力转换器装置及方法.pdf

本发明涉及用于将小的输入力转换成较大的输出力的设备，并且更具体地，涉及用于将输入力转换成输出力的设备及方法，该设备包括：臂，该臂能围绕旋转轴线旋转，其中，旋转轴线能在第一位置与第二位置之间移动；输入力，该输入力用于使臂在第一位置与第二位置之间围绕旋转轴线旋转和移动；结构，该结构用于控制臂的旋转、旋转轴线的移动和位置以产生臂的非圆形运行区段，从而在第一位置与第二位置之间传递输出力。

1.  一种用于将输入力转换成较大的输出力同时保持大体恒定的输入与输出速度比的设备，所述设备包括：
(a)马达轴，所述马达轴能围绕旋转中心旋转；
(b)臂，所述臂安装在所述马达轴上以用于围绕所述旋转中心旋转，其中，在所述臂的端部处的砝码在圆形运行轨道和非圆形运行轨道上行进以产生离心力；
(c)输入力，所述输入力对所述马达轴进行驱动并使所述臂旋转；
(d)线性运动器件，所述线性运动器件允许所述旋转中心通过由所述砝码产生的离心力而在静止位置与中心位置之间前后移动，并且在所述旋转中心从一静止位置到另一静止位置的选择的移动过程中所述线性运动器件将所述离心力的一部分传递至输出件。

2.  根据权利要求1所述的设备，所述设备包括安全壳体。

3.  根据权利要求2所述的设备，其中，所述砝码在旋转的一个区段期间在圆形运行轨道中行进并且在旋转的另一个区段期间在非圆形运行轨道内行进 。

4.  根据权利要求3所述的设备，所述设备包括控制器件，所述控制器件控制在所述圆形运行轨道和所述非圆形运行轨道上行进的径向臂上的砝码的旋转并控制所述旋转中心在前后移动过程中的位置，以产生非圆形运行轨道并在所述旋转中心从静止位置中的一个到所述静止位置中的另一个的移动过程中将所述离心力传递至输出器件。

5.  根据权利要求4所述的设备，所述设备包括柔性安装支架，所述柔性安装支架布置在所述臂的另一端部与所述马达轴之间，使得所述臂和所述砝码在圆形运行轨道和非圆形运行轨道上自由行进通过围绕所述旋转中心的旋转的不同区段以产生离心力，从而使所述旋转中心在所述静止位置之间前后移动以在所选择的区段处将所述离心力传递至输出件。

6.  根据权利要求5所述的设备，所述设备包括控制器件，所述控制器件用于控制所述旋转中心从中央静止位置到第一静止位置和第二静止位置的移动，并且所述控制器件用于控制所述旋转中心从所述第一静止位置和所述第二静止位置到所述中央静止位置的返回的移动。

7.  根据权利要求6所述的设备，所述设备还包括固定的框架，所述固定的框架承载所述线性运动器件，其中，所述线性运动器件包括平台，所述平台能相对于所述框架而移动并且所述平台承载所述马达轴。

8.  根据权利要求7所述的设备，其中，所述线性运动器件还包括两个间隔的气压缸，所述气压缸接合止动器件以用于将所述旋转中心锁定在选择的静止位置中，以及用于解锁从而允许所述旋转中心在线性运动上移动。

9.  一种将输入力转换成较大的输出力同时保持大致恒定的输入与输出速度比的方法，所述方法包括：
(a)提供用于使臂旋转的输入力，所述臂的一个端部与能围绕旋转中心旋转的马达轴连接，所述臂的另一个端部处具有砝码以产生离心力；
(b)通过所述离心力使旋转臂的所述旋转中心在选择的范围内在各个位置之间前后移动；当所述旋转中心在静止位置之间移动时将所述离心力的一部分传递至输出件，其中，所述输出力大于所述输入力。

10.  根据权利要求9所述的方法，其中，所述旋转中心间歇地定位在所述静止位置处并且临时地布置在所述静止位置之间以限定非圆形运行轨道部分，并且其中，所述旋转中心布置在机器的中心处以限定圆形轨道部分。

11.  根据权利要求9所述的方法，其中，所述砝码和所述旋转臂在一个旋转循环期间旋转通过至少四个区段，每个区段的角度范围能从约零度至小于100度变化。

12.  根据权利要求9所述的方法，其中，所述旋转臂行进通过：
(a)第一区段，所述第一区段从约零度到不大于66度并且呈现出圆形轨道，其中，所述旋转中心定位在中央静止位置处；
(b)第二区段，所述第二区段从所述第一区段的端部到接近90度并且呈现出非圆形运行的起点，并且所述旋转中心从所述中央静止位置移动至顶部静止位置；
(c)第三区段，所述第三区段从所述第二区段的端部到约120度并具有非圆形运行的延续，其中，所述旋转中心保持在所述顶部静止位置处；
(d)第四区段，所述第四区段从所述第三区段的端部到约180度，其中，所述非圆形轨道开始向所述圆形轨道行进并且在约180度处与所述圆形轨道汇合，并且所述离心力将所述旋转中心从第一静止位置拉动到所述中央静止位置，在所述中央静止位置中，所述离心力释放以产生比所述输入力更大的输出力；
(e)第五区段，所述第五区段从约180度至不大于246度并且呈现圆形轨道，其中，所述旋转中心定位在所述中央静止位置处；
(f)第六区段，所述第六区段从所述第五区段的端部到约270度并且呈现出另一非圆形运行的起点，并且所述旋转中心从所述中央静止位置移动到底部静止位置；
(g)第七区段，所述第七区段从所述第六区段的端部到约300度并且具有非圆形运行的延续，其中，所述旋转中心保持在所述底部静止位置处；
(h)第八区段，所述第八区段从约300度到约360/0度，其中，所述非圆形轨道开始向所述圆形轨道行进并且在约360/0度处与所述圆形轨道汇合，并且所述离心力将所述旋转中心从所述顶部静止位置拉动到中心位置，在所述中心位置中，所述离心力释放以产生比所述输入力更大的输出力。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中，所述旋转中心通过气缸器件与止动件器件的接合而锁定在所述静止位置中。

14.  根据权利要求12所述的方法，其中，所述离心力根据所述旋转中心的运动被传递至所述输出件。

15.  根据权利要求12所述的方法，其中，所述旋转中心的前后运动以及所述旋转中心何时处于静止位置处的静止时间由旋转的机械离合器控制。

16.  根据权利要求13所述的方法，其中，所述旋转臂的一个端部包括邻近所述旋转中心的柔性连接件。

17.  根据权利要求9所述的方法，其中，所述旋转中心通过所述离心力而前后移动；其中，所述旋转中心的向后移动与所述旋转臂的远端 部处的砝码在从所述圆形运行轨道然后返回以与所述圆形轨道汇合时的向外移动同步；所述旋转中心的向前移动与所述旋转臂的远端部处的砝码从所述圆形运行轨道的内部直接转向以与所述圆形运行轨道汇合的向外移动同步。

18.  根据权利要求10所述的方法，其中，所述砝码在圆形运行与所述非圆形运行期间行进的周向距离大体相同。

19.  根据权利要求18所述的方法，其中，在每个循环过程中，在所述旋转臂上的所述砝码在所述砝码选择的非圆形运行轨道上行进至少一次以将离心力传递至所述输出件，并且其中，在所述旋转中心固定在机器中心处时所述旋转臂也在圆形运行轨道上行进至少一次。

20.  根据权利要求3所述的力转换器装置及方法，所述力转换器装置及方法包括多个设备；每个设备都包括能旋转的臂，所述能旋转的臂在所述圆形运行轨道和非圆形运行轨道上的不同区段上行进，并且在每个循环中所述能旋转的臂的旋转中心至少一次向前移动并且至少一次向后移动，以将离心力的一部分传递至所述输出件。

21.  根据权利要求21所述的方法，其中，由所述马达在所述静止位置处在没有将任何离心力传递至所述输出件的情况下消耗的能量与由所述马达在所述马达移动并将所述离心力的一部分传递至所述输出件时消耗的能量大体相同。

力转换器装置及方法
技术领域
本发明涉及一种这样的装置，该装置用于将小的输入力或力矩转换成较大的输出力或力矩，同时保持相对恒定的输入与输出速度比。
背景技术
变速箱是用于将动力从驱动力传输成期望的输出力的最有用的设备之一。可将输出力或力矩设定成期望的操作水平但速度比是不同的，并且这种设定没有效率是因为消耗了高能量以及在传递机构之间的摩擦损失，这些都是所不期望的。换言之，输出速度下降使输出力增大。本发明从另一方面增大了输出力，同时保持相对恒定的输入与输出速度比。
需要一种更有效的装置及方法以用于将驱动力传输成期望的输出力。提高力的传输的一种方式是利用离心力。已经存在利用这种力的一些装置。例如，US 3,589,842指出一种用于使非圆形轨道中的机器(例如，旋转泵中的滑动叶片)绕轨运行的机构，同时，加拿大专利2,210,332指出一种用于产生力的离心力驱动机器，其中，控制构件在框架与具有重心的块体之间可操作的连接，在该重心处，控制构件将该块体约束成在平衡位置与非平衡位置之间运动。
发明内容
本发明的一方面是提供一种用于将小的输入力转换成较大的输出力同时保持大体恒定的输入与输出速度比的设备，该设备包括：马达轴，该 马达轴能围绕旋转中心旋转；臂，该臂安装在马达轴上以用于围绕旋转中心旋转，其中，在该臂的端部处的砝码(weight，配重件)产生离心力；输入力，该输入力对马达轴进行驱动并使臂旋转；线性运动器件，该线性运动器件允许旋转中心通过由砝码产生的离心力而在静止位置与中心位置之间前后移动，并且在旋转中心从一个静止位置到另一静止位置的选择的移动过程中将离心力的一部分经由力传递机构而传递至输出件。
本发明的另一方面是提供一种将小的输入力转换成较大的输出力同时保持大体恒定的输入与输出速度比的方法，该方法包括：提供用于使臂旋转的输入力，该臂具有与能围绕旋转中心旋转的马达轴连接的一个端部，该臂的另一个端部处具有砝码，该砝码在圆形和非圆形运行轨道上行进以产生离心力；通过离心力使旋转臂的旋转中心移动，旋转中心在第一静止位置与第二静止位置之间前后移动同时经过中心位置并且当旋转中心在静止位置之间移动时将离心力的一部分传递至输出件，其中，输出力大于输入力。
本发明的又一方面是提供一种将小的输入力转换成较大的输出力同时保持大体恒定的输入与输出速度比的方法，该方法包括：安装在柔性安装旋转臂的远端部处的砝码在循环期间行进通过圆形运行轨道和非圆形运行轨道上的不同区段以产生离心力，并将离心力的一部分传递至输出件；圆形和非圆形轨道的每个区段均是能变化的，以便这些区段中的一些能基于基本点而增大或减小，从而提供不同的输出结果；圆形运行轨道的周长与非圆形运行轨道的周长是大体相同的；旋转臂在行进通过不同区段时的运动与旋转中心的运动同步且和谐，以提供最大的效率同时将离心力的一部分传递至输出件。
在一个实施方式中，输出件包括将输出力传输成线性力或旋转力的机构或结构。例如，线性前后运动可使与能旋转的输出轴共轴连接的传输杆或旋转离合器进行往复运动。
现将参考附图对本发明的这些以及其他目的和特征进行说明。
附图说明
图1是具有安全保护壳体的力转换器装置及方法机器的局部立体俯视图。
图2是具有线性运动、马达、传感器以及力传递机构的力转换器装置及方法机器的局部立体俯视图。
图3是具有线性运动和力传递机构的力转换器装置及方法机器的底部立体图。
图4是力转换器装置及方法(未安装有柔性砝码安装旋转臂)的示意性立体俯视图。
图5是示出了旋转中心穿过包括力传递区段的不同区段的函数的示意图。
图6是示出了旋转的各个区段的视图。
图7是示出了U形支架的旋转臂的局部立体图。
图8是处于底部静止位置中机器的侧视图。
图9是处于顶部静止位置中机器的侧视图。
图10示出了处于中央静止位置中的侧部。
图11是圆形运行轨道与非圆形运行轨道的示意图。
图12是图11的局部放大视图。
图13示出了处于中央静止位置中利用离合器的本发明的另一实施方式。
图14示出了处于顶部静止位置中图13的离合器。
图15示出了处于中央静止位置中图13的离合器。
图16示出了处于底部静止位置中图13的离合器。
具体实施方式
参考图1至图5，用于将小的输入力转换成较大的输出力同时保持相对恒定的输入与输出速度比的力转换器装置及方法机器100包括刚性机器框架1010。该机器框架包括保护壳体1024以防护旋转臂2010。该保护壳体1024确保机器在操作时是安全的，并且保护壳体包括环形顶部表面1011以及从属的环形壁1013，该环形壁限定接收上文描述的旋转臂2010的环形空间。可在保护壳体1024的上方使用顶部覆盖件(未示出)。在安全的壳体及其覆盖件就位时操作力转换器装置及方法是安全且明智的。
机器框架1010包括两个圆形的线性运动轨道1012、1014。这两个线性运动轨道是间隔开的。这两个线性运动轨道通过两个方形构件1016、1018连接在一起以保持运动轨道刚性并且彼此大体平行。框架1010包括安装在两个方形构件1016、1018的侧面上的两个板件1020、1022。在一个实施方式中，板件1020、1022竖直的布置成作为机器的腿来支撑力转换器机器100。
四个线性运动支承件1026、1028、1030、1032装配在两个线性支承件壳体1034、1036(见图2)中，这两个线性支承件壳体通过平台或中央板1015连接在一起。
在一个实施方式中，用于使臂2010旋转的器件包括具有轴1019的驱动马达1017，该轴使旋转臂2010旋转。马达1017安装在平台或中央板1015的背部处。马达1017还可远离中央板的中心而安装并且通过同步带或同步链连接至驱动轴1019，以向驱动轴1019的旋转提供恒定的旋转速度。驱动轴1019定位在机器100的中心2037处并定位在中央板或平台1015的上方。传感器致动器1039位于轴1019的侧面上。传感器致动器1039与电子近位传感器1009连通，电子近位传感器将信息提供至机器控制器1031以控制旋转的旋转中心或轴线1025的运动。
两个双冲程气压缸1021、1023安装在两个方形构件1016、1018的侧面上。气压缸1021安装在方形构件1016上并且气压缸1023安装在方形构件1018上。这些气压缸由机器控制器1031进行致动以精确并适时地控制旋转中心1025的运动和位置。机器控制器可为有线或无线的任意合适的电控制器、计算器、CPU等。
参考图1、图6以及图7，用于将小的输入力转换成较大输出力的力转换器装置或设备100及方法包括旋转臂2010。旋转臂2010的近端部2011借助于自由旋转销2012等安装至U形支架2014。在一个实施方式中，销2012可包括螺栓和螺母，以将臂2010连接至U形支架2014，从而允许臂2010的近端部2011相对于U形支架2014稍微弯曲或移动，以确保机器100的流畅运转。支架2014(与连接至该支架的臂2010一起)围绕轴线2017旋转，该轴线与旋转轴线1025共轴。将臂2010连接至U形支架2014的自由旋转销2012从旋转中心1025偏移(从马达驱动轴1019偏移)。
从旋转中心1025至自由旋转销2012的偏移距离向旋转臂2010提供了最大的柔性以在旋转中心1025向后及向前移动时在静止位置之间的线性运动上正常地运行并且有效。换言之，固定销2012的偏移确保旋转臂2010正常运行并且不受诸如在一个方向上运动的离心力以及在另一方向上运动的平台1015等因素的影响。
应当注意的是，将旋转臂安装至支架2014的固定销2012可位于旋转中心1025处或位于驱动轴1019处，但这会减小连接的柔性并且导致不和谐的蠕变，特别是当旋转臂的砝码在与旋转中心的位移相反的方向上行进时。此外，旋转臂2010能直接安装至驱动轴1019，但这减小了旋转臂的旋转速度并减小了离心力，并且力转换器会更快磨损，这是不期望的。
更特别地，支架2014连接至驱动轴1019并且通过键槽2018上的螺栓和键(未示出)而被锁定在驱动轴上(见图1、图2、图4)。旋转臂2010的一侧2025与另一侧2027从单臂型支架2014的开口隔开以自由地且柔性地运行。
两个可调节的螺栓2020和2022穿过单臂支架2014的两个侧面，以设定该单臂支架与旋转臂2010之间的公差，从而提供旋转臂2010有效运行的最大弯曲范围。由可压缩塑料等制成的缓冲垫2029A、2029B用于当设备100启动或停止时使旋转臂与固定支架2014之间的冲击和摩擦最小化。
旋转臂2010的远端部或另一端部承载砝码2024，该砝码在一个实施方式中是平圆形砝码。该砝码在旋转臂2010围绕马达驱动轴1019或旋转的旋转中心或轴线1025旋转时产生离心力。
支架2026由于砝码2014而安装在旋转臂2010的下方以对臂2010进行支撑。滚子支承件2028安装在支架2026上。滚子支承件2028接触扁平圆环2030(见图3)以支撑旋转臂2010并且使其之间的摩擦最小化。
当力转换器装置及方法启动时，滚子支承件2028对在扁平圆环2030上行进的旋转臂2010进行支撑。一旦旋转臂达到期望的速度，则旋转中心1025在静止位置之间自由地向后和向前移动。当用机械离合器(将在下文说明)操作力转换器装置时，旋转中心与离合器的运动一起移动。
在实施方式中示出的，由于机器100的对称结构，中间位置居中地位于第一位置与第二位置之间并且居中地位于机器100与平台1015之间。平台1015以及因此马达1017以及特别地旋转轴线1025在第一或顶部位置6012、中间或中央位置6010以及第二或底部位置6014之间前后移动或运动。机器100包括线性运动可移动器件以使旋转轴线1025在第一位置、中间位置以及第二位置之间相互移动并定位。在一个实施方式中，运动可移动器件包括两个线性支承件壳体1034、1036和中央板或平台1015，该中央板或平台剧中地承载驱动马达1017。如在附图中示出的，驱动马达1017在逆时针方向上驱动旋转臂2010。然而，如果该臂顺时针旋转，则本文描述的本发明能运转。
在操作过程中，驱动马达1017缓慢启动，然后增加以到达期望的速度。在马达1017到达期望的速度之后保持通常恒定的低RPM。
圆形或非圆形轨道：力转换器装置及方法机器100临时在两个不同的运行轨道上行进：相对于机器100的圆形运行轨道5014以及非圆形运行轨道5016。换言之，旋转臂2010围绕固定的旋转轴线1025(也就是固定至平台1015的马达1017)旋转。然而，随着平台1015移动，固定的旋转轴线1025相对于机器100而移动。总的来说，圆形运行轨道限定了旋转臂2010在旋转中心固定在中央静止位置6010处时围绕旋转轴线1025旋转的位置。非圆形运行轨道由多区段限定。非圆形运行轨道的部分是当平台1015在静止位置6012、6010、6014之间向后和向前运动时在旋转臂2010的远端处的砝码2024围绕旋转轴线1025旋转的位置，并且非圆形运行轨道的其他部分是当平台1015固定在静止位置6010、6012、6014处时在旋转臂的远端处的砝码围绕旋转轴线1025旋转的位置。请注意，非圆形运行轨道5016的部分与圆形运行轨道5014相同。非圆形运行轨道是旋转臂2010大部分时间行进的所选择的轨道。
在每个循环过程中，在旋转臂2010的远端部处的砝码2014在其选择的非圆形运行轨道上行进两次以允许旋转中心在静止位置处静止并且使 旋转中心在静止位置6012、6014、6010之间移动以将该砝码的离心力传递至输出件，并且当旋转中心固定在机器中心处时砝码2014还在圆形运行轨道上行进两次。旋转中心在静止位置之间的运动与砝码通过圆形和非圆形运行轨道上的不同区段的运动是同步且协调的。这些功能流畅，因此砝码在其旋转中心处于固定状态时或在静止位置之间前后移动时均能自由地在圆形和非圆形运行轨道上行进。
参考图11和图13，当旋转臂2010处于0度时，旋转轴线1025位于中央静止位置处。更具体地，0度为12:00钟处，90度为9:00钟处，180度为6:00钟处以及270度为3:00钟处。
区段1：当旋转臂2010行进通过区段1(从大约0度到大约66度)时，双冲程气压缸1021的第一冲程和双冲程气压缸1023的第一冲程保持处于最大的延伸状态，在最大的延伸状态时将止动件4002和4004锁定至机器框架100，以确保马达旋转中心1025定位并保持在中央静止位置6010处(见图1、图2以及图10)。在区段1期间，圆形运行轨道5014和非圆形运行轨道5016是相同的(见图11)。贯穿区段1，没有离心力施加至力传递臂5010、5012。
在区段1期间，马达消耗的能量水平与其在其他区段处所消耗的能量水平大体相同。换言之，驱动器马达在不同区段所消耗的能量水平大体是相同的。
区段2：当旋转臂2010旋转通过区段2(从大约66度到大约90度)时，由于旋转轴线1025开始相对于机器100运动，所以在旋转臂的远端部处的砝码2024在其选择的非圆形运行轨道5016上行进。如在图5和图11中看到的，旋转臂2010开始从圆形运行轨道5014脱离并且开始在其选择的非圆形运行轨道5016上行进，在区段2的大约中间位置(大约78度)处，非圆形运行轨道5016稍微超出圆形运行轨道5014。在该点处，非圆形运行轨道向内改变其方向以在大约90度处与圆形运行轨道5014汇合。
更具体地，在区段2期间，双冲程气压缸的两个冲程解锁止动件4002并且完全收回，并且来自旋转臂2010的远端部上的砝码的离心力将旋转中心1025从中间静止位置6010拉动至第一静止位置6012。两个可调节的止动件4028、4030接触中央板1015以支撑气压缸1021，从而将旋转中心定位在第一静止位置6012处。双冲程气压缸1023的两个冲程完全延伸以将止动件4004锁定至机器框架100并确保将马达旋转中心1025定位并保持在第一静止位置6012处(见图9)。止动件4002和4004的锁定是相同的并且类似于门闩锁机构的操作。
如在图9中示出的，当马达旋转中心1025从中央静止位置行进至第一静止位置时，在弹簧5023、5025的辅助下，力传递臂5012在力传递肩部5020的表面5011上自由地向下滑动并且力传递臂5010在力传递肩部5018的表面5015上自由地向内滑动。在区段2处，离心力没有施加到力传递臂5023、5025上，直到离心力超过摩擦力以及使旋转中心1025移动所需的力。清注意，为了高功率操作需要，用于传递机构3010的力传递肩部5018和5020的表面5015、5017需要进一步延伸成适于在离心力超过摩擦力以及使旋转中心移动所需的力时将来自区段2的离心力传递至输出件。力传递机构以与其在区段4和区段8处大体相同的方式运行。
区段3：当旋转臂2010旋转通过区段3(从大约90度到大约120度)时，其中，旋转中心1025保持在第一静止位置6012处。在经过90度后，非圆形运行轨道5016向内移动以脱离圆形运行轨道5014。如在图11中示出的，在旋转臂2010的远端处的砝码2024在大约120度处停止向内行进，然后将方向改变成从120度向外行进，以在大约180度处与圆形运行轨道汇合。虽然旋转臂2010行进通过区段3，但马达旋转中心1025保持在顶部静止位置6012处。贯穿区段3，没有力施加至力传递臂5010和5012。力传递臂5010和5012保持在相同的位置处。
在旋转臂在大约90度处经过圆形运行轨道之后，砝码2024继续在脱离圆形运行轨道5014的所选择的非圆形运行轨道5016上行进，因此旋转 臂产生倾斜角。该倾斜角在旋转臂经过90度之后变得越来越大，因此离心力在旋转中心所处的线性运动上积聚。在这次过程中，双冲程气压缸1021的两个冲程保持在完全收回的状态，双冲程气压缸1023的两个冲程保持在完全延伸的状态以将止动件4004锁定至机器框架100，以确保旋转中心1025保持处于第一静止位置6012处(见图9)。
区段4：在旋转臂2010经过大约120度以贯穿区段4(从大约120度到大约180度)行进之前，双冲程气压缸1023的第一冲程完全收回以用于解锁止动件4004并允许马达旋转中心1025从第一静止6012位置行进至中间静止位置6010。当旋转臂2010行进穿过区段4时，由在旋转臂2010的远端部上的砝码2024产生的离心力将马达旋转中心1025从第一静止位置6012拉动至中间静止位置6010(见图9、图10)。马达旋转中心1025和力传递肩部5018和5020连接至线性运动机构3010。当马达驱动中心1025从第一静止位置6012移动至中间静止位置6010时，力传递肩部5018也向下移动，力传递5018的表面5015将力传递臂推开以将来自旋转臂2010传递至输出件。当力传递臂5010被推开以将离心力传递至输出件时，力传递臂5012通过弹簧5023而在力传递肩部5020的表面5017上自由地滑动(见图9)。
对称性：有关旋转臂2010、马达旋转中心1025的运动、砝码2024的行进轨道以及其他机构的循环后半部分的操作与前半部分大体相同地运行。
区段5：当旋转臂2010行进通过区段5(从大约180度到大约246度)时，圆形运行轨道与非圆形运行轨道是相同的。旋转中心1025保持处于中间静止位置6010处。在区段5期间，没有离心力施加至力传递机构。
区段6：当旋转臂2010行进通过区段6(从大约246度到大约270度)时，旋转中心1025从中间静止位置6010被拉动至第二静止位置6014。 如在图5和图11中所见的，旋转臂2010从大约246度开始脱离圆形运行轨道5014以在其非圆形运行轨道5016上行进。在区段6的中间(大约258度)位置处，非圆形运行轨道5016轨迹稍微超出圆形运行轨道5014。在该点处，非圆形运行轨道向内改变其方向以在大约270度处与圆形运行轨道汇合。
更具体地，在区段6期间，双冲程气压缸1023的两个冲程被完全收回，并且来自旋转臂2010的远端部的砝码2024的离心力将旋转中心1025从中间静止位置6010拉动至第二静止位置6014。两个可调节的止动件4028、4030接触中央板1015以支撑气压缸1023，从而将旋转中心定位在第一静止位置6014处。双冲程气压缸1021的两个冲程完全延伸以将止动件4002锁定至机器框架100，并且确保马达旋转中心1025定位并保持在第二静止位置6014处(见图5和图8)。
图在图8中示出的，当马达旋转中心1025从中间静止位置6010行进至第二静止位置6014时，在弹簧5023、5025的保证下，力传递臂5012在力传递肩部5020的表面5017上自由地向内滑动，并且力传递臂5010在力传递肩部5018的表面5013上自由的向上滑动。在区段6处，没有离心力施加在力传递臂5010和5012上，直到离心力超出摩擦力和使旋转中心1025移动所需的力。请注意，为了高功率操作需要，用于传递机构3010的力传递肩部5018和5020的表面5015、5017需要进一步延伸成当离心力超过摩擦力以及使旋转中心移动所需的力时能够将来自区段2的离心力传递至输出件。力传递机构以与其在区段4和区段8处大体相同的方式运行。
区段7：在经过大约270度之后，柔性旋转臂2010在其非圆形运行轨道5016(该非圆形运行轨道在圆形运行轨道内部)上行进。当在旋转臂2010的远端部上的砝码2024行进通过区段7(从大约270度开始到大约300度)时，非圆形运行轨道5016稍微向内移动以脱离圆形运行轨道5014。在旋转臂2010上的砝码2024在大约300度处停止向内行进，并且改变其 方向以从大约300度向外行进，从而在360度处与圆形运行轨道5014汇合(见图11)。当旋转臂2010行进通过区段7时，马达旋转中心保持在底部静止位置6014处。贯穿区段7，没有力施加至力传递臂5010和5012。力传递臂5010和5012保持在相同的位置处。
区段8：当旋转臂2010旋转通过区段8(从大约300度至大约360度)时，旋转中心从第二静止位置6014被拉动至中央静止位置6010以将离心力传递至输出件。
更具体地，在旋转臂2010经过大约300度以行进通过区段8之前，双冲程气压缸1021的第一冲程解锁止动件4002并且被完全收回以允许马达旋转中心1025从第二静止位置6014行进至中间静止位置6010。当在旋转臂2010的远端部处的砝码2024行进通过区段8时，该砝码在所选择的非圆形运行轨道5016上行进，由在旋转臂2010的远端部上的砝码2024产生的离心力拉动马达旋转中心1025从第二静止位置6014移动至中间静止位置6010。
马达旋转中心1025和力传递肩部5020连接至线性运动机构3010。当马达旋转中心1025从第二静止位置6014移动至中间静止位置6010时，力传递肩部5020也向上移动以将力传递臂推开，从而将来自旋转臂2010的离心力传递至输出件。当力传递臂5012被推开以将离心力传递至输出件，力传递臂5010在力传递肩部5018的表面5013上自由地滑动。
如上文提及的，特别地，第一区段、第三区段、第五区段以及第七区段在可替代的实施方式中可基本上交叠成一点，由于消耗很多能量所以这不如期望的有效率。
请注意，由在旋转臂的端部处移动的砝码产生的且通过力传递机构传递至输出件的离心力可用作旋转力矩或线性力(未示出)。
圆形和非圆形轨道距离：如上文描述的，在旋转臂2010的远端部上的砝码2024在不同的圆形运行轨道上临时行进，以能够将离心力传递至输出件，同时由机器100消耗的能量保持大体相同，并且一个圆形运行轨道的距离(从0度到360度)与一个非圆形运行轨道的距离(从0度到360度)大体相同。
如下文概括的，当旋转臂2010在圆形运行轨道上行进一个循环时同时该旋转臂的旋转中心静止在机器的中心处的前后移动与当在旋转臂的远端部处的砝码2024在非圆形运行轨道上行进一个循环时同时该砝码的旋转中心在所选择的范围之间经过在机器的中心处的中央静止位置6010前后移动是大体相同的。换言之，当旋转中心在机器的中心处固定时圆形运行轨道的距离与当旋转中心在所选择的范围内的位置之间的线性运动上前后移动时以及当旋转中心静止时非圆形运行轨道的距离是大体相同的。
例如：
1.a)80英寸(80”)直径的圆形运行轨道的周长或80英寸的周长(当旋转中心固定时)是251.3274英寸；
1.b)80英寸(80”)直径的非圆形运行轨道距离(当旋转中心在线性运动上从中心向每个侧部向后和向前移动1英寸以内时)是250.6187英寸(250.6187”)。非圆形运行轨道比圆形运行轨道小0.7087英寸。
2.a)60英寸(60”)直径的圆形运行轨道的周长或60英寸的周长(当旋转中心固定时)是188.49604英寸；
2.b)60英寸(60”)直径的非圆形运行轨道距离(当旋转中心在线性运动上从中心向每个侧部向后和向前移动0.7500英寸以内时)是 187.9634英寸(187.9634”)。非圆形运行轨道比圆形运行轨道小0.5326英寸。
请注意，以上提及的描述圆形运行轨道距离和非圆形运行轨道距离的两个实例基于在实例中示出的半径的长度。尺寸可从以上陈述的实例发生改变。
以上的实例示出了一个圆形运行轨道距离与一个非圆形运行轨道距离之间的微小差异。请注意，这两个轨道距离可保持相同，或者圆形运行轨道可略大，但这不是所期望的，这是因为其不会如期望的那样有效。保持这些尺寸大体相同是直接的；仅通过增加或减小非圆形运行轨道的一个或多个区段的角度或弧长。如前文概述的，用于区段1的角度(并且因此砝码行进的周缘弧长)可从零度至小于66度，并且用于区段2的角度(并且因此弧长)可从大于零度至将近90度。区段5和区段6的角度或弧长必须改变成对应于区段1和区段2的角度，使得圆形运行轨道与非圆形运行轨道对称且大体相同。
如上文提及的，非圆形运行轨道可大于圆形运行轨道(仅简单地减小区段3和区段9的角度或弧长)。区段3可像点一样小或可从大约90度到大约小于120度。区段7可像点一样小或可从大约270到大约小于300度。当将区段3和区段7减小至像点一样小时(还如以上描述的减小区段1和区段5)，非圆形运行轨道可大于圆形运行轨道，力转换器装置运转良好但没有效率。
和谐运动：当旋转臂2010行进通过区段2时，旋转中心1025从中间静止位置被向上拉动至第一静止位置6012。当旋转臂2010行进通过区段6时，旋转中心1025从中间静止位置被拉动至第二静止位置6014。通过区段2，旋转臂2010向下行进(向上拉动的旋转中心1025的相对的运动)；并且通过区段6，旋转臂向上行进(向下拉动的旋转中心1025的相对的运动)。旋转臂与旋转中心的相对的方向不会彼此影响，但其在不同的方向 上行进时和谐地运行。换言之，来自处于旋转臂2010的远端部处的砝码2024的离心力向上和向下拉动旋转中心，因此它们和谐地运行。此外，U形支架1025柔性有助于流畅地运转。
如以上描述的，在操作过程中，在旋转臂的远端部处的砝码、旋转臂的长度以及旋转臂的旋转速度不会改变，因此，在旋转臂的端部处的砝码的运行轨道距离保持相同。无论砝码是在圆形或非圆形运行轨道上行进并且同时该砝码的旋转中心在第一静止位置与第二静止位置之间经过机器的中心前后移动以将强力的离心力传递至输出件，还是当旋转中心固定在机器的中心处时砝码在圆形运行轨道上行进。换言之，圆形运行轨道和非圆形运行轨道的周长大约是相同的，无论旋转轴线是在所选择的范围之间前后移动还是旋转轴线是固定的。观察到的是，当马达通过循环从一个区段行进至另一区段时马达消耗大体相同的能量水平。换言之，由马达使旋转臂在其离心力传递至输出件时旋转所消耗的能量与由马达在其运转并没有任何能量传递至输出件时所消耗的能量大体相同。请注意，飞轮可安装在驱动轴上并且(如果期望的话)与驱动轴一起旋转。
输出件：如以上描述的，在力转换器装置及方法的旋转臂的远端部处的砝码在其所选择的非圆形运行轨道上每个循环旋转两次。在区段2和区段6期间，旋转中心从机器2037的中心或从中间静止位置6010两次向后移动至第二静止位置6014。在区段4和区段8期间，旋转中心从第一静止位置6012和第二静止位置6014两次间歇地向前移动至在机器中心处的中间静止位置6010。在从中间静止位置6010向第一静止位置6012或第二静止位置6014移动(可用于将部分离心力传递至输出件)期间发生旋转中心的向后行进，并且消耗的能量水平与在从第一或第二静止位置向中间静止位置移动以将强离心力传递至输出件期间发生的旋转中心的向前行进所消耗的能量水平相同。因此，力转换器装置能够将小的输入力或力矩转换成较大的输出力或力矩。生成的输出力可由以下公式表示：
W1+W2+W3+R<W4。
其中，W1是使驱动马达运转所供应的力(功)；W2是使旋转臂2010旋转以克服支承件摩擦和空气摩擦所需的力(功)；W3是使气压缸、传感器以及机器控制器运转所供应的力(功)；R是阻力或摩擦损失(即，克服力转换器装置及方法机器的移动部件的阻力的能量)；W4是从力转换器装置及方法生成的力或输出力(功)。
根据以上由公式所示出的描述，使力转换器装置及方法运转所供应的总能量或总力(功)小于合成能量或合成输出力(输出功)。
力转换器装置及方法的与由马达消耗的能量和如在以上方程中示出的其他因子有关的观测可在以下实例中得出：
1)轻型直流低速马达使安装其驱动轴上的离合器减速机旋转，并且马达以200RPM运转，产生0.22牛顿米或1.95英寸磅(0.22N·m或1.95in-lb)的力矩，马达消耗14.16瓦特(watts)(0.590安培(amp)x 24伏特(volts)＝14.16瓦特)。
2)当马达像上一段1中概括的一样运转时，但其中，连接至马达轴的承载砝码的旋转臂用作根据本发明所述的力转换器装置及方法。现在，马达在其轴上承载额外的载荷。换言之，马达在其驱动轴上承载力转换器装置的小单元，马达轴的RPM和力矩保持不变，即：200PRM和0.22牛顿米或1.95英寸磅，但马达消耗的能量减小。只消耗了12.60瓦特(0.525安培x 24伏特＝12.60瓦特)。换言之，当力转换器装置及方法在离合器减速机单元处连接至马达的驱动轴时，马达仅消耗12.60瓦特而不是马达在没有力转换器装置及方法连接至马达轴的情况下运转时所消耗的14.16瓦特。这比马达直接使离合器减速机旋转降低了1.56瓦特。
3)如在上一段2中观测和概括的，当单个旋转臂力转换器装置连接至马达的驱动轴并以200RPM运转时，马达消耗14.16瓦特，轴的RPM升高至大约250RPM同时力矩保持0.22牛顿米或1.95英寸磅不变。这比 马达直接连接至离合器减速机高将近25％。请注意，以上是当非常小的并且初级的样品与以200RPM的低速操作的仅一个单元一起使用时观测的实例。具有多个单元的商用力转换器装置和方法以较高的速度运转，并且输出力矩会多倍增大。
基于初始的试验和观测，当马达直接使离合器减速机旋转时由马达消耗的能量更高。换言之，力转换器装置及方法能够将小的输入力或力矩转换成较大的输出力或力矩，同时保持大体恒定的输入与输出速度比。
其他实施方式：多单元设备100可串联地装配以产生较大的力或输出。两单元装配的机器100产生更高的输出。
在一个实施方式中，两个装配单元的机器100的线性运动平行地布置或以相同的相位布置，但其旋转臂2010是180度异相的。这种两个装配单元的机器的旋转臂2010应当处于相反的方向上以提供流畅地运转。可三单元装配的机器可被装配成产生更大的输出。三个装配单元的机器的线性运动将是120度异相的；并且旋转臂也是120度异相的。四单元装配的机器产生更大的输出。四单元装配的机器的线性运动是90度异相的。单元1与单元3的线性运动是平行的。单元2与单元4的线性运动是平行的。单元1的旋转臂与单元3的旋转臂是180度异相的。单元2的旋转臂与单元4的旋转臂是180度异相的。四单元装配的机器比一、二、三单元装配的机器运转更流畅。更多个单元的机器可串联地连接以产生更大的输出。通过改变一个、两个或改变全部三个因素(即，半径、质量(重量)或速度(rpm))来增大输出功率。当按照19页上的每个实例增大或减小半径的长度时，旋转中心的移动范围必须与改变的半径成比例以使操作的效率最优化。
此外，可在水平的或竖直的位置中使力转换器装置及方法运转。在水平面中运转是最有效率的。当该装置在竖直平面中运转时平衡机构必须就位以用于力转换器装置及方法有效地运转。
替代气压缸与传感器的机械离合器：本发明的另一实施方式包括用机械离合器替代气压缸与传感器，该机械离合器可采取包括凸轮等多种形式。图13、图14、图15以及图16示出了本发明的另一实施方式，其中，机械离合器用于替代气压缸2021和2023。此外，可由机械离合器7000替代电子近位传感器1009和传感器致动器1021。换言之，用于控制臂2010的旋转、旋转轴线1025的移动和位置以产生臂的非圆形运行区段从而在第一位置与第二位置之间传递输出力的器件包括机械离合器7000。
机械离合器连接至马达轴1019并且围绕旋转轴线1025共轴地旋转。臂2010的近端部共轴地连接至定位在旋转臂2010下方的马达轴1019的旋转轴线1025。安装在驱动轴上的机械离合器机构以及上文描述的机器框架可远离旋转中心而安装并且连接至马达轴以提供相同的功能。
固定支承件8000连接至支架，该支架通过肩部螺栓8002而附接至机器框架100(未示出)。固定支承件8004连接至支架，该支架通过肩部螺栓8006而附接至机器框架100(未示出)。
如在图13中示出的，机械支承件7000具有四个凸角7001、7002、7003以及7004。这些凸角临时地接合固定支承件以将旋转轴线1025定位在第一静止位置6012、第二静止位置6014以及中间静止位置6010中并允许旋转臂2010行进通过圆形和非圆形运行轨道上的不同区段。
当旋转臂2010旋转至大约0度时(向上指向)，离合器7000的凸角7001接合支承件8000以将旋转中心1025定位在中间静止位置6010处或定位在机器100的中心2037处(见图13)，其中，凸角7002与支承件8004间隔开。当旋转臂2010旋转通过区段1(从大约零度到大约66度)时，旋转中心1025位于机器100的中心2037处的中间静止位置6010处，支承件8004接触凸角7002以将旋转中心保持在中间位置6010处直到旋转臂2010到达大约66度，其中，离合器7000的凸角7001随即与支承件8000 脱离以允许旋转中心1025在旋转臂旋转通过区段2(从大约66度到大约90度)时从机器的中心2037自由地旋转至第一静止位置6012。
当旋转臂2010旋转至大约90度时(指向机器100的左侧)(见图14)，离合器7000的凸角7004接合支承件8000以将旋转中心定位在第一静止位置6012处，第一静止位置在机器100的中心2037的上方。当旋转中心1025定位在第一静止位置6012处时，旋转臂2010行进通过区段3(从大约90度到大约120度)，支承件8000接触凸角7003以将旋转中心保持在顶部静止位置6012处直到旋转臂2010到达约120度，离合器7000的凸角7003随即脱离支承件8004以允许当旋转臂2010旋转通过区段4(从大约120到180度)时旋转中心从第一静止位置6012自由地移动至中间静止位置6010。
当旋转臂2010旋转至大约180度时(在机器的中心下方向下指向)，离合器7000的凸角7001接合支承件8004以将旋转中心1025定位在中间静止位置6010处，中间静止位置在机器100的中心2037处(见图15)，凸角7002与支承件8000间隔开。当旋转中心1025定位在中间静止位置6010处或定位在机器100的中心处时，旋转臂行进通过区段5(从大约180度到大约246度)，支承件8000接触凸角7002以将旋转中心保持在中央静止位置6010处直到旋转臂2010到达大约246度，离合器7000随即脱离支承件8004以允许当旋转臂旋转通过区段6(从大约246度到270度)时旋转中心从中间静止位置6010自由地移动至第二静止位置6014。
当旋转臂2010旋转至大约270时(指向机器的右侧)，离合器7000的凸角7004接合支承件8004以将旋转中心1025定位在第二静止位置6014处(在机器100的中心2037的下方)(见图16)，凸角7003与支承件8000间隔开。当旋转中心1025定位在机器100的中心2037下方的第二静止位置6014处时，旋转臂2010从大约270度行进到大约300度，支承件8000接触凸角7003以将旋转中心保持在底部静止位置6014处，直到旋转臂2010到达大约300度，离合器7000随即脱离支承件8000以允 许当旋转臂2010旋转通过区段8(从大约300度到大约360度)时旋转中心从第二静止位置6014自由地移动至中间静止位置6010。请注意，在其他实施方式中，旋转臂相对于机械离合器的位置可处于不同的位置。可由两个机械离合器机构替代如上文所述的一个机械离合器机构以提供相同的功能。这意味着两个离合器机构的一个离合器可安装在顶部支承件8000位置处，而另一个离合器可安装在底部支承件8004位置处。这两个离合器通过同步带或链等连接至旋转中心。两个机械离合器机构的球支承件可安装在机械离合器位置2037处。
本领域的技术人员根据本公开将显而易见的是，在本发明的实践中在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多其他变型和修改。
例如：
·可由电螺线管(electrical solenoid)或机械离合器、永久的或电磁的磁性离合器等替代气压缸。
·电位控制线性运动可替代气压缸及其电子控制器。
·可通过使用伺服马达或步进马达淘汰电子传感器。
·可由伺服马达或步进马达及其驱动器对力转换器装置及方法的静止位置进行定位。
·可由齿轮千斤顶(jack pinion)或齿轮系统替代力传递肩部机构；
·可由单摆、枢转传动(pivoting livers)等替代线性运动；
·可由内燃机(gas engines)、瀑布、风车以及其他自然资源替代力转换器装置及方法的马达驱动器。
·可由从旋转臂的外端部连接至在固定的支架上方延伸的驱动器轴的斜缆线替代滚子支承件及其支架支撑旋转臂。
·力转换器装置及方法可在竖直平面上运转，而不是在水平平面上。当在竖直平面上运转时，需要平衡机构来确保力转换器有效地并持续产生离心力。