弹性能动力机 本发明涉及一种以弹性能作为动力源的能源动力机构。
储能和传力是弹簧在被压缩时表现出来的两个基本特性。储能是指弹簧由于形变而储存的弹性能。传力则是指弹簧在发生形变储能的同时，由于其弹性对支撑物施加的弹力的作用，它和压缩物所受的弹力总是大小相等，方向相反且同时出现。(在弹簧长度不长，弹簧被压缩的速度不大时，我们总认为弹力是瞬时传递的)。
长期以来，人们对弹簧的利用总是只重视其储能特性，忽略了其传力特性，从而使弹簧的应用，受到了局限。
本发明是要提供一种能充分利用弹簧储能和传力特性的机构，实现以弹性能作为一种能源动力的目的。
本发明主要有：壳体、定向转子、变向转子三部分组成。
壳体：是一个空心园柱，其内壁的中部有一定数量的、均匀分布地、指向园心的凸起，在壳体的内部还装有速停装置。壳体的两端由中心镶有轴承的壳盖封闭。(见图1)
定向转子：由定向转轴、上下不完整锥轮、定向转臂及安装在其上的活塞缸组成(见图2)。定向转子在工作中，其转动方向始终保持不变。
定向转轴：是一个两端分别纳入壳盖的轴承内的竖立在壳体中心的轴。(见图6)
上下不完整锥轮：是两个相同的，半径为R的不完整锥轮。
不完整锥轮：是指以一定的角度，将园锥面均分后，按一等份有齿，一等份无齿彼此间隔的顺序制作而成的园锥齿轮。有齿或无齿部分对应的园心角称为间隔角，用β表示。(见图3)
上下不完整锥轮的安装：将两不完整锥轮的锥端相对，且使上不完整锥轮的有齿部分与下不完整锥轮的无齿部分上下对应，安装在定向转轴的中部。(见图2)
定向转臂：是一个一端垂直固定在转轴上，另一端装有活塞缸的杆形构件，(见图2)。
活塞缸：是一个一端封闭另一端半封闭的缸体。缸内装有弹簧及T形活塞。其中T形活塞的活塞杆从半封闭的一端伸出缸外(见图4)。活塞缸安在定向转臂端点的一侧，并使活塞杆凸出其边沿，凸出的长度为弹簧所能被压缩的长度。活塞缸内弹簧的可压缩方向与定向转臂的转动方向一致，活塞缸距定向轴的距离为L(见图2)。本机构使用的弹簧为压缩弹簧，具有其特性的其它弹簧也可使用(如空气弹簧等)。
定向转臂有上下二层，每层的数量＝360/2β个
下层定向转臂安装在下不完整锥轮的下方，转臂上的活塞缸距两下完整锥轮的中点的垂直距离H＜L/R(见图2)。相邻两转臂间的夹角为2β，定向转臂上有活塞杆凸出其边沿的一侧，应与当下不完整锥轮和其它锥轮啮合时的啮合脱离点上下对应(见图3)。(因不完整锥轮的不完整性，与其它锥轮啮合时，总有啮合点和脱离啮合点，这两点总在有齿无齿的两个分界线附近)。
上层定向转臂安装在上不完整锥轮的上方，安装方法同上。
变向转子：由变向转轴、变向锥轮和变向转臂组成(见图5)。在工作中变向转子随着定向转子的转动，其转动方向作周期性变化。
变向转轴：是一个沿定向转轴径向安装，中部经轴承固定在壳体内壁凸起上的轴。(见图6)
变向锥轮；是一个半径为r＝R/n(r≥1，n为传动比)的园锥齿轮。它安在变向转轴的内端，置于两不完整锥轮之间并与其构成垂直相交传动。(见图6)
在不完整锥轮沿一定方向转动时，位于两不完整锥轮之间的变向锥轮也随着在与不完整锥轮垂直的平面内转动。由于受上下不完整锥轮有齿无齿对应关系的限制，变向锥轮只能与两不完整锥轮的某一个不完整锥轮啮合。因不完整锥轮有齿部分对应的园心角为β，所以，这个啮合只能维持不完整锥轮转动β度。当继续转动时，变向锥轮就会与该不完整锥轮脱离啮合，与另一个不完整锥轮啮合。由于变向锥轮位于两不完整锥轮之间，且与不完整锥轮的啮合是从上部与上不完整锥轮啮合，从下部与下不完整锥轮啮合，所以两不完整锥轮一定方向的转动会使变向锥轮产生两个相反方向的转动。变向锥轮改变一次转动方向所转动的角度，称为换向角，用θ表示。一般情况下应选取θ＝180°它与间隔角8的关系是：θ＝βR/r＝nβ
变向转臂：是一个长度为l杆形构件。(L/R＜l＜2L/R)。它垂直安装在变向转轴的外端(见图5)。当变向锥轮与上或下不完整锥轮的啮合转动到啮合脱离点时，变向转臂应处在与上层或下层定向转臂的转动平面垂直的位置，并与该啮合脱离点对应的定向转臂有活塞杆凸出其边沿的一侧相交或接近相交且将凸出的活塞杆压缩入活塞缸内，使缸内的弹簧同时被压缩。(见图6)
变向转子共有360n/θ＝360/β个。它均匀分布在不完整锥轮的周围，相邻两变向转子的夹角为β。变向转子有360/2β个与上不完整锥轮啮合，另360/2β个则与下不完整锥轮啮合。相邻两变向转子不能同时与同一个不完整锥轮啮合。(见图7)
在传动比一定的情况下，变向转子的换向角除选取上述的θ＝180°外，还可以选取θ＜180°的其它角。换向角的变化，对机构的影响主要表现在两个方面。一方面，换向角θ变小，使不完整锥轮的间隔角β＝θ/n也随着变小，进而使每层定向转臂的数量＝360/2β和变向转子的数量＝360/β相应的增多。在不完整锥轮周围能容纳下360/β个变向转子时，变向转子的安装方法仍按前述。当不完整锥轮的周围容纳不下360/β个变向转子时，则应选取360/2β个变向转子安装，此时，相邻变向转子间的夹角为2β，且这些变向转子应同时与同一个不完整锥轮啮合。
另一方面，由于换向角θ＜180°，使变向转臂在未转动到与定向转臂的转动平面垂直以前，即相差(180-θ)/2度时，就已换向。为保证变向转臂对活塞杆的完全压缩，定向转臂在安装时，应和不完整锥轮的啮合脱离点有一个夹角，即滞后角，滞后的角度γ＝(180-θ)/2n(n为传动比)。(见图8)
由于本发明在弹簧的压缩过程中，弹簧的弹力既表现为机构的阻力，同时也表现为动力并且使动力距大于或等于阻力距，所以，在工作时不需外加动力就能转动；又由于是以弹性能为动力源，所以它在工作时，对环境无任何污染；同时由于提供弹性能的材料是钢材或其它弹性材料，所以它的材料来源十分丰富而且再生能力强；另外由于本发明采用的是一级锥轮传动，所以它的结构特别简单并且便于制造；由于可以通过传动比、换向角及弹簧倔强系数的变动来调整其输出功率，所以，它能在体积不变的情况下，满足不同的功率需要。
图9、10是弹性能动力机在传动比n＝R/r＝2，不完整锥轮间隔角为β＝90°换向角θ＝nβ＝180°时的剖面图。
本发明包括一个空心园柱形壳体1，其两端经中心镶有轴承2、3的壳盖4、5封闭。壳体的中间竖立一两端经轴承2、3固定的定向转轴6，轴的中部安有不完整锥轮7、8，7、8要锥端相对，且7的的有齿部分与8的无齿部分上下对应在7的上方和8的下方各装有一层数量为360/2β＝360/2×90＝2的定向转臂。上层为a1、a2，下层为b1、b2，每个转臂的外端均安有一个有活塞杆透出其外的活塞缸。上层为c1、c2，下层为d1、d2。每个活塞缸距定向转轴的距离均为L，距不完整锥轮7、8中点的垂直距离均为H(H＜L/R)，且活塞杆的压缩方向与定向转臂的转动方向一致。同层相邻转臂间的夹角为2β＝180°。
在壳体内壁的凸起ei(i＝1、2、3、4)上，装有经轴承fi固定的数量为i＝360×2/180＝360/β＝360/90＝4的变向轴gi。其内端装有半径为r≥1的变向锥轮hi；hi位于不完整锥轮7、8之同，分别与7、8啮合并构成垂直相交传动。其外端垂直装有长度为l的变向转壁ki(L/R＜l＜2L/R)。相邻变向转轴间gi间的夹角为β＝90°
速停机构si在壳体的内壁上，它安装在当变向锥轮hi刚与不完整锥轮7、8脱离啮合时，变向转壁ki就与其接触的位置。
在定向转轴6沿逆时针方向转动时，与之一体的不完整锥轮7、8和上下层定向转臂a1、a2、b1、b2亦随着转动。与不完整锥轮7啮合的变向锥轮h1、h2，使变向转臂k1、k2作由下向上方向的转动。同时与不完整锥轮8啮合的变向锥轮h3、h4使k3、k4作由上向下的方向的转动。
当转动到变向转臂k1k2与定向转臂a1、a2上的活塞缸c1、c2的活塞杆接触，k3、k4与b1、b2上的d1、d2的活塞杆接触时，随着转动的继续ki将会压缩c1、c2、d1、d2的活塞杆，进而使c1、c2、d1、d2内的弹簧受到压缩。ki由于压缩活塞杆而受到弹簧弹力的作用。因弹力的方向与ki的转动方向相反，所以ki受到的弹力KX表现为阻力，经变向锥轮hi和不完整锥轮的传递，使定向转轴6受到一个阻力矩的作用。阻力距的数值为：KX.R.L.sina/r(a为ki与活塞杆的夹角)。因为：H＝lsina所以阻力矩为：KXRH/r
在变向转臂ki受到弹力作用的同时，由于弹簧的传力特性，使活塞缸c1、c2、d1、d2受到一个弹力的作用，进而使定向转臂a1、a2、b1、b2也受到弹力的作用。因弹力的方向与定向转臂a1、a2、b1、b2的转动方向一致，所以定向转臂受到的弹力表现为动力对定向转轴6的动力矩为KXL。
因为：L/R＞H R＞r≥1 KX＞0 R/r＝2
所以：L＞HR/r＝nH＝2H
即：4KXL-4KXRH/r＝4KX(L-2H)＞0
弹力是一个变力，随着弹簧的逐渐压缩，变向转臂所受的弹力的阻碍作用会越大，但是，在弹簧瞬时传力的前提下，定向转臂所受弹力的推动作用也会相应的增大。所以，在弹簧压缩过程中机构始终受到一个大于零的合力矩的作用，在这个合力矩的作用下，机构将按原转动方向加速转动。这个过程将持续到弹簧被完全压缩，变向锥轮hi与不完整锥轮7、8脱离啮合为止。
当变向转子定向转子转动到啮合脱离点，并已脱离啮合时，变向转子定向转子由原来的一体变为两个各自独立的系统，弹簧也从原来的被压缩过程变为膨胀过程。变向锥轮h1、h2与不完整锥轮7，h3、h4与8脱离啮合，变向转臂k1、k2与定向转臂a1、a2，k3、k4与b1、b2垂直相交，c1c2d1d2的活塞杆被压入缸内，此时缸内的弹簧已被完全压缩，并开始膨胀，见图9、图10所示。弹簧因膨胀而对定向转臂a1、a2，b1、b2变向转壁k1、k2、k3、k4施以弹力的作用。定向转臂a1、a2，b1、b2的转动方向因与弹簧的膨胀方向一致，所以所受的弹力表现为动力，对定向转轴6的动力矩为：4KXL
变向转臂ki由于惯性，仍按原方向转动，因其转动方向与弹簧膨胀方向相反，所以所受的弹力表现为阻力，又由于变向转壁ki在刚脱离啮合时就与速停机构si接触，所以其转速将迅速的变为零，然后在弹力的作用下，获反向加速转动后，使变向锥轮hi分别与另一个不完整锥轮啮合，即：h1、h2与不完整锥轮8啮合，h3、h4与7啮合，变向转臂k1、k2作由上向下方向转动，k3、k4作由下向上的方向转动。由于此后变向转臂ki的转动方向与弹簧的膨胀方向变为相同，所以ki所受的弹力也表现为动力，对定向转轴6的动力矩为：4KXnH＝8KHX
在弹簧的膨胀过程中，整个机构所受的动力矩为：4KXL+8KXH＝4KX(L+2H)
由于在弹簧膨胀过程中，机构没有阻力(摩擦除外)，所以这个过程为纯动力过程。随着转动的继续，纯动力过程随着弹簧的逐渐膨胀而渐渐消失，机构完成了一个使弹簧由压缩到膨胀的周期。由于惯性整个机构将继续转动，进入下一个周期。
由于不完整锥轮的间隔角β＝90°，所以机构转动一周所提供的纯动力矩为：4KX(L+2H)×360/90＝16KX(L+2H)
因此只要机构不停的转动，这个纯动力矩就会周而复始的不断提供，从而使本发明的目的得以实现。
因不完整锥轮和变向锥轮的传动比及变向转臂的换向角可选取不同的数值，本文无法一一列举，所以当需要选取的传动比和换向角为其它数值时，可参照前文及本例所述实施。
附图1-8的图面说明如下：
附图1中均匀分布有内凸1和速停装置2的空心园柱形壳体3的两端经中心镶有轴承4的端盖5封闭。
附图2中带有上、下不完整锥轮1、2(1、2要锥端相对，且各自的有齿部分对应彼此的无齿部分)的定向转轴3上，分别装有上、下层定向转臂4、5。其中4在1的上方距1、2的中点为H，5在2的下方距1、2的中点为H。4、5处在相互垂直的轴平面内，在它们的外端的端点处，即距轴3为L处均装有活塞缸6。
附图3是下不完整锥轮与下层定向转臂的关系示意图。图中安装在轴1上的下不完整锥轮2的下方装有下层定向转臂3。不完整锥轮2是指用β角将园锥面均分后，按一等份有齿一等份无齿彼此间隔的顺序加工而成的锥轮。不完整锥轮2的有齿部分4和无齿部分5的分界线应与下层定向转臂2有活塞杆6凸出其边沿的一侧处在同一轴平面内，且活塞杆6向活塞缸7内的压缩方向应与轴1的转动方向一致。关于上不完整锥轮和上层定向转臂的安装方法可参照本图安装。
附图4是活塞缸的示意图。活塞缸1是一个一端封闭，另一端半封闭的缸体，其内部安装有活塞2及与之一体的且从1的半封闭一端伸出缸外活塞杆3。在2和1的底部之间装有弹簧或相当于弹簧的其它弹性材料4。
附图5是变向转子的示意图。变向转子主要有变向转轴1及安装在其一端的变向锥轮2和垂直安装在另一端的长度为l的变向转臂3组成。
附图6是只有一个变向转向转子时的示意图。图中1为壳体，其二端经中心镶有轴承2的端盖3封闭。定向转轴4经2固定。在4的中部装有锥端相对的不完整锥轮5、6，在5的上方距5、6的中点为H处安装有上层定向转臂7，7的外端装有活塞缸8，变向转轴9经轴承10固定在壳体内凸11上，其一端装有变向锥轮12，它位于5、6之间，但不同时与5、6啮合，另一端垂直装有变向转臂13，所图中所示为12刚与5脱离啮合，此时13已将8的活塞杆完全压缩入8内，且与速停装置14接触时的情况(13与8处在接触或接近接触的位置)。
附图7是360/β个变向转子在上、下不完整锥轮周围分布的示意图。图中上、下不完整锥轮1、2(其中2位于1的正下方图中未标出)固定在轴3上，变向锥轮4、5、6、7均匀分布在1、2的周围。其中4、6与2啮合，5、7与1啮合。
附图8是变向转子的换向角小于180°时的示意图，图中下层定向转臂1安在下不完整锥轮2的下方。1有活塞杆3凸出其边沿的一侧所处的轴平面与2的有齿部分4和无齿部分5的分界线所处的轴平面之间的夹角为γ。