrobit jako nerovnoramenný (zdvih pracovního pístu je přibližně dvojnásobný než zdvih přehaněče.

http://www.stirlingengine.co.uk/ks90r-ross-yoke-stirling-engine-35-p.asp

 

 

Pro motivaci je dobré vědět, že tento mechanismus má klikové čepy pootočené o 180° a ne o 90°, jako všechny naše dosavadní motory. Z toho vyplývá lepší vyvážení a menší vibrace motoru. Navíc, druhá strana hřídele je využitelná pro pohon čehokoliv.

Mosazná kluzná ložiska

Mosaz má s hliníkem (pístní čep) i s ocelí (klikový čep) nižší tření a menší opotřebovávání. Práce není obtížná: Potřebujete kousek mosazné trubičky s vnitřním průměrem menším, než 3mm. Uříznete délku asi 4mm, vyvrtáte díry do ojnic tak, abyste trubičku zalisovali s přesahem asi 0,2mm, délku pouzdra zabrousíte dle potřeby a nakonec díru protáhnete výstružníkem o průměru 3mm. (trubičku lze koupit v modeláři)

Regenerátor

Ten, kdo se jen trochu více zajímal o Stirlingovy motory na tento pojem narazil.

Regenerátor velice zvyšuje účinnost Stirlingova motoru. Jak pracuje? Řekněme nejprve jak pracuje motor čistě bez regenerátoru: Na teplé straně se vzduch plamenem ohřívá, na studené straně ochlazuje. Díky přehaněči se tedy většina vzduchu rozpíná - větší tlak a smršťuje - menší tlak a to působí na pracovní píst. Teplo dodávají a odebírají čelní plochy - pro ten účel leckdy ožebrované.

Jenže - když proudí vzduch škvírou mezi přehaněčem a plechovkou, už se ohřívá, či ochlazuje o jejich stěny a využívá jejich teplo.Toho je však málo. Jistě znáte Q = m.c.dt

Regenerátor tento jev znásobuje: Účelem je, aby vzduch při přepouštění proudil okolo hmoty, která má velkou hmotnost m, velké měrné teplo c a přirozeně, aby byl co největí rozdíl teplot dt. Též je důležité, aby povrch vložené hmoty byl co největší. Co tedy vložit do té úzké mezery mezi přehaněč a plechovku či vyrobenou komoru? A nešel by využít samotný přehaněč?

 

 Regenerátor - zvyšuje tepelnou účinnost motoru, tím více energie zbude na překonávání ztrát. (viz schéma - http://www.animatedengines.com/vstirling.shtml - ale i jinde)

Zvýšení teplotního rozdílu mezi teplou a studenou stranou

  1. a) Teplá strana - zvětšení plochy, i zde je možno vyrobit žebra na vnější i vnitřní straně
  2. b) Studená strana

- opět oboustranné žebrování (veškerá žebra jsou ideální černá)

- chlazení vodou, nebo vodou s ledem, nebo s jinou chladící směsí. Voda má velké měrné teplo, tím velkou

tepelnou setrvačnost.

  1. c) Vhodné uspořádání tak, aby horké spaliny neohřívaly i studenou stranu motoru.

Snížení odporu přehaněče

  1. a) Mezera mezi přehaněčem a stěnou se empiricky dělá 1 - 2 mm. Pro vyšší otáčky to

však může být jinak. Kdo chce vážně experimentovat, musí si vyrobit přehaněče

dva, či tři a zkoušet.

 

  1. b) Zaoblený přehaněč. Při 600ot/min a zvihu 1cm je střední pístová rychlost 12 m/s.

Vzduch proudí z teplé strany do studené a zpět. Ostrá hrana přehaněče představuje

značný odpor proti proudění. Naopak, ideální je, jak se učíte v mechanice tzv.

Lavalova dýza. Co se tedy pokusit o zaoblený setrvačník? Kdo se o to pokusí, ten se na

tom pěkně vyřádí.

 

 Grafitový píst

Začal jsem tím, co se objevilo poprvé a naposledy, co ale je tak dobré, že stojí za pozornost. Grafit má minimální tření a nemusí se mazat! Konec čadícím motorům, kde se pálí olej steklý z válce na dno plechovky! Grafit se dobře zabíhá do válce. Ty naše skleněné mají ovalitu kolem 0,1 mm.(vyrobit si svůj, litinový je též vynikající). Kde ovšem sehnat grafitovou, či litinovou tyč je na vás a na internetu. (možná zkusit www.elektrokarbon.sk

ALE – je možné nastříkat běžný, duralový píst grafitovým sprejem.

 Uspořádání BETA

 přeháněcí i pracovní píst je v jedné ose. To by znamenalo zvětšit průměr pracovního pístu- ale tím snížit jeho zdvih a tak mít předpoklad pro vyšší otáčky. (viz schéma na Wikipedii, ale i jinde - http://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor

 

 Nechce si někdo pohrát s motorkem a stavět ho na plamen šikmo? Chtělo by to nejspíš úpravu teplosměnné ploch pro plamen, ale horní, základová deska s žebry by se tolik neohřívala.

 

A co třeba vyrobit větší průměr pracovního válce a pístu a snížit zdvih. Prostě vyrobit si motor podčtvercový.

 

Použití Helia

Helium rychleji reaguje na změnu teploty a otáčky motoru jsou asi o třetinu vyšší!

Každý, kdo si na svém motorku vyrobí pŕívod pro vstup Helia s uzavěrem, může si načerpat Helium před startem zadarmo. (jinak malá bombička stojí asi 200 Kč !)

Helium bude k dispozici v lahvi s pryžovou kuželkou o vrcholovém úhlu asi 30 stupňů a vstupním otvorem asi 3 mm