一种超轻型静音发动机的制作方法

本发明涉及新型动力产生装置和运动转换执行器，更具体地说是一种新型超轻型超静音发动机。

背景技术

随着电器与电子技术的发展，微型动力驱动器的需求呈井喷式增长，被广泛地被应用于各行各业。军事上，微型水下侦查潜艇和微型无人侦察机都用到了微型驱动器。在医疗领域，微型驱动器用于自动调节护理床和x光透视床的驱动，或者植入病人体内，辅助病人完成正常生理活动。在汽车等机械装置上，微型驱动器的应用更是频繁，如雨刷的驱动电机、升降玻璃的驱动电机以及电动座椅的驱动电机等。

微型驱动器负责高效地对外提供动力。其中最具代表性的为微型电机和微型发动机。微型电机的基本组成有转子、转子绕组、定子、定子绕组和基座等，复杂的结构致使其质量较重，与机械的轻量化设计理念相违背。同时，电动机存在难以避免的振动噪声和电磁噪声。尤其是步进电机，其工作原理为一段脉冲前进某一角度，不可避免地产生抖动和噪声，很大程度上影响平顺性的表现，所以其在诸如军事、医疗领域的使用中受到很大的限制。同样，微型发动机组成系统更是繁多，结构更是复杂，振动与噪声更加恶劣且很难实现小型化设计，此外对进气、压缩、做功及排气的四个行程有较高的控制要求，因此鲁棒性较差。当然，排放污染问题更是限制了微型发动机在微型驱动器方向的应用。

随着现代社会对高效、轻质、低噪以及平顺输出的苛刻要求，寻找新的智能微型驱动器来弥补现有微型驱动器的缺陷刻不容缓。根据目前国内外对智能驱动结构的研究，常采用的智能驱动器材料主要有压电陶瓷、电磁流变材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、高分子聚合物和形状记忆合金(shapememoryalloys，sma)等，与其他材料相比，sma有着比功率大、驱动机构形式简单，以及低噪音等突出优点。因此基于sma弹簧的驱动器平缓地对外输出动力，结构简单，重量极轻和低噪声。

然而，受到现有sma材料特性的影响，“极差的效率”问题严重限制了sma驱动器的实用性。且在一个sma的工作循环中，sma的收缩过程，向外界提供较大的轴向力，但伸张过程不仅不提供或提供很小的力，还占用很大比例的时间。因此，如何增加sma的收缩比来提供更多的有用功和增加sma工作行程的时间占比来提高sma驱动器的效率成为限制现有sma驱动器的重要因素。

技术实现要素：

本发明是为解决上述现有技术所存在的低效、重质、多噪等不足，提供一种新型超轻型静音发动机，以期实现一套新型的动力产生方式。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

一种超轻型静音发动机，其特征在于包括正弦动力驱动机构、单向连续传动机构；

所述正弦动力驱动机构包括两组形状记忆合金驱动弹簧、控制极板及运动转换机构；

所述形状记忆合金驱动弹簧下端连接所述控制极板，所述控制极板控制通过两组弹簧的电流来实现两组弹簧交替的伸缩；

所述运动转换机构包括摆动叉、滑动杆件及圆弧滑轨，所述摆动叉的中轴位于所述圆弧滑轨的圆心，所述中轴上连接有一根摆杆和n个从摆臂，所述摆杆的末端位于所述圆弧滑轨内并通过无弹性绳索分别连接两根形状记忆合金驱动弹簧，所述从摆臂之间间隔角度相同且末端分别连接滑动杆件，其中所述滑动杆件底端可水平滑动，每个从摆臂的末端可在各自连接的滑动杆件表面上下滑动，每个从摆臂在垂直于中轴的平面上的投影距离相同；

所述单向连续传动机构包括曲拐，所述曲拐的连杆轴径上包括n个轴承构成的曲拐轴承集，在以曲拐旋转轴为圆心、曲拐拐臂长度为半径的圆上均匀分布有n个定滑轮；

所述轴承各自系有一根无弹性绳索，每根绳索分别通过其中一个定滑轮然后与正弦动力驱动机构对应的无弹性绳索相连，在正弦动力驱动机构对应的无弹性绳索为从中轴沿着其中一个从摆臂连接到从摆臂末端与滑动杆件的连接处，再连接到滑动连杆的一端，其中，所述绳索在滑动杆件上的部分可覆盖从摆臂在运动过程中在滑动杆件上的全部投影；

所述正弦动力驱动机构以两组差动工作的形状记忆合金驱动弹簧为动力源，并通过所述摆动叉和滑动杆件使所述无弹性绳索输出三组正弦变化规律且仅有相位差异的位移；所述单向连续传动机构通过曲拐将正弦动力驱动机构产生的无弹性绳索的正弦位移转换为输出轴的单向连续转动。

优选的，所述n为3。进一步优选的，所述圆弧滑轨为半圆滑轨，所述摆杆自竖直位置向每个方向往返摆动90°。进一步优选的，两个位置相对在上侧的从摆臂上的无弹性绳索的末端分别固定在两个滑动杆件的下端，而另一个从摆臂上的无弹性绳索的末端固定在另一个滑动杆件的上端。

优选的，整体结构包括前面板，所述圆弧滑轨位于前面板正面，所述中轴穿过前面板，所述控制极板位于所述前面板下方，所述定滑轮分布于前面板背面。

进一步优选的，曲拐外侧包括后面板，所述输出轴穿过所述后面板。

进一步优选的，所述前面板和后面板顶部连接有支撑柱。

优选的，所述正弦动力驱动机构中两根形状记忆合金驱动弹簧的一端都固定在控制极板的表面上。

优选的，所述从摆臂末端通过小滑轮嵌入相应的滑动杆件中，可以沿着滑动杆件长度方向上下滑动，滑动杆件的下端可沿着相应固定于控制极板基面的轨道左右滑动。

优选的，每根无弹性绳索位于正弦动力驱动机构和单向连续传动机构的两部分可与其它无弹性绳索互换接合关系。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

在本发明的正弦动力驱动机构中，在形状记忆合金驱动弹簧的交替伸缩作用下，通过摆动叉将其伸缩作用转化为滑动杆件的位移，再借由从摆臂相对于滑动杆件的运动转化为无弹性绳索在滑动杆件上部分的呈正弦规律性变化的位移。

所述单向连续传动机构侧的无弹性绳索分别与正弦动力驱动机构中的三根无弹性绳索连接，每根的总长不变，因此正弦动力驱动机构中绳索的正弦规律增减，将带动连续传动机构中绳索的正弦规律减增，同样正弦规律的动力通过曲拐的方向保持，最终输出轴会匀速地单向连续转动。

1.本发明摆脱电磁、燃烧等传统驱动方式，巧妙利用新型智能材料——形状记忆合金在温度场的作用下可逆“记忆”形变，即形状记忆合金材料受热温度达到相变点以上时，材料长度发生收缩，而当材料温度冷却到相变点以下时，材料长度伸张至原长。作为动力源的形状记忆合金材料只是一根很细的丝，重量极轻、结构简单，省去了许多繁重机构；且整个伸缩过程几乎零噪声，可提供安静的工作环境。

2.本发明设计相应的转换机构，将形状记忆合金材料的线性伸缩位移转化为输出轴的单向连续转动，且当形状记忆合金材料匀速伸缩时，输出轴单向运动的转速恒定。

3.本发明设计两根形状记忆合金弹簧差动工作的工作模式，可较大地缩短弹簧伸长或缩短过程的时间，以提高工作效率。即形状记忆合金驱动弹簧ⅰ收缩时形状记忆合金驱动弹簧ⅱ伸长，弹簧ⅰ牵动摆杆左摆的同时拉伸弹簧ⅱ，较大地缩短了弹簧ⅱ由收缩极限状态回复原长的时间；当弹簧ⅰ收缩至极限时弹簧ⅱ收缩，又较快地牵动弹簧ⅰ回复原长。

4.本发明提供了一种正弦位移生成方式，摆动叉8配合三根滑动杆件的复合机械运动，便可可靠、高效地生成正弦变化规律的位移。

5.本发明利用无弹性绳索来衔接正弦动力驱动机构和单向连续传动机构中的动力传递，三组绳索一一对应，如果互换其中两组绳索的接合关系，便可实现输出轴倒转的功能。

附图说明

图1为本发明一种实施方式结构示意图；

图2为图1中正弦动力驱动机构结构示意图；

图3为图1中单向连续传动机构结构示意图；

图4为图2中摆动叉的结构示意图；

图5为图2中中滑动杆件的结构示意图；

图6为图2中左、右滑动杆件的结构示意图。

图中标号列示如下：

1-形状记忆合金驱动弹簧i，2-曲拐，3-后面板，4-输出轴，5-支撑柱，6-前面板，7-半圆轨道，8-摆杆，9-右滑动杆件，10-形状记忆合金驱动弹簧ⅱ，11-下滑轨，12-中滑动杆件，13-控制极板，14-左滑动杆件，15-运动转换机构，16-从摆臂，17-中轴；

101-前无弹性绳索ⅰ，102-前无弹性绳索ⅱ，103-前无弹性绳索ⅲ；

201-后无弹性绳索ⅰ，202-后无弹性绳索ⅱ，203-曲拐轴承集，204-后无弹性绳索ⅲ，205-定滑轮。

具体实施方案

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的解释。

实施例

如图1、图2、图3所示，超轻型静音发动机的基本机械结构是由正弦动力驱动机构、单向连续传动机构以及其他辅助机构例如起到支撑作用的前面板3和后面板6构成。

所述正弦动力驱动机构位于前面板3的正面，包括两根形状记忆合金驱动弹簧i和ii、控制极板13及运动转换机构15，所述形状记忆合金驱动弹簧i和ii作为整个装置的动力源，对称地位于运动转换机构15左右。控制极板13垂直固定在前面板6的下方，而两组驱动弹簧的下端同时安装在控制极板13的上表面，因此，控制极板13除了提供并控制通过两组形状记忆合金驱动弹簧的电流，还充当两组驱动弹簧的安装基座。控制极板13提供并控制通过两根形状记忆合金驱动弹簧的电流，从而实现控制形状记忆合金驱动弹簧i1和形状记忆合金驱动弹簧ii2交替的伸长和收缩。

所述运动转换机构15由摆动叉、三根滑动杆件及半圆滑轨7组成，所述摆动叉的中轴17位于所述圆弧滑轨的圆心，并连接有一根摆杆8和3个从摆臂16，所述摆杆8的末端位于所述半圆滑轨7内，两根形状记忆合金驱动弹簧的上端分别固结有等长的非弹性绳索，伸入半圆滑轨7的轨道中，并且都系在摆杆8的末端，即图4中的杆h0h1上。所述从摆臂16之间间隔角度相同(120°)且末端分别连接三根滑动杆件。

由于形状记忆合金驱动弹簧有“记忆”效应，即材料受热温度达到相变点温度，弹簧长度发生收缩，而当材料的温度低于相变点温度时，弹簧长度可以伸长而回复至原长。假设图示时刻摆动叉的摆杆8部分o1h1处于铅垂位置，形状记忆合金驱动弹簧i1和形状记忆合金驱动弹簧ii10的长度虽然相同，但形状记忆合金驱动弹簧ⅰ1由于在控制极板13的控制作用下通入适合电流，电能转化为热能，材料温升至相变点以上，导致形状记忆合金驱动弹簧ⅰ1进入收缩状态，形状记忆合金驱动弹簧ⅱ10由于在控制极板13的控制作用下断开电流，材料温降至相变点以下，驱动弹簧ⅱ10进入伸长状态，又因为形状记忆合金驱动弹簧ⅰ和ⅱ都通过非弹性绳索系在摆动叉的摆杆8上，此时摆杆8左摆，间接地带动摆动叉的从摆臂16逆时针转动，这一过程在摆动叉由摆杆8铅垂位置逆时针转动90度时终止，即形状记忆合金驱动弹簧ⅰ1收缩至最短、形状记忆合金驱动弹簧ⅱ10伸长至最长；接下来，形状记忆合金驱动弹簧ⅰ1由于在控制极板13的控制作用下断开电流，材料温降至相变点以下，形状记忆合金驱动弹簧ⅱ10处于伸长状态，而形状记忆合金驱动弹簧ⅱ10在控制极板13的控制作用下通入适合电流，电能转化为热能，材料温升至相变点以上，导致形状记忆合金驱动弹簧ⅱ10进入收缩状态，形状记忆合金驱动弹簧ⅰ和ⅱ通过非弹性绳索共同牵动摆杆右摆，间接地带动摆动叉的从摆臂16顺时针转动，这一过程在摆动叉的摆杆8顺针转动180度时终止，即形状记忆合金驱动弹簧ⅰ1伸长至最长、形状记忆合金驱动弹簧ⅱ10收缩至最短；接下来形状记忆合金驱动弹簧ⅰ1再次收缩，形状记忆合金驱动弹簧ⅱ10再次伸长，摆动叉的摆杆8逆针转动90度回到铅垂位置，完成一个完整的往复循环。因此形状记忆合金驱动弹簧ⅰ和ⅱ的差动伸缩，摆动叉交替正反转，运动转化机构将形状记忆合金驱动弹簧ⅰ和ⅱ的线性位移转化成了摆动叉8的交替正反转。

如图2所示，正弦动力驱动机构中埋藏有前绳索ⅰ101、前绳索ⅱ102、前绳索ⅲ103，分别从中轴17沿着从摆臂16向左滑动杆件14、右滑动杆件9、中滑动杆件延伸。在图中，a0、b0、c0分别为三根绳索从中轴17的出发点即从摆臂16的起始点；a2、b2、c2分别为沿半径方向的最远点；为了防止三根滑动杆件在滑动时发生干涉，三根从摆臂从a2、b2、c2起分别向垂直于摆动平面的方向延伸，延伸最远点分别为a3、b3、c3且距离依次减小，因此三根滑动杆件在控制极板13上的水平下滑轨11也是由外向内依次分布，其中b3、c3分别为右滑动杆件9、中滑动杆件12与左边和中部从摆臂16的连接点，而左侧的从摆臂16则在垂直于a2a3向中轴17方向继续延伸，与左滑动杆件14的交叉点为a4，此外，a1、b1为左滑动杆件14、右滑动杆件9的最底端，c1为中滑动杆件的最顶端，因此前绳索ⅰ101的路径为折线：a0-a2-a3-a4-a1；前绳索ⅱ102的路径为折线：b0-b2-b3-b1；前绳索ⅲ103的路径为折线：c0-c2-c3-c1。

三条路径长度特点是：摆动叉的三根从摆臂16从a3、b3、c3点，到a0、b0、c0点的距离在a0a2、b0b2、c0c2线段方向上的投影长度相同，相应的投影假设为：la、lb、lc。如图位置，为方便表达，优选的设置lc铅垂，当然也可以是其它角度，la、lc分别位于lc左右，且与lc夹角都为120度。假设摆动叉的交替正反转的角速度绝对值是ω，则其正反转转角的大小随时间变化关系为：ω*t。所以la、lb、lc，在a4a1、b3b1、c3c1方向上的投影为：la*sin(ω*t+150°)、lb*sin(ω*t+30°)和lc*sin(ω*t-90°)，因此，线段a4a1、b3b1、c3c1可另写成：a4a1＝m+la*sin(ω*t+150°)，b3b1＝m+lb*sin(ω*t+30°)，c3c1＝lc*sin(ω*t-90°)，其中m为某常数值，大小是摆动轴线中轴17到控制极板13表面的距离。三根无弹性绳索的折线路径中只有线段a4a1、b3b1、c3c1的长度随摆动叉的交替正反转而变化，随着摆动叉的交替正反转，三组前无弹性绳索的变化速度经对上式求导后分别为：la*ω*cos(ω*t+150°)、lb*ω*cos(ω*t+30°)和lc*ω*cos(ω*t-90°)，其中的la，lb，lc大小相同，都描述为l，则三组前无弹性绳索的收缩速度可以表示为：l*ω*cos(ω*t+150°)、l*ω*cos(ω*t+30°)和l*ω*cos(ω*t-90°)。

如图3所示，所述单向连续传动机构包括曲拐2，所述曲拐2两端分别连接所述中轴17和输出轴4，所述曲拐的连杆轴径上包括3个轴承构成的曲拐轴承集203，在前面板6的背面、以中轴17为圆心且曲拐2拐臂长度为半径的圆上均匀分布有3个定滑轮205；

单向连续传动机构中埋藏有三根无弹性绳索，分别为：后绳索ⅰ201，后绳索ⅱ202，后绳索ⅲ204。其中后绳索ⅰ201的路径为折线：e0-e2-e3-e1；后绳索ⅱ202的路径为折线：f0-f2-f3-f1；后绳索ⅲ204的路径为折线：g0-g2-g3-g1，具体的，三根后绳索的起点e0、f0和g0分别连接正弦动力驱动机构中三根绳索的终点a0、c0和b0，即后绳索ⅰ201与前绳索ⅰ101、后绳索ⅱ202与前绳索ⅲ103、后绳索ⅲ204与前绳索ⅱ102接通，而后绳索的终点e1、f1和g1分别固定在三个独立的曲拐轴承上，同时三个独立的轴承又套在曲拐2中间的连杆轴径上，在折线路径中间的定滑轮205负责支撑和改变三根后绳索的伸缩方向，e2、f2和g2分别为后绳索进入定滑轮205的点，而e3、f3和g3分别为从定滑轮中引出的点。

由前文已知正弦动力驱动机构中前绳索ⅰ101、前绳索ⅱ102与前绳索ⅲ103的收缩速度可以表示为：l*ω*cos(ω*t+150°)、l*ω*cos(ω*t+30°)和l*ω*cos(ω*t-90°)，而且前绳索ⅰ101、前绳索ⅱ102与前绳索ⅲ103和后绳索ⅰ201、后绳索ⅲ204与后绳索ⅱ202两两组合的总长不变，因此，后绳索ⅰ201、后绳索ⅱ202与后绳索ⅲ204的伸展速度也分别为l*ω*cos(ω*t+150°)、l*ω*cos(ω*t-90°)和l*ω*cos(ω*t+30°)。由于三个定滑轮对称分布在前面板6的后面，它们到输出轴4中心轴线的距离近似于曲拐2曲柄的长度，因此在如图所示的状态，将折线e0-e2-e3-e1和曲拐2的曲柄向前面板6的后面所在平面投影，得到一个近似的等腰三角形，假设曲柄长n，曲柄角速度为α，θ为顶角的初始角度，得三角形中唯一变化的第三边的长度为：所以求导后绳索ⅰ201的变化速度为：而已知后绳索ⅰ201的伸展速度为l*ω*cos(ω*t+150°)，所以两式相比较，可得：

据此得到曲拐2的曲柄长n＝l/2，且输出轴4将以α＝2*ω的角速度连续匀速转动输出动力。同样将折线f0-f2-f3-f1和折线g0-g2-g3-g1向前面板6的后面所在平面投影，亦可证得同样的结论，即输出轴4连续匀速转动输出动力。

根据曲拐2的特性，在正弦动力驱动机构生成的三组正弦位移通过无弹性绳索对轴承组的牵动下，摆动叉每次摆动的角度保证输出轴4可输出单向连续转动。

进一步的，如图1所示，曲拐2外侧包括后面板3，所述输出轴4穿过所述后面板3。所述前面板6和后面板3顶部连接有支撑柱5，形成保护结构。

图4、图5、图6进一步示出了摆动叉和滑动杆件的优选结构。

如图4所示，摆动叉的从摆臂16与其摆杆8部分固结一体，摆杆8末端的轴杆h0h1通过轴套与分别连接形状记忆合金驱动弹簧i1和形状记忆合金驱动弹簧ii10的两根非弹性绳索相连。摆杆8可以将形状记忆合金驱动弹簧i1和形状记忆合金驱动弹簧ii10线性伸缩的直线形式动力，转变为左右摆动的转动形式动力。由于摆杆8与从摆臂16固结一体，即从摆臂16的运动形式为交替规律地左右转动。

如图5、图6所示，图5的中滑动杆件12与图6中的左滑动杆件9和右滑动杆件14虽然长度不一样，但特点相同，都是有两条滑道，一条竖直的滑道供从摆臂16的节点i0、i1和i2点的相对上下滑动，另一条水平的滑道供其在下滑轨11上左右滑动。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，例如将摆动叉和轴承设置为其它数目，都应涵盖在本发明的保护范围之内，仅需调整与n相关的结构的数量，推导过程基本一致。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。