專利名稱：離心力的定向技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將偏心輪作圓周運(yùn)動(dòng)形成的不定向離心力產(chǎn)生定向作用的技術(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案使帶有偏心質(zhì)量的圓盤同時(shí)在兩個(gè)互相垂直的平面內(nèi)等速旋轉(zhuǎn)，即圓盤在繞自身中心軸(副軸)作平面旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，又繞垂直于副軸的主軸作等速立體旋轉(zhuǎn)，從而保證了偏心質(zhì)量重心始終保持在經(jīng)過主軸的某一確定平面(界面)單側(cè)呈立體分布，同時(shí)使用等效反向?qū)辜夹g(shù)達(dá)到消除與界面平行的分力，保留垂直于界面(法線方向)的分力，從而達(dá)到了離心力的定向作用。本發(fā)明所述法線指當(dāng)偏心質(zhì)塊重心與所在圓盤圓心連線垂直于主軸時(shí)，此線稱法線，法線的方向即為垂直分力的方向。所述界面指經(jīng)過兩軸中心線交叉并垂直于法線的平面稱界面。
1、減少輸入功率損耗。
采用本技術(shù)比采用凸輪方法形成的定向離心力，減少旋轉(zhuǎn)中的機(jī)械碰撞和摩擦?xí)r的功效損耗，尤其可在不增加偏心塊重量的前提下，可通過提高轉(zhuǎn)速來大幅度提高離心力。
2、節(jié)約能源。
使用本技術(shù)形成的定向力作動(dòng)時(shí)，對(duì)機(jī)械本身沒有額外增加負(fù)荷的表現(xiàn)，即做功時(shí)不增加輸入能量損耗。
3、不受杠桿規(guī)律制約現(xiàn)象采用本技術(shù)產(chǎn)生的定向力本質(zhì)屬于慣性力，因而可以在不需任何中介物(如齒輪、鏈條、皮帶等)的情況下，牽引物體做功，所以其速度不受齒輪等中介物的傳導(dǎo)規(guī)律(速度1×力1＝速度2×力2)的制約，所以具有巨大的能量挖掘潛力，尤其用于發(fā)電將是一場能量革命。
4、提升騰空作用。
采用本技術(shù)產(chǎn)生的強(qiáng)大定向力可以提起重物騰空、飛行，因而可以用于航天、航空、建筑工程和碼頭吊運(yùn)貨物等，“騰空”作用的使用將對(duì)人類社會(huì)的生活狀況產(chǎn)生巨大影響。
圖二二單元組合裝置示意圖。
圖三離心力定向原理分析示意圖。
圖四離心力計(jì)算分析圖。
圖五單個(gè)偏心圓盤中離心力變化系數(shù)曲線圖。
圖六偏心塊重心到界面距離的分析圖。
圖七垂直于界面的分力系數(shù)曲線圖。
圖中1、主軸。2、7、偏心輪(圓盤)。3、6、副軸。
4、8、偏心塊。5、主軸方框。
A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2為偏心質(zhì)塊重心在不同時(shí)相的空間位置。
R-偏心塊重心在偏心齒輪內(nèi)半徑。
r-偏心塊重心繞主軸旋轉(zhuǎn)半徑。
Rx-偏心塊作雙向圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)際的空間半徑。
On、Om-為電動(dòng)馬達(dá)軸上的同心圓齒輪。
O1、O2-為同一單元的兩個(gè)主軸傳動(dòng)齒輪。
O3、O4-為同一單元的兩個(gè)主軸傳動(dòng)齒輪。
IA、IB、IIA、IIB-為偏心質(zhì)塊重心位置。
OE-中介齒輪。
本技術(shù)具體實(shí)施方案(參圖一)偏心輪(2)、(7)通過副軸(3)、(6)安裝在主軸框(5)上，主軸(1)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，可通過機(jī)械或電子等方法(如傘形齒輪)帶動(dòng)偏心輪(2)、(7)，同時(shí)繞副軸(3)、(6)旋轉(zhuǎn)，使偏心質(zhì)塊(4)、(8)既隨主軸橫向旋轉(zhuǎn)，又隨副軸在圓平面內(nèi)縱向旋轉(zhuǎn)。具體定向過程如下1、產(chǎn)生單側(cè)性立體分布性離心力過程。
當(dāng)偏心輪(2)、(7)的平面與地平面(界面)平行(即副軸垂直于地平面)時(shí)，兩質(zhì)塊處于相對(duì)(靠近)位置(A1、A2位)(如圖三<1>)當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩偏心質(zhì)塊開始偏離主軸，對(duì)質(zhì)塊而言，既作沿主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也作沿垂直于主軸的副軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即分別作向外向左向上和向外向右向上運(yùn)動(dòng)。(注向內(nèi)指靠近主軸中心線，向外指遠(yuǎn)離主軸中心線。)當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，副軸亦旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)質(zhì)塊所處位置均在主軸正上方(B1、B2位)主軸M側(cè)向上(圖三<2>)。②當(dāng)主軸再旋轉(zhuǎn)90°(即180°)時(shí)，副軸旋轉(zhuǎn)相同的度數(shù)，此時(shí)兩質(zhì)塊處于相背(遠(yuǎn)離)位置，并都回歸到主軸中央部(C1、C2)位，這時(shí)兩質(zhì)塊的旋轉(zhuǎn)軌跡分別向左向下向內(nèi)和向右向下向內(nèi)運(yùn)動(dòng)其最低點(diǎn)是主軸軸線(圖三<3>)。③當(dāng)主軸再旋轉(zhuǎn)90°(即270°)時(shí)，主軸的N側(cè)向上，兩副軸仍在原方向上旋轉(zhuǎn)90°，但兩質(zhì)塊分別由相背位置(C1、C2)向上旋轉(zhuǎn)到主軸的上方(N側(cè))的位置(D1、D2)，其運(yùn)動(dòng)軌跡分別是向外向右向上和向外向左向上(圖三<4>)。④當(dāng)主軸再旋轉(zhuǎn)90°(即360°)時(shí)，副軸在原方向上旋轉(zhuǎn)90°(即360°)，此時(shí)兩質(zhì)塊由上方的(D1、D2)位回到主軸線上，即開始時(shí)的位置(A1、A2)位，質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)軌跡是向內(nèi)向右向下和向內(nèi)向左向下(圖三<1>)。然后再循開始的情形繼續(xù)周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)下去。
分析一周(360°)的完整運(yùn)動(dòng)過程可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心力的特點(diǎn)(1)在空間位置上始終在主軸線及其上方，而沒有越過主軸線下方，因而其離心力也必定是只有向上的分力而無向下的分力。(2)質(zhì)塊越靠近主軸，其水平分力越大，而垂直分力越小；越遠(yuǎn)離主軸時(shí)，水平分力越小，而垂直分力越大。當(dāng)處于主軸的垂直向上位置時(shí)，水平分力為零，而向上垂直分力為最大值，當(dāng)處于主軸線位置時(shí)，其水平分力為最大值，而向上垂直分力為零。(3)由于質(zhì)塊處于立體軌跡運(yùn)動(dòng)，在半橢球面上呈雙弓“8”字形，所以除垂直向上的分力以外，其水平分力亦分為與主軸同向(縱向)和與主軸垂直(橫向)的兩部分。(三維分布)2、消除水平分力。
從前述原理可知其動(dòng)態(tài)的離心分力為三個(gè)方向，可分為與界面平行的水平橫向分力和水平縱向分力，與界面垂直的垂直分力，除垂直分力可利用外，水平分力必須全部消除。
A、消除水平縱向分力。
如圖一所示，由于有一對(duì)同質(zhì)量的偏心塊位于兩個(gè)半徑相同、轉(zhuǎn)速相同、方向相反且共處于同一主軸上，因而在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其縱向分力隨時(shí)被相互抵消。單個(gè)水平縱向分力瞬時(shí)值為F縱＝F離·Sinα。
B、水平橫向分力的消除。
在基本結(jié)構(gòu)原理不變的情況下，使用兩根各項(xiàng)參數(shù)(主軸長度、粗細(xì)、轉(zhuǎn)速、副軸根數(shù)、大小，偏心塊質(zhì)量、距圓心半徑等)均相同的主軸系統(tǒng)，相互平行、高度相等安裝在同一平面上，旋轉(zhuǎn)方向相反，速度相同，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)即可消除水平橫向分力，水平橫向分力瞬時(shí)值為F橫＝F離·Sinα·Cosα。
3、平衡垂直分力A、離心力計(jì)算。
該裝置的偏心質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)行軌跡是立體形，受兩個(gè)因素制約，一是副軸半徑R，為恒量；二是主軸半徑γ，是變量。γ隨副軸旋轉(zhuǎn)角度α而變化。(如圖四)L為主軸，O為副軸心，A為質(zhì)塊初始位置，B為旋轉(zhuǎn)了α°后質(zhì)塊所在位置。AB為主軸旋轉(zhuǎn)的半徑γ，γ＝SimαR，該質(zhì)塊運(yùn)動(dòng)時(shí)的各參數(shù)如下①瞬時(shí)半徑Rx=R2+γ2=R2+(SinαR)2=R1+Sin2α]]>②瞬時(shí)線速度Vx=2πRxω=2πωR1+Sin2α]]>(ω-角速度)
③瞬時(shí)離心力Fx=WVx2Rx=W(2πωR1+Sin2α)2R1+Sin2α]]>=W4π2ω2R1+Sin2α]]> ④瞬時(shí)垂直離心分力 (注(1)W質(zhì)塊質(zhì)量。(2)垂直分力的公式推算見垂直分力計(jì)算。)根據(jù)上述瞬時(shí)離心力公式Fx＝nG，其G對(duì)同一裝置不變，而n是隨α變化的變量，即當(dāng)α＝0時(shí)最小，系數(shù)為1；α＝90°時(shí)最大，系數(shù)為1.414。(n變化特征曲線見圖五)B、垂直分力計(jì)算以一個(gè)偏心質(zhì)塊產(chǎn)生的離心力為例，由運(yùn)動(dòng)軌跡可知，其在作立體運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)塊水平移動(dòng)1°，同時(shí)也垂直向上移動(dòng)1°，同理，水平移動(dòng)5°也垂直上升5°……，當(dāng)移動(dòng)90°時(shí)，正好處于垂直向上的正中位置。設(shè)質(zhì)塊水平移動(dòng)α°，則同樣由原平面上升α°(如圖六)，即設(shè)副軸與主軸交叉點(diǎn)，即質(zhì)塊所在齒輪的圓心為O，質(zhì)塊開始運(yùn)動(dòng)前的位置為A(主軸線上)，主軸旋轉(zhuǎn)α°后，齒輪所在平面由M面(界面)移到N面，其夾角為α°，同時(shí)在N面上，質(zhì)塊由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，夾角BOA＝α°，由B點(diǎn)作平面M的垂線交M于P點(diǎn)，由B作主軸線的垂線交軸于C，連接CP，則CP⊥BP。
解立體三角函數(shù)如圖在N平面內(nèi)，∵BC⊥OC，∠BOC＝α°，∴BC＝OB·Sinα在△BPC中∵∠BPC＝90°，∠BCP＝α°∴BP＝BC·Sinα∴BP＝OB·Sinα·Sinα＝OB·Sin2α∵OB為質(zhì)塊重心到齒輪圓心的距離R為一定值，以h代替高BP。
即h＝R Sin2α因垂直離心分力的大小與質(zhì)塊離開水平面(界面)的高度h成比例?！逨垂分＝F離·Sin2α＝KF離(設(shè)垂直分力系數(shù)K＝Sin2α)K值特性曲線(見圖八)，其最小值為0，最大值為1。例如質(zhì)塊處于主軸線α＝0°，F(xiàn)分0＝F離·Sin20°＝0(極小值)質(zhì)塊處于主軸線α＝30°，F(xiàn)分30＝F離·Sin230°＝0.25F離質(zhì)塊處于主軸線α＝45°，F(xiàn)分45＝F離·Sin245°＝0.5F離質(zhì)塊處于主軸線α＝90°，F(xiàn)分90＝F離·Sin290°＝F離當(dāng)α在0°～90°時(shí)Sin2α函數(shù)的平均值為0.5證明如下Sin2α在 內(nèi)的平均值∫0π2Sin2αdαπ/2=2π∫0π212(1-Cos2α)dα]]>=π2[12·∫0π2-12∫0π2Cos2αdα]]]>=2π[π4-14∫0πCos2αd2α]]]>=2π[π4-14Sin2α∫0π]]]>=12]]>(此式證明，經(jīng)機(jī)械轉(zhuǎn)化后，有效離心力僅為末轉(zhuǎn)化前離心力的1/2，即損耗50％。)經(jīng)前述證明垂直分為F垂＝F總·Sim2α，即此力隨旋轉(zhuǎn)角度的變化而隨時(shí)變化，其變化區(qū)間為0～1，單個(gè)偏心輪有效離心力的系數(shù)，平均值為0.5(一個(gè)主軸單位含二個(gè)偏心輪有效離心力系數(shù)和為1)。采用多對(duì)功能單元，(兩主軸合一功能單元，一個(gè)單元的有效離心力系數(shù)和為2)，相互錯(cuò)開一定角度有機(jī)組合，可達(dá)到力平衡的目的。
二單元的組合形式(見圖二)，O1、O2為同一單元相互反向旋轉(zhuǎn)，O3、O4為同一單元相互反向旋轉(zhuǎn)，Om、Oe、O1、O3齒數(shù)相同，On、O2、O4齒數(shù)相同，IA與IB、IIA與IIB均相差90度。
理論證明，可取二單元、三單元、四單元等組合二單元角度差相距90°，其有效分力系數(shù)和為4，三單元角度差距60°，分力的有效系數(shù)和為6，即n單元組合的角度差β相距為 有效分力系數(shù)和為2n。
結(jié)合實(shí)際主軸半徑的變量特點(diǎn)n一般取2、3、4。
證明如下(每單元以一只偏心輪作計(jì)算單位)①二單元組合法設(shè)第一單元初始角為α°，則第二單元的初始角為α+90°組合時(shí)的合力F總＝F垂[Sin2α+Sin2(α+90°)]＝F垂[Sin2α+(Sinα·Cos90°+Sin90°·Cosα)2]＝F垂(Sin2α+O+O+Cos2α)＝F垂(Sin2α+Cos2α)＝1F垂(n＝2，k＝4F垂)②三單元組合法設(shè)第一單元初始角為α，第二單元初始角為α+60°，第三單元初始角為α+120°。(設(shè)Fa＝F總，F(xiàn)b＝F總)則 =Fb[Sin2α+(12Sinα+32Cosα)2+(-12Sinα+-32·Cosα)2]]]>=Fb(Sin2α+14Sin2α+34·Cos2α+2·12·32·Sinα·Cosα+]]>14Sin2α+34Cos2α-2·12·32·Sinα·Cosα)]]>=Fb(Sin2α+12Sin2α+32·Cos2α)]]>=32Fb(Sin2α+Cos2α)=1.5Fb]]>(n＝3，k＝6F垂)余類推。但因離心力是一個(gè)變量，因此其最終效果必須考慮垂直分力系數(shù)的變量與離心力變量的綜合效應(yīng)。經(jīng)理論推算證明。在二單元組合時(shí)，其力差約13.4％左右，而三單元以上組合時(shí)，力差基本消失，因此在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛐」β蕰r(shí)取二單元角差90°組合形式；而大功率時(shí)取三單元以上組合為宜。(其二公式如下 ①二單元組合式 ②四單元組合式 +12(Sinα+Cosα)2·1+0.5(Sinα+Cosα)2+Cos2α1+Cos2α]]>+12(Sinα-Cosα)2·1+0.5(Sinα-Cosα)2]]]>4、附助技術(shù)措施。
(1)、調(diào)整定向力的空間方向。
將固定于主軸承座上的傘型齒輪旋轉(zhuǎn)一定角度即可改變其空間定位方向。(即法線方向)(2)、降低損耗，提高轉(zhuǎn)速。
本裝置的損耗來自軸承摩擦，齒輪摩擦和空氣阻力三方面。若采用磁性軸承和磁性齒輪，既可大大降低摩擦損耗，又可提高耐熱性能。在其它條件不改變時(shí)，可成數(shù)倍地提高轉(zhuǎn)速，這對(duì)大幅度提高功率和減輕自身重量極為有利，同時(shí)也節(jié)省了油封設(shè)備和高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)復(fù)雜的潤滑系統(tǒng)。此外將整個(gè)結(jié)構(gòu)封閉于密閉的真空設(shè)備內(nèi)即可降低空氣阻力損耗。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明通過使帶偏心質(zhì)量的圓盤繞其軸心(簡稱副軸)作自身旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，繞與副軸相互垂直的主軸作同速旋轉(zhuǎn)，使沿圓盤平面向四周放射狀分布的離心力轉(zhuǎn)化為經(jīng)主軸設(shè)定的平面為界面，在界面一側(cè)呈半橢球狀弓“8”字形分布。簡言之，其特征在于使偏心質(zhì)點(diǎn)同時(shí)圍繞兩個(gè)相互垂直的軸在兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)等速旋轉(zhuǎn)，即可產(chǎn)生人為定向的單側(cè)性離心力，這是本發(fā)明的核心技術(shù)。由于經(jīng)本技術(shù)轉(zhuǎn)換后的離心力呈立體狀態(tài)(三維)分布，且不均勻，必須使其成為單向性(一維)，并保持均勻平衡。通過以下三項(xiàng)措施即可解決①在同一主軸上對(duì)稱配置兩個(gè)相同的偏心圓盤，相互反向等速旋轉(zhuǎn)，從而消除縱向水平分力；②通過兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)相同的主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)平行配置，相互等速反向、自身繞主軸旋轉(zhuǎn)，可以消除橫向水平分力，至此可得到垂直于界面的單向垂直分力，稱有效離心力。③通過二單元以上的多單元組合，各單元之間相隔一定角度，達(dá)到作用力持續(xù)平衡的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心力定向技術(shù)，其特征在于單個(gè)偏心輪產(chǎn)生的有效離心力與其理論離心力的比，稱有效離心力的系數(shù)(k)，表達(dá)式為k＝Sin2α＝0.5(即損耗一半)，而單個(gè)主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)2只偏心輪的有效離心力系數(shù)和為1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心力定向技術(shù)，其特征在于n個(gè)單元組合時(shí)，其各單元之間的相位差角度數(shù)為 其有效離心力為2n倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心力定向技術(shù)，其特征在于利用固定傘齒的角度變化可以改變單向力的方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將離心力定向作用的技術(shù)，即使帶偏心質(zhì)量的圓盤，作既平行于圓盤平面，又垂直于圓盤平面的雙向立體旋轉(zhuǎn)，使偏心質(zhì)塊重心的運(yùn)動(dòng)軌跡，保持在半橢球面上，從而使離心力保持空間單側(cè)性分布，同時(shí)使用同質(zhì)等速反向旋轉(zhuǎn)的抵消技術(shù)使離心力分布純化為單方向性，從而實(shí)現(xiàn)了離心力的定向作用。應(yīng)用本技術(shù)可制造“離心力牽引機(jī)”、“慣性力發(fā)電機(jī)”等用于航空、航天、交通運(yùn)輸、發(fā)電供能等。其在國民經(jīng)濟(jì)中有廣泛的用途。
文檔編號(hào)G01L5/16GK1474171SQ0213808
公開日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2002年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月6日
發(fā)明者任世銀 申請(qǐng)人:任世銀