CN101929448A - 机械能动力系统技术设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械能动力系统技术设计方法，涉及能源、交通运输及相关的应用领域，依据不对称能量转换的原理，创新设计飞轮转子原动机，依据动力系统的特点，设置外置或是内置式的电磁驱动装置，并运用现代的气动、喷气、液压和电磁驱动方法产生的推力或是反冲推力做功，驱动飞轮转子的转动做功，并经多级变速传导装置的增力作用后驱动发电机发电，电能再转化为机械能进而形成系统的往复循环做功，系统由外源或自备的电源启动，待系统工作正常，由系统电源替换启动电源的工作，机械能动力系统技术将会有效破解人类社会所面临能源危机、环境污染两大难题，实现人类社会未来理想能源的终极目标。

Description

机械能动力系统技术设计方法

 

技术领域

能源、交通运输及相关应用技术。

背景技术

能源、交通是人类社会两大基础性产业，能源是维系人类生存与发展的重要物质。能源技术的不断发展极大地促进人类社会的进步与发展，人类社会文明的高度发展的同时也潜在危机四伏的隐患，始终困扰人类的日益严峻的能源危机和环境污染问题制约人类的生存与发展，时代发展呼唤引领技术革命的创新技术的出现。杠杆及动力机械省力做功不对称能量转换科学原理的揭示，将会在相关应用领域诞生划时代的系列创新技术，从而担负起历史的重任，迎接完全意义上的电气化时代的到来。实现人类社会能源及相关领域电能所大一统江山的格局，彻底改变人类的生活方式，实现人类与自然的和谐发展。

发明内容

本发明旨在创新设计在能源、交通运输及相关应用领域，运行更为高效的机电一体化动力系统。有效解决能源利用存在的能源枯竭、环境污染及动力机械效率低下等难点问题所采用的技术方案：

一．机械能动力系统技术与原理

机械能动力系统技术研究课题于07年末完成，08年初申报专利，名称：机械能动力系统及相关发电应用技术设计方法，申请号：200810008128.7。机械能动力系统技术设计思想来源于杠杆及动力机械省力做功能够减少单位耗能的朴素思想，源自开创水和风能自然动力先河的大轮轴为原动机的设计灵感。

机械能动力系统技术原理的核心是封闭系统内动力自我循环问题的论证，其次是如何运用更为科学的驱动技术解决大轮轴原动机——飞轮的轮上施力做功的问题。在先前的寻求此项创新发明技术研究的初期，对杠杆、轮轴和飞轮等简单工具作用的认识仅仅停留在较低层面上的认知，只是凭借朴素的做功省力所需动力小则耗能低的思想，也谈不上对更高层次复杂组合的动力机械省力做功工具的认识，更是无从认知其驱动的车、船和机车等省力工具所发挥作用。此项技术设计不完善存在明显的技术缺陷，对于技术上所依托的科学原理的论证也是浮浅的，客观上也需要更为充分的论证。

随着技术发明课题研究的不断深入，在技术发明研究过程中逐步揭示了杠杆及动力机械省力做功所蕴藏的规律。由于对杠杆及动力机械省力做功工具作用认识的不断提升，逐渐感悟出杠杆及动力机械所驱动的省力做功工具中的奥秘，以及维系机械能动力系统技术的科学原理的真谛。因此，需要对此技术进行完善全面的补充设计。实际上新技术发明的研究过程才得以发现新的科学原理，并逐步创建其相关理论，这是已经被无数事例所证明的事实。而此项技术背后所蕴藏的客观规律的揭示，也此将会极大地提升人们对客观世界的认识。

在先前所申报的专利，机械能动力系统技术方案是运用高倍比轮轴飞轮为原动力机，在轮上实现多点、无接触电驱，气动、电动方式的直接施力驱动发电机转动做功，并直接转换为电能。用系统产生的电能替换外接电源驱动，实现机械能动力系统的启动、动能的产生及转化形成动力系统的自我往复循环做功。此方案，主观上认为唯有采用高倍比的大轮轴才是切实可行的方案，对轮轴、齿轮和飞轮及其组合工具的作用缺乏认识。原动机一味地采用高倍比大轮轴，大径级的轮轴在运动的速度与动平衡的控制都存在极大的问题，此方案技术上存在明显的技术缺陷。

机械能动力系统技术涉及两个科学命题，一个是动力系统核心部件原动机轮轴飞轮的驱动问题；另一个命题也是核心命题，也是支撑此项技术存在的原理性的科学命题，封闭系统的动力自我循环做功问题。即，杠杆及动力机械省力做功不对称能量转换原理猜想的论证。此类研究课题往往又被归类于十分敏感的学术问题，是技术发明研究的禁区，然而科学是严谨客观的，倡导积极的科学探索精神。对于创新技术发明所依托的科学原理进行全面和系统的论证是必要的，避免人们的主观臆断。      

二．机械能动力系统技术相关理论问题分析

分析杠杆及动力机械省力做功问题，只有深入探讨理论性问题构建相关理论体系，才有助于揭示其中蕴藏的客观规律。

1.功及省力做功的相关问题分析

不论何种形式的做功，功的实质是能量转换问题，其相关的核心因素是力。这里所探讨的力主要是动力机械热机或电机做功的动力，以及与此相关因素问题的分析。众所周知，热机或电机动力大小是由其功率的大小所决定的，同时其功率的大小又决定了耗能的多少。由此，推理得出动力机械动力的大小也将决定耗能的多少，两者是等比对应的关系。

研究动力机械驱动省力工具做功问题离不开能量转换的问题，做功的动力所涉及的无非是两个因素，一个是动力耗能，另一个是动力做功转换所形成的能量。科学的发展源自于探索与问题的发现。谈到省力做功问题人们习惯于用功来说事，传统的观念意识把功作为衡量能量转换的唯一标尺。这实际上是忽略了一个客观事实。即，功概念的规定是力在空间上的累积效应，而客观上力在时间上同样存在累积的效应。功的概念规定是无可非议，人们对客观事物认识出现偏差绝非偶然，功概念规定及功的原理的总结，容易使人产生唯有功是衡量能量转化的模糊认识。耗能、能量是状态量，功是过程量，两个不同属性的量相互对比细微之处也是存在问题的，真理尚且有一定的应用范围何况是概念性的规定。

客观上唯有时间才是准确衡量动力耗能的唯一标尺。用功来衡量能量转化问题并非绝对存在问题，只是在衡量杠杆及动力机械省力做功时，用功的多少来衡量能量转化的动力耗能是存在问题的。因为，原始动力经过杠杆或动力机械省力工具做功，节省动力的结果势必是单位耗能的减少，这个减少的耗能量自然也会在做功的时间上存在累积，当然了这个减少量的多少，要由省力工具做功所节省动力的量级所决定。极小量级的节省动力因素可以忽略不计，而节省的动力量级在十、百倍和千倍量级之上时，做功省力所对应的耗能减少所显现的结果就是惊人的巨量，而这一点却是人们所忽略的。一是没有认真研究过杠杆及动力机械的省力因素究竟有多大的量级，而忽视了这方面巨大的作用。二是长期错误地利用功这个存在误差的标尺去衡量省力做功动力的耗能，差之毫厘的结果也就可想而知了。

2.能量转化的数量级概念

动力机械做功问题涉及动力、功率、耗能和能量变化的量级问题，如热机或电机所驱动的摩托车、轿车、卡车、火车和大型船舶，其对应的功率量级分别为个、十、百、千、万kw，耗能所对应的动力、耗能也是同一数量级的能量转化。摩托车的动力不可能驱动卡车，其能耗再大也就是摩托车的耗能。

动力机械经省力工具做功满负荷做功，突破静止的启动为运动所需动力和耗能的最大值。动力机械运动起来时由于运动工具自身运动惯力的存在，维持做功的动力不变，两者做功的合力要远大于运动的阻力，其运动的速度自然会增加，直至动力与阻力又趋于匀速运动平衡。如果做功速度要继续增加，并达到动力机械理想的做功速度，动力也要随之增加，这些状态的实现是通过动力机械的调控变速装置实现的。动力机械经省力杠杆做功有足够的动力使得做功工具启动做功，所形成的转动做功的态势与其动力、功率、能耗和所形成的动能均是相对应的关系，从启动到理想高速转动做功，均是同一数量级的相关因素的转化。

3.省力工具在省力模式下做功相关问题分析

动力机械省力模式下做功所驱动的车、船和机车等工具，其运行的速度必须符合由于材料承载极限及机械结构等多种原因的限制。大、中、小型动力机械转动做功转速必须遵循低、中、高速运行的理想做功速度的规律。如三峡电站发电机的转速为75r/m，铁路机车的转速为1000 r/m，牙转电机的转速高达10000 r/m。动力机械所驱动的车、船和机车等工具，其运行的速度存在一定幅度内的变化，其运行的速度受制于功率大小所决定的动力输出范围内的变化控制。由油门控制燃油供给量达到做功所需的动力大小，实现发动机转速从低到高速的变化，其运行的启动直至理想的做功速度的提升是依靠多级变速器逐级实现的。

分析研究杠杆及动力机械省力做功问题，重要的对象是物体运动所具有的动能。动能具有其特殊性不象内能、化学能，其自身不能直接产生，往往是由其它形式能量转换形成，更多的是在扮演中间贮存、过渡形式的能量。人们对于动能还缺少深层次的感性认识，有必要深入探讨这个问题。内能和化学能均是以物质质量的多少来衡量能量的大小，这说明了质量与能量之间密切的关系，亦反映了物质的质量和能量之间的守恒关系。电能和光能也是电、光物质的多少来衡量能量的大小，只不过光、电的质量极其微小是微观抽象的形态。物体的动能与势能统称为机械能，动能和势能公式如下：

E _k =                                                

mv ²；E _p = mgh

动能和势能存在的前提条件是必须满足：v＞0或h＞0，动能、势能与质量的关系是在上述特定的前提条件下，质量越大物体的动能、势能也越大。而上式的动能公式所表述的动能实际上是动能的即时量，因为其中决定动能之一的速度是每秒钟即时的量值，上述的动能公式所表述的是米／秒即时的动能。杠杆及动力机械省力做功所驱动的做功工具，其做功速度达到一定并保持一段做功时间，其总动能为保持此速度做功时间的累积量，其总动能公式可表述如下：

E _总= 

mtv ²

如上述的三峡发电机的转速比牙转电机转速低的多，而动能却要大的多，这直接说明了质量与能量的关系。动能在v＞0的前提下，质量越大的物体其运动的动能也越大，这也表明物质之间相互关联的因果关系，以及物质运动变化的能量转化的守恒。实际上牛顿第二定律已经诠释好了力与速度、质量和能量的关系。力与物体运动的加速度成正比，与物体的质量成反比。国际制力的单位牛顿的定义，是使质量1㎏的物体产生1m/s²加速度的力，即力所对应的能耗转化为一定质量物体运动所具有的动能。

三．杠杆工具省力做功机理分析

纵观漫长的人类文明历史，文明发展的标志是创造并使用了劳动工具。劳动工具的使用极大地提升了人类认识自然和改造自然的能力，伴随着人类文明的发展，与此相关的衣食住行各类工具的相继发明使用，最终形成现代人类社会空前的繁荣。

杠杆属于简单机械是标志性的省力做功工具，轮轴也属于简单的工具，轮轴可以分解成由若干个杠杆首、尾端点相连接组合成轮和轴一体的物体，以转动轴为支点，可实现连续转动做功的杠杆。齿轮、飞轮和车轮是组成机械的基本构件，均可视同为轮轴的变形杠杆工具，故以轮轴为例分析其做功机理，轮轴做功受力分析，如附图2所示。

力的平衡问题是分析物体做功状况的重要途径。轴平置轮立式水平设置的轮轴，自然呈现以转动轴为中心，其重心和支点处在轮轴的x和y轴的十字中心，如附图2中的o点，轮轴在空间上呈现自然对称的静止平衡状态。轮轴的轮上施力做功即可发挥杠杆的作用，轮轴的轮半径越大越容易打破轮轴的静止平衡状态，从而形成轮轴的转动做功态势。轮轴的质量呈边缘分布如飞轮的结构，轮轴的轮上施力做功越容易打破轮轴的静止平衡状态形成转动做功的态势。这是因为呈边缘重力分布结构的飞轮，运动的重力做功存在着杠杆的增力作用效应，而摩擦阻力却是没有这个作用。假设，动力F在轮上施力做功，轴半径与轮半径之比n，依据杠杆平衡条件轴上转动做功的增力效果为nF。这个增力效果是什么呢？

轮轴转动做功属于机械运动，其核心是能量转化问题。衡器是利用重量极小的秤陀称量重物，通过移动秤陀形成与重物的静止的平衡，两者是静止的重力不对称平衡，求得称重物的重量。而此时的不对称的静止重力平衡是极易打破而产生运动，特别是在衡器秤陀一端施力，增加或是减少秤陀一端的重力作用，因为秤陀相对较小质量的重力，施加很小的重力作用影响，就可打破原有衡器的静止平衡在瞬间产生运动，即形成物体运动做功的态势。秤陀相对较小质量的重力与被称重物体的重力，两者是与能量转换相关的耗能与动能的转换关系。两者的转换是对应着同一个运动的时间。

水平静止状态的轮轴受力状况是静止的平衡，轮上施力做功即可直接发挥杠杆省力或是增力的作用，轮轴的轮上为施力点，轮轴的轴上起到受力和支点的双重作用。轮轴做功的动力经轮上做功，动力突破轮轴的阻力促使其转动做功，做功的动力维持不变，轮轴转动做功的速度逐渐趋于匀速的旋转运动，此时的动力与运动的阻力呈现运动平衡的状态。做功的动力与阻力之间的平衡，是小与大的不对称平衡，其大小完全取决于动、阻力臂之比。依据上述的假设，重力F经衡器的杠杆做功，或者动力F经轮轴的轮上施力做功，在衡器的受力端所产生的做功增力效果，在轮轴的轴上产生的做功增力效果均为nF。轮轴做功的动力与阻力，两者也同样是能量转换相关的耗能与动能的转换关系。两者的能量转换也同样对应着同一个做功运动的时间。上述衡器的小与大重力之间的平衡，轮轴的施力与受力的小与大力之间的平衡，均是建立在不对称的空间基础之上的平衡。

一般来说，如果对于某个物理学系统的运动施加限制影响，比如施加外力、外力矩作用或使用工具等，从而导致该系统原有的某些对称性遭到破坏，对系统所加的限制虽然破坏了原有的对称性，但它也可能导致某些新的对称性出现。不利用省力工具直接对物体施力做功，力直接作用于物体所产生的运动平衡是对称守恒的能量转换。此为常态的能量转换对称守恒。利用杠杆、轮轴省力工具对物体做功发挥省力、增力的作用，利用对称性破缺原理运用施力点、支点和受力点之间力臂的空间不对称性(对称性破缺)，形成的动力与阻力的不对称平衡。而动力与阻力大小的不对称，又可能会导致另一种形式不对称的形成。

分析杠杆及动力机械省力做功机理，不得再从源头功的概念规定谈起。传统的观念意识把功作为衡量能量转换的标尺，这实际上却是忽略了一个客观事实。即，功概念的规定是力在空间上的累积效应，而客观上力在时间上同样也存在累积的效应。功的概念规定无可非议，功概念规定及功的原理的总结，容易使人产生唯有功是衡量能量转化的错误认识。功是过程量，做功的动力耗能和转换形成的能量是状态量，两个不同属性的量相互对比细微之处也是存在问题的，真理尚且有一定的适用范围，何况是概念性的规定。运用功这个存在误差的标尺去衡量杠杆及动力机械杠杆工具省力做功的动力耗能，就无从揭示杠杆及动力机械杠杆工具省力做功当中所蕴藏的规律。要想弄清杠杆工具省力做功机理，就要澄清认识，树立不论在什么条件下做功，唯有时间是准确衡量能量转换相关因素的唯一标尺。

功的原理所论述的是杠杆及动力机械杠杆工具省力做功工具在施力端施力做功，受力端所产生的较大作用力效果，归结为输入功和输出功两个做功量理想化的数学推导式结果。人们已经习惯用做功的多少来衡量能量转换相关因素的大小，杠杆工具做功省力是在增加了做功位移所实现的。也就是依据杠杆或轮轴做功的转动轨迹，由支点所形成的内短外长的圆弧或同心圆周运动轨迹的位移的大小，说明输入功与输出功之间空间概念的大小对比。说明此问题最经典的例子是动滑轮提升重物，动滑轮提升重物做功省力一半，却用了比提升高度两倍的距离，因而得出省力做功不能实现耗能同步减少的结论。这实际上是把杠杆工具分割成支点内外有别的两个部分，而实际上杠杆工具却是一个不可分割的整体，这是自相矛盾的结果。不论何种形式的做功，输入功和输出功却势必要对应着相同的做功时间、转速和角速度，这是千万不容忽略的客观事实。

  [0023]杠杆省力工具做功输出功的形成是输入功的小动力耗能所实现的，输入功与输出功又对应着同一个做功时间，原始动力经过杠杆省力工具做功，节省动力的结果势必是单位耗能的降低，减少的耗能自然也会在做功的时间上存在累积效应，当然了这个减少量的多少，要由省力工具做功所节省动力的量级所决定。而实际上杠杆或轮轴在使用时常态的比率也在十位量级之上，这是不可忽视的量级。功在客观上是力在空间和时间上的累积效应，杠杆工具省力做功是小动力耗能所实现的较大转动力效果，这个效果的本质就是较大质量物体的运动，依据前文所述对动能公式的诠释，在速度一定的前提条件下，质量越大的物体其动能也越大。杠杆工具原始动力省力做功所形成的较大作用力效果的实质是，其较大质量物体所具有的动能。因此，杠杆工具省力做功实现不对称的能量转换。

讨论物体运动的动能，又不能不提及另一个与物体动能密切相关的速度问题。杠杆工具省力模式下做功所驱动的车、船和机车等工具，其运行的速度必须符合由于材料承载极限及机械结构等多种原因的限制。大、中、小型动力机械转动做功转速必须遵循低、中、高速运行的理想做功速度的规律。杠杆工具省力做功所驱动的车、船和机车等工具，其运行的速度存在一定幅度内的变化，其运行的速度受制于功率大小所决定的动力输出范围内的变化控制。由油门控制燃油供给量达到做功所需的动力大小，实现发动机转速从低到高速的控制变化，其运行的低速启动直至理想的做功速度的提升是依靠多级变速器逐级实现。

综上所述，杠杆工具省力做功机理是，源自利用杠杆工具的施力端点与受力端点力与作用力的对称性破缺原理，做功过程是据此极限不对称态势，从而达到省力平衡做功的目的。杠杆工具省力做功是对力的相关要素的极端化应用，最大化挖掘出杠杆工具的潜在能量，其本质是实现了不对称的能量转换，充分提高了有限动力耗能的作用。

四．轮轴省力做功能量转换的理想化分析

依据简单性原理，建立如图2所示的系列理想轮轴物理模型。假设，系列轮轴的质量同为m，轴半径同为1米，轮半径分别为整数数列：1，2，3 … r（单位米），并设定相同的做功转速ω= 2nπ/s(n为转速)，对其做功所需动力耗能和动能进行极限对比分析，分析验证轮轴省力做功是否存在不对称的能量转换关系。

依据上述理想物理模型的设定条件，设系列理想轮轴物理模型的首个圆柱体物体转动做功的动力为F，当系列轮轴物理模型的半径分别为：r = 1，2，3 … 时，根据杠杆平衡条件得出，系列轮轴物理模型省力做功所需动力依次分别为下列一组数列：

F，

，

，…，

，…

轮轴省力做功属于刚体定轴转动做功，飞轮的动能E，惯量I，角速度ω与轮轴的动能、惯量关系式分别为：

E _k =  Iω ²，I = 

²dm

依据上述设定条件和刚体动能关系式可推导得出轮轴的动能公式：

E _k = r ² n ² π ² m

当系列理想物理模型轮轴的轮半径分别为: r = 1，2，3 … 时，根据上式轮轴动能公式得出其动能分别为下列一组数列：

1n ² π ² m，4n ² π ² m，9n ² π ² m，…，r ² n ² π ² m，…

由上述的两组相关数列可绘制如图3所示的坐标图，图中动力能耗（F）的标注为普遍应用的热机内能30%能量转换率所对应的近似3倍的能耗量。坐标图能够更加清楚直观地分析理想物理模型系列轮轴省力做功动力耗能和动能的变化趋势，系列轮轴物理模型省力做功随着轮轴半径的不断增大，而相对应做功动力能耗却呈现逐次递减变化直至无穷小，系列轮轴模型的动能，却随着轮轴半径的不断增大所对应轮轴动能增长变化，逐次呈现几何级数增长直至无穷大。从系列理想轮轴物理模型的能量转化的变化趋势分析，轮轴省力做功不对称能量转换关系也一目了然。

依据上述系列理想轮轴物理模型做功所需的动力数列，系列轮轴物理模型完全可以分别实现恒外力F做功，如果用恒动力F对系列理想轮轴物理模型省力做功，那么其动力F的耗能也同样是恒定不变的。根据刚体定轴转动定律：刚体角加速度的大小与它所受到的外力矩的大小成正比。随着系列理想轮轴物理模型的半径不断增大，系列轮轴模型做功的外力矩是逐次不断增大的，所以系列轮轴模型的角加速是呈现不断递增的变化趋势，系列轮轴模型动能变化递增空间，就不仅是系列轮轴模型半径增大所带来的单一因素，还要叠加转速增加的双重因素，其动能增大变化的空间是巨大的。因此，得出轮轴物理模型省力做功的不对称能量转换原理的客观存在。

依据上述论述及刚体动能公式推导，在轮轴质量一定的前提条件下，轮轴的半径越大轮轴做功越省力，越大的轮轴能量也越大。也就是轮轴的半径L ²与轮轴动能E成正比，与轮轴动力能耗F成反比。即，

L ²∝

 或E =kFL ²

上式中的k为比例常数，上述关系在轮轴的重量有所增加的情况下也同样适用。因为轮轴的重量增加，其增加的重力有杠杆的增力作用效应，而阻力没有这个作用，阻力耗能的同步增大与轮轴动能的增大不在同个数量级上。

五.动力机械省力工具做功原理分析

劳动工具始终是伴随着人类文明进程，在制造工具的过程中人类不断寻求基于对自然和劳动工具以及对象规律思考的科学劳动，物质世界也因人类不断的创造而变得愈加丰富多彩。除了纯粹的自然规律之外，一些规律也隐藏在劳动工具与对象之中，这也是增加认识及揭示这些规律的难度。而人们往往也不屑于对这些看似简单的工具进行深入的研究，一些重要的规律也就长久地湮没在浩瀚的未知海洋里。

即便是再复杂精密的机械也是由简单的轮、轴和杆等构成，获得普遍应用的动力机械热机和电动机，如热机动力机械—发动机的动力部分基本构造，由曲轴、连杆、活塞、汽缸和飞轮等组成。由曲轴半径、连杆长度和活塞行程所组成的多节点的摇臂杠杆。摇臂杠杆工具动力臂的长度大于飞轮的半径，做功能够发挥杠杆省力耗能低的功效，驱动用于均衡、存贮能量作用的飞轮高速旋转做功。但是发动机内能低效的能量转化，以及结构复杂的多节点的摩擦阻力，以及发电、散热等附助机构的羁绊，其杠杆效能的发挥大打了折扣。电动机转动做功的是圆柱体的转子，结构要比发动机简单的多。电动机虽然利用了能量转换高效的电能，但是圆柱体转子较小的断面直径，限制了杠杆工具作用效能的充分发挥。

车、船和机车等工具是由动力源系统，所驱动的由变速器、传动轴、减速器和车轮等多个杠杆、轮轴传动机构组合成一体的变速增力工具，能够起到发挥有限动力，承载重物，减少做功阻力和充分提高工作效率等多方面的作用，其做功过程中存在较为复杂的变速增力、变力提速和各种力的合力做功的作用。诸如系统内的多级变速装置是由固定杠杆力臂倍率的传动轴（杠杆阻、动力臂之比为倍率）、减速器和变换倍率的变速器装置所组成。发动机的原始动力F，在汽缸内经过由曲轴连杆所组成的摇臂杠杆的作用，完成初级的增力作用，此动力又经过传动机构的变速增力工具的作用，做功动力是在原始动力F的基础上的逐级提升，其做功最终效果为其多级杠杆倍率的连乘积。即，

· F= a ₁·a ₂·…·a _n·F

如载重汽车，发动机由固定倍率的曲轴半径、连杆长度和活塞行程所组成的摇臂杠杆，一般的力臂之比约为10~15倍左右，变换倍率的变速器约3~5倍左右，传动轴约20~50倍左右，减速器约3~5倍左右，车轮约5~10倍左右，其做功最终多级增力连乘积将会远远大于1000倍率，其变速增力作用的效果是惊人的。

动力机械输出功率的动力毕竟有限，动力机械的飞轮或转子转动做功，本身就存在着由曲轴连杆活塞所组成的摇臂杠杆的增力作用。电动机的转子是圆柱体结构，也是属于轮上的电磁施力做功，只不过是圆柱体的转子直径较小杠杆增力作用不明显。动力输出轴的高转速不可能直接驱动汽车等工具，而是普遍采用具有较大传动比的变换倍率的变速器、固定倍率的传动轴传动增力，减速器增力作用，以及车的运动惯力经车轮增力的合力作用，来达到低速大转矩，来达到启动所需的最大动力，并通过无级或有级变速传导机构逐级提高车速，直至达到车辆运行的理想车速，而此过程，动力机械功率所对应的耗能是额定功率内的变化。

发动机输出动力所驱动的车船等工具，其中的合力做功又存在着更为复杂的情况，驱动车自身的重量和载重量运动起来自身的惯性力做功。一般车的重心要远远高于车轮，所以车轮所承载重物的惯性力做功也存在着杠杆增力的效应。物体所具有的惯力非常特殊，在不同的情况下又呈现不同性质的作用，物体在静止时惯力是一种阻力，运动时的物体惯力又成了动力。而此时物体的运动增加速时，惯力又呈现阻力与动力混合的情况，所以惯力的存在与发生作用的规律也是较为复杂多变的变力做功。动力机械驱动车一类工具的自重和载重的惯性力做功是客观存在，车的自重和载重所拥有的动能是客观存在，是绝对不容忽视的因素。而我们在衡量计算动力机械发动机或电动机的功率时，却是仅仅考虑到其单个耗能转化为动力所施加的力，如功率公式中的动力F除了动力机械之外，实际上它也不可能涉及到其它的什么因素之外的力。

                                              P = 

 = 

 = Fv

动力机械所驱动的车、船和机车等工具，并不仅仅是动力源系统耗能的施力做功，而是车、船和机车等工具做为一个整体系统，其中所存在的极大增力倍率的杠杆作用，自重和载重惯性力在车轮杠杆作用力的合力做功，即，系统内的F ₁，F ₂，…，F _n合力做功，不能简单地认为是原始动力耗能所形成的等量、对称守恒的能量转换，两者的区别在于系统合力之功要远远大于动力源的动力F之功。即W _合＞W而此就不是简单的等量能量转换，而其合力做功是形成不对称能量转换的根本原因。

人类对于车、船和飞机等工具的发明创造可畏是登峰造极，在能量转换方面在增力与减少阻力的两极上做到了极致。做功的省力或是增力是一个方向的极限努力的方向，另一个极限的方向是千方百计减少做功的阻力。目的，旨在利用一种不对称形式，导致形成另一种不对称结果。比如，车轮的滚动摩擦比滑动摩擦阻力更小，铁路比公路的摩擦阻力更小，轮船因水的浮力可以承担更大的重力，飞机在空中飞行其空中的阻力更小等等。因实际需要制造了热机同轴驱动的发电机装置，例如，野外或应急电源装置，内燃机铁路机车的动力装置为热机驱动的同轴发电机，而这实际上已经是非常地接近寻觅到揭示杠杆工具其中所蕴藏的规律。但是由于热机内能形式及机械效率的低下，对功的概念以及对功的原理认识存在误区，在此很长时间内没能揭示其中的奥秘。而用电动机驱动发电机则会被认为是徒劳无益的事情。

动力机械杠杆工具所驱动的车、机车等工具，其做功的动力并不是等量的能量传递，其原始动力F经动力机械多级杠杆工具的多重增力作用，其增力效果达到原始动力百倍甚至是千倍量级，其实质是相对应的质量物体运动所具有的动能。与杠杆、轮轴省力做功同理，动力机械杠杆工具做功省力则单位耗能低，节省的动力耗能在做功时间上自然存在累积，做功动力的耗能自然要减少很多。动力机械省力做功不管多少种杠杆工具组合在一起，其做功过程无论多么曲折复杂，做功的空间位移会增加多少，功的原理所阐述的输入功与输出功所对应的时间是相同的，做功的原始动力与作用力之间的能量转换是对应着同一个时间，动力机械省力或增力做功所达到的做功效果，只能说明动力机械省力做功的高效。

依据牛顿第二定律，如果动力F不利用杠杆省力工具直接对物体做功，力的做功效果为ma，即力所对应的质量为m物体的加速度运动，能量转换是对称的守恒。同理，动力机械利用省力工具对物体施力做功，力的做功效果为 n ma和 a ₁ ·a ₂ ·…·a _n ma。

即，动力机械利用杠杆工具省力做功所形成的转动作用力效果，为质量为 n m和 a ₁ ·a ₂ ·…·a _n m物体的加速度运动，其能量转换是不对称的守恒。输入功原始动力F与杠杆工具做功所形成的输出功增力效果对应着同一个做功的时间，同为原始动力F所对应的耗能，利用或不利用杠杆工具做功，产生不同质量物体加速度运动所具有的动能分别如下：

E _k = 

mv ² ；E _转 = 

n mv ²；E _转 = 

a ₁ ·a ₂ ·…·a _n mv ²

上述的动能之比分别为：E _k / E _转=  n ；E _k / E _转= a ₁ ·a ₂ ·…·a _n  ，这也充分说明了质量与能量的密切关系，在满足v＞0的前提条件下，质量越大物体的动能也越大。因此，杠杆、轮轴和动力机械杠杆工具省力做功存在不对称的能量转换，而这似乎是与能量守恒相悖，杠杆及动力机械杠杆工具省力所能达到的效果究竟是什么？许多未知的问题等待解答。

尽管世间万物五彩缤纷、千变万化，然而它们的存在和变化却遵循一定的自然规律，为数不多的规律支配着自然界的一切，体现了物质世界简单、对称、和谐的自然之美。现代物理学认识到物质守恒律与时间、空间或某种对称性有关，它们反映了物质运动的普遍特征和规律性，对称性原理与守恒定律同样重要是认知物质世界的基本原理。物质运动具有对称性，对称性与物理守恒定律存在内在深层次的紧密联系，物理守恒定律是客观世界物质运动变化对称性的必然反映。

然而，物质世界的万物并非都具有对称性，物质运动所遵循的规律也不总是守恒的，物质世界存在各种各样的不对称(对称性破缺)，正是这种不对称性组成了丰富多彩的大千世界。物理学既存在对称性，也存在对称性破缺，这正是自然规律科学本质的反映。研究自然界所呈现的各种对称性，以及它的产生和破缺的演化过程是人们认识自然规律的一种重要手段。所谓的天公造物，人类就是自然物质世界最大的不对称结果，人类的存在及人类文明的现状及进展已经说明了人类影响到了物质世界的自然进程，人为因素、人的创造力就是最大的不对称因素。物质运动无序的能量转化是物质世界运动变化的普遍形式，人类的客观需求使得有序的能量转化成为客观存在，也影响和打破了原有物质自然运动变化的秩序与平衡。

人类所进行的生产、社会活动有很多是为了创造并实现不对称的结果，人类的实际需求以及技术上的应用所创造出的不对称平衡，完全可能导致不对称能量转换的形成。实际上不对称的能量转换也并不能导致能量的不守恒，能量不对称转换与能量守恒并不相悖，不对称的能量转换，只是其中的一种参与交换的能量形式的不对称的能量转换。它实际上是依据一定的诸如空间、重力、力和物质的属性等不对称平衡的先决条件，从而导致另一种形式不对称结果的形成。杠杆及动力机械杠杆工具省力或是增力做功，利用空间、力和重力的不对称平衡而导致形成不对称能量转换，这里物体做功的动力与作用力之间的不对称平衡，导致更大质量的物体运动，以及这个更大质量物体运动所具有的惯性力能量，也参与了能量转换的全过程，而这正是被人们所长期忽略而没有被充分认知的问题。就是这个原因，不对称能量转换原理虽然不是什么深不可测的科学原理，却难以被人们所尽早揭示。

六．动力机械杠杆工具省力做功能量转换量化分析

1.动力机械驱动力的类比分析

上述通过各种方法论证得出的结论，杠杆及动力机械杠杆工具省力做功存在不对称能量转换原理，要经受科学实验和客观实际的验证。通过汽车、机车和发电机做功工具所共同的质量属性，以及能量转化相关因素进行类比分析。实际应用是比科学实验更具有论证说明力的证据，能够得到客观、公允的验证结果。

  

 表1是小功率发电机的功率、转速和重量及相互对应的比例关系数据。从表1发电机的功率与质量的比值来看，功率越小的发电机其功率与自重之比值较大，但随着发电机功率的增大其比值趋于稳定，实际换算可取近似值1：6。发电机的功率与质量密切相关，发电机的质量决定其功率的大小，发电机的功率与质量之比相当于质量为6㎏的发电机可产生功率为1kw的电能，两者的比例关系也充分说明了质量与能量之间的关系。

 表2为柴油发动机所驱动的中等型号功率的系列发电机组，大型水利发电机含有水轮机相关的质量、功率等数据，以及两者之比值数据。表2为柴油机所驱动的系列型号的发电机组，两者的组合驱动关系是由同轴相连接，动力直接传导中间没有经过变速增力传导装置，柴油机与发电机做功转速相同。柴油机发电机组的功率与载重比值为1:4.65~1:5.53之间的个位的数量级；表3中的汽车和铁路机车因为利用了变速传动增力装置，汽车的功率与载重比值为1:71.05～1:125.05为几十到百位的数量级；铁路机车功率与载重的比值为1:308.64～1:572.91为几百位的数量级。

 表3为动力机械热机所驱动的汽车和铁路机车，相关的功率、转速、载重等数据，求其动力功率与载重的比值。

通过对表２和表３的热机所驱动的不同的做功工具情况的对比分析，同为热机发动机所驱动的做功系统。却因使用了多级变速杠杆增力装置，其做功能力得到极大的提升。汽车和机车等工具系统存在极高倍率的杠杆变速增力装置，其增力作用效果明显，其功率与自重之比值高达1:71.05～1:572.91，柴油机所驱动的发电机组功率与质量的比值仅为不足1:6的个位数量级，两者相差几十至几百倍以上的做功效果。而这么大量级动力的提升，足以说明动力机械经多级变速杠杆增力装置所起到的非常显著的作用。机车和汽车同为热机，铁路铁轨与公路路面摩擦阻力要小很多，反映在其做功的驱动能力上亦有较大的提高。通过上述类比分析，就可以圆满回答杠杆及动力机械杠杆工具做功，省力或是增力的效果是什么的问题。

由前文的分析得知，杠杆、轮轴和动力机械的省力做功，动力F经杠杆或轮轴省力做功所形成的转动作用力效果为nF。动力F经动力机械多级变速增力装置省力做功所形成的转动作用力效果为a ₁·a ₂·…·a _n·F。这也正是表1和表2同为热机所驱动发电机和车、机车做功工具所呈现出的1:4.65～1:5.53与1:71.05～1:572.91之间做功能力的巨大差异。热机经多级杠杆变速增力装置做功过程，不管再曲折、复杂，功的原理所阐述的输入与输出功实际上对应着同一个做功时间。做功的增力效果通过杠杆变速增力装置实现增力所对应质量物体的启动及低速运动，而后又经过变速装置实现机械所需的理想做功速度。再依据质量、速度和动能的关系，在满足v＞0前提条件下，质量越大的物体其动能越大。上述这些在生产实际应用中的数据所得出的结果，是远比科学实验更具有说服力的证据，能够充分验证动力机械杠杆工具省力做功，不对称能量转换原理的客观存在。

2.汽车和机车省力工具做功能量转化的量化对比分析

汽车和铁路机车是应用非常普遍的省力做功工具，其载重量、车速、功率和油耗数据均是容易获得的已知量，通过计算其内能消耗和转化的动能进行量化对比分析，其计算得出的结果是最具说服力的佐证，可直接求证不对称能量转换原理客观存在的与否。

例1，一汽柴油J6商用车^[６]，型号：CA4180P66K2E，其主要参数：载重量20～35吨，最高车速120km/h，经济车速满载80km/h油耗45L，柴油的燃烧值4.3×10⁷J/㎏，柴油的密度0.84㎏/L。

设定汽车行驶条件为水平光滑的路面，汽车的总质量为2.0×10⁴㎏，汽车以80km/h的速度匀速行驶1小时，计算其总动能与汽车的油耗进行对比分析。

依据，物体以一定的匀速持续运动做功一段时间的总动能等于瞬间动能持续时间 t 的累积量。即，

E _总= 

mtv ²

汽车做功1小时的总动能:

E _总= × 2.0×10⁴㎏×3600s×493.73 m²/s² ≈ 1.7774 ×10¹⁰ J

汽车做功1小时消耗燃油内能总热量值:

Q = 45L×0.84㎏/L×4.3×10⁷ J/㎏ ≈ 1.6254×10⁹ J

汽车总动能与其油耗的内能值之比为10.94：1。

例2，一汽乘用车，型号红旗盛世精英型^[７]，其主要参数90km/s等速油耗6.9L/100km，整体满载质量：2160㎏。汽油的燃烧值：4.6×10⁷J/㎏，汽油的密度：0.71㎏/L。

设定汽车行驶条件为水平光滑的路面，汽车质量为2160㎏，汽车以90km/h的速度匀速行驶1小时，计算汽车的总动能与油耗进行对比分析。

汽车做功1小时的总动能:

E _总= 

mtv ²=

× 2160㎏×3600s ×625m²/s² ≈ 2.43 ×10⁹ J

汽车做功1小时消耗的内能总热量值:

Q = 6.9L×0.71㎏/L×90%×4.6×10⁷J/㎏ ≈ 2.0282×10⁸ J

汽车总动能与其油耗的总内能值之比为11.98:1。

例3，戚墅堰铁路内燃机车，型号东风₁₁标定功率：3680kw，燃油消耗率g/kw·h：208g，最高速度：170km/h。柴油的燃烧值：4.3×10⁷J/㎏，柴油的密度0.84㎏/L。

设定铁路机车行驶条件为水平的铁轨路面，机车的载重量为1.5×10⁶㎏，铁路机车以80km/h的速度匀速行驶1小时，计算其总动能机车的油耗进行对比分析。

机车做功1小时的总动能:

E _总= 

×1.5×10⁶㎏×493.73m²/s²×3600s ≈ 1.3331 ×10¹² J

机车燃油每小时燃油消耗量：3680kw×0.208kg = 765.44㎏

机车做功1小时消耗的内能总热量:

Q =765.44 kg×4.3×10⁷J /kg ≈ 3.2914×10¹⁰ J

机车总动能与其油耗的总内能值之比为40.50:1。

例4，如表1中的长江三峡水电站，单机功率为70万kw，发电机的整机质量为6000吨左右，其转动做功的转子部分不足3000吨，驱动所需的动力强大。发电机转子的转速为75r/m转子直径18.2m，线速度为68.57m/s换算成直线运动的速度为246.85km/h。具有强大牵引力的铁路机车可牵引几千吨重的货物，如表2中的大连新型电力和谐货运机车功率：9600kw，单机牵引5000～6000吨，最高运行速度120km/h。两者与做功相关的质量、速度等因素相当具有非常接近的可参照对比性。按照各自的功率计算对比两者之比的近似值却为70:1。反之，上述事例中的70万kw功率的三峡水电站单机，换算为驱动力，所驱动的质量难道仅是6000吨的重量吗？如果仅仅是上述表3中的热机功率与驱动的重量之间的关系是1:71.05~1:572.91之间，按照最低的比例也应当是驱动49700吨重的物体。而此重量依照表2中的电机的功率与质量之比1:8.57换算，发电机的功率将会是个百万kw功率的天文数字，由此也可以验证不对称能量转换原理的客观存在。

上述４个例子中相关的做功动能相关值的选取和设定是客观保守的，而其油耗却取其最大值，并没有剔除内能利用效率的因素，目的是能够获得对比偏向于热机耗能的实际最大区间的数据。这些依据实际应用的范例所计算出的数据是比科学实验更具有令人信服的证据。综上所述，求证了不对称能量转换原理的客在。

附图说明

图1为机械能动力系统技术流程图，图示1为动力部分的壳体，2为飞轮原动机，3为飞轮固定转动的轴承，4为多个飞轮原动机动力连接的离合器，5为动力传递部分飞轮原动机输出动力的离合器，6动力传递多级变速器，7动力传动轴及接合，8为动能能量转换装置发电机，9为动力部分的启动电源输入装置，10启动输入的电源，11为循环动力的电源线，12为内置的电池启动电源，13为发电机电源输出装置，14为电源输出。

图2为轮轴飞轮受力分析图，一是作为轮轴的受力分析图型；二是作为理想物理模型的刚体省力做功其动力耗能与转换动能的能量分析。轮轴飞轮是标准圆可把若干个轮轴飞轮的剖面图置于同一个经x和y轴相交并为圆心o的平面，用来分析刚体轮上施力省力做功其动力耗能与能量转换之间的关系。

图3为轮轴省力做功动力与动能趋势图，依据轮轴省力做功，其动力耗能和轮轴动能极限数列变化数据绘制的坐标图。

具体实施方式

人类社会文明总是伴随着技术革命的发展，全社会的生产力水平得到极大的提升。机械能动力系统技术设计方法属于基础性的技术原理创新技术，利用不对称能量转换原理设计的新概念动力系统装置。所涉及的大多数技术属于现有成熟的公知与公用技术，以及这些技术应用的相互整合，不存在技术实施上的难点问题。由于机械能动力系统技术及相关应用技术的出现，人类社会未来理想能源需求将会实现全面高效而环保的电能方式，动力系统也将实现全面的电磁驱动设计方法，真正意义上的全面电气化时代即将到来。

一．机械能动力系统技术设计的理论依据

发明创造源自于社会的实际需求，技术发明又往往是建立在以往的技术基础之上。开拓性发明又有可能是基于所揭示的科学原理之上，将会形成新的观念和新技术理论，进而促进对于物质世界的认识。机械能动力系统技术发明课题研究，成功揭示并论证了杠杆及动力机械省力做功不对称能量转换的科学原理的客观存在，对于人类饱受能源危机及相关环境问题困扰的作用与意义是不言而喻的。

1.目前动力机械技术方面的缺陷

机械能动力系统技术不仅仅揭示了不对称能量转换的科学原理，还在于对于动力机械杠杆工具性能的全面梳理，客观地分析了动力机械内燃机和电动机的缺点所在，动力机械工作效率不高的症结主要还是源于系统技术所限。内能的能量形式是影响热机工作效率的主要原因，同时化石能源又面临资源枯竭，相关的排弃物对于环境的影响较大，制约人类社会的健康和谐发展。其次是发动机做功动力经活塞滑动的摩擦阻力，非做功状态的活塞运行的摩擦阻力的影响，动力的损耗较大，动力驱动施力的特点是不持续间断的点上间接施力，对动力亦有损耗，还有系统的发电、散热、水循环和进排气等附属机构运行阻力的羁伴，极大地影响了其效率的充分发挥。电动机虽然利用高效的电能，但是圆柱体的转子限制了，其杠杆效能的充分发挥。

2.飞轮功能及作用的认识

飞轮是动力机械的核心构件，飞轮看似非常简单的物体其内部也是隐藏了不少奥秘。动力机械是离不开飞轮的，蒸气机最初的设计是没有飞轮的，有无飞轮对蒸气机性能的影响较大，飞轮充分改善了蒸气机的性能，人们才认识到了飞轮的作用，所以发动机都有飞轮。但是人们对于飞轮的作用仍旧停留在存储、平衡和均衡能量层面上的认知。

机械能动力系统技术提升了对杠杆、轮轴和系列相关变形及组合工具作用的认识。通过分析杠杆和轮轴做功机理得知，轮轴的半径与轮轴的动能成正比和动力耗能成反比的关系，认识到轮轴飞轮可直接作为原动机使用的价值。机械能动力系统技术利用飞轮为原动机，着重解决了飞轮的轮上直接施力做功发挥杠杆增力作用的问题，同时也赋予飞轮更多的作用。飞轮可直接作为原动机的创新设计，既可起到杠杆的增力作用减少单位能耗，又可增加动力机械的动力性能的多种综合功能的作用，而不仅仅是作为必不可少的一个部件的作用。提高对这些工具做功深层次上的认识，基本上弄清楚了这些工具当中所蕴藏的规律，并因此揭示了不对称能量转换的科学原理，提升了对于客观物质世界的认识。

3.动力机械的精髓所在

飞轮、齿轮和车轮均是轮轴的变形杠杆工具，它们往往通过单个或是组合一起发挥做功变速、省力或是增力的杠杆作用。发动机通过活塞、连杆和曲轴所组成的摇臂杠杆转动做功，其本质是驱动飞轮高速旋转做功，动力经飞轮同轴的转动轴输出。

如果做功的动力能够直接从飞轮上或是直接作用于飞轮的轮上施力做功，既省略了热机发动机系统较为复杂的多节点摇臂杠杆及系统附属机构的羁绊，又克服了电机圆柱体转子低效的弊病。机械能动力系统利用轮轴飞轮直接作为原动机，直接或是间接利用电磁驱动装置，产生的气动、液压、喷气和喷液的推力或是反冲推力驱动飞轮的旋转做功。在飞轮的轮上采用非接触式的直接施力做功动力传递的损耗较小，受飞轮的径级所限杠杆的增力作用有限，动力增大的作用还要通过多级变速杠杆装置实现。

做功的原始动力经过上述技术措施的实施，其效能得以最大效率的发挥，而此高速转动的动力一般是不具备直接用来驱动汽车或是机车一类的交通运输工具。往往通过变速传动机构的减速增力作用，动力又经较长的传动轴和减速器的增力作用，再经过车轮工具减少摩擦阻力的作用，才能实现较大质量的交通运输工具的启动做功，而运动的交通运输工具其重心在车轮上面的运动惯力又通过车轮做功，又存在杠杆作用效应，其多节点的增力作用明显，增力作用达到原动力的百倍数量级甚至是千倍数量以上，做功的速度再通过多级变速装置逐级实现被驱动工具所要求的理想做功速度。同样的原理，机械能动力系统的飞轮原动机也要经过多级变速装置的增力作用，提升驱动力达到原始动力的百倍数量级甚至是千倍数量级以上的增力作用，只不过动力系统驱动不是车和货物，而是动能转换装置的发电机，并又经多级变速装置逐级提高到发电机匹配的理想做功速度。直接或间接的电磁驱动飞轮原动机和多级杠杆变速增力工具的组合为动力机械的精髓所在，而此也是实现不对称能量转换的根本原因。

二．机械能动力系统技术的设计方法

动力机械性能的高低首先是其做功耗能的能量形式所决定，电能是能量转换效率较高的能源之一，在能量的传输、存储和环保方面具有绝对的优势。其次是动力机械系统自身的效率及工作模式决定其效能的高低。围绕着增力变速，能量转换相关两极的极限上做文章，克服热机驱动技术方面的缺陷，充分减少做功的阻力，增加做功的驱动力，并围绕着如何利用好现有的技术与创新技术的有机结合，从而确保创新动力系统设计的科学性。

科学原理转变为实际的技术发明，涉及众多科学原理的与技术原理的有机结合。正如机械能动力系统创新技术设计揭示并运用不对称能量转换的科学原理，而使科学原理转化为完美的实用技术，首先在科学原理的运用与技术原理的巧妙结合，以及技术原理的创新运用，还在重要环节上解决好创新技术与现有传统技术的完美结合。机械能动力系统技术在各个环节上大多运用了现有的应用技术，其中的动力部分原动机的设计，依据杠杆、轮轴省力做功机理，运用轮轴飞轮为原动机，可发挥轮轴飞轮转动做功省力或增力的作用，并有效降低单位耗能，以及增加轮轴飞轮动能的多重功效的作用。机械能动力系统技术的特点注定了其能量形式为高效的电能，可充分减少动力系统无谓的损耗。

传统的热机发动机其内能是导致效率低下的主要因素，其次是活塞做功由连杠曲轴所组成的多节点的摇臂杠杆，对于飞轮的施力做功是间接的、间歇式的施力过程，特别是多缸活塞做功，非做功状态的活塞及曲轴连杆摇臂杠杆的相互牵制阻力，连杠、活塞和曲轴相关的各节点摩擦阻力，系统的附属发电、冷却、散热进排气系统的羁伴阻力始终是如影随形，做功动力的损耗及设备磨损是较大的。可直接把飞轮作为原动机来使用，并设法实现飞轮原动机的电磁驱动，则可以有效克服上述制约机械效能发挥的技术缺陷。

现代的一些诸如飞机和火箭一类工具，是以气动、喷气为驱动动力，这些驱动技术是比传统的机械式传动驱动更为高效、科学的方法。上述驱动力作用的特点，体现在力的作用是非接触、直接、持续的多点均衡的施力做功，动力基本上没有损耗和设备的损耗也较小。不论是什么性质的力，力的作用方向始终是直线，如何把直线方向的推力或是反冲推力直接转变为转动做功是动力机械设计的关键所在。蒸气轮机、燃气轮机的叶轮是依靠蒸气或是燃气的直接喷射到叶轮推动叶轮转动做功，液力变扭器通过液压喷射叶轮旋转做功，把直线施力的做功直接转化为圆周运动。可以把上述先进的驱动技术合理地移置到机械能动力系统技术上来，通过以下几种方式实现飞轮的转动做功，一是在飞轮上直接安装施力气动、喷气和喷液产生反冲推力的动力装置，直接通过轮上切线方向喷口的反冲推力的作用而使飞轮转动做功；二是利用蒸气机、燃气轮机相同的方法，其飞轮可制造成叶轮的形状，通过轮外安置的动力喷射叶轮旋转做功方法实现飞轮的转动做功；三是把飞轮设计为永磁或电磁飞轮转子，利用电磁驱动技术直接驱动飞轮转子的转动做功。

尽管直接把飞轮作为原动机可发挥杠杆做功省力耗能低的功率，但是单个杠杆工具省力或是增力作用毕竟有限，但是人的愿望与需求却是无限的，技术发明更多是为了满足人们的实际需求。好在前人已经为我们创造出了好的方法，机械式的轴、杆和齿轮及多级变速传动装置，满足增力变速的实际需求，可以合理最大限度地实现动力系统的做功省力或是增力的技术措施。机械能动力系统技术是封闭的系统，其动力循环存在系统的控制问题，以确保系统内部相互的协调、控制，系统动力的循环和能量的输出。机械能动力系统技术亦是机电一体化的动力系统装置。

三．机械能动力系统装置的构成：

1.动力部分：飞轮原动机。2.动力传动部分：由动力接合装置、多级变速增力装置和传动轴组成。3.能量转换装置：发电机。4.整个系统的启动、电能输出和系统的监控装置所组成。

四．机械能动力系统装置设计：

1.动力部分设计，飞轮原动机可由单个或是数个同轴飞轮转子组合而成，沿着定轴转动做功的飞轮转子。依据动力需求的特点亦可设计成，数个飞轮转子由自动或是控制式的离合装置串连组成动力系统，以满足动力变化的多样化需求，依据动力系统技术的特点确定飞轮转子为速度、重力或是混合型的飞轮转子。

飞轮原动机的驱动装置，依据结构特点可分为飞轮内置式或外置式的动力装置。其驱动效果各有所长，内置式驱动装置的特点是动力的作用效果直接经过的环节少其损耗小，而动力的传输方面也存在不便的缺点。安装在轮外的外置式驱动装置，缺点是施力是间接的动力有损耗。飞轮原动机的驱动方法设计如下：

(1).在飞轮转子的内部直接安装电机驱动的动力装置，一是利用气体或是液体方式所产生反冲推力经轮上的喷口，直接驱动飞轮转子的转动做功；二是利用飞轮上安装的电机驱动的螺旋桨气动推进装置，直接驱动飞轮转子的转动做功。

(2).在飞轮转子的外部安装电机驱动的动力装置，飞轮转子设计成方便接受动力的叶轮形状，通过气体或是液体喷射推力驱动飞轮转子的转动做功。

(3).电磁驱动模式，原动机飞轮转子可制作成永磁或是励磁的飞轮式转子，飞轮转子的转动做功，可由电机模式的电磁驱动实现。

2.动力传动部分，由动力接合装置、多级变速增力装置和传动轴组成。可由电磁、机械或是液力变扭器与多级（无极或有极）变速增力装置及传动轴与发电机相连。

3.能量转换装置：与动力系统匹配发电机，可依据动力系统增力幅度大的特点选择适合低转速，如水力电机制式的扁平结构的大直径电磁转子发电机。

4.整个系统的控制装置，动力循环、启动和监控装置及线路共四部分组成。主要是为了控制、协调整个系统的动力循环与电能的对外输出。

机械能动力系统技术在应用上具有宽泛的应用范围，主要的应用领域在能源与动力机械应用方面。可依据各自平台的特点，作为能源应用平台，基本上不受空间等条件的限制，原动机飞轮转子的直径可依据驱动的电机功率所确定，选择适宜的外径和类型的飞轮转子，可由一个或是数个飞轮转子原动机共同组合发挥作用以满足动力的相对需求。对于动力增力部分的装置，可依据应用平台的条件灵活地选择设计动力增力传动装置。动力增力组合由简单机械的轮、杆和轴及多级变速的杠杆增力装置组成，可实现原始动力最大化的增力作用效果，并适配功率相当的发电机共同组成机械能动力系统装置。

机械能动力系统技术的实施存在一定的难度，主要是飞轮内置式电磁驱动装置的能量传递问题。气体、液体和电能动力传递，其流动传递过程中的静止不动的导管和电源线与转动轴的动力传递问题。固定不动传递气压、液压动力的导管，可与转动轴为空心的转动轴导管相连通，通过相互接触面的内部凹凸结构设计确保内部的气压、液压的不泄露，保证动力压力的不损耗传递，及不影响转动轴的转动做功。电源的传输可通过固定不动与转动轴绝缘的滑环，并与转动轴内置的同轴一起转动的导线接触点与滑环相连，电源的负极搭铁。构成机械能动力系统的几大组成部分装配一起，经调试即可实现由系统或是外电源启动，直接或是间接的电磁驱动做功，原始动力经飞轮转子和多级变速装置的增力作用，原始动力得以增至其百倍甚至是千倍以上的量级，其驱动力得以极大的提升，可以驱动更大质量的发电机转动做功，利用多级变速装置，经系统的变控装置调控，逐级把做功的速度升至发电机所需理想的做功速度，并形成整个系统的动力循环控制及电能的对外输出。

 

参考文献

[1].王晓鸥主编.物理学概论—上海:同济大学出版，2007.2

[2].宣桂鑫主编.应用物理基础—上海:华东大学出版社,2006.4

[3].叶云岳.科技发明与专利—杭州:浙江大学出版社，2007.11

【注释】

[1]资料来源

:http://item.taobao.com/auction/item_detail-0db2-45fea414f4c9744c5c775bd6707dcd89.htm

[2]　资料来源:http://dingxinfdjz. cn. mechnet. com. cn/

[3]资料来源,http://blog.sina.com.cn/s/blog_5ff0d5fe0100cyjn.html

[4]资料来源,http://www.faw.com.cn/

[5]资料来源,刘志强主编.铁路机车车辆. —北京:中国铁道出版社，2007.8，第118页，表8-1内燃机车主要性能参数

[6]资料来源,http://www.faw.com.cn/product/vehicle/jf_j6_qycj601.htm

[7]资料来源,http://www.faw.com.cn/product/index.jsp-pros=1

Claims (7)

1. 机械能动力系统技术设计方法，其特征是，依据杠杆及动力机械省力做功能够形成不对称能量转换的原理，直接利用飞轮转子为原动机，可发挥杠杆省力做功单位耗能低的功效。飞轮原动机可由单个或是数个同轴的飞轮转子组合而成，或是由自动、控制离合装置串连数个飞轮转子组成动力系统。在飞轮转子的外部或是内部安装电磁驱动装置，在轮上实现多点、无接触电驱，气动、电动方式的直接施力驱动做功，动力再经系统的多级变速装置大幅度的增力作用，可以驱动更大质量的发电机工作，再通过变速装置逐级变速达到发电机所需的理想做功速度。用系统产生的电能替换外接电源驱动，利用系统的监控装置，控制机械能动力系统的启动、动能的产生及电能的转化形成，动力的循环做功，以及系统对外的电能输出的机电一体化装置的设计方法。

2.机械能动力系统技术设计方法，根据权利要求书1所述，其特征是，飞轮转子原动机的驱动技术方法，在飞轮转子的内部直接安装电机驱动的动力装置，一是利用气体或是液体方式所产生反冲推力直接驱动飞轮转子的转动做功；二是利用电机驱动的螺旋桨气动推进装置直接驱动飞轮转子的转动做功。

3.机械能动力系统技术设计方法，根据权利要求书1所述，其特征是，在飞轮转子的外部安装电机驱动的动力装置，飞轮转子设计成方便接受动力的叶轮形状，通过气体或是液体喷射推力驱动飞轮转子的转动做功。

4.机械能动力系统技术设计方法，根据权利要求书1所述，其特征是，飞轮转子原动机的驱动技术方法，原动机飞轮转子可制作成永磁或是励磁的飞轮转子，飞轮转子的转动做功由电机模式的电磁驱动实现。

5.机械能动力系统技术设计方法，根据权利要求书1所述，其特征是，飞轮转子原动机的驱动技术方法，热机动力装置驱动产生喷气、液压和气动推力或是反冲推力，均可实现飞轮转子的转动做功。

6.机械能动力系统技术设计方法，根据权利要求书1所述，其特征是，热机和传统的电动机为原动机，动力经传导变速增力装置驱动发电机做功，形成动力系统的往复循环做功。

7.根据权利要求1所述的机械能动力系统技术设计方法，其特征是，机械能动力系统的构成方法及做为动力工具所驱动的应用平台，在广泛的交通运输工具、工程、农业和能源利用方面相关的技术开发与系统应用问题。

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