一种3D打印的水平对置六缸活塞发动机模拟装置的制作方法

一种3d打印的水平对置六缸活塞发动机模拟装置
技术领域
1.本实用新型涉及发动机模拟装置技术领域，具体涉及一种3d打印的水平对置六缸活塞发动机模拟装置。


背景技术：

2.发动机(engine)是一种能够把其它形式的能转换为机械能的机器，包括如内燃机(往复活塞式发动机)、外燃机(斯特林发动机、蒸汽机等)、喷气发动机、电动机等。比如内燃机，通常就是一种通过组织燃料燃烧、把燃料化学能转换成高温高压燃气热能、再把热能转换为机械能用于驱动负载的机械装置。发动机概念既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置在内的整个系统。发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。
3.活塞发动机的常用缸数有3缸、4缸、6缸、8缸、10缸、12缸，目前主流发动机的汽缸排列形式有：l—汽缸直列，v—汽缸v型排列，w—汽缸w型排列，h—汽缸水平对置，其中水平对置六缸活塞发动机可以表示为“h6”。
4.图1是某一型号为lycoming io
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c4d5d六缸水平对置型活塞发动机的多曲柄曲轴构型。io
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c4d5d发动机是四行程汽油燃料活塞发动机，其曲轴具有结构紧凑，质量轻和强度高的特点。一个曲颈和它的两端曲臂构成一个曲柄，六个汽缸共有六个曲柄，整个曲轴通过主轴颈支撑在机匣上。
5.对图1所示的曲轴构型来讲，1号和2号曲柄在一个角面上，互成相反方向。3号和4号，5号和6号也各在一个角面上，互成相反方向。三组曲柄互成120
°
，每个曲柄之间刚好是60
°
。图1左侧为曲轴示意图，图1右侧为与图1左侧对应的同一时刻端面示意图，发动机工作时，每对对置的活塞运动方向刚好相反，使发动机保持良好的平衡以及较低的振动水平。相对应的，采用图1所示曲轴构型的六缸水平对置型活塞发动机，其点火系统就应该保证1
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1的点火顺序，即当1号汽缸的点火电嘴点火完成后，下一个点火的汽缸应该是4号汽缸，再下一个点火的汽缸应该是5号汽缸，依点火顺序，最后一个完成点火的汽缸应该是6号汽缸，这就对点火系统的工作提出了要求。
6.曲轴构型决定了发动机汽缸的点火顺序，由点火顺序就可以确定整个六缸水平对置型活塞发动机的工作顺序，如图2所示。
7.lycoming io
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c4d5d六缸水平对置型活塞发动机的多曲柄结构，人们只能通过文字了解，不能通过直观的感觉判断不同的曲柄结构带来的差异，针对这一问题，提出一种3d打印的水平对置六缸活塞发动机模拟装置。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种3d打印的水平对置六缸活塞发动机模拟装置。
9.本实用新型提供了一种3d打印的水平对置六缸活塞发动机模拟装置，包括：
10.两个机匣，均包括板面，所述两个机匣的板面相对扣合，两个机匣的板面上均设有横向的六个半圆柱槽，六个半圆柱槽平行板面设置，板面的中部设有连通各半圆柱槽的通孔，通孔的上下底面设有曲轴槽；
11.曲轴，包括六个曲柄，六个曲柄首尾依次连接，各曲柄均包括两个主轴颈、两个曲臂和一个曲颈，所述两个曲臂的一端的相背面各自固定连接一个主轴颈，两个曲臂的另一端的相对面固定连接同一个曲颈的两端；曲轴设置在曲轴槽上；
12.六个连杆，各自匹配一个曲柄，连杆的一端套设在曲颈上；
13.六个活塞，各自匹配一个连杆，连杆的另一端转动连接活塞，活塞的外壁滑动连接半圆柱槽的内壁；
14.两个机匣盖，固定在机匣的左右两端，机匣盖上设有多组气门组件，各气门组件对应一个半圆柱槽，各气门组件均包括进气管、排气管、电磁阀和气泵，进气管和排气管连通对应的半圆柱槽，电磁阀设在排气管上，气泵连通进气管，气泵和各电磁阀均电性连接处理器。
15.较佳地，所述各曲柄上的两个主轴颈相背的两个端面设有六角形的盲孔，两个相邻的曲柄的主轴颈通过六棱柱固定连接。
16.较佳地，所述主轴颈的外壁固定连接轴承的内圈，轴承的外圈固定在曲轴槽上。
17.较佳地，所述活塞的外壁圆柱面上设有用于密封的活塞环。
18.较佳地，所述通孔上固定连接多个支撑板，支撑板垂直于主轴颈的轴线，且单个支撑板位于两个相邻的半圆柱槽之间，支撑板上设有主轴孔，主轴孔内壁固定连接用于支撑主轴颈的轴承。
19.较佳地，所述曲轴的端部设有角度传感器，角度传感器电性连接处理器。
20.较佳地，所述机匣盖上设有多个与半圆柱槽对应的气道孔，气道孔内设有橡皮塞。
21.较佳地，所述主轴颈上还固定有平衡块。
22.较佳地，所述两个机匣中的一个为透明材质。
23.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：设计人员可以通过曲柄的不同组合、得到不同构型的曲轴，再配合连杆和活塞，组成活塞发动机中最重要的转动部件—曲拐机构；当不同构型曲拐机构运转时，可以通过视觉、听觉、触觉直观感受到这些不同构型六缸水平对置型活塞发动机的点火顺序和工作循环，以及整个装置的振动情况和噪音大小情况，判断出振动最小，噪音最小的发动机构型。解决了设计人员对于曲柄的不同组合得到不同构型曲轴、带来发动机工作的差异没有准确感知判断的问题；同时避免了人们只是从书面上了解曲轴构型设计需满足的平衡、振动和噪音水平要求，以及曲轴构型决定点火顺序决定活塞发动机工作循环的设计原理，使人们对上述设计要求和设计原理的认识更加深刻；也提供了一种可重复使用的、廉价的“构型设计—工作循环—物理表现—反馈设计”不断迭代的、六缸水平对置型活塞发动机曲拐机构构型设计手段。
附图说明
24.图1为lycoming io
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c4d5d水平对置六缸活塞发动机的曲轴构型和曲颈排列；
25.图2为本实用新型的机匣结构示意图；
26.图3为本实用新型的部分装配结构示意图；
27.图4为本实用新型的曲柄结构示意图。
28.附图标记说明：
29.1.一号曲柄及对应汽缸，2.二号曲柄及对应汽缸，3.三号曲柄及对应汽缸，4.四号曲柄及对应汽缸，5.五号曲柄及对应汽缸，6.六号曲柄及对应汽缸，10.机匣，11.半圆柱槽，12.通孔，13.曲轴槽，20.曲轴，21.主轴颈，22.曲臂，23.曲颈，30.连杆，40.活塞，50.机匣盖，51.进气管，52.排气管，53.电磁阀。
具体实施方式
30.下面对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.本实用新型提供的一种3d打印的水平对置六缸活塞发动机模拟装置，包括：两个机匣10、曲轴20、六个连杆30、六个活塞40和两个机匣盖50；两个机匣10，均包括板面，所述两个机匣的板面相对扣合，两个机匣的板面上均设有横向的六个半圆柱槽11，六个半圆柱槽11平行板面设置，板面的中部设有连通各半圆柱槽11的通孔12，通孔12的上下底面设有曲轴槽13；曲轴20包括六个曲柄，六个曲柄首尾依次连接，各曲柄均包括两个主轴颈21、两个曲臂22和一个曲颈23，所述两个曲臂22的一端的相背面各自固定连接一个主轴颈21，两个曲臂22的另一端的相对面固定连接同一个曲颈23的两端；曲轴20设置在曲轴槽13上；六个连杆30，各自匹配一个曲柄，连杆30的一端套设在曲颈23上；六个活塞40，各自匹配一个连杆30，连杆30的另一端转动连接活塞40，活塞40的外壁滑动连接半圆柱槽11的内壁；两个机匣盖50固定在机匣10的左右两端，机匣盖50上设有多组气门组件，各气门组件对应一个半圆柱槽11，各气门组件均包括进气管51、排气管52、电磁阀53和气泵，进气管51和排气管52连通对应的半圆柱槽11，电磁阀53设在排气管52上，气泵连通进气管51，气泵和各电磁阀53均电性连接处理器。
32.为节约成本，机匣10、曲轴20、连杆30、活塞40和机匣盖50均通过3d打印制造。不同编号各曲柄的主轴颈21能够与不同构型的曲轴20、连杆30、活塞40配合组成不同构型的曲拐机构；连杆30和活塞40可以放置在左侧的半圆柱槽11和右侧的半圆柱槽11内，左右机匣盖50上的各气门组件对应不同位置上的活塞40。
33.选用单片机作为处理器，处理器根据设定好的时间依次控制各个气泵和气门组件的工作状态：
34.当两个机匣10上相对应的两个半圆柱槽11组成的汽缸处于进气过程中时，处理器控制对应的气泵动作，充入定量空气，如表1气泵向气缸内充气代替发动机的进气、压缩和做功三个动作，空气得以推动活塞使曲轴20转动，同时本气缸上的电磁阀53闭合，其他的电磁阀53均打开；接着处理器控制下一个气泵动作时，此气缸的电磁阀53关闭，其他气缸上的电磁阀53打开，代替发动机的排气动作，本气缸对应的气泵动作，充入定量空气，依次循环。
[0035][0036]
表1
[0037]
当不同构型曲拐机构运转时，可以通过视觉、听觉、触觉直观感受到这些不同构型六缸水平对置型活塞发动机的点火顺序和工作循环，以及整个装置的振动情况和噪音大小情况，判断出振动最小，噪音最小的发动机构型。解决了设计人员对于曲柄的不同组合得到不同构型曲轴、带来发动机工作的差异没有准确感知判断的问题；同时避免了人们只是从书面上了解曲轴构型设计需满足的平衡、振动和噪音水平要求，以及曲轴构型决定点火顺序决定活塞发动机工作循环的设计原理，使人们对上述设计要求和设计原理的认识更加深刻；也提供了一种可重复使用的、廉价的“构型设计—工作循环—物理表现—反馈设计”不断迭代的、六缸水平对置型活塞发动机曲拐机构构型设计手段。
[0038]
优选地，所述各曲柄上的两个主轴颈21相背的两个端面设有六角形的盲孔，两个相邻的曲柄的主轴颈21通过六棱柱固定连接。
[0039]
在一般情况下，沿主轴颈21的轴线方向、从六缸发动机曲轴的一端看向另一端时，相邻两个曲臂22之间的夹角为60
°
的整数倍，六角形的盲孔和六棱柱能够快速定位60
°
的整数倍夹角，更快、更方便地固定相邻两个主轴颈21。
[0040]
优选地，所述主轴颈21的外壁固定连接轴承的内圈，轴承的外圈固定在曲轴槽13上。
[0041]
优选地，所述活塞40的外壁圆柱面上设有用于密封的活塞环。
[0042]
优选地，所述通孔12上固定连接多个支撑板，支撑板垂直于主轴颈21的轴线，且单个支撑板位于两个相邻的半圆柱槽11之间，支撑板上设有主轴孔，主轴孔内壁固定连接用于支撑主轴颈21的轴承。
[0043]
目的在于支撑曲轴20的所有主轴颈21，减小振动。
[0044]
优选地，所述曲轴20的端部设有角度传感器，角度传感器电性连接处理器。
[0045]
以向汽缸内充入定量空气为动力的驱动方式，曲轴20的转速极限值相对较低，原因是这种驱动方式下，在充入空气的流速一定的情况下，向汽缸内充入足够的空气是需要时间的，第一个汽缸充入空气充满需要n秒，曲轴转动后需要等第二个汽缸在充气n秒后才
能继续转动，导致曲轴极限转速较低；电磁阀根据曲轴每转动120度角充气一次，第一个汽缸充气充满需要n秒，曲轴加速转动，曲轴20在惯性作用下第二个汽缸充气的时间小于n秒，就会排气，第三个汽缸充气时间小于第二个汽缸充气的时间，以此类推，曲轴20转动多圈之后与外力(摩擦力、空气阻力)平衡，匀速转动，相比于没有角度传感器，后者的曲轴20的转速极限值较高。
[0046]
优选地，所述机匣盖50上设有多个与半圆柱槽11对应的气道孔，气道孔内设有橡皮塞；所述进气管51和排气管52固定在橡皮塞上。
[0047]
优选地，所述主轴颈21上还固定有平衡块。
[0048]
优选地，所述两个机匣10中的一个为透明材质。
[0049]
本实用新型的3d打印的水平对置六缸活塞发动机模拟装置的使用方法如下：
[0050]
将六个曲柄组合成不同构型的曲轴20，并将曲轴20置于其中一个非透明材质机匣10的曲轴槽13上，连杆30和活塞40配合曲轴20进行装配，盖上另一透明材质机匣10并密封好两个机匣之间的缝隙；处理器控制各个气泵和各个电磁阀53的动作，以模拟发动机的进气、做功、压缩和排气动作，观察整个装置运转时点火顺序是否正确，并依正确的点火顺序给出该曲轴构型六缸发动机完整的工作循环；同时，观察整个装置运转时振动和噪音的大小并做好记录；更改曲轴20的构型，重复上述工作，对比不同曲轴20构型确定的点火顺序和工作循环，加深对曲轴构型决定点火顺序决定工作循环的设计原理的理解；对比找出振动和噪音水平最小的曲轴20构型和活塞40的布置，完成水平对置六缸活塞发动机曲轴20构型选型，也说明了lycoming io
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c4d5d发动机曲轴构型布局的原因。
[0051]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。