CN200964055Y - 重力驱动轮 - Google Patents

Abstract

一种能够将车辆重力转化为动力并驱动车辆行进的重力驱动轮。它是在车轮轮毂内缘，配置装有液压系统和多个拾力器的动力轮及两个虚约束轮。动力轮拾力器拾取车轮承载重力并放大、传导至液压系统，液压系统产生液动力并转化为转矩。同时动力轮与车轮轮毂组成内外圈传动递力机构，使动力轮在拾取重力产生滚动阻力的同时，也产生等值的滚动助力。获得足够转矩、抵消滚动阻力的动力轮从而实现旋转并带动车轮运转，驱动车辆运行。重力驱动轮可以装配于公路车辆、轨道车辆和履带车辆，不耗燃油，节约能源，减少污染。

Description

重力驱动轮

技术领域

本实用新型涉及一种将车辆重力转化为液动力，继而将液动力转化为转矩的车轮动力装置。应归类于：机械工程类——发动机或泵分部——F03。

背景技术

将物体重力这一能源转化为动力，以推动物体自身移动，一直是人们科研、发明的目标之一。但是迄今为止，只有一些用作辅助动力、补充动力的装置获得专利。尚未有仅依靠自身重力转化的动力，能够推动物体自身行进的装置取得成功。其共同的原因，主要是未能解决以下两大技术难题：

其一，“得不偿失”。在获取重力的过程中，会形成较大的滚动阻力或复位阻力；获取重力转化得到的动力，不足以补偿形成的这些阻力。

其二，“供不应求”。为减少滚动阻力、复位阻力，获取重力的技术条件便受到很多限制，因而获取重力的效率便会降低，获取重力转化而成的动力便会进一步削弱，不能够满足物体自身移动的动力需求。

本实用新型就是在克服这两大技术难题的基础上，提出的新技术方案。

发明内容

本实用新型是将车辆自重和载重产生的重力作为能源，以独到而简约的装置，将车辆重力转化为液动力，继而将液动力转化为转矩，直接驱动车轮运转达成车辆运行。可实现车辆不装备公知的发动机，车辆运行只耗用极少量电能，不耗用燃料。

1、技术方案概述

重力驱动轮(以下简称重驱轮)是在车轮(4)轮毂内缘装置动力轮(1)、虚约束轮(2)(3)。其主要结构关系见图1。在重驱轮内部，动力轮(1)是主动轮，车轮(4)是从动轮，虚约束轮(2)、(3)起支撑、强化等虚约束作用。动力轮(1)旋转时，带动车轮(4)运转。

动力轮(1)是重驱轮的主体部分。车辆重力转化为转矩，主要在动力轮(1)完成。其工作原理见图2。

动力轮(1)装有液压系统和多个拾力器。拾力器(20)均伸出动力轮(1)轮缘，在受到车辆自重和载重的重力压迫时，向轮轴心方向移动，上推相连泵缸活塞(15)，使泵缸(12)经输油集流管(7)输出少量有压液流，推动液压马达(9)并带动动力轮(1)转动一个角度，致使下一个拾力器受力上推相连泵缸活塞。如此各泵缸依次输出有压液流，通过输油集流管(7)形成持续的液流量和液压力，经液压马达(9)产生持续转矩，带动动力轮旋转，动力轮传动车轮旋转。同时回油经回油集流管(8)返回各泵缸，为下一个过程做好准备。

应特别指出的是，这一过程能否完成，取决于两个关键机构(部件)的关键作用：其一，拾力器(20)的作用。拾力器(20)在拾取重力的同时，可以将其力值放大，并可以将上推泵缸活塞的行程延长。这两项功能既可使液压力显著增大，又能使液流量显著增多，因而液压马达(9)产生的功率随之显著提高。有效地解决了液动力“供不应求”的技术难题。其二，内外圈传动递力机构的作用。动力轮(1)和车轮(4)轮毂组成内外圈传动递力机构，可以将动力轮(1)拾力过程中产生的滚动阻力，在重驱轮内部转化为车轮(4)的滚动助力。从而有效地解决了产生阻力大于所得动力的“得不偿失”问题。正是这两点关键作用，避免了上述工作过程因动力不足而中辍。

2、构造

①重驱轮的基本构造

重驱轮主要由动力轮(1)、两个虚约束轮(2)(3)、Y形支架(5)、车轮(4)组成。其基本构造见图3，同时可参见图4。

车轮轮轴刚性固定在车体上。Y形支架(5)刚性套接在车轮轮轴上并固定在车体上。动力轮(1)和虚约束轮(2)、(3)在Y形支架的支撑下，与车轮(4)呈虚约束状态。这一结构的主要作用，是使动力轮(1)与车轮(4)轮毂构成内外圈传动递力机构，以便在动力轮(1)拾力产生滚动阻力的同时，在车轮(4)上生成与动力轮(1)滚动阻力等值的滚动助力。

车轮(4)以调心滚柱轴承安装在轮轴外端，可获得一定的偏移度，在自重和载重的重力作用下，可以保证车体重力能够通过Y形支架(5)有效地施压在动力轮(1)上，尤其是在动力轮(1)外缘出现磨损时，能够做自动补偿。

由于车轮(4)的偏移度实际上很小，因而虚约束轮(2)(3)采用充气轮胎式。既可简化设计，减少部件，又可充分利用充气轮胎弹性好、附着力强和抗侧向力强等性能，提高虚约束强度。与动力轮(1)共同作用，可使车轮因装配调心轴承而减弱的运转稳定性和抗侧向力，得到大大加强。

适应三轮虚约束的结构特点，特别设计、安装互锁式制动器(6)。

②动力轮构造

动力轮由液压系统及拾力器、传动机构、辅动装置组成。其构造见图4。

a.液压系统及拾力器

动力轮的液压系统由泵缸(12)、输油集流管(7)、回油集流管(8)、液压马达(9)、小型储能器(10)、过滤器(11)组成。这是一个简化的闭环液压系统。由于重驱轮采用独特的辅动控制技术，动力轮的液压系统精简了传统的溢流阀、调速阀、换向阀等控制元件。

这一系统担负着5项任务：拾取重力，将重力转化为液动力，将液动力转化为转矩，输出转矩和在车辆倒车时反向输出转矩。

在车辆重力作用下，拾力器(20)上推泵缸活塞(15)，使泵缸(12)输出有压液流并经由输油集流管(7)输入液压马达(9)，推动液压马达(9)转动一个角度并同时使另一拾力器(20)受压上推......循环往复形成持续的液流量、液压力，使液压马达(9)产生持续转矩，带动动力轮(1)旋转并传递输出转矩。液流在液压马达(9)内做功后，经由输油集流管(8)和过滤器(11)返回各泵缸。

输油集流管(7)和回油集流管(8)，结构相同，均为与泵缸数量相等的三通油管焊接连缀而成，与各泵缸(12)连接。分别起集流输油、集流回油的功用。同时，各连接一个单向阀，分别兼作充油口和换油排油口。

储能器(10)调节系统压力脉动、调节进油口流量变化。必要时可以在动力轮轴套上加装串联至3个储能器。

b.动力轮传动机构

动力轮(1)的传动部分，由轮(21)、轴(22)等组成。轮的辐板上安装泵缸(12)、集流管(7)(8)和液压马达(9)，轮(21)的轴套上安装储能器(10)和过滤器(11)。轴(22)一端刚性固定在Y形支架(5)上，另一端与液压马达(9)的动力输出轴以花键连接。  因而液压马达(9)呈壳转状态，并带动轮(21)及轮上安装的其他元件一同旋转。轮(21)的轮毂，其内缘与辅动电机(13)的动力输出轮相接，接收辅动动力；外缘与车轮(4)轮毂相接，向车轮传递转矩。

c.动力轮辅动装置

动力轮(1)的辅动装置，由辅动电机(13)及其动力输出轮组成。可向动力轮(1)传递辅助动力。

3、关键部件(机构)及其功能

①泵缸

泵缸(12)由缸体、活塞(15)及其摆动活塞杆、输油单向阀(16)、回油单向阀(17)组成。其构造见图5。

泵缸(12)构造与液压缸相似，但作用相反。液压缸将液压能转化为机械能，泵缸(12)则将机械能转化为液压能。当泵缸活塞(15)被拾力器(20)推进时，活塞上行，缸内液体成为有压液流，通过输油单向阀(16)经输油集流管(7)输入液压马达(9)，以推动液压马达(9)做功。回油则由回油集流管(8)回注泵缸(12)内。

导泄孔(18)可将由泵缸活塞(15)渗漏的微量液压油导出暂存。

调节螺栓(19)可以调节拾力器(20)推进泵缸活塞(15)的高度，使泵缸活塞(15)的行程缩短或延长，增加或减少液流量，达到调节液动力和液压马达输出转矩的目的；同时其调节结果也影响到拾力器(20)伸出动力轮(1)轮缘的高度，导致拾力过程产生的滚动阻力值增减。

②内外圈传动递力机构

泵缸(12)拾取重力最简单最便捷的方式，是将活塞杆直接伸出车轮轮缘，拾取车辆重力的法向反力。但这样做时，活塞杆伸出形成的滚动阻力矩，会对车轮(4)造成较大的滚动阻力，致使拾取重力转化得到的转矩，不足以补偿形成的滚动阻力。

为此，本实用新型特别设计了动力轮(1)与车轮(4)的内外圈传动递力机构，将直径较小的动力轮(1)与直径较大的车轮(4)轮毂沿法线套叠，在地、轨面(切线)处相接(参见图1、图3)。在这一机构中，动力轮(1)上伸出的拾力器(20)触点并非直接触抵在地(轨)面上，而是触抵于车轮(4)轮毂内缘。利用力的等值传递特性，在动力轮(1)因拾力器(20)伸出而形成滚动阻力的同时，在车轮(4)上产生等值的滚动助力。从而有效地抵消了转矩损失。

③拾力器

尽管内外圈传动递力机构避免了总体的转矩损失，但对于动力轮(1)本身来讲，仍然未能减除其滚动阻力。如为缩短滚阻力矩，减少滚动阻力，尽可能地缩短拾力器(20)伸出轮缘的高度，会导致推进泵缸活塞(15)的行程受限，输出的液流量减少。如为增加液流量加大泵缸活塞(15)的直径，则会相应降低输出的液压力。按照计算公式，液动力产生的转矩，应为液压力与液流量的乘积，因而无论液流量的减少，还是液压力的降低，都会削减转矩。经计算，以一定长度的滚动阻力矩和一定的法向重力作基准，拾力器(20)可允许伸出高度(即泵缸活塞行程)相应获得的液流量、液压力，处于不足状态，既不能满足在该法向重力下动力轮(1)实现旋转对液流量和液压力的需求。

为解决这一技术难题，本实用新型特别设计了拾力器(20)。其构造及其运行轨迹，分别见图6、图7。

拾力器(20)有两个主要功能：

其一，提高液压力。拾力器(20)上，O-C点的力矩，长于O-O₁，因而可以杠杆效应放大所拾取的重力。其对力的放大可以式1计算。

式1：F₁＝F(L₁÷L₂)

式中，F₁——对泵缸活塞的推进力；F——车轮承载的法向重力；L₁——O-C点长度；L₂——O-O₁长度

实施例：F＝1000N，L₁＝46mm，L₂＝21mm则

F₁＝1000N×(46÷21)＝2190N

可见，拾力器(20)可以通过改变L₂对L₁的比例，成倍乃至成数倍地放大所拾取的重力，能够在C点至E点运行区段内加大对泵缸活塞(15)的推进力，从而提高液压力。

其二，增加液流量。B点和E点的纵向高度，可适当长于拾力器(20)各触点实际伸出轮缘的最大径向高度，因而可以增加推进泵缸活塞(15)的行程，使泵缸(12)输出的液流量增多。其关系可以式2计算。

式2：H＝(H₁-H₂)×L₂/L₁+H₂

式中：H——实际推进泵缸活塞的行程；H₁——O₁-E点纵向高度；H₂——拾力器各触点实际伸出轮缘的最大径向高度

实施例：H₁＝30mm，H₂＝9mm，L₂＝21mm，L₁＝46mm则

H＝(30-9)×47％+9＝18、8mm

可见，拾力器(20)可以成倍地增加推进泵缸活塞(15)的行程，从而成倍地增加液流量。

但是在倒车时，拾力器(20)只能增加液流量，而不能提高液压力。

④辅动控制装置

由于泵缸(12)必须安装在动力轮(1)的轮辐板上并随轮旋转，传统的液压系统中必要的液压控制元件如溢流阀、换向阀、调速阀等，以及各种必要的辅助元件如过滤器、储能器等，按通常做法也都要安装在动力轮(1)上。但是动力轮(1)直径较小时，其两侧有效空间狭小，不能容纳如此多的元件，应用通常的液压控制方式遇到诸多困难。为此，本实用新型特别设计了新的辅动控制技术方案。

上述内外圈传动递力机构，为这一新的控制方案提供了可能和条件。在这一装置中，形成了一个临界点现象：动力轮(1)转矩在足以克服滚动阻力之前，不能实现旋转，车轮(4)可获动力为零，处于无动力状态；而一旦动力轮(1)转矩超出滚动阻力，实现旋转时，车轮(4)便可获得等于动力轮滚动阻力值的滚动助力等动力，同时经传动比将动力放大2倍以上，使重驱轮迅即接近最大动力状态。因此，我们可以通过设定拾力器(20)O-E、O-B的适当高度和O-C对O-O₁段的适当比例，并调整泵缸上的调节螺钉(19)，将动力轮(1)液压系统的液压力和液流量控制在一个适当的水准，使液压马达(9)实际输出的转矩，处于略微低于这一临界点之下，然后以追加或减除辅助动力的方法，使车轮在无动力和接近最大动力之间切换、调节，形成一种辅动控制方式。

为此，在动力轮(1)上设计安装了辅动电机(13)，使其通过动力输出轮向动力轮轮(21)输出辅动控制动力。在实际运行中，辅动电机(13)追加微量辅动转矩，重驱轮即处于行进状态；连续追加则处于持续行进状态。加快追加转速，重驱轮处于加速行进状态。停止追加辅助动力，重驱轮处于滑行和减速状态；此时外加机械制动，重驱轮迅速趋于无动力、制动和停车状态。停车后反转追加较大辅助动力，重驱轮则处于倒车状态。可见，只需调节、改变辅动电机的电流及其电流方向，便可操控重驱轮的运行状态。

4、技术分析

①液流量

液流量取决于三个因素：泵缸活塞面积，泵缸活塞行程，泵缸数量。其关系见式3。

式3：液流量＝活塞面积×活塞行程×泵缸数量

实施例：活塞面积3、14cm²(直径20mm)，活塞行程1、88cm，泵缸

18个

3、14×1、88×18＝106mL/r

可见，液流量可以达到标准液压马达所需的流量。增大泵缸活塞面积，或加长泵缸活塞行程，可获得更大的液流量。

②液压力

液压力取决于2个因素：对泵缸活塞的推进力，泵缸活塞面积。其关系见式4。

式4：液压力＝推进力÷活塞面积

实施例：车轮承载法向重力1000N，泵缸活塞面积0、000314m²，拾力器O-C/O-O₁＝2、2。则

最大液压力＝1000×2、2÷0、000314＝7Mpa

最小液压力＝1000÷0、000314＝3、2Mpa

经储能器调节，系统供源压力维持在(7+3、2)÷2＝5、1Mpa

③转矩

转矩的产生，取决于两个因素：液压力，液流量。其关系见式5。

式5：转矩＝液压力×液流量÷2π

实施例：液压力为5、1Mpa，液流量为106mL/r(减除液压马达内部泄漏等容积损失，取100mL/r)。液压马达效率为95％。则

理论转矩＝5100000pa×0、0001m³÷6、28＝81n·m

实际转矩＝81×95％＝77n·m

④滚动阻力

滚动阻力的产生，取决于两个因素：车轮承载法向重力，滚阻力矩。其关系见式6。

式6：滚动阻力＝车轮承载法向重力×滚阻力矩

实施例：车轮承载法向重力为1000N，拾力器伸出轮缘形成的滚阻力矩为0、079m。则

滚动阻力＝1000N×0、079m＝79n·m

⑤辅助动力

追加的辅动控制动力值，取决于滚动阻力与液压马达-动力轮实际输出转矩之差。其关系见式7。

式7：辅助动力＞(滚动阻力-实际转矩)÷辅动轮与动力轮传动比

实施例：滚动阻力79n·m，理论转矩81n·m，液压马达总效率95％，辅动轮与动力轮传动比为1∶4。则

79-(81×95％)÷4＝0、5n·m

追加的辅动控制动力应大于0、5n·m。

5、有益效果

①液流量自动变量。

随着转速的加快和减慢，液压马达需要的液流量随之增加和减少。但由于动力轮每一转产出的液流量是恒定的，转速的加快和减慢，也使单位时间液流量随之增加和减少。同时，由于采用完全的液压闭环系统，液压马达排出的已包括内部泄漏、液体压缩等容积损失的实际流量，回经泵缸可以再度等量输入液压马达(活塞泄漏、管路流量损失等微量损失有储能器随时补充)。泵缸群就像一台自动反馈调节的变量液压泵，精确地调整流量变化，而且增减的流量与液压马达的需求变化相吻合。因此，与通常液压系统不同，重驱轮液压系统几乎无流量损失，几乎没有因流量损失导致的功率损失，也几乎没有因流量损失导致的发热和噪音。

②液压力自动变量。

重驱轮液压系统不仅工作压力随负载变化，而且与通常液压系统不同，液压动力源——泵缸供应的液压力，亦可随负载变化而无极变量，可随时与系统工作压力保持一致，因而几乎无供源压力损失。同时，辅动控制方式的采用，无需节流阀等调节控制，因而几乎无节流导致的压力损失。所以几乎没有因压力损失带来的功率损失，也几乎没有因压力损失带来的发热和噪音。

③行进动力性好。

汽车只有在较高转速和低速行进时，才可以达到最大推进力。而在高速行进时，由于将有限功率过多消耗在速度上，其车轮转矩通常会降低70％以上。动力性与速度、重力成反比，表现为速度越高、承载越重，其加速、行进的动力性越差。

重驱轮车辆由于液压力和液流量可自动变量，转矩、功率可以随承载重量增加和车轮转速加快而自动相应提高，故而可以在行进中始终保持较高的车辆推进力。即使在达到的其最高车速时，车轮转矩也仅仅因液压马达背压增高而降低10-20％。动力性与速度、重力成正比，表现为速度越快、承载越重，其加速、行进的动力性相对越强。

④机械效率高。

重驱轮系统与车轮融为一体，无传动、变速等系统的机械效率损失。

⑤载重比大。

因为不再配置发动机，以及相应的机械传动、变速等系统和油箱等部件，车辆自重大幅度降低。从而载重比大幅度提高。

⑥动力可分散配置。

重驱轮可以安装在各挂载车箱，很方便地实现铁路、公路车辆的动力分散化。车头可不再作为动力中心，而只作为控制中心。从而可实现超长列车和公路列车。

⑦节能环保。

重驱轮车辆不耗用燃料。只需耗用很少量的蓄电池或充电电池电力。噪音小。无尾气污染。

⑧缺点

主要缺点有二：

a.因液压马达转速等现有技术局限，重驱轮装备的车辆尚难以达成高车速。

由于动力轮适用的内曲线柱塞液压马达转速一般不高于600r/min，因而重驱轮车辆时速一般不超过50km/h；虽可通过增大重驱轮及动力轮直径来提高车速，但一般不超过75km/h。

b.内外圈传动递力机构的采用，使重驱轮抗侧向力的刚度和能力有所降低，不适于在恶劣路面行驶。

附图说明

图1是重驱轮的结构示意图。

图2是重驱轮主要部分——动力轮的工作原理示意图。其中包括了液压系统回路。

图3是重驱轮的基本构造图。

图4是动力轮的剖面图。为了标示动力轮在重驱轮整体中的结构关系，将与之相连的零部件如车轴、轮毂、Y形支架等一并绘出，因而实际上是图3下半部的剖面图。

图5是重驱轮的关键部件之一泵缸的构造图。

图6是重驱轮的关键部件之一拾力器的构造图。

图7是重驱轮关键部件之一拾力器的运行轨迹示意图。

具体实施方式

为实施本实用新型，在总体发明设计的基础上，还做了实施个案设计。此实施例以装备城市轻型载客车辆(如出租车)为目标，其主要技术数据如下：

车辆自重                 300kg

车辆最大载重量           300kg

车辆最大总质量           600kg

配置重驱轮数量           2个(后轮)

重驱轮自重               75kg

重驱轮最大承载重力       2000N

重驱轮最小承载重力       1000N

重驱轮内径(轮毂直径)     0、9652m

动力轮直径                    0、4m

泵缸数量                      18个

泵缸活塞直径                  20mm

拾力器O-C∶O-O1∶01-E         46∶21∶30mm

可产生液压力(1000N时)         5、1Mpa

可产生液压力(2000N时)         10、2Mpa

尖峰液压力                    14Mpa

可产生液流量                  106mL/r

选配液压马达型号1JM001-0.1    额定压力10Mpa

                              尖峰压力16Mpa

                              排量104mL/r

                              转速8-400/r·min

液压马达实际输出转矩          77-154N·m

辅助控制电机型号180WDC        24V

                              0.72-1.44N·m

辅动控制电机追加转矩          2.88-5.76N·m

重驱轮(×2)最大总转矩         768N·m

每公斤承量平均转矩            1.28N·m(最大)

                              0、9N·m(最小)

自重载重比                    1∶1

车速                          30km/h

可见，这一实施例对比普通小型汽车，显著特点有六：一是造价很低，无普通发动机及其机械传动、变速系统，控制系统亦大为简化，制造成本大为降低；二是自重很轻，仅为一般小汽车的1/3-1/6，但同时因重心很低运行仍平稳；三是载重比大，是一般小型汽车的3-4倍；四是满载时每公斤平均动力较高，一般车速和最高车速时均比普通小型汽车平均动力高；五是经济性好，不耗燃油，无空气污染，噪音低，且购置和运行成本很低；六是时速不高，仅为30公里。因此，这一实施例适于城市公交、出租、代步车辆。

Claims (4)

1、一种将车辆重力转化为动力的重力驱动轮，安装于车轴上，直径比普通车轮大，其特征是：在车轮(4)轮毂内缘安装一个动力轮(1)和两个虚约束轮(2)(3)，其中动力轮(1)上装备能够接受、传导承载重力的拾力器和将重力转化为动力的液压系统，能产生转矩并带动车轮(4)及虚约束轮(2)(3)旋转。

2、根据权利要求1所述的重力驱动轮，其特征是：动力轮(1)装有由泵缸(12)、集流管(7)(8)、液压马达(9)、储能器(10)、过滤器(11)组成的液压系统和若干拾力器(20)；各拾力器(20)前端均伸出动力轮(1)轮缘，后端均与一泵缸(12)相接；一拾力器(20)受到承载重力的压迫时，移动上推相应泵缸活塞(15)，使之产生有压液流并经集流管(7)输入液压马达(9)，液压马达(9)在有压液流作用下产生转矩，带动动力轮(1)转动一个角度，同时将另一拾力器(20)置于承载重力的压迫之下；各拾力器(20)依次受力上推泵缸(12)，各泵缸(12)依次输出有压液流，经集流管(7)形成持续的液压力和液流量，输入液压马达(9)产生持续转矩，带动动力轮(1)持续旋转。

3、根据权利要求1所述的重力驱动轮，其特征是：装有拾力器(20)的动力轮(1)与直径较大的车轮(4)轮毂套叠连接，使拾力器(20)伸出动力轮(1)轮缘拾取重力时，抵于车轮(4)轮毂内缘，构成内外圈传动递力机构；在这一机构中，拾力器(20)伸出动力轮(1)轮缘拾取重力而形成一定长度的内圈滚动阻力矩，同时拾力器(20)触点抵于车轮(4)轮毂内缘而形成与内圈滚动阻力矩长度相同的外圈滚动助力矩。

4、根据权利要求1所述的重力驱动轮，其特征是：拾力器(20)近似鸟形，其“尾部”至“足部”设有多个拾力触点(C、D、E…)，其“头部”为拾力器摆动轴孔(O)，“背部”则设有连接泵缸活塞杆的连接轴孔(O₁)；各个拾力触点的横向力矩不同，最短的通常等于连接轴孔中心(O₁)至摆动轴孔中心(O)的长度(O-O₁)，最长的横向力矩(O-C)长于O-O₁一倍以上，逐次放大所拾取的重力和推动泵缸活塞(15)的推力；各个拾力触点的纵向高度也不同，由C点至D、E各触点依次递增，逐次增加拾力器推进泵缸活塞的行程。

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