CN109882311A - 一种动力活塞 - Google Patents

Abstract

一种动力活塞，属于动力活塞技术领域。本发明活塞基于改良传统活塞经滑动摩擦对材料的损耗和对润滑油的要求，以及在极端环境下，如斯特林发动机正常运行时的高温环境，润滑失去效果等缺陷。本发明由长方体活塞杆以及分布于气缸壁边缘的滚杆配合，在八边形气缸壁内运作，滚杆两侧由圆锥体相互契合，从而防止缸内工作物质外泄。活塞杆于气缸壁透过滚杆间接接触，遂通过滚动摩擦以达到最低的摩擦力。

Description

一种动力活塞

技术领域

本发明涉及一种动力活塞，特别是一种没有滑动摩擦的动力活塞，属于动力活塞技术领域。

背景技术

斯特林发动机为通过加热及冷却工作物质(氢气或氦气)，并根据工作物质吸热、膨胀、放热、压缩为一个周期进行循环的外燃机。该发动机具有理论效率极高(大于内燃机)且适用于各种能源等特点，但是由于其对润滑以及材料的极端要求等问题，斯特林发动机并没有被广泛普及。

当一件物体在另一物体表面滑动时，该表面会由于二者之间接触面的粗糙而受到与其运动方向相反的摩擦力。在传统活塞中，活塞杆在气缸内壁滑动而遂在二者的接触面上产生摩擦力，这项问题便引来了对活塞的磨损以及润滑的需求。

当球或是圆柱体在平面滚动且同时无滑动时，它和平面之间的接触为一个点或一条线，由于在接触面上的这部分物体相对平面没有运动，它不会与地面产生滑动摩擦，因此物体不会因为接触面之间的粗糙而消耗动能或过度磨损平面。

当物体滚动时它会因为与平面接触且施压而导致二者形变，从而阻碍物体运动，谓滚动摩擦。相比滑动摩擦，物体在相同情况下可用小得多的力克服滚动摩擦。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种动力活塞，通过消除活塞杆相对于活塞内壁的滑动，且将滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低了摩擦力，并能够减少二者运动中的磨损以及对润滑的需求。

本发明的技术解决方案是：一种动力活塞，包括活塞杆、滚杆和活塞气缸壁；所述活塞杆为柱状结构；所述活塞气缸壁为空心柱状结构，包括长边和短边；所述滚杆中间部分为圆柱段，两端为圆锥端；所述圆柱段水平紧贴在活塞气缸壁长边的内侧，所述圆锥端的侧面紧贴在活塞气缸壁短边的内侧，相邻两个圆锥端的侧面互相紧贴；当活塞杆上下运动时，带动滚杆一起上下运动，滚杆的圆柱段紧贴活塞气缸壁长边上下运动，滚杆的圆锥端的侧面紧贴活塞气缸壁短边上下运动，同时相邻两个圆锥端的侧面相互紧贴、同时上下运动。

优选地，所述圆柱段的长度与所述长边长度相等，所述圆锥端的母线长度为所述短边长度的二分之一。

优选地，所述圆柱段底面周长与短边长度的比例为

优选地，所述长边的长度为30cm～40cm，所述短边的长度为7.5cm～20cm；所述圆柱段的长度为30cm～40cm；

优选地，所述圆柱段底面周长为5.3cm～14.1cm，所述圆锥端母线长度为3.8cm～10cm。

优选地，所述活塞气缸壁的横截面为八边形，包括四个长边和四个短边，所述滚杆个数为四。

优选地，所述圆锥端的顶角角度为90°。

优选地，所述活塞气缸壁的横截面为六边形，包括三个长边和三个短边，所述滚杆个数为三。

优选地，所述圆锥端的顶角角度为90°。

优选地，所述滚杆和活塞气缸壁的材料为硅橡胶。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过消除活塞杆相对于活塞内壁的滑动，且将其转换为滚动摩擦，可以减少二者运动中的磨损以及对润滑的需求。在两个物体的滑动摩擦中，由于二者表面将有不可避免的粗糙其相对运动会受到一定的阻碍，且二者的表面会因为相对运动的摩擦而磨损，导致二者的接触面积减少，从而降低活塞对工作物质的密封性。相对来讲，在滚动且无滑动的运动中，粗糙表面之间由于没有相对滑动，物体运动所需克服的力，以及其接触表面的磨损，相比滑动摩擦而言更加的小，同时由于滚动不需要相对滑动，该运动没有对润滑的任何要求。

附图说明

图1为本发明动力活塞正面剖面图；

图2为本发明动力活塞俯视图。

具体实施方式

一种动力活塞：

(1)通过滚杆2衔接活塞杆1以及气缸内壁，在工作流体不外流的情况下，将二者接触面上的滑动摩擦转换为滚动摩擦。

(2)活塞包括正八边形气缸壁3，由两组长对边和两组短对边组成；两端为圆锥的圆柱滚杆2，其圆柱部分长度等于八边形气缸内其长对边之长，该圆柱底面的周长与短对边之长的比例为且其圆锥体部分的侧边等于短对边之长的二分之一。进一步的，该圆锥顶角角度为90°，而剩余两角，即侧边和圆柱底面半径形成的夹角，均为45°；同时，该活塞气缸壁3其长对边长度范围为30cm～40cm，而短对边之长度范围为7.5cm～20cm；而相对的，滚杆2圆柱部分长度范围同样为30cm～40cm，其圆柱底面的圆形周长范围为5.3cm～14.1cm，而滚杆2其圆锥体的侧边长度范围为3.8cm～10cm。

(3)四支滚杆2置于气缸内壁边缘，其圆柱体部分于长边接触而其圆锥体侧边于短边接触，四支滚杆2且由圆锥体侧边互相接触，在内侧接触的两角均为圆锥体侧边与其底面圆形半径所形成的45°夹角，并通过接触于滚杆2内侧叠加为90°角，四只滚杆2均以此法接触，因此在滚杆2内侧围成正方形空腔；同时，于外侧，圆锥体由于侧边的接触其顶角相加，形成角度为180°，长度为两条圆锥侧边的长度，即7.5cm～20cm的一条侧边，其与短对边接触；同时与圆锥连接的圆柱部分同长对边接触，因此形成八边形形状。

(4)长方体活塞杆1置于气缸内正中央处，并与四只圆柱滚杆2契合，其底面为正方形且该正方形的边长等于滚杆2圆柱体部分的长度，即30cm～40cm。

(5)通过活塞杆、圆柱滚杆，以及活塞壁所用材料之间的相互挤压以及相应的弹性形变形成对工作流体的密封，由于过高的形变程度会造成滚杆滚动时遭受过高的阻力，因此所有部件不可被压缩至小于其原体积的90％。

下面结合附图进行进一步说明。

如图1所示，为本发明正面的构造剖面图，设有滚杆2(共两只可见)，活塞杆1，气缸壁3，以及工作物质4；图中可见滚杆2不与活塞壁直接契合，而是通过滚杆2间接地接触，并且以此将活塞的工作物质4密封于气缸内。由图中所示，当活塞杆1受到下方工作物质4的压力时，其向上方运动所受到的阻力并不来自于滑动摩擦，由于滚杆2在活塞杆1向上进行垂直运动的过程中受到活塞杆1的摩擦牵引而滚动，它始终于接触面上与其保持零相对滑动，并因此抵消了滑动摩擦。

如图2所示，八边形气缸内壁较长的两对对边边长与正方形边长以及滚杆2圆柱部分的长度相等，该圆柱底面的周长与气缸壁3短对边之长的比例为两支侧边相互契合的，顶角为九十度的圆锥其外部的侧边与八边形气缸壁3的短对边接触，且其圆锥体部分的侧边等于短对边之长的二分之一。该圆锥顶角角度为90°，而剩余两角，即侧边和圆柱底面半径形成的夹角，均为45°；具体数据为：该活塞气缸壁3其长对边长度范围为30cm～40cm，而短对边之长度范围为7.5cm～20cm；而相对的，滚杆2圆柱部分长度范围同样为30cm～40cm，其圆柱底面的圆形周长范围为5.3cm～14.1cm，而滚杆2其圆锥体的侧边长度范围为3.8cm～10cm。四支滚杆2置于气缸内壁边缘，紧贴气缸壁3，其圆柱体部分于长边接触而其圆锥体侧边于短边接触，四支滚杆2且由圆锥体侧边互相接触，在内侧接触的两角均为圆锥体侧边与其底面圆形半径所形成的45°夹角，并通过接触于滚杆2内侧叠加为90°角，四只滚杆2均以此法接触以形成正方形空腔；同时，于外侧，圆锥体由于侧边的接触其顶角相加，形成角度为180°，长度为两条圆锥侧边的长度，即7.5cm～20cm的一条侧边，其与短对边接触；同时与圆锥连接的圆柱部分同长对边接触，因此形成八边形形状。

相对于材料问题，由于斯特林发动机通过高温循环的性质，该活塞需要使用耐高温，低导热性的材料制造以防高温工作物质4致其受热融化，或因为材料向周围环境导热的关系造成能量浪费；进一步的，在滚动摩擦中物体的接触面越粗糙，则代表其运动时受到的滑动摩擦越小，因此气缸壁3以及滚杆2之间的接触面需要一定的粗糙度以将活塞运动时受到的阻力最小化；进一步的，二者需要一定的韧性以及密封性，以此通过部件相互挤压并造成相应的弹性形变封闭可能存在的缝隙并防止工作物质4外流。活塞杆1则同时需要具备足够的强度、刚度，和稳定性等特点，并以此使活塞的输出功率最大化。如上所述，气缸壁3以及滚杆2需使用硅橡胶制作，该材料可耐300℃以上的高温、具备一定的韧性和弹性，同时可作密封材料；而活塞杆1则需要经过滚压加工以增加其在气缸内运转时的寿命以及强度。

本发明动力活塞的工作原理：下文为在斯特林发动机工作时，其中一个活塞(该发动机通常拥有两个活塞)的运动轨迹。当活塞处于静止时，其活塞杆1因为重力作用而下沉；当其沉入斯特林发动机的气缸内时，它会受到由工作气体产生的阻力阻止它向下。当发动机启动时，于热置换气缸内的工作物质4迅速受热膨胀，并对活塞杆1做工使其向上行进，并因此由活塞杆1带动四根滚杆2向外旋转以消除滑动摩擦，同时根据斯特林发动机结构机理，活塞杆1与发动机马达轮连接并以此将活塞运动转换为转动，因此可通过马达轮有限的运动方向，即单一平面上的旋转，有效防止活塞杆1在运动时跳出活塞外；而当工作物质4吸热膨胀至一定大小后，它会冷却并收缩体积，吸引动力活塞向内运动，同时以此带动四支滚杆2向内滚动以消除滑动摩擦。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种动力活塞，其特征在于：包括活塞杆(1)、滚杆(2)和活塞气缸壁(3)；所述活塞杆(1)为柱状结构；所述活塞气缸壁(3)为空心柱状结构，包括长边和短边；所述滚杆(2)中间部分为圆柱段，两端为圆锥端；所述圆柱段水平紧贴在活塞气缸壁(3)长边的内侧，所述圆锥端的侧面紧贴在活塞气缸壁(3)短边的内侧，相邻两个圆锥端的侧面互相紧贴；当活塞杆(1)上下运动时，带动滚杆(2)一起上下运动，滚杆(2)的圆柱段紧贴活塞气缸壁(3)长边上下运动，滚杆(2)的圆锥端的侧面紧贴活塞气缸壁(3)短边上下运动，同时相邻两个圆锥端的侧面相互紧贴、同时上下运动。

2.根据权利要求1所述的一种动力活塞，其特征在于：所述圆柱段的长度与所述长边长度相等，所述圆锥端的母线长度为所述短边长度的二分之一。

3.根据权利要求1所述的一种动力活塞，其特征在于：所述圆柱段底面周长与短边长度的比例为

4.根据权利要求1所述的一种动力活塞，其特征在于：所述长边的长度为30cm～40cm，所述短边的长度为7.5cm～20cm；所述圆柱段的长度为30cm～40cm；

5.根据权利要求4所述的一种动力活塞，其特征在于：所述圆柱段底面周长为5.3cm～14.1cm，所述圆锥端母线长度为3.8cm～10cm。

6.根据权利要求1所述的一种动力活塞，其特征在于：所述活塞气缸壁(3)的横截面为八边形，包括四个长边和四个短边，所述滚杆(2)个数为四。

7.根据权利要求6所述的一种动力活塞，其特征在于：所述圆锥端的顶角角度为90°。

8.根据权利要求1所述的一种动力活塞，其特征在于：所述活塞气缸壁(3)的横截面为六边形，包括三个长边和三个短边，所述滚杆(2)个数为三。

9.根据权利要求9所述的一种动力活塞，其特征在于：所述圆锥端的顶角角度为90°。

10.根据权利要求1所述的一种动力活塞，其特征在于：所述滚杆(2)和活塞气缸壁(3)的材料为硅橡胶。