气压发动机的制作方法

目前，能源开发的技术背景是：不可再生能源如煤炭，石油，核能等开发成本高，污染环境，开采存量日益枯竭。可再生能源如太阳能，风能，水利发电等开发受环境，地理等因素影响，开发成本高。

能源使用的技术背景是：燃油、燃气发动机污染环境，新能源发动机开发成本高，能量密度低。

发明目的：为了解决现有能源开发及能源使用技术的不足，本发明设计一种具有变截面活塞的双腔液压缸发动机，是一种利用高压气体在静压状态下，将压强力传递给液压缸内的液体，作用在活塞上，在活塞体积不变的状态下，活塞做往复直线运动带动连杆曲轴转动做功，持续把高压气体的压力能转变为机械能的发动机。

技术实现要素：
下面结合图1、图2、图3对本

技术实现要素：
做详细说明。

发明附图：图1是本发明的主视剖面结构图；

图2是本发明的俯视剖面结构图；

图3是本发明的局部剖面结构图；

图4是本发明的受力示意图。

本发明图2，图3表达为双缸气压发动机结构，如果取消图3中ef轴之间的结构再合并为整体，则本发明为单缸结构，如果增加图3中ef轴之间的结构数量，则本发明为多缸结构，本发明以单缸结构做说明。

图1、图2中各零件的名称和标号：封盖1；活塞2；缸盖3；柔性体4；液体5；安装座6；缸体7；中缸体8；轴承9；密封垫10；封板11；缸体12；液体13；缸盖14；定位销15；机罩16；封盖17；充液嘴18；行程开关19；触发板20；行程开关21；螺栓22；二位四通电磁阀23；气压表24；储气罐25；踏板26；储气罐27；储气罐28；高压气体29；三位六通控压阀30；截止阀31；阀芯32；弹簧33；连杆34；下轴瓦35；螺栓36；上轴瓦37；轴瓦盖38；上机罩39；螺栓40；曲轴41；下机罩42；滑道43；滑块44；螺栓45；轴盖46；密封垫47；飞轮48；螺栓49；连杆销50；卡簧片51；轴套52；限形轴53；限形轴54；挡板55；螺栓56；挡板57；限形轴58；限形轴59；密封圈60；密封圈61；密封圈62；密封圈63；密封圈64；密封圈65；密封圈66；密封圈67；密封圈68；密封圈69；密封圈70；密封垫71；轴承72；防尘圈73；螺栓74；轴盖75。

下面结合图1，图2，图3对本发明结构做说明：

本发明是由液压缸总成；活塞总成；动力总成；动力控制总成；曲柄滑块总成部件装配构成。

由缸盖3、14；缸体7、12；中缸体8；密封圈60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70；限形轴53、54、58、59；轴承9；密封垫10；封板11；定位销15；螺栓22；螺栓56；挡板55、57；机罩16构成具有a、b两腔的液压缸总成；除机罩16以外，相对于o轴结构对称，其中，缸盖3、14；缸体7、12；中缸体8之间用定位销15定位，螺栓22连接，材质采用合金钢，设计时需要计算校核外壁及螺栓的抗拉强度，缸盖3、14、中缸体8的活塞口设有凹槽，安装密封圈60、64、65、68，缸盖3、14，中缸体8的两端、滑道43的一端法兰接合面设有凹槽，安装密封圈61、62、63、66、67、69，70，缸盖3、14的活塞口为圆形，中缸体8的活塞口为长圆形，限形轴53、54、58、59两端装配有轴承9，安装在中缸体8的安装孔内，限形轴53、54及限形轴58、59之间的轴表面之间的间隙，与中缸体8长圆活塞孔的宽度一致，挡板55、57用外轮廓定位，螺栓56连接，固定在中缸体8两端的活塞口的凹槽内，作用是方便密封圈64、65的安装，也方便对中缸体8密封槽的加工，两个密封垫10和封板11，用螺栓44连接在中缸体8的两个安装面上，作用是将轴承9安装孔密封，机罩16装配后，内部空间c通大气，在缸体7、12及下机罩42下面分别设计有六处安装座6，用于安装固定本气压发动机。

由封盖1、17；活塞2；柔性体4；充液嘴18构成活塞总成；其中，活塞2外壁由薄壁无缝圆形钢管制造，具有抗拉强度高、延展率适当、抗弯耐曲挠性能好的材料特点，内外表面光滑；活塞2两端面内径与封盖1、17法兰凸台外径紧密配合，活塞2两端面与封盖1、17的法兰面焊接密封；活塞2内腔填充柔性体4，柔性体4由液体或者弹性体两类材质构成，说明如下：

1、活塞2与液压缸总成装配后，通过在封盖17上安装的充液嘴18，向活塞2腔内充入液体做为柔性体4，并且加压，使液体4的压强值高于高压气体29的最大压强值，并且保压一段时间，然后减压，在液体4压强0.11mp至0.15mp状态下，将液体4密封在活塞2的内腔，利用液体体积不被压缩的物理特点，使活塞2既具有刚性又具有柔性。

2、在活塞2的无缝钢管内，与管壁之间无间隙装入整体、分体或者颗粒状弹性体做为柔性体4，材质可以选用橡胶、硅胶、及热塑性弹性体，将活塞2和弹性体4与液压缸总成装配后，对弹性体4加预压的状态下，再将封盖1、17与无缝钢管焊接密封。

活塞总成部件除充液嘴18以外，相对于o轴结构对称。

由储气罐25、27、28；高压气体29；气压表24；截止阀31构成动力总成；高压气体29在储气罐25，27，28内的压强值由低到高，采用空气、氮气或其它气体，气压表24用于显示高压气体29的压强值，截止阀31用于开关储气罐25、27、28。

由行程开关19、21；液体5、13；二位四通电磁阀23；踏板26；三位六通控压阀30；触发板20；螺栓56构成动力控制总成；行程开关19、21分别用螺栓56固定在机罩16上和缸盖14上，触发板20用螺栓56固定在封盖17的端面上，通过二位四通电磁阀23的通大气通道即回液口，分别将液体5、13充入液压缸总成的a、b腔内，为了不消耗高压气体29，液面高度高于二位四通电磁阀23和三位六通控压阀30的安装高度，二位四通电磁阀23将高压气体29的压强力接入到每个缸体7、12的a、b腔内，三位六通控压阀30的进气口，分别连接到储气罐25、27、28的出气口上；三位六通控压阀30的出气口，连接到二位四通电磁阀23的进气口上，通过转动踏板26顺序接入储气罐25，27，28的高压气体29。

由连杆34；下轴瓦35；螺栓36；上轴瓦37；轴瓦盖38；上机罩39；螺栓40；曲轴41；下机罩42；滑道43；滑块44；螺栓45；轴盖46；密封垫47；飞轮48；螺栓49；连杆销50；卡簧片51；轴套52；密封垫71；轴承72；防尘圈73；螺栓74；轴盖75构成曲柄滑块总成；滑块44用螺栓45连接在活塞2的封盖1端面上，飞轮48的内径与曲轴41的外径过渡配合，用飞轮48的止口定位，用螺栓49连接固定在曲轴41上，上机罩39和下机罩42，用螺栓22与滑道43连接，用螺栓40相互连接，轴盖46、75密封垫47、71用螺栓74固定在上机罩39和下机罩42上，由上机罩39和下机罩42装配后形成的空间d通大气，连杆34；下轴瓦35；上轴瓦37；轴瓦盖38；曲轴41；滑道43；滑块44；连杆销50；卡簧片51；轴套52；轴承72；防尘圈73；参照汽油发动机相同零件制造安装。

本发明的原理是：活塞2在a、b两腔的径向圆形截面，在限形轴53、54和58、59的表面间隙作用下，逐渐变形为长圆形截面，活塞2的截面面积也逐渐减少，即活塞2在a、b两腔为变截面结构，开启截止阀31，旋转踏板26，接通高压气体29，当a腔进气通道打开，通大气通道关闭，同时b腔进气通道关闭，通大气通道打开时，高压气体29对a腔液体5施加压强力，液体5将高压气体29的压强力，传递作用在活塞2变截面的轴向投影面上，使活塞2克服阻力运动，进而带动滑块44、连杆34、曲轴41转动，当触发板20触碰行程开关21时，二位四通电磁阀23将a、b腔压力换向，使b腔进气通道打开，通大气通道关闭，同时a腔进气通道关闭，通大气通道打开，高压气体29对b腔液体13施加压强力，使活塞2做反向运动，形成活塞2做往复直线运动，在飞轮48的惯性作用下，使曲轴41连续同方向转动，当触发板20触碰行程开关19时，重复以上动作，形成循环，每次活塞2运动行程均可以做功，没有空行程，活塞2在a、b两腔运动过程中保持体积不变，因此，液体5、13体积也不发生变化，高压气体29和液体5、13没有流动，在静压状态下推动活塞2运动。

通过人力或机械力转动踏板26，推动三位六通控压阀30的阀芯32，顺序接通储气罐25、27、28中的不同压强值的高压气体29，使活塞2获得由小到大的动力，因而使曲轴41输出由小到大的扭矩，放开踏板26，在弹簧33的作用下，阀芯32复位到关闭状态，如果将本发明三个储气罐25、27、28增加数量，高压气体29再对应增加大小不同的压强值，相应的三位六通控压阀30增加位数和通路数量，可以更加平顺地使本发动机获得由小到大的扭矩，类似汽车使用的汽油发动机油门的控制方式。

三位六通控压阀30本发明人将申请分案专利。

本发明活塞2与缸盖3、14及中缸体8的密封圈60、64、65、68之间采用液体5、13润滑，其它运动与运动付零件采用润滑油或油脂润滑。

图1、图2表达的是活塞2运动到二分之一行程时，即曲轴41旋转到90度时，本发明的结构状态。

下面结合图4对本发明装置的受力状况做说明：a、b、c、d是活塞2变截面的轴向投影面上的各受力面积，当二位四通电磁阀23的阀芯向左侧移动时，高压气体29的压强力，作用在液体5上，液体5的压强力作用在a腔活塞2上，此时，活塞2受到的力有：

1、a腔两处a面积上受液体5的压强力；方向与活塞2运动方向一致；

2、b腔两处a面积上大气的压强力，方向与活塞2运动方向相反；

3、a腔两处b面积上受液体5的压强力，方向与活塞2运动方向相反；

4、b腔两处b面积上大气的压强力，方向与活塞2运动方向一致；

5、a腔四处c面积上受液体5的压强力，方向与活塞2运动方向一致；

6、b腔四处c面积上受大气的压强力，方向与活塞2运动方向相反；

7、a、b腔d面积不受液体5的压强作用；

8、与密封圈60、64、65、68的滑动摩擦阻力；方向与活塞2运动方向相反；

9、如果柔性体4选用液体，则a腔活塞2内表面受液体5传递给柔性体4即液体4的压强力，外表面受液体5的压强力；内外压强力互相抵消；

10、如果柔性体4选用液体，则b腔活塞2内表面受液体5传递给柔性体4即液体4的压强力，外表面受大气压力，内外有比较大的压强值差，设计时需要校核活塞2薄壁无缝钢管的许用应力；如果柔性体4选择弹性体，b腔活塞2的无缝钢管内表面压强没有变化，外表面受大气压力，设计时不需要校核薄壁无缝钢管的许用应力；因此，可以加大高压气体29的压强力；

11、8处轴承9产生的滚动摩擦阻力，数值很小忽略不计；

12、限形轴53、54和58、59的径向阻力，相互抵消。

下面结合图1、图2、图3、图4对本发明柔性体4选用液体时的一种实施方式做说明：

设活塞2材质为20crmo无缝合金钢管；长度为912；壁厚为2；外圆直径为100；截面面积为78.5平方厘米；周长为31.4厘米；抗拉强度885mpa，设活塞2行程为150，即曲轴半径为75。

设柔性体4材质为液压油；压强值为0.12mpa；

设液体5、13材质为液压油；

设储气罐28内的高压气体29为高压空气；压强值3.5mpa；

设储气罐23耐压强度不低于6mpa；

设限形轴53、54及限形轴58、59材质为45crmo；热处理硬度hrc60以上；直径为28；长度为212；限形轴53、54和58、59表面间隙为20；表面光滑；

设缸盖3、14，中缸体8，缸体7、12材质为45crmo，铸造；滑道43为球墨合金铸铁，机罩16为一般铸铁或为压铸件；

设封盖1、17，封板11材质为45号钢；

设二位四通电磁阀23为标准件，三位六通控压阀30自制；

设密封圈60、64、65、68为轴用y型，密封圈61、62、63、66、67、69，70为o型，密封垫10、47、71为橡胶垫；

轴承9共八个，轴承62两个，采用标准件；其它各零部件略；

将各零部件装配，本实施方式装配后，不包括曲轴41突出部分的外形尺寸为1450×332×272。

本实施方式活塞2受力计算如下：活塞2轴向投影各面积数值；a：58.9cm²；b：8.34cm²；c：6.4cm²；高压气体29选最大压强值为3.5mpa，即35kg/cm²。

1、a腔两处a面积上受液体5的压强力为2061kg；方向与活塞2运动方向一致；

2、b腔两处a面积上大气的压强力为58.9kg，方向与活塞2运动方向相反；

3、a腔两处b面积上受液体5的压强力为292kg，方向与活塞2运动方向相反；

4、b腔两处b面积上大气的压强力为8.34kg，方向与活塞2运动方向一致；

5、a腔四处c面积上受液体5的压强力为224kg，方向与活塞2运动方向一致；

6、b腔四处c面积上受大气的压强力为6.4kg，方向与活塞2运动方向相反；

7、密封圈65、68受a腔液体5的压强力，与活塞2的滑动摩擦力，设密封唇与活塞2的接触面积共为31.4cm²；取滑动摩擦阻力系数为0.3；则滑动摩擦阻力为330kg，方向与活塞2运动方向相反；

由以上数据计算出：活塞2受到向左侧最大力为1606kg，即活塞2输出动力1606kg，曲轴41的半径0.075米，则曲轴41输出扭矩为120.45kgm，即1205nm，本实施方式是双缸结构，输出总扭矩为2410nm。

校核b腔活塞2内表面受液体5传递给柔性体4即液体4压强力的许用应力：根据薄壁无缝钢管许用应力校核公式δ＝钢管壁厚×2×钢管材质的抗拉强度/钢管外径×系数，δ＝2×2×885/100×8＝4.425mpa，取δ＝3.5mpa，即储气罐28内的高压气体29的压强值为35kg/cm²，储气罐27内的高压气体29的压强值设为20kg/cm²；储气罐25内的高压气体29的压强值设为10kg/cm²，因此，柔性体4即液体4的最大压强值为3.62mpa。

缸盖3、14；中缸体8；缸体7、12，相互连接螺栓22，封板11与中缸体8的连接螺栓45，均需要校核许用应力。本发明使用的各种螺栓均采用高强度材质制造，例如45crmo。缸盖3、14，缸体7、12，中缸体8均需要校核缸壁的许用应力，设计时需要考虑螺栓的数量和缸盖3、14，缸体7、12，中缸体8的壁厚及结构加强，本实施方式省略计算校核过程。

下面结合图1、图2、图3、图4对本发明柔性体4选用弹性体时的一种实施方式做说明：

设活塞2材质为20crmo无缝合金钢管；长度为912；壁厚为2；外圆直径为100；截面面积为78.5平方厘米；周长为31.4厘米；抗拉强度885mpa，设活塞2行程为150，即曲轴半径为75。

设柔性体4材质为颗粒状聚氨酯橡胶；颗粒大小选3×3；

设液体5、13材质为液压油；

设储气罐28内的高压气体29为高压空气；压强值10mpa；

设储气罐23耐压强度不低于15mpa；

设限形轴53、54及限形轴58、59材质为45crmo；热处理硬度hrc60以上；直径为28；长度为212；限形轴53、54和58、59表面间隙为30；表面光滑；

设缸盖3、14，中缸体8，缸体7、12材质为45crmo，铸造；滑道43为球墨合金铸铁，机罩16为一般铸铁或为压铸件；

设封盖1、17，封板11材质为45号钢；

设二位四通电磁阀23为标准件，三位六通控压阀30自制；

设密封圈60、64、65、68为轴用y型，密封圈61、62、63、66、67、69，70为o型，密封垫10、47、71为橡胶垫；

轴承9共八个，轴承62两个，采用标准件；其它各零部件略；

将各零部件装配，本实施方式装配后，不包括曲轴41突出部分的外形尺寸为1450×350×290。

本实施方式活塞2受力计算如下：活塞2轴向投影各面积数值；a：49.25cm²；b：10.6cm²；c：5.6cm²；高压气体29选最大压强值为10mpa，即100kg/cm²。

5、a腔两处a面积上受液体5的压强力为4925kg；方向与活塞2运动方向一致；

6、b腔两处a面积上大气的压强力为49.25kg，方向与活塞2运动方向相反；

7、a腔两处b面积上受液体5的压强力为1060kg，方向与活塞2运动方向相反；

8、b腔两处b面积上大气的压强力为10.6kg，方向与活塞2运动方向一致；

5、a腔四处c面积上受液体5的压强力为560kg，方向与活塞2运动方向一致；

6、b腔四处c面积上受大气的压强力为5.6kg，方向与活塞2运动方向相反；

7、密封圈65、68受a腔液体5的压强力，与活塞2的滑动摩擦力，设密封唇与活塞2的接触面积共为31.4cm²；取滑动摩擦阻力系数为0.3；则滑动摩擦阻力为942kg，方向与活塞2运动方向相反；

由以上数据计算出：活塞2受到向左侧最大力为3439kg，即活塞2输出动力3439kg，曲轴41的半径0.075米，则曲轴41输出扭矩为258kgm，即2580nm，本实施方式是双缸结构，输出总扭矩为5160nm。

本实施方式的柔性体4采用聚氨酯橡胶颗粒为固体，不需要校核活塞2无缝钢管内腔的许用应力，设计时，高压气体29的压强值为10mp，相对于柔性体4采用液体时加大，储气罐28内的高压气体29的压强值为100kg/cm²，储气罐27内的高压气体29的压强值设为60kg/cm²；储气罐25内的高压气体29的压强值设为20kg/cm²。

缸盖3、14；中缸体8；缸体7、12，相互连接螺栓22，封板11与中缸体8的连接螺栓45，均需要校核许用应力。本发明使用的各种螺栓均采用高强度材质制造，例如45crmo。缸盖3、14，缸体7、12，中缸体8均需要校核缸壁的许用应力，设计时需要考虑螺栓的数量和缸盖3、14，缸体7、12，中缸体8的壁厚及结构加强，本实施方式省略计算校核过程。

本发明的缺点是：

1、密封圈60、64、65、68维修更换时，需要将一端活塞2与封盖1或17的焊缝加工去除后，才可以更换，不方便维修。

2、若柔性体4采用液体，受活塞2无缝钢管强度限制，高压气体29的压强值不能过高，造成本发明的输出功率相对不高。

3、若柔性体4采用弹性体，活塞2运动时，限形轴53、54及58、59的间隙使弹性体反复快速变形，产生热量，影响本发明活塞2的使用寿命，可以借鉴采用汽油发动机的冷却方法消除弹性体产生的热量，加大限形轴53、54及58、59的间隙可以使弹性体、无缝钢管减少变形量，提高使用寿命。

4、本发明液体5、13及高压气体29使用过程中会有少量泄露，需要加气加液维护保养。

本发明各零部件均采用现有技术制造，用于制造活塞2的大直径薄壁无缝钢管和柔性体4的材料技术、工艺技术，是实施本发明的关键核心技术，无缝钢管和柔性体4材料的抗拉强度越高、延展性、耐曲挠性越好，本发明的使用寿命越长。

本发明的有益效果是：集开发和使用能源为一体，输入定量高压气体能量，持续把气体的压力能转换为机械能，结构简单，制造及使用成本低，体积可以小型化，也可以大型化，输出能量密度高，可以工业化生产，取代现有燃油、燃气发动机，不影响生态环境，可以为各种移动机械，舰船，汽车提供动力，也可以为固定大型机械提供动力，还可以为能源工业提供原动力。