蛙泳式步进惯性离心力动力装置制造方法
【专利摘要】本发明为一种利用惯性离心力驱动的动力装置，其原理为：转柄在扭矩的作用下作规则圆周运动，强迫飞轮按照非规则的曲线循环运动。当飞轮的速度矢量变化剧烈，系统本身不足以提供必需的向心力，且向前的驱动做功大于向后的驱动做功时，系统就会获得持久的前进动力。相位相同方向相反的飞轮组合就形成一个定向单元。因状似蛙泳，并逐步前驱，故命名为蛙泳式步进惯性离心力动力装置。本发明工作时无需外部介质和内部工质，如空气、水、燃气等，因而无噪声，无排出物，只要有能量输入就可持久工作，可广泛应用在特殊的环境条件下，如雪地、冰面、沙滩、水面等，尤其可以在外太空以太阳能驱动作持久飞行。当然也可作为各种运输车辆和飞行器的动力装置。
【专利说明】蛙泳式步进惯性离心力动力装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用惯性离心力作为前进动力的动力装置，特别是指一种运动状如蛙泳并步进前驱的动力装置。其显著技术特征是利用惯性力作为前进动力，而无需依靠空气、水、燃气等外部介质或内部工质，无噪声，无排放，可广泛为雪面、冰面、沙滩等条件下的出行提供动力。尤其可为在外太空利用太阳能作持久飞行的飞行器提供动力。
【背景技术】
[0002]现行的地面车辆，例如自行车、摩托及各种类型的汽车，其前进驱动力均靠地面的摩擦力；对于航空器而言，如固定翼飞机，旋翼飞机等，均要依靠空气介质来获得升力和动力；对于水面船舶和水下潜艇而言，其驱动均需依靠水作为介质来获得动力；对于航天器而言，则需依靠火箭内部的工质一燃气的喷射反作用力来获得动力。这些技术经过多年的发展均已经非常成熟，并得到了广泛的应用。
[0003]但在一些特殊的环境条件下，如雪地，冰面，沙滩，或者气垫等条件下，地面松软，也难以提供足够的摩擦力，传统的动力装置难以满足特殊条件的要求，现行的做法是采用笨重的履带，一方面增加接触面积，减小接触压力，不致下陷，同时增加履带和地面的摩擦。但履带不仅笨重，导致能耗增加，而且技术复杂，价格昂贵，难以平民化。另外，在外太空，没有空气，没有重力，航天器携带的有限工质只能保证在有限时间内的驱动和做功。上述环境条件均迫切需要开发一种无需介质，无需工质，可以依靠自身内力完成能量转换的推进装置。
[0004]对于上述特殊环境条件下动力装置的讨论已经进行了很久，其中利用惯性离心力来获得动力是主要的研究方向。经查询，相关的专利和报告很多，但现有的专利基本上都陷于永动机的误区，当然也没有可能出现可以实际运行的原理样机。所谓离心力永动机的设计者均错误地将离心力作为一种实实在在的主动力来看待，这显然是谬误的。
[0005]离心力的本质是一种惯性力，是一个虚拟的被动力，虽然离心力永动机是错误的，但离心作用引起的物理现象却是实实在在存在的。离心力在工程上的应用很多也很常见，如洗衣机利用离心力来完成洗涤和甩干，压缩机利用离心力来对工质压缩增压，矿石机械利用离心力来进行矿石的粉碎和筛选等。
[0006]本发明即是受到偏心摆震动原理的启发，当飞轮进行规则的圆周运动的时候，其在各个方向上均产生循环的摆动，利用惯性离心力来完成能量的转化，当飞轮的速度矢量变化足够剧烈时，系统的重力或者摩擦力所提供的向心力已经不足以维持飞轮沿固定轨迹运行的时候，飞轮就会带动整个系统产生位移。但规则的圆周运动却使得这样的移动相互抵消。显然，要想获得持久的驱动动力，则需要将规则的循环圆周运动转化为不规则的往复曲线运动，且在一个循环中在前进方向上所需要的惯性向心力大于相反方向上的惯性离心力，才可能累积出持久的前进驱动力，这就是本发明的理论基础。
【发明内容】
[0007]本发明为一种利用惯性离心力驱动系统前进的动力装置，附图1给出了由两个相位相同方向相反的结构所组成的定向单元。壳体(I)作为整个装置的容器和框架，用以连接和固定各个组成部分；左端输入装置(2 )和右端输入装置(3 )作为外部扭矩的输入端口，用以完成和外部能量输入的对接，两者相位相同，方向相反，均固连在壳体(I)上；左端转柄(4)、右端转柄(5)分别和左端输入装置(2)、右端输入装置(3)相连接，并在外部扭矩的作用下作规则的圆周运动；在左端转柄(4)和右端转柄(5)的尾部分别设置有左端铰链(6)和右端铰链(7)，分别用以带动左端摆臂(8)和右端摆臂(9);左端摆臂(8)和右端摆臂(9)在左端转柄(4)、右端转柄(5)的带动下绕固连在壳体(I)上的中心轴(10)转动，摆臂(8)上设置有滑道，可以允许摆臂(8)沿中心轴(10)滑动，左端轴承(12)和右端轴承(13)固连在中心轴(10)上，用以减少摆臂和中心轴(10)之间的摩擦，摆臂(8)将转柄(4)的规则圆周运动转化为不规则的曲线运动；矢量转子(11)固连在壳体(I)上，在外部控制力矩的作用下绕中心轴(10)旋转，改变整个单元的驱动方向，从而完成整个系统的矢量控制;左端摆锤(14)和右端摆锤(15)分别固连在左端摆臂(8)、右端摆臂(9)的尾部，并随左端摆臂
(8)和右端摆臂(9)一起运动，用以增加摆臂的惯性力。
[0008]本发明的工作原理为:转柄(4)在外来扭矩的作用下绕轴旋转，作规则的圆周运动，转柄(4)尾部铰接一个摆臂(8)，摆臂(8)尾部设置有摆锤(14)，摆臂(8)绕中心轴(10)旋转。在转柄(4)作规则圆周运动时，会强迫摆锤(14)按照一个非规则的类圆周曲线作循环运动。当摆锤(14)的速度矢量变化足够剧烈，系统本身的重力或者摩擦力不足以提供摆锤(14)运动所必需的向心力时，系统就会在摆锤(14)的惯性力作用下产生位移，就如摆锤
(14)对系统产生了驱动力。在上述运动的一个循环中，合理的参数设计可以确保摆锤(14)对系统的前进做功大于后退做功，系统就会产生持久向前的驱动力并向前运动，从而完成能量和运动的转换。如果将相位相同、方向相反的上述运动单元组合在一起，则在非前进方向上的力就会互相抵消。从而形成一个定向前进的推力单元。如果将不同方向的上述定力单元组合在一起，就可以完成系统的六自由度控制。
[0009]本发明的主要参数设计包括如下内容:
外部能量的输入:包括大小、频率，以角速度恒定输入方式还是扭矩恒定输入方式；
矢量控制:推力方向的确定以及外部控制力矩的大小和方式；
结构尺寸:轴间距(中心轴(10)和输入轴之间的距离)与转柄长度的比值；
摆臂长度和转柄长度的比值；
摆锤的尺寸；
系统参数:每一个单元中的摆臂个数；
完成六自由度控制的单元个数。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]附图1是本发明中一个最小定向单元的组成图；
附图2是在一个循环运动中各部件的相对位置关系图；
附图3是摆锤(14)中心点处的速度曲线图；
附图4是摆锤(14)运动所需向心力曲线图；
附图5是系统步进式前进位移图； 附图6是所需外部输入扭矩图；
附图7是系统的推力矢量控制示意图。
[0011]附图中各标识的名称和定义为:
I壳体
2左端输入装置 3右端输入装置 4左端转柄 5右端转柄 6左端铰链 7右端铰链 8左端摆臂 9右端摆臂 10中心轴 11矢量转子 12左端轴承 13右端轴承 14左端摆锤 15右端摆锤
下面结合附图来对本发明的工作原理作进一步的说明。
[0012]在一个循环运动中，各部件的相对位置关系可以参见附图2。从图中可以清楚地看出，转柄(4)沿一个规则的圆周进行运动，而摆锤(14)的中心则沿一个不规则的曲线在运动。如果外来扭矩以恒定的角速度输入，则在摆锤(14)的运动过程中，其中心点处的速度曲线见附图3，可以看到，在摆锤(14)运动到远端时，其运动速度很快，变化非常剧烈，其程度远大于近端时的情况，从而会在远端要求更多的向心力，换言之，其远端时的惯性离心力也就越大。
[0013]附图4给出了摆锤(14)运动所需向心力的大小，可以看到，在一个循环运动中，摆锤(14)所需的向心力是不平衡的，不平衡的结果就会导致持续驱动力的产生，尽管这个驱动是步进式的。
[0014]附图5给出了系统在摆锤(14)带动下逐步前进的曲线，可以看到，本发明的的作用效果是在前进-后退-前进-后退的循环中完成的，但和规则圆周运动的前进-后退-前进-后退不同，本发明的前进量总是大于后退量，因此系统的总体趋势是前进的。
[0015]附图6给出了在上述运动过程中所需的外部输入扭矩的曲线，可以看到，曲线变化非常剧烈，尤其在摆锤(14)运动的远端，其大小和方向均剧烈变化，并且会随着摆锤
(14)运动速度的变化而变化，这会给外部的扭矩输入装置带来相当大的困难和不稳定。
[0016]附图7给出了系统进行推力矢量控制时的几个位置示意图，可以看到，通过外部输入控制力矩，矢量转子(11)驱动壳体(I)并带动整个系统绕中心轴(10)旋转，即可完成系统推力方向的变化，从图示可以看出，系统可以非常容易地在二维工作平面内完成360度的推力矢量控制，这也是本发明的一个特点和优点。
[0017]技术特点 自驱动
只要有能量输入，即可无须依靠外部工质或介质完成自驱动和矢量控制。在地面时，可以依靠人力、电能、太阳能或常规发动机的能量作为输入，在外太空，可以依靠太阳能完成驱动。只需将能量输入装置和壳体封装在一起，即可自成体系。
[0018]无噪声
如果将电能或太阳能作为能量来源并封装，系统可以完成无噪声驱动。
[0019]无排放
如果将电能或太阳能作为能量来源并封装，系统可以无排放驱动。
[0020]长久驱动
在外太空以太阳能为能量来源，可以完成长时间持久驱动。
[0021]全向矢量控制
系统可以在二维工作平面内完成360度推力方向的改变。
[0022]安全可靠
系统可以实现封装，无运动部件外露，无需借助外部介质，安全可靠。
[0023]应用广泛
在雪地、冰面、沙滩等应用条件下可以抛开笨重复杂的履带装置，在外太空可以持久运转，当然也可以在任何需要驱动前行的环境中应用。
具体实施例
[0024]实施例1雪地车/冰面车/沙滩车/气垫车
无需笨重的履带或者噪音巨大的螺浆风扇驱动装置，在雪地车/冰面车/沙滩车/气垫车的应用上，可以大大简化车辆或运输工具的复杂程度，并利用其矢量控制特性获得极大的运动灵敏性。如果采用人力作为驱动能量的来源，可以使得上述车辆完全平民化，为其大规模推广应用奠定基础。
[0025]实施例2极限运动器械
以人力作为能量输入来源，简化控制机构，依靠人身协调性来实施控制，在摩擦力很小的环境下运动，如雪地、冰面、水面及沙滩等，可以获得全新的运动体验和乐趣。
[0026]实施例3各种飞行玩具
以蓄电池作为能量输入，利用其便利的矢量控制特性，可以完成小型飞行玩具如飞碟等的起飞、降落、悬停、移动等。
[0027]实施例4微型无人飞行器
以微型内燃发动机作为能源，利用其便利的矢量控制特性，可以完成全新形式的微型无人飞行器的设计和控制。
[0028]实施例5外太空微型驱动装置
在无重力无空气的外太空，以太阳能作为能量来源，组合多种定向单元，可以完成长时间持久的驱动和控制。
[0029]说明
虽然以上所述给出了本发明的工作原理及具体实施例，但是本领域内的技术人员应当理解，这些具体的实施例子仅是举例说明，本领域内的技术人员应当在不脱离本发明的工作原理和技术实质的情况下，可以对本发明的具体实施内容进行改变，删减，增加，替换或忽略，但凡按照实质相同的原理和方法执行实质相同的功能以达到实质相同的结果均属于本发明保护的范畴，本发明的保护范围由发明权利要求书所限定。
【权利要求】
1.一种蛙泳式步进惯性离心力动力装置，包括一个作为整个装置容纳框架的壳体(1)，外部能量以转矩驱动的形式通过固连在壳体上的输入装置(2)输入，进而带动转柄(4)在外部扭矩的作用下作规则的圆周运动，转柄尾部设置有铰链(6)，用以带动和转柄铰接的摆臂(8)，摆臂(8)在转柄(4)的带动下绕固连在壳体(I)上的中心轴(10)转动，在摆臂(8 )上设置有滑道，允许摆臂(8 )沿中心轴(10 )滑动，轴承(12 )固连在中心轴(10 )上，用以减少摆臂(8)和中心轴(10)之间的摩擦，摆臂(8)将转柄的规则圆周运动转化为不规则的曲线运动；矢量转子(11)固连在壳体(I)上，在外部矢量控制力矩的作用下绕中心轴(10)旋转，可以改变整个单元的驱动方向，从而完成整个系统的矢量控制，摆锤(14)固连在摆臂(8)的尾部，并随摆臂(8)—起运动，用以增加摆臂(8)的惯性力。
2.权利要求1中的壳体(I)可以对整个单元用采用包裹封装的形式。
3.权利要求1中的能量输入为转矩输入，可以采用人力蹬踏、电池+电动机、发动机+变速箱、太阳能+电动机等形式，可以直接和输入装置(2)对接，也可以和铰链(6)对接。
4.权利要求1中的外部矢量控制力矩可以采用人力扭转、电池+电动机、发动机+变速箱、太阳能+电动机等形式，可以直接和矢量转子(11)对接，也可以直接施加在壳体(I)的适当位置。
5.将相位相同、方向相反的运动机构组合在一起，将非前进方向上的力互相抵消，从而可以形成一个独立的定向前进的推力单元。
6.将权利要求5中的独立定向单元按照不同方向组合，可以完成系统的六自由度控制。
【文档编号】F03G3/06GK103883488SQ201410055989
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年2月19日 优先权日:2014年2月19日
【发明者】刘献伟, 梁晓庚 申请人:刘献伟