杠桿支點式動力輸出裝置

【摘 要】杠桿支點式動力裝置是一型采用支點功能做功的機器，通過支點的作用，力臂使用較小的動力即可驅動大于較小動力自身能量數倍的加重體。當這個加重體處在杠桿的末端壓迫杠桿下行時，動力裝置輸出軸上產生的扭矩，就將產生數倍于不使用力臂時的扭矩，從而減少了動力輸出裝置驅動受力機械時所需消耗的動力，力臂設計得越長，本動力裝置做功時使用的驅動動力就越少。專利申請號：200910113463.8。

【關鍵詞】杠桿；折疊式杠桿；能量外延；支點；變軌；復合式運動。

能量守恒定律是不可破的，但嚴峻的能源形勢召喚著人類開發節能產品。杠桿支點式動力裝置的研究是機械設計領域對采用能量外延做功的一種探索，欲尋求能在能量外延上做功的設計方式。經過長期觀察，發現一個做封閉曲線運動的杠桿物體，只要給它一個條件，就會做變軌（改變軌跡）運動。因此，杠桿的運動就由單一的相互作用特性，增加了一種新特性排斥。本裝置就是依據相互作用、相互排斥兩種特性設計的。設計依據杠桿的特殊功能以及良好的可塑性本質，針對性地探索其潛在的機械特性與能量外延的關系，采用了杠桿折疊和能量轉換的設計方法，把人給予杠桿物體的條件（連接軸）設計在裝置上，以獲取排斥特性，利用它與相互作用特性引發的機械性反應過程，在裝置上成功的設計了支點。支點是一個多功能的工具，它為旋轉杠桿通過自身功能，接受外來動力做功搭建了一個平臺，使折疊式杠桿具備了既是一根杠桿又是一臺機器的功能，當裝置需要變軌時，它使杠桿成為裝置上的一個獨立的運動機體，用作變軌運動；當其需要做功和消功時，它又使杠桿成為一根可伸展、可折疊的杠桿，用作做功和消功；當需要節能時，它又是一個支點。這種多種工具間的相互配合，使運動中的裝置具備了一個完整的曲柄連桿復合式機構，可做機械重復式往返運動，并以伸、壓、縮、消的方式做功，具備了動力輸出設備諸要素和基本特征，開發出了一個既遵守能量守恒做功，又可利用其產生的機械能、在外延上再做功的復合式做功新模式。本文提出了為裝置設計支點和探索能量外延做功的研究和設計。

1 設計原理

本裝置依據相互作用、相互排斥兩種特性設計而成。為了把人給予杠桿的條件設計在裝置上，在裝置的設計中，采取了杠桿折疊和能量轉換兩種方法。把杠桿設計成折疊式，即把四根杠桿從中間截成長度相等的兩段，一段杠桿固定在設備軸體上，稱固定杠桿；另一段稱旋動杠桿，如圖-3所示。兩段杠桿之間，用一個連接軸再把它們連接成一根杠桿。這樣做是為了獲取折疊式杠桿連接軸（條件）的功能，引導旋轉杠桿在兩種特性發生極端機械性反應時實施變軌。同時，通過自身的功能接受外來動力，驅動旋轉杠桿圍繞連接軸做獨立旋轉運動；若這種動力連續給力驅動旋轉杠桿及加重塊向上方逆時針位移，旋轉輪就會自動向下方順時針位移；當逆時針位移的旋轉杠桿與順時針位移的固定杠桿在裝置上呈水平線時，兩者則又共同壓迫、并圍繞裝置軸心位移，裝置上的運動成為了復合式運動，即兩種特性引起變軌后，固定杠桿與旋轉杠桿各行其道。又在相互作用、相互排斥的運動中，實現異途同歸。

能量轉換是為了上述的需要，把電動機的額定轉速由1400轉/min減速為47轉/min，采用47轉/min轉速的齒輪作為主動輪， 驅動折疊式杠桿連接軸上的減速齒輪，使速度由47轉/min減速成10轉/min， 驅動安裝在減速齒輪上的旋轉杠桿和加重塊位移。在它帶動旋轉杠桿位移時，又把10轉/min轉速，在杠桿上轉換成m/s的速度。這個過程中，在復合式運動的條件下，減速齒輪既作為折疊式杠桿連接軸使用，也可作為支點使用，可以把裝置上的電動機在能量守恒條件下做功時所產生的機械能在力臂上擴大數倍后在杠桿上做功。

裝置的構造設計是一種復合式設計，實施了3項關鍵技術，完成了杠桿支點式動力裝置的設計，實現了使用支點做功，下面詳細介紹設計過程和設計方法：

1.1 杠桿折疊與變軌

杠桿折疊的折疊軸，是人提供給裝置的條件。裝置以此條件引導兩個運動物體，產生相

互作用、相互排斥的特性時，對杠桿的位移軌道做了變軌，如圖3-2、圖3-4、圖3-7、圖3-8，改變了加重塊的位移軌跡。圖3-1、圖3-3則是變軌位移中的途徑位置。其過程是：從右區過來的杠桿采取相互排斥方式位移（這里指的相互排斥是指旋轉杠桿與設備做逆方向位移）。右區與樣機軸心呈水平線的位置是杠桿伸展的位置如圖3-2，杠桿伸展后，在壓力的作用下，加重塊向下方位移。固定杠桿位移90°到了樣機軸心的垂直下方如圖3-3。

圖1介紹：1制動軸、2旋轉輪固定鏍栓、3機體、4固定杠桿支架、5旋轉杠桿、6加重塊、7盆型齒輪（支點）、8驅動齒輪、9傳動軸、12電動機。圖3介紹：1、2、3、5、6均為做功狀態，4、7、8為消功狀態。

因旋轉杠桿做逆方向位移，拐臂軸圖1-7，驅動它逆方向位移了90°圖3-3。此時旋轉杠桿及加重塊與固定杠桿、樣機軸心三者呈圖3-3狀。此狀是杠桿的相互排斥與相互作用特性的交匯處，也就是變軌的界點，只要給它一個條件，它就會變軌，這個條件就是杠桿折疊處的連接點，變軌的節點就在這個連接軸上，在相互作用、相互排斥交換的瞬間就變軌了。變軌后加重塊已不再向左區方向位移，而是向裝置的軸心位置位移（此時加重塊尚在右區做位移），即向杠桿功能消失的方向位移，如圖3-7。當它剛進入變軌區（左區）時，已經到了設備軸心的位置，杠桿功能隨即消失，對右區不再產生任何阻力。這種杠桿功能的消失，為右區杠桿到伸展位置伸展做功和下一根需要消失功能的杠桿到消功位置消功提供了空間，一根杠桿伸展的同時又將另一根杠桿壓上折疊位置消失功能。變軌實現了杠桿連續不斷的伸展和折疊，樣機的位移也就連續不斷地進行著。固定杠桿與旋轉杠桿在折疊位置折疊后，繼續同方向位移，這個相互作用同方向位移既是一個消功過程，也是為下一次變軌做準備。固定杠桿牽著旋轉杠桿位移90°到了樣機軸心的垂直上方，拐臂軸又驅動旋轉杠桿同方向向右區位移了90°。此時軸心，固定杠桿，旋轉杠桿三者呈圖3-1狀，此狀是第二個變軌界點，即由相互作用變軌成相互排斥，杠桿又回到起點。

1.2 杠桿特性向機械特性的轉換

如何把杠桿特性轉變成機械特性，使之成為一臺機器，設計工作經歷了這樣的一個過程：依據杠桿良好的可塑性本質為載體，把相互排斥特性移植到樣機的構造設計上。為實現這個目標，首先是以新特性為基點，尋求到一種能與此相互接納的機械構造模式：即采取把一根杠桿一分為二的方法，一段安裝在旋轉輪軸上，稱之固定杠桿，一段安裝在固定杠桿末端的連接軸上，如圖1-7，稱之為旋轉杠桿。兩者之間用一個連接軸連接。二者在運動中既各代表一種（杠桿）特性，同時又代表著同一種（連桿）特性。其間的折疊軸，作為兩種特性交匯轉換的銜接點，引導杠桿通過自身的功能接受外來動力，驅動旋轉杠桿做獨立旋轉運動，引導兩種特性的轉換，組成一個可與原機體互動的動力機體（稱連桿機構），使之保持二者原特性的存在與新特性的產生；然后，再把兩個運動機體及其功能、特性嫁接整合，形成裝置上的一個機體，并組成了一個完整的曲軸連桿機構，實現了杠桿特性向機械特性的轉變。

現依據裝置復合式運動的實例，說明杠桿特性向機械特性的轉變。圖3是顯示復合式運動位移一周的圖示，支點被設計在旋轉杠桿與固定杠桿的連接軸上，圖3-2是旋轉杠桿與固定杠桿做復合式運動一周的開始，電動機按自已被額定的轉速，驅動旋轉杠桿向上方逆時針位移，固定杠桿及旋轉輪受電動機額定轉速的制約，以電動機的轉速向下方順時針位移。因此，它們經圖3-3、圖3-4、圖3-1回到原點圖3-2，旋轉杠桿圍繞折疊軸位移了一周，同時，也圍繞動力輸出軸位移了一周。在它圍繞旋轉輪位移了一周的時間內，它和固定杠桿共同壓迫旋轉輪，并圍繞裝置的動力軸也位移了一周。這種運動在本裝置上被稱為復合式運動，即旋轉杠桿圍繞折疊式杠桿的折疊軸做的封閉式曲線運動和旋轉杠桿與固定杠桿圍繞裝置動力軸做的封閉式曲線運動。這是一個由杠桿特性向機械特性轉變的過程。

1.3 支點與做功

裝置由四根折疊式杠桿組成了一個旋轉輪，采用固定杠桿與旋轉杠桿之間的連接軸即減速齒軸的半徑作為支點和力臂使用，如圖1-7所示，從齒輪軸到齒輪邊沿之間的長度，就是本裝置杠桿的力臂，長度半徑是7.5cm。當電動機（圖1-10）的動力經傳動軸（圖1-10）傳動到主動齒輪（圖1-9）驅動支點上的被動齒輪（圖1-7）時，即可帶動旋轉杠桿（圖1-5）和加重塊（圖1-6）圍繞力臂軸做旋轉位移。這一過程中，在主動齒輪驅動被齒輪時，被動齒輪上的力臂發揮功能，能把加重塊的重量減輕數倍。當旋轉杠桿和加重塊位移呈圖3-1、圖3-2、圖3-3、圖3-5、圖3-6時，是杠桿的做功狀態；當旋轉杠桿和加重塊呈圖3-4、圖3-7、圖3-8時，是杠桿的消功狀態。

圖3所示的是加重塊的位移路線。圖3-7和圖3-8顯示的是模擬樣機動態下的兩個瞬間圖像，從圖中可以看到這兩個加重塊的位置，處于加重塊的消功區，此時的加重塊已完全消失功能。這里講的消功，是指加重塊處于機體周邊上時消除了對做功區做功杠桿和加重做功的阻力。它消功得越徹底，做功區加重塊做功就越大。樣機模擬實驗還顯示，在相互排斥和相互作用的共同作同下，引起旋轉輪上四根杠桿中的三根杠桿同時來到同一個區域伸展，圖3-2所示；而使另一根杠桿處于折疊狀態，如圖3-4所示。在這兩種狀態下，旋轉輪上形成了一種動勢，打破了旋轉輪上的平衡，加重塊以重力速度朝著下方位移，壓迫旋轉輪位移，實施做功。

通過上述3項技術的實施，裝置能采用做功機械做功時產生的機械能，再在支點上把機械效率放大，進行再做功，以達到節能的目的。

為了檢驗裝置的設計效果，做了兩次樣機實驗。第一次實驗做了裝置的旋轉功能實驗和驅動功能實驗，以下是第二次實驗過程和實驗結果：

2 實驗

實驗從2013年3月1日開始，2013年6月28日結束。

實驗目的：檢驗支點功能；檢驗驅動發電的效果。

樣機機座長2.8m，寬2.5m，高1.68m；

樣機旋轉輪：3.9m，其中固定杠桿：1.0m，旋轉杠桿：0.95m；

樣機力臂：4個，力臂半徑：7.5cm，（主動齒輪力臂半徑為2厘米）鏈輪傳動；

樣機增速器：1個，增速齒輪力臂半徑6cm，3級齒輪傳動，增速比為1：150倍；

驅動電動機：4個，0.5W/個，電壓：380V，轉速：1400轉/s；

減速器：4個，渦輪桿式減速器，速比為1：30倍

發電機：1個，2KW，電壓為220V；

力臂設計增大倍數：電動機原動力的3.7倍

2.1 發電實驗

選用2KW發電機作為實驗對象，做了3組實驗：

第一組實驗：在四根旋轉杠桿上均安裝了24kg加重塊，力臂工作正常，發電機能空負荷旋轉，帶負荷就停車。

第二組實驗：在四根杠桿上增加了10.6kg加重塊，加重塊總重34.6kg，力臂工作正常，發電機發了800W電（4個200W燈泡） 。

第三組實驗：四根杠桿上又增加了10.6kg加重塊，加重塊總重45.2kg，力臂工作正常，發電機發了1800W的電（9個200W燈泡）。

3 實驗分析

3.1 做功力臂的做功量

做功力臂的做功量由力臂長度所決定，其力臂半徑為7.5cm。對裝置力臂功能的測試結果是：力臂2cm長度，可增加電動機一倍的驅動動力。裝置的做功力臂為7.5cm，能增大電動機3.7倍動力；增速器力臂長6cm，將消耗3倍力臂系數?，F依據附圖3，介紹第三組實驗的結果：

對圖3-1的分析：在圖3-1上的加重塊是45.2kg，加重塊在杠桿上的作用長度是0.95m，約179m/s，約1.79KW，其中原動力0.5KW，實際工作效率為0.38KW，合計：1.79—0.38=1.41KW。1.41KW等于做功力臂把原動力增大了3.7倍。

對圖3-2的分析：在圖3-2上的加重塊是45.2kg，加重塊在杠桿上的作用長度是1.95m，約357m/s，3.57KW，其中原動力0.76KW，合計：3.57—0.76=2.82KW。

對圖3-3的分析：在圖3-3上的加重塊是45.2kg，加重塊在杠桿上的作用長度是0.95m，約179m/s，1.79KW，其中原動力0為0.38KWKW，合計：1.79—0.38=1.41KW。

上述3個圖示顯示原動力功率合計為：1.5KW，3項力臂增大功率合計為5.55KW，1.5+5.55=7.05 KW，減去增速器力臂消耗了3倍，1.5KW×3倍=4.5KW，7.05—4.5=2.55KW，減去5個傳動系數所耗能量0.2KW×5=1KW，轉輪上僅剩2.45KW動力。

因版面所限，其他實驗與分析暫且不談。

4 穩定的做功特性

實驗顯示，裝置具有了杠桿的特殊性能和普通性能，做功特性穩定。

4.1 特殊特性與做功耗能

樣機具備了杠桿的特殊性能。實驗中，0.5KW電機的實用效率是0.38 KW，即0.38m/s，加重塊的匹配應為9.2kg， 實驗結果是它驅動的加重塊是45.2kg，1.79m/s：1.79—0.38=1.41，擴大了3.7倍，

（假設）。若把力臂半徑設計成50cm，就可把原動力增大25倍，它要消耗多少能量呢？25—3.7=21.3。這組數據是以本實驗主動齒輪（電動機）以47轉/分驅動力臂將做功效率增大3.7倍為基數，再把它增速到280轉/min作為計算依據。電動機以280轉/min驅動力臂。 若力臂轉速要保持在10轉/min的話，得把原56個齒增加為336個齒。280轉/min是電動機1400轉/min的20%，即0.072KW，這使電動機的驅動力減少了20%，1400—280=1120。動力由原來的0.38m/s減去0.308m/s：0.38—0.072=0.308m/s。也就是說， 支點只要多使用0.072m/s的動力，可使本實驗增大的動力由3.7倍擴大到25倍，減去20%，還剩20倍。

4.2 普通特性與應用的關系

樣機具備了杠桿的普通性能。實驗顯示，它會按照設計要求，按伸、壓、縮、消的秩序做功、消能。與人們平時使用它一樣簡單、方便。例如：當加重塊過重，輸出軸上的扭矩大于受力機械受力軸上的扭矩，使旋轉輪旋轉過速時，因受機械性能的制約，旋轉輪只能被加重塊擦底減速通過，從未出現過超越為其設計的行程而造成失速；當旋轉杠桿上的加重塊是24kg時，發電機只能空轉，一增加載荷，空轉就停住了；當給它再加10.6kg時，就能發出800W的電，效果很明顯。這些實驗結果， 證明了支點被設計在機器上，其杠桿特性沒有發生改變，完全轉變成為了裝置上的組成部分并具備良好的機械特性，實現了支點特性向機械特性的轉變，達到了在機器上做功的設計目標。

本次實驗顯示了杠桿特殊性能被完整地設計到裝置上，能用較小的動力，產生很大的作用力，具有穩定的機械特性；這驗證了杠桿在裝置上應用的普遍性能：只要有條件存在，無論把它放在哪里使用，它都會無條件的工作，產生一樣的效果，并且具有穩定的機械特性。

5 結論

本文主要是對利用支點做功進行的研究，采用做功機械做功時所產生的機械能，在支點上再做功的設計方法，經過了實驗， 達到了設計目標，一旦投入使用，杠桿支點式動力裝置將充分發揮其杠桿功能，以數10倍的節能效果成為一個名符其實的造電機器，開辟出一條能源新來源地，將用清潔無污染的電能造福于人類社會。

但是，實驗樣機的規格尚小，不便于實施大規模的發電作業，必須把規格的直徑由現在的3.9m放大5.9m或7.9m為最好。因此，還有很多工作需要做。

參考文獻

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