专利名称：可持续产生液压差余动力的方法和装置的制作方法
根据力矩和力矩平衡的原理，在同一平衡力系中，作用力大小不变力臂越大力矩越大；力臂不变而作用力越大则力矩越大。力对物体的转动作用决定于作用力矩的大小，力矩越大，力对物体的转动作用越大。有固定转动轴的物体的平衡条件是力矩的代数和等于零(即合力矩为零)。如合力矩不等于零，则物体将按照合力矩的方向在力的作用下发生转动作用和做功。
液体的压强原理表明，在液体内部，液体某一研究点压强的大小等于该研究点处于液体的深度和所处液体密度的乘积。用公式可表示为P＝ρh。液体对物体的压强大小，与液体对物体的压力成正比，与液体对物体作用的受力面积成反比。用公式表示为P＝F/S。
根据阿基米德定律，浸在液体(或气体)里的物体将受到向上的浮力作用，浮力的大小等于物体浸入而排开的液体(或气体)受到的重力。可用公式表示为F浮＝G排液＝ρV。浮力的大小，只跟液体(或气体)的密度和物体排开液体(或气体)的体积大小有关，而跟这个物体本身的密度、总体积、形状、物重以及液体(或气体)的多少，物体在液体(或气体)中是否运动，物体浸没入液体(或气体)里的深度等因素都无关。
可持续产生液压差余动力的方法和装置就是运用上述原理，通过主动设计增减改变液体对平衡装置系统各构件的压力受力作用状况，造成液体对平衡装置系统各个构件的压力、浮力作用正负力矩不相等，装置系统合力矩不等于零，从而使平衡装置系统能够在液体压力的作用下连续不断发生转动作用而对外做功，达到持续产生液压差余动力的目的。
根据原理我们可知，对于如附
图1所示的由单个圆柱形转动轮组成并且转动轮与液压室壁紧相配合的液压作用受力平衡装置。在液压室内外两侧，液体和气体对转动轮产生作用的各种作用力矩是液压力矩M1和M2，浮力力矩M3和M4，重力力矩M5和M6，气压力矩M7和M8。
由于气体压力力矩M7和M8及其浮力力矩M4均表现为大气压力力矩和浮力力矩，其量极小可以忽略不计；而重力力矩M5和M6则大小相等方向相反而相互抵消。所以，实际上该平衡装置的作用力合力矩应是M合＝M2-(M1+M3)。
我们现在设定该平衡装置的各个参数为转动轮半径R(m)，长度L(m)，转动轮轴心处于液体深度H(m)，液体密度ρ(kg/m3)。则计算得出各作用力矩大小如下对于液压力矩，因为F＝PS＝ρhS＝ρh(Ldx)(kg)，h＝H-y (m)M＝Fy(kgm)所以M上＝∫ yρ(H-y)Ldy＝ρL∫ y(H-y)dy＝ρL(3HR2-2R3)/6(kgm)M下＝∫ yρ(H+y)Ldy＝ρL(3H R2+2R3)/6(kgm)对于浮力力矩，因为F=ρV=ρL(ydx)=ρLR2-X2dx(kg)]]>M＝FX所以 ＝ρL(4R3/6)(KGm)那么该平衡装置的合力矩是M合＝M下-M上-M浮＝ρL(3HR2+2R3-3HR2+2R3-4R3)/6＝0即该平衡装置的正负作用力矩刚好相等，装置系统合力矩等于零，装置不能产生转动作用，只能处于平衡不动状态。
但是，如果我们把平衡装置设计和安装成如附图2所示的，由上、中、下外啮合相接的三个纵向垂直排列的圆柱形直齿转动齿轮，以及上、下转动齿轮再外啮合相接一条与之相配合的直齿活动齿链共同组成的，所有转动部分均与液压室壁紧相配合的，液压室布置为附图2所示即转动齿轮一侧为液压受力室而另一侧为敞开排空御压的负压室的液压作用受力平衡装置系统时，则平衡装置系统将会出现液压力和浮力合力矩不等于零、装置系统在液压作用力作用下可持续转动做功的状况。
按照附图2所示并大体上测算设定各个参数值上、中转动齿轮的模数1(m)，齿数18，齿顶圆半径R1为10(m)，分度圆半径R2为9(m)，齿根圆半径R3为7.75(m)，长度5(m)，上转动齿轮轴心处于液体深度H为0(m)；下转动齿轮的模数也是1(m)，齿数24，齿顶圆半径R1为13(m)，分度圆半径R2为12(m)，齿根圆半径R3为10.75(m)，长度为5(m)；与其相配合的直齿活动齿链的齿高h为2.25(m)，齿顶高h1为1(m)，齿根高h2为1.25(m)，链体的总厚度为2.25(m)，宽度为5(m)；使用的液体为水，密度是1000(kg/m3)。据此，我们就可以大致计算出平衡装置系统的各个作用合力矩以及差余液压作用力的大小如下对于上转动齿轮，液体水对其压力和浮力的作用力矩，因其是转动齿轮，所以计算液压力矩时，作用半径应取齿轮的分度圆半径R2进行计算(下同)。因为M1＝FX＝ρHSX＝ρHX(Ldx)所以M1＝ρLH∫ Xdx＝1000*5*0*(92/2)＝ 0 (kg.m)M2＝ρL(3HR22+2R23)/6＝1000*5(3*0*92+2*93)/6＝1215*103(kg.m)按图根据粗略的概算，该直齿圆柱齿轮齿体的浮力大致为齿体区间总体积浮力的0.44321(下同)，这样可得M3＝ρL[R33+(R13-R33)*0.44321]/3＝1000*5[7.753+(103-7.753)*0.44321]/3＝1170.64508*103(kg.m)即得M上合＝M2-M1-M3＝(1215-0-1170.64508)*103＝44.35492*103(kg.m)相当于在上转动齿轮分度圆周上有作用力F上＝M上合/R2＝44.35492*103/9＝4.92832*103(kg)对于中间转动齿轮，液体水对其压力和浮力的作用力矩是M2-M1＝ρL(4R23)/6＝1000*5(4*93)/6＝2430*103(kg.m)M3＝ρL[R33+(R13-R33)*0.44321]*2/3＝1000*5[7.753+(103-7.753)*0.44321]*2/3＝2341.29015*103(kg.m)即M中合＝M2-M1-M3＝(2430-2341.29015)*103＝88.70985*103(kg.m)相当于转动齿轮分度圆周上有作用力F中＝M中合/R2＝88.70985*103/9＝9.85665*103(kg)对于下转动齿轮，液体水对其压力和浮力的作用力矩是H＝0+3*9+12＝39(m)M1＝ρL(3HR22-2R23)/6＝1000*5(3*39*122-2*123)/6＝11160*103(kg.m)由于齿链啮合在下转动齿轮，所以计算的液压半径应是R＝R1+h2-h1＝13+1.25-1＝13.25(m)M2＝ρL(3HR2+2R3)/6＝1000*5(3*39*13.252+2*13.253)/6＝20994.34896*103(kg.m)由于下转动齿轮被齿链啮合一半，所以其浮力力矩应是M3＝ρL[R3+R33+(R13-R33)*0.44321]/3＝1000*5[13.253+10.753+(133-10.753)*0.44321]/3＝6652.72329*103(kg.m)即得M下合＝M2-M1-M3＝(20994.34896-11160-6652.72329)*103＝3181.62567*103(kg.m)相当于转动齿轮分度圆周上有作用力F下＝M下合/R2＝3181.62567*103/12＝265.13547*103(kg)对于活动齿链，液体水对其压力和浮力的作用力矩是由于齿链受活动链节和齿牙的分隔影响，这样，其向上的液压力矩即可视同平面受压情况进行计算M1＝ρLH∫ Xdx＝1000*5*0*(10.752-92)/2＝ 0(kg.m)由于齿链下部液压力矩已经计入下转动齿轮，故不再重复计算。而浮力力矩通过大致上的粗略计算可得
齿链每3.393(m)直线距离(即每齿距离)其对应的齿链横截面积大约是3.5235(m2)；上、下转动齿轮之间的切线距离是A=32+392=39.11521(m)]]>即浸没在液压室里面的齿链总体积是V＝L*A*3.5235/3.393＝5*39.11521*3.5235/3.393＝203.09821(m3)即有浮力F＝ρV＝1000*203.09821(kg)由于链体上下倾斜，所以该浮力实际对下转动齿轮的有效拉力应是(运算过程忽略)F＝1000*203.09821*0.9971＝202.50923*103(kg)即M3＝F R＝13.25*202.50923*103＝2683.24730*103(kg.m)即得M链合＝M1+M3＝(0+2683.24730)*103＝2683.24730*103(kg.m)相当于对下转动齿轮分度圆周上有浮力作用力F链＝M链合/R2＝2683.24730*103/12
＝223.60394*103(kg)这样，在该液压平衡装置系统整体中，就可得出在下转动齿轮分度圆周上具有的液压作用差余动力总合力是F总合＝F上+F下-F中-F链＝(4.92832+265.13547-9.85665-223.60394)*103＝36.60320*103(kg)＝36.60320(T)也即是在下转动齿轮上有液压差余动力总合力矩M总＝F总合*R2＝36.60320*12＝439.23840(T.m)通过上例计算可知，用上述方法和装置是完全可以获得液压差余动力的。而且，在该液压作用受力平衡装置系统中，如果上、下转动齿轮的轮径越大，模数越大即轮齿越大，则差余液压动力越大；如果上、下转动齿轮之间的距离越大(即在中间加入多个转动齿轮)，齿轮和齿链的宽度越宽，则差余液压动力也会越大。当然，使用的液体密度越大差余液压动力也会越大。
但是，在设计和计算过程中同样知道，使用的转动齿轮模数越大，它们在啮合相接时的空隙同样也越大，也就是说，由于转动随之而来的液压室液体外泄也非常大，甚至可能导致液压作用受力平衡系统徒劳无功。为了保证装置系统既能做到最大做功又不致于液体过量损失甚至不损失，即达到可持续产生液压差余动力的目的，可将液压作用受力平衡系统设计成如下最佳方案和结构可持续产生液压差余动力的方法和装置，就是把平衡装置系统设计和安装成如附图3和附图4所示的，由上、中、下外啮合相接的三个纵向垂直排列的圆柱形圆齿转动齿轮，以及在上、下转动齿轮再外啮合相接一条与之相配合的活动齿链所共同组成的，所有转动部分均与液压室壁紧相配合的，液压室布置为附图3所示即转动齿轮一侧为液压受力室而另一侧为敞开排空御压的负压室的，用以获得液压差余动力的液压作用受力平衡装置系统的方法和装置。
根据这一方法和设计，现举例并计算说明如下按附图3所示并大体上测算设定各参数值上、中转动齿轮的齿数为9个，齿顶圆半径R1为10(m)，分度圆半径R2为8.5(m)，齿根圆半径R3为7(m)，长度是5(m)，上转动齿轮轴心处于液体深度H为0(m)；下转动齿轮齿数12个，齿顶圆半径R1为12.9(m)，分度圆半径R2为11.4(m)，齿根圆半径R3为9.9(m)，长度5(m)；与其相配合的圆齿活动齿链的齿高h为3(m)，齿顶高h1为1.5(m)，齿根高h2为1.5(m)，链体的宽度为5(m)，总厚度为3(m)；使用的液体为水，密度是1000(kg/m3)。据此即可大致计算出该平衡装置系统的各个作用合力矩以及系统差余作用力的大小如下同上理，对于上转动齿轮，液体水对其压力和浮力的作用力矩，因其是转动齿轮，所以计算液压力矩，其作用半径应取齿轮的分度圆半径R2进行计算(下同)。因为
M1＝FX＝ρHSX＝ρHX(Ldx)所以M1＝ρLH∫ Xdx＝1000*5*0*(8.52/2)＝0(kg.m)M2＝ρL(3HR22+2R23)/6＝1000*5(3*0*8.52+2*8.53)/6＝1023.54167*103(kg.m)按图测算，该圆柱形圆齿齿轮齿体的浮力大致为齿体区间总体积浮力的0.44321(下同)，这就大体得出M3＝ρL[R33+(R13-R33)*0.44321]/3＝1000*5[73+(103-73)*0.44321]/3＝1056.98162*103(kg.m)即M上合＝M2-M1-M3＝(1023.54167-0-1056.98162)*103＝-33.43995*103(kg.m)相当于在上转动齿轮分度圆周上有作用力F上＝M上合/R2＝-33.43995*103/8.5＝-3.93411*103(kg)对于中间转动齿轮，液体水对其压力和浮力的作用力矩是H＝H上+2R2＝0+2*8.5＝17(m)M2＝ρL(3HR22+2R23)/6＝1000*5(3*17*8.52+2*8.53)/6＝4094.16667*103(kg.m)M1＝ρL(3HR22-2R23)/6＝1000*5(3*17*8.52-2*8.53)/6＝2047.08333*103(kg.m)M3＝ρL[2R33+2(R13-R33)*0.44321]/3＝1000*5[2*73+2*(103-73)*0.44321]/3＝2113.96323*103(kg.m)即得M中合＝M2-M1-M3＝(4094.16667-2047.08333-2113.96323)*103＝-66.87989*103(kg.m)相当于转动齿轮分度圆周上有作用力F中＝M中合/R2＝-66.87989*103/8.5＝-7.86822*103(kg)对于下转动齿轮，液体水对其压力和浮力的作用力矩是H＝0+3*8.5+11.4＝36.9(m)M1＝ρL(3HR22-2R23)/6＝1000*5(3*36.9*11.42-2*11.43)/6＝9519.57000*103(kg.m)由于齿链啮合在下转动齿轮，所以计算的液压半径应是R＝R1＝12.9(m)M2＝ρL(3HR2+2R3)/6＝1000*5(3*36.9*12.92+2*12.93)/6＝18929.13750*103(kg.m)由于下转动齿轮被齿链啮合一半，所以其浮力力矩应是M3＝ρL[R13+R33+(R13-R33)*0.44321]/3＝1000*5[12.93+9.93+(12.93-9.93)*0.44321]/3＝6063.95969*103(kg.m)即得M下合＝M2-M1-M3＝(18929.13750-9519.57000-6063.95969)*103＝3345.60781*103(kg.m)相当于转动齿轮分度圆周上有作用力F下＝M下合/R2＝3345.60781*103/11.4＝293.47437*103(kg)对于活动齿链，液体水对其压力和浮力的作用力矩是由于齿链受活动链节和齿牙的分隔影响，这样，其向上液压力矩即可视同平面受压情况进行计算M1＝ρLH∫ Xdx＝1000*5*0*(102-8.52)/2＝0(kg.m)由于齿链下部液压力矩已经计入下转动齿轮，故不再作重复计算。而浮力力矩通过计算可得齿链每8.3328(m)直线距离(即每齿距离)其对应的齿链横截面积大约是9.6866(m2)；上、下转动齿轮之间的切线距离是A=2.92+36.92=37.01378(m)]]>即浸没在液压室里面的齿链总体积是V＝L*A*9.6866/8.3328＝5*37.01378*9.6866/8.3328＝215.13638(m3)即有浮力F＝ρV＝1000*215.13638(kg)由于链体上下倾斜，所以该浮力实际对下转动齿轮的有效拉力应是(运算过程忽略)F＝1000*215.13638*0.9969＝214.46946*103(kg)即M3＝FR＝12.9*214.46946*103＝2766.65600*103(kg.m)即得M链合＝M1+M3＝(0+2766.65600)*103＝2766.65600*103(kg.m)相当于对下转动齿轮分度圆周上有浮力作用力F链＝M链合/R2＝2766.65600*103/11.4＝242.68912*103(kg)这样，在该液压平衡装置系统整体中，就可得出在下转动齿轮分度圆周上具有的液压作用差余动力总合力是F总合＝F上-F中+F下-F链＝(-3.93411+7.86822+293.47437-242.68912)*103＝54.71936*103(kg)＝54.71936(T)也即是在下转动齿轮上有液压差余动力总合力矩M总＝F总合*R2＝54.71936*11.4＝623.80070(T.m)从上面的计算可知，把平衡装置系统设计和安装成如附图3所示的采用圆柱形圆齿转动齿轮的液压作用受力平衡装置系统的方法能更加有效地获得液压差余动力，同时又能有效地防止了液体的泄漏问题。同样，如果该液压作用受力平衡装置系统的转动齿轮的轮径越大，模数越大即轮齿越大，则差余液压动力也越大；如果上、下转动齿轮之间的距离越大(在中间加入多个转动齿轮)，以及齿轮和齿链的宽度越宽，则差余液压动力也会越大。
综上所述，采用圆齿转动齿轮比直齿转动齿轮具有如下好处和优点1、圆齿转动齿轮相互啮合时可以紧密啮合而基本没有空隙。这就可以使装置系统在运转过程中液体几近毫不外泄，从而达到不依靠消耗液体或液体势能就能够持续产生液压差余动力的目的。
2、圆齿转动齿轮在选取模数时比直齿齿轮的选择范围要宽得多。就是说，圆齿齿轮的齿牙与轮径之比可以选大一些，以尽可能满足装置系统的设计需要，而直齿齿轮在这方面则差一些，模数过大会导致齿轮啮合运转不正常和不顺畅，同时齿槽的空隙也随之过大，造成液体外泄而抵消装置系统所做的功。
3、直齿齿轮的齿根高比齿顶高要大，无形中导致齿链浮力力矩的增大而不利于系统的合力作用。
为了保证装置系统运转正常和最大值地做功，在装置系统设计安装时必须注意考虑和解决好以下问题1、为了最大限度地减少液体外泄，系统各构件之间必须圆滑地紧密相接，使压力室内外尽可能达到既能保证各构件正常运转又能密封相隔的状态。
2、同样，活动齿链的外侧面必须根据与转动齿轮啮合后能够保持同心圆的圆弧形态，以保证运转中能够与压力室壁紧密配合。同时，活动齿链外侧厚度(指活动齿链与转动齿轮啮合后大于转动齿轮齿顶圆半径的部分，也即是齿链链节连接构件的设计安装部位)一般来说不要设计过大，大了就会引发液体外泄量增加，原则上是越小越好。但是，如果把齿链链节连接构件的设计安装部位适当往转动齿轮轴心方向靠近一些，或者是活动齿链外侧厚度适当地增大一些，虽然液体外泄量增加了，但由此而增加的液压差余动力却相当可观。
3、由于活动齿链从上转动齿轮进入压力室时将由曲线运动变成直线运动，因此，与上转动齿轮齿链接触的压力室壁应考虑在内侧适当削成相配合的少量斜面，以保证齿链运转顺畅。
4、由于装置系统主要是依靠液体浮力和液体压力的共同作用做功，而液体对物体的浮力大小只跟液体的密度和物体排开液体的体积大小有关，而跟这个物体本身的密度、总体积、形状、物重以及液体的多少，物体在液体中是否运动，物体浸没入液体里的深度等因素都无关。所以，装置系统应该尽可能地设计成空心结构，以减少装置的总重量，这既利于设计制造、安装和长期运行工作，也利于降低物质和经济上的成本。
5、为了保证装置系统运转正常和最大做功，一般应是下转动齿轮的直径大于上转动齿轮和中间转动齿轮，否则齿链就容易被转动齿轮挤压或者卡死。
以上是可持续产生液压差余动力的主要方法和装置。同样，若把转动齿轮及齿链的齿形采用为如附图5、附图6的半圆形齿轮和齿链，系统装置也一样会可持续产生液压差余动力。
另外，如果把系统装置设计和安装成利用大、小直径相间垂直排列啮合在一起的两组圆齿或直齿、半圆齿转动齿轮，并在其底部再通过同样的小径齿轮啮合相接起来的方法和装置(如附图7所示)，它也能够产生可持续的液压差余动力。这是因为上下啮合的大小转动齿轮，其各自的合力矩大小不等并在系统中作用方向相反，这样，由于大小相隔啮合，大转动齿轮的合力矩刚好处于同一作用方向上而相累加，小转动齿轮也同样累加，那么，正(大齿轮)合力矩之和远大于负(小齿轮)合力矩之和，大小相减就必然有差余液压作用力矩存在和产生。而系统采用圆齿转动齿轮，液体外泄几乎为零，所以，它也是完全达到可持续产生液压差余动力的要求的可行的方法和装置。
但是，后一种方法和装置与前一种方法和装置相比较，显然前者的效果要好些，而后者的方法却简捷些。
最后需要说明的是，上述说明书的计算有些地方是粗略的概算，可能不尽十分准确，但这并不影响可持续产生液压差余动力的方法和装置能够做功的结果的确定性及肯定性，这是显而易见的。
权利要求
可持续产生液压差余动力的方法和装置可持续产生液压差余动力的方法和装置，就是把平衡装置系统设计和安装成由上、中、下外啮合相接的三个(或以上奇数个)纵向垂直排列的圆柱形圆齿(或直齿、半圆齿等其他齿形齿)转动齿轮，以及在上、下转动齿轮再外啮合相接一条与之相配合的活动齿链所共同组成的；(或者是利用大、小不同直径相间组合垂直排列啮合在一起的两组圆齿或直齿、半圆齿转动齿轮，并在其底部通过同样形式的小径齿轮啮合相接起来的)；所有转动部分均与液压室壁紧相配合的，液压室布置为以转动齿轮轴心连线为中心分隔线，一侧为液体液压受力室另一侧为敞开排空御压的负压室的，通过液体对装置构件的液压力作用和浮力作用，获得可持续产生液压差余动力的液压作用受力平衡装置系统的方法和装置。可持续产生液压差余动力的方法和装置的专利权范围请求是以下四项一、使用和采用把平衡装置系统设计和安装成由上、中、下外啮合相接的三个(或以上奇数个)纵向垂直排列的圆柱形圆齿(或直齿、半圆齿等其他齿形齿)转动齿轮，以及在上、下转动齿轮再外啮合相接一条与之相配合的活动齿链所共同组成的，所有转动部分均与液压室壁紧相配合的，液压室布置为以转动齿轮轴心连线为中心分隔线，一侧为液体液压受力室另一侧为敞开排空御压的负压室的，通过液体对装置构件的液压力作用和浮力作用，用以获得液压差余动力的液压作用受力平衡装置系统的方法和装置。
二、使用和采用把平衡装置系统设计和安装成由上、中、下外啮合相接的三个(或以上奇数个)纵向垂直排列的圆柱形圆齿(或直齿、半圆齿等其他齿形齿)转动齿轮，以及在上、下转动齿轮再外啮合相接一条与之相配合的活动齿链所共同组成的，液压室布置为以转动齿轮轴心连线为中心分隔线，一侧为液体液压受力室另一侧为敞开排空御压的负压室的，通过液体对装置构件的液压力作用和浮力作用，用以获得液压差余动力的液压作用受力平衡装置系统的方法和装置原理所进行的生产、技术性改造和开发的专利权。
三、使用和采用把平衡装置系统设计和安装成由上、中、下外啮合相接的三个(或以上奇数个)纵向垂直排列的圆柱形圆齿(或直齿、半圆齿等其他齿形齿)转动齿轮，以及在上、下转动齿轮再外啮合相接一条与之相配合的活动齿链所共同组成的，液压室布置变更为其他形式的，通过液体对装置构件的液压力作用和浮力作用，用以获得液压差余动力的液压作用受力平衡装置系统的方法和装置。
四、使用和采用把平衡装置系统设计和安装成大、小不同直径相间组合纵向垂直排列啮合在一起的两组圆柱形圆齿(或直齿、半圆齿等其他齿形齿)转动齿轮，并在其底部通过同样形式的小径齿轮啮合相接起来共同组成的，所有转动部分均与液压室壁紧相配合的，液压室是以转动齿轮轴心连线为中心分隔线，一侧为液体液压受力室另一侧为敞开排空御压的负压室的，通过液体对装置构件的液压力作用和浮力作用，用以获得液压差余动力的液压作用受力平衡装置系统的方法和装置。
全文摘要
可持续产生液压差余动力的方法和装置是运用力矩、力矩平衡、液体压强原理以及阿基米德定律，通过主动设计增减改变液体对平衡装置系统受力构件的压力、浮力作用状况，把平衡装置系统设计和安装成由上、中、下外啮合相接的纵向垂直排列的圆柱形转动齿轮，以及在上、下转动齿轮再外啮合相接与之相配合的活动齿链所共同组成的受力平衡装置系统，通过液压室造成液体对平衡装置系统各受力构件的压力、浮力作用正负合力矩不相等，装置系统总合力矩不等于零，从而使平衡装置系统能够在液体压力的作用下连续不断发生转动作用对外做功，而所用的液体却基本上始终保持原状不变，以达到可持续产生液压差余动力之目的的方法和装置。
文档编号F03B17/02GK1428506SQ01145518
公开日2003年7月9日 申请日期2001年12月27日 优先权日2001年12月27日
发明者方炳能 申请人:方炳能