CN1385323A - 立涡势能发动机 - Google Patents

Abstract

本发明立涡势能发动机由能量输入系统、能量蓄贮系统、能量输出系统和制动蓄能系统组成,它的核心能量蓄贮系统是一种立体涡卷弹簧,它是由10个平面涡卷弹簧(8)通过10个“弓”形联动器(7)首尾相连而成。它使发动机的蓄能系统在不扩大涡卷弹簧半径的前提下蓄能量扩大10倍。它的制动蓄能系统可以在车辆下坡时自动补给大量势能。

Description

说明书 立涡势能发动机

本发明涉及一种可供车船等交通工具使用的结构简单、无任何污染、无任何气体排放的高效节能发动机。由于它的蓄能部分是一种立体涡卷弹簧，所以称之为立体涡卷弹簧势能发动机，简称立涡势能发动机。

现有的车船等交通工具所采用的动力装置大体可分三类，即蒸汽机、内燃机和电动机。前两类结构复杂，能源浪费巨大，且有大量有毒气体和温室气体排放，对人类的生存环境造成了极大的破坏。而后者虽然结构简单，但自身无法蓄能，若采用有线供电，虽供能充足，但灵活性差，使用上严重受限，无法发挥其作为交通工具应有的功能；若采用电池蓄电，则有充电时间漫长、充放电时能量损失严重以及大量使用电池造成酸及重金属污染等弊端。近年出现的燃料电池车船动力装置，也无法克服内燃机和电动机的缺点，它在使用时放热量大，经济性差，其环保性来源于对清洁燃料的依赖，这一点与内燃机相比无明显优越性可言。近来在国外有人研究一种以压缩空气推动活塞做功的势能发动机，其结构复杂、蓄能量小，在思路上没能突破内燃机这种传统模式的束缚，除环保性外，均无可取之处，且受环境温度影响极大，无法推广使用。

本发明的任务，就是提供一种能够有效地克服现有的动力装置以上诸多缺陷的车船发动机。

本发明是以如下方法实现的：由一个安装在圆柱状机壳内部的电能输入机构和一个暴露在机壳一端的动能输入机构组成的能量输入系统分别将电能或动能等形式的能量输入一个由立体涡卷弹簧和止逆弹簧卡以及释能制动齿轮组成的蓄能系统中，以弹性势能的形式贮存起来，然后由由一个能量输出齿轴和一个套在齿轴上与之啮合并能纵轴左右滑动的能量输出齿轮组成的能量输出系统，按操纵者要求节放能量，驱动交通工具或其它机械做功。

所谓立体涡卷弹簧，是相对于平面涡卷弹簧而言的，顾名思义，它的能量蓄贮是大量的、立体性的，这一点是本发明的关键所在。在“人丁众多”的弹簧家族中，平面涡卷弹簧以其变形角大的特点，在弹簧蓄能方面首屈一指。其特点是，所蓄能量与被盘曲的弹簧长度成正比，要想蓄贮更多的能量，就必须加大弹簧长度。由于平面涡卷弹簧是在二维平面内盘曲延展的，所以长度的增加，势必导致盘簧直径的扩大，超大盘径的平面涡卷弹簧无法在交通工具上使用。要想继续增大势能蓄贮量，就必须向三维发展。取一根超长的板簧，先将它盘成一个平面涡卷弹簧，当盘簧直径增大到一定限度时，将板簧翻折90度，使其向垂直于盘簧平面的三维方向延伸，当延伸至超过板簧宽度的1/2时再将板簧平折90度，使其沿平面涡卷弹簧的一侧向平面涡卷弹簧的中心延伸，当延伸至涡心时，再平折90度，使其重新向垂直于盘簧平面的三维方向延伸，形成一个“Z”形联动板(这段板簧本身并不能蓄能，只起连接联动的作用)，继续延伸，当延伸至超过板簧宽度时，再将板簧翻折90度，在第一个平面涡卷弹簧的一侧与之平行的平面内盘成第二个平面涡卷弹簧。如法炮制，一个新的弹簧品种——立体涡卷弹簧产生了。它可以在不增大盘簧直径的前提下数十成百倍地提高势能蓄贮量。由于具有较大倔强系数的板簧是不能轻易被屈折90度而形成“Z”形的，于是我们用一种圆盘联动器来替代“Z”形联动板，因其纵轴截面酷似一张带有瞄准具的弓(如图3)，所以称之为“弓”形联动器。它不仅具备“Z”形联动板的全部功能，而且还能充当平面涡卷弹簧的半封闭“弦盒”，使各个平面涡卷弹簧首尾相连，但无法相互缠绕、刮擦，从而消除噪音和摩擦阻力。

另外，本立涡势能发动机还设有一个制动蓄能系统，它通过一组齿轮和传动轴，将车辆制动过程中的大量前趋势能重新输回立体涡卷弹簧中，贮存起来。我们知道，在车辆(仅限陆上交通工具)减速、停车以及下坡时，制动能量是相当巨大的，而在以往的采用其它动力装置的车辆上，这部分能量不仅被白白地浪费掉了，而且这部分能量在转化和传递过程中，还对车辆的相关部件造成不同程度的损坏，它大大地缩短了车辆整体使用寿命。采用这个制动蓄能系统，既可增长车辆整体使用寿命，又能节约大量能源，它使车辆节能水平大幅提高、渐趋极至，这一点是采用其它动力装置的车辆所无法企及的。

本机结构简单，兼备内燃机本身及其能量储存供应系统的双重功能，且省略了进排气系统(因无任何排放)和冷却系统(因产生热量太少无需冷却)；本机无噪音，因主要噪音源——曲轴连杆机构和进排气系统均被省略，所以本机正常运行时无噪音危害；本机操纵方便，装备本机的车船的操纵系统可大幅简化，仅用双脚即可从容驾驶，从而解放了双手。

作为一种交通工具，速度是一个不能忽视的主要性能指标，由于弹簧的匀加速释能特性，装备这种立涡势能发动机的交通工具，将成为世界上最快捷的陆地和水上交通工具，其最高时速可不小于1,000公里。随着材料科学的不断发展，立涡势能发动机还将成为航空器的动力装置。

本机的广泛使用，必将引发一场革命，使人类彻底摆脱无异于自掘坟墓的对排放毒气的动力装置的依赖，走上一条科学健康的发展之路。

以下结合附图对发明做进一步详细描述。

图1是本发明的整体结构纵轴剖视图

图2是图1的A-A剖面图

图3是兼做半封闭“弦盒”的“弓”形联动器剖视图

图4是防共振板簧截面图

参照图1，在图的右侧，一个动能输入齿轮(14)和一个动能输入轴头叉(16)构成本机的动能输入机构。在装备有大功率电动机和其它大功率动能输出机械的供能站内，强大的动能通过(14)或(16)迅速输入由“弓”形联动器(7)和平面涡卷弹簧(8)连接而成的立体涡卷弹簧蓄能系统中，顷刻间完成能量补给。

本机也可采用电能输入法蓄贮能量：当附近没有专门供能站时，可将电能输入插线(22)插入电能输入插座(21)内，使另一端与民用电源(一般为220V)接通，这样，电能通过固定在发动机外壳(9)和机内隔板(25)之间的兼做发电机的永磁电动转化器(20)将电能转化成动能通过传动齿轮(24)和(19)带动“弓”形联动器将能量均匀地贮存在立体涡卷弹簧的各个蓄能单元中。单向旋转齿轮(18)在止逆弹簧卡(23)的卡制下只能顺时针旋转，以保证势能存贮系统中的能量不至于因逆转而空释。

本机的核心蓄能系统——立体涡卷弹簧，由10个“弓”形联动器(7)(结构如图3)和10个平面涡卷弹簧(8)(结构如图2)分别构成的10个蓄能单元组成，它们首尾相接，形成一个统一的整体，与一个平面涡卷弹簧的工作特点相同。当能量自右端第一个“弓”形联动器(结构如图3)的规向轴D输入时，由盘簧远心端固定护圈A、六孔圆盘状垂直隔离联动板B、盘簧近心端固定圈C和盘簧轴向规定杆(简称规向轴)D构成的“弓”形联动器顺时针转动，盘簧远心端固定护圈A带动右侧第一个平面涡卷弹簧(本机采用的平面涡卷弹簧均属非接触型平面涡卷弹簧，这种平面涡卷弹簧无摩擦阻滞，蓄、释能均匀平稳，震动小，若其截面如图4，更可减少共振和噪音及断裂几率)的远心端顺时针旋转蓄能，而此盘平面涡卷弹簧的近心端与第二个“弓”形联动器的近心固定圈相连，并带动第二个“弓”形联动器顺时针旋转，第二个“弓”形联动器又带动第二盘平面涡卷弹簧顺时针旋转蓄能。以此类推，能量被均匀地蓄贮在各个蓄能单元中。在蓄能过程中，各单元都顺时针旋转，但转数由右(输入端)向左递减。

本机能量输出系统由能量输出齿轴(2)和套在齿轴(2)上并与之啮合可以顺轴左右滑动的复合齿轮(1)、(3)组成。(1)是与做功系统啮合的能量输出齿轮，(3)是与制动盆形齿轮(4)啮合的离合制动伞形齿轮，(3)、(4)构成一个离合器。(4)也是一个复合齿轮，其外环齿轮与传动齿轮(6)啮合。能量输出系统的工作过程如下：当操纵者将能量输出齿轮(1)向左推动使之与做功系统啮合，同时制动伞形齿轮(3)在(1)的带动下向左同步滑动与制动盆形齿轮(4)分离，释能制动解除，能量经齿轴(2)传给(1)，由(1)传给做功系统做功。

当采用本立涡势能发动机的车辆需要制动时，将复合齿轮(1)、(3)向右推动，使(3)、(4)啮合，这时(1)不与做功系统分离，车辆在惯力作用下带动盆形复合齿轮(4)顺时针旋转，(4)带动传动齿轮(6)逆时针旋转，因(4)与(6)的直径比为10∶1，所以(6)比(4)的旋转角速度扩大10倍，(6)带动水平传动轴(5)，(5)带动锥形传动齿轮(10)，(10)带动等大的垂直传动锥形齿轮(11)，(11)带动垂直传动轴(13)，(13)带动垂直传动伞形齿轮(15)，(15)带动等大的伞形齿轮(17)，(17)顺时针旋转，(17)将车辆制动的巨大能量重新输回立体涡卷弹簧蓄能系统中，贮存起来。同时，因在传动过程中齿轮转数扩大10倍，蓄能弹簧的反向扭矩迅速增大，反向传递作用于盆形齿轮(4)对整车起到制动作用，同时回收大量动能。

Claims (4)

1.一个由能量输入系统、能量蓄贮系统、能量输出系统和制动蓄能系统组成的立涡势能发动机，其特点是采用立体涡卷弹簧蓄能，而且能够在车辆制动过程中自动吸收能量。

2.一种由两个或两个以上首尾相连平面涡卷弹簧组成的立体涡卷弹簧，它可以由一根弹簧连续盘曲弯折制成，也可以由两个或两个以上弹性系数和形状大小都相同的平面涡卷弹簧通过联动器首尾相连而成，其特征是，一个平面涡卷弹簧的尾端即远心端与另一个平面涡卷弹簧的首端即近心端相连接，并能以相同角速度联动，各个平面涡卷弹簧分别处在相互平行的不同平面内，且各个平面涡卷弹簧的涡卷中心处在同一轴线上。

3.一个“弓”形联动器，它由一个刚度较大的远心端固定圈(A)、圆盘状垂直联动板(B)、近心端固定圈(C)、规向轴(D)和规向轴基座组成，其中远心端固定圈和近心端固定圈以及规向轴具有共同的轴线，且此轴线穿过圆盘状垂直联动板的中心，与其圆盘平面垂直，穿过圆盘形规向轴基座中心，并与其圆盘平面垂直，规向轴(D)的左端垂直固定在基座的中心点上，而其圆盘基座的外缘与近心端固定圈(C)的半径相同并与之右端固定在一起，近心端固定圈(C)的左端与和它相同半径的圆盘状垂直联动板(B)中心圆孔的外缘固定在一起，而圆盘状垂直联动板(B)的外缘与和它相同半径的远心端固定圈的右端固定在一起，形成一个联动器整体，它的远心端固定圈(A)与一个平面涡卷弹簧的远心端相连，它的近心端固定圈(C)与处在相互平行的不同平面内的另一个平面涡卷弹簧的近心端相连，组成立体涡卷弹簧，它还可兼作平面涡卷弹簧的半封闭弦盒，因其纵轴线截面酷似一张带有瞄准具的弓，所以称之为“弓”形联动器，其特征是，圆盘状垂直联动板刚度大，厚度小，隔离性好，联动器整体抗扭拉强度高，能严格限制平面涡卷弹簧的轴向。

4.一个能够有效回收车辆制动能量的制动蓄能系统，它通过一组传动齿轮和传动轴将车辆制动过程中的巨大能量传递到弹簧蓄能系统中，蓄贮起来，其特征是在传动过程中，通过不同半径的齿轮将能量输入端齿轮转数成倍扩大，达到能量输出端齿轮转数的数倍乃至数十倍，这样在车辆惯力推动齿轮旋转过程中，蓄能系统吸收的能量远远超过它所释放的能量，达到蓄能的目的，同时，齿轮转数的成倍扩大，使蓄能弹簧的反作用力矩迅速增大，达到制动目的。

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