刍议机械原理基础逻辑架构重建之七：热机是什么（二）       

摘要

本文的主要结论：

1、热机是一个含有主动副的机构，该主动副是热能转换为机械能的主要部件。主动副不工作时，机器就是一个机构。

 2、P1R1R2R3闭环机构，可以构成一个冗余支链单自由度并联结构，机架是基础平台，飞轮是运动平台。一个运动链是P1R1R2R3,第二个支链是IR3，两个支链的R3是同一个轴线。（I表示一个构件）。运用冗余支链并联机构的思维，可以研究分析传统的多数平面单自由度机构。

3 、传统的闭环单自由度机构是并联机构的特例。瓦特单活塞蒸汽机（元机器）机构是带反馈的单自由度双支链并联机构。有一种简单的斯特林发动机就是单自由度双驱动三支链并联机构（两个驱动支链之间有互馈回路）。

4、机构的工作过程多数是可逆的。机器的工作过程不可逆。燃料的化学能一旦转换为热能，热能再不可能转换为燃料。这是机构与机器的重要差别之一。

在上一篇博文（机器是什么（一））中，探讨了作为热机的一些基本部件和简单机器。指出，机器是包含主动副的机构：无主动副，无机器。在这一篇博文，结合几个具体的热机，包括，瓦特蒸汽机，斯特林发动机，活塞发动机，从机器与机构的区别和联系，特别是从连接模式的视角，探讨机构与机器之间的异同。

机器和机构的区别与联系，教科书中，有关于机构与机器在功能层面的区别与联系，说得比较清楚。但是对结构层面，没有看到有明确的，详细的说明。

按照技术哲学关于技术人工物结构与功能的非一一对应性关系，单独根据功能，我们无法推导出其具体的结构。

众所周知，一份关于机械结构的发明专利不可能仅依靠功能描述就会授权。即使功能再先进，再具体，没有具体的结构，专利局绝不会授予你专利权，就是因为这个原因。

因此有必要从结构层面指出机构与机器的具体差别。当从结构和功能两个层面，对机器与机构都有了深层次的认识，我们才有可能认清机构与机器的本质区别。

另外，传统机构（多为单自由度的闭环机构）与现代机构（例如，各种串联机构，并联机构等）有何种关系，也是需要探讨的。

基本思路

1、对于任何一种机器，首先从机械构型连接模式层面区分是开环、闭环还是半闭环或其它模式的连接。开环则多是一个串联机构。闭环，则多是并联机构，或是有反馈回路的闭环机构，或其它形式的闭环结构。

2、对回路进行分解，找出基本机构（元机构或元机器），分析其基本组成、功能和机器各个基本机构之间的连接方式。

3、分析构成基本机构的各个实体运动副，特别是主动副，探讨能量转换的基本过程、运动的动因和连续运动的基本机制。

此外还要探讨第一推动力的必要性，例如，是否需要，维持时间。点燃式发动机的引燃也是第一推动力，也是需要探讨的。

解读表达方法  本文关于机构和机器的解读，在方法上，具有重语言表达的特点。争取用独立的语言表达，基本确定描述对象的基本结构关系。

传统的表达方式，重在图形展示，语言作为一个辅助说明，就是说以图形为主。例如曲柄连杆机构，三个转动副一个移动副，他们之间的关系，通常是依靠图形来说明的，而文字上很少有对于他们之间的空间几何关系的描述。例如，很少提及移动副的轴线与第三个转动副的轴线是垂直的，三个实体转动副的轴线是相互平行的。至于连杆与实体主动副轴线之间的关系，更很少提及。

本文采取的方法是，通过详尽准确的语言描述，即使在没有图形辅助表达的情况下，也能够说明结构的基本特征。这一点与产品类专利申请书是相似的，或者说我们采用了专利申请书上所采用的表达方法。因为专利法的相关规定，产品结构发明，申请书内容以语言说明为主，图形为辅。专利申请书语言描述是第一位的，图形是辅助的。

由于采用了，以语言描述为主的叙述方式，因此读者可能会发现，叙述语言比较长，似乎比较啰嗦。仔细地阅读，会发现，仅靠语言，就能比较清晰地理解某个结构，在大脑中建立一个基本架构，例如拓扑结构。这种能力对撰写专利申请书是有益的。

本文研究往复运动活塞型热机，研究简单的被称之为元机器的热机。包括简单的蒸汽机（外燃机），内燃单缸活塞发动机，双活塞单驱动斯特林发动机（外燃机）。

1、新概念、定理回顾

 在下面的论述中，会应用前几次博文给出的新概念、定理和新引入的概念。为方便读者阅读，摘录如下。

1.1 新概念

1、单元体：一物质或物体被称为单元体，是因为该物质或物体的各个部分之间没有宏观的相对运动。如果一个物质或物体的各个部分之间没有宏观的相对运动。则该物体或物质称为单元体。其尺度是通常意义下的机械产品的尺度。

2、构件：同时具有或符合如下三个条件的单元体称为构件：

A、经人为选择，加工或直接应用的独立的单元体，

B、该单元体具有能够满足人的某种客观或/和主观需求的特性，

C、该物质或物体具有某种连接功能。

构件是构成各种复杂部件的基本结构单元。按照功能分类，构件分为构型构件，连接构件，装饰构件，信息展示构件，其它构件。按照物质形态分类，有刚体构件、弹性体构件、流体构件、电磁场构件，复合构件，其它构件。有些构件需要其它构件的辅助，才能独立应用。

零件是构件，零件符合构件的定义。

3、定常结构：以构件作为基本结构单元，多个构件经固定或活动连接组成的整体，该整体的各个单体构件的相对位置是固定不变的，则该整体称为定常结构。例如桁架是一个定常构件。通常，较少个零件经固定连接组成的定常结构还称为构件。较多个零件经固定连接组成的整体，如果获得新的功能则称为定常结构。例如，一块砖是一个构件，许多许多砖用泥浆固定连接建成一个鸡窝，鸡窝右遮风避雨的新功能，则鸡窝是一个定常结构。定常结构分为对称连接或非对称连接两种结构模式。桁架通常具有对称性，且构件多是直杆。定常结构可以作为一个独立的技术人工物层次。如梳子，耙子，鸟巢体育馆是定常结构。

有时，具有新功能的定常结构仍然看作为一个构件。例如，压气机静子叶片，是由多个叶片经旋转对称固定连接形成的整体，除承力外，还可以改变气流的速度和方向（获得新功能）。显然，它符合定常结构的定义。但是，通常还是把它看作一个复杂构件，作为实体运动副的定子或运动子。

对比：机械原理教科书中定义的构件，是指组成机器的最小运动单元。零件是指组成机器的最小制造单元。单个零件是构件，多个零件固定连接在一起，还是构件，如内燃机的连杆结构。

构件的两个定义，定义方式不同。定义的“产物”也有很大的差别。作为刚体构件，二者也有差别。运动不是构件的必备特性。各自的拓展空间差别很大。新概念是开放的，是可以扩展的。新定义的构件外延更为广泛。两个定义的共同点是，一个说构件是什么什么样的单元。一个说构件是符合什么什么条件的单元体。最小的和各个部分之间没有宏观运动的，二者表达的意思是还是比较接近的：整体性和不可分割性。新定义指明了构件的两个本质属性。原定义，仅仅给出了运动特性。构件的两个本质属性也是新组合体的本质属性。

 4、耦合子  耦合子是由原来的运动副概念扩展后得到的新概念。原运动副的“连接表面”扩展变为连接子（连接子是一个构件），“直接接触”变为经关联元素的活动接触（直接或间接接触）。

所以，耦合子的定义是：耦合子由连接子，关联元素组成，按照一个（或一组）连接子，一个或一组关联元素和另一个（或一组）连接子的顺序串联连接，形成的组合体，称为耦合子。耦合子的两个连接子可以相对运动，且具有确定的自由度。其闭合方式主要有力闭合，形闭合，材料闭合，控制闭合等多种方式。其运动范围，有限定或无限定。一个耦合子至少有一个自由度关联元素，耦合子的运动功能主要由关联元素实现，耦合子的构型连接功能主要由两个连接子完成。耦合子是一个实体部件，完全不同于原来的运动副概念。耦合子有自己的具体功能，有自己的构型连接方式和其它连接方式。构型连接可以通过连接子的表面连接，不破坏或不干扰耦合子的自由度特性。耦合子功能是开放的，具有很广阔的扩展空间。

5、实体运动副，是由定子构件，耦合子，运动子构件三大部分组成。按照构件A，耦合子和构件B的顺序经串联固定连接构成的实物组合，称为实体运动副，简称实运动副或实副。构件A称为定子，构件B称为运动子。定子和运动子是可以相互转换的。其定子与运动子之间是可以相对运动的。两个构件可以在耦合子许可的自由度和运动范围内相对运动。

实体运动副是一个实体部件，有自己的具体功能，有自己的构型连接方式和其它连接方式。实体运动副的构型连接部位在两个构件的端部。构型连接部位一般远离耦合子中心的位置。

实体运动副的概念扩展有3个方向。1、耦合子功能扩展。应用不同的关联元素及其组合，可以获得基于关联元素扩展的实体运动副，例如，含有实体运动副的实体运动副，阻尼实体运动副，液压缸，液压阀等等。2、构件的功能扩展。应用不同结构的构件及其组合得到功能扩展实体运动副，例如，剪刀，钳子，风扇，单级压气机等等。3、构件和耦合子二者协调改变构成的功能扩展。

对比：原机械原理中的运动副，是指两个构件之间具有相对运动的一种连接。或把两个构件之间直接接触形成的可动连接称为运动副。这个运动副，不是实物，是连接。这是它不能构成一个实物层次的直接原因。为了与实运动副区别，以下称其为虚运动副或虚副。

实运动副与虚运动副两个概念定义方式不同，内涵不同，外延不同。他们是两个完全不同的概念。实体运动副的概念在机械科学的基础逻辑架构重建中就具有十分重要的地位。

6、主动实体运动副  在实体运动副的两个输入输出构件之间或耦合子的两个连接子之间，引入一个力关联因素，两个构件的相对关系形成某种对应，则这个实体运动副称为主动实体运动副 ，简称主动副。力关联元素可以是电磁场，液体或气体，原动机等等。

对比；原机械原理多用主动件或原动件表达具有驱动功能的部件，而主动副的概念不常见。原动件是指机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件。原动件也称为主动件，或输入构件。这个定义，主动件具体作用在哪一个构件上，没有明确说明。新的主动副概念不存在这个问题。

 7、运动链  单个实体移动副或若干个实体运动副通过其构型连接端，经固定连接或啮合连接形成的，各个构件之间可以做相对运动的实体运动副系统，称为运动链。单个实体运动副是运动链的特例。

对比：若干个构件通过虚运动副连接起来并可以做相对运动的构件系统，称为运动链。

  运动链的两个定义，虽然定义方式不同，但是其实质上是相同的。

8、 开环和闭环  

若运动链中的各个实体运动副构成了首尾封闭的系统，则该系统称为闭环系统。若运动链中的各个实体运动副没有构成首尾封闭的系统，则该系统称为开环系统。

对比：原机械原理，构成开环、闭环机构的基本结构单元是构件，用虚副连接。

9、机架、机构和机器，在运动链中，若某一个构件（不包括耦合子中的构件）固定下来，则该构件称为机架，该运动链称为机构。若机构中，配置适当的主动副，则机构称为机器。剥线钳是一个机构，它有多个实体运动副构成，但是，没有主动副，需要人工操作。装配机器人是一个机器，因为它有足够的主动副，可独立工作。所以，机器可以独立工作一段时间，或长或短。机构不能。但是，由弹簧驱动的机构位于机器与机构之间，如钟表，或可称为广义机器（势能转换为动能）。

10、串联运动链、串联机构和串联机器人：以实体运动副为基本结构单元，两个或两个以上的实体运动副首尾相连构成的开环系统称为串联运动链。若运动链的某一端为固定作为机架，则称为串联机构。若串联机构的实体运动副是主动副，则该机构称为串联机器人。通常，首尾的构件是串联机构或运动链的构型连接端，或输入输出端。

11、支链：即开环或闭环运动链或混联运动链。支链的基本结构单元是实体运动副。

12、并联机构和并联机器人：以串联运动链为基本结构单元，两个或两个以上的串联运动链首部固定连接在一起形成一个基础平台（多副构件），其尾部固定连接在一起形成一个运动平台（多副构件），整体构成一个闭环体系（单环或多环），该体系称为闭环并联运动链，该闭环并联运动链的 基础平台或运动平台之一作为机架时，则称为闭环机构或并联机构。机构适当配置主动副变为并联机器人。通常，传统的并联机构有两个或更多自由度。在某些情况下，单自由度也可以构成并联机构。通常，其固定平台和运动平台是并联机构的构型连接端。运动平台是工作平台。

并联机构的一种分类方式

按照支链的数目M与自由度的数目N比较，对并联机构分类，有冗余支链并联机构(M>N)，恰支路并联机构(M=N)和少支链并联机构(M<N)。在冗余支链并联机构的基础上，对并联机构的概念广义化，提出单自由度并联机构的概念。冗余支链并联机构的概念引入，为单自由度并联机构铺平了道路。并联机构，两个大特征，支链数和自由度数。其中，两个支链，是一个底线，最重要。单个支链，不能成为并联机构。自由度数，可以突破。有了冗余支链并联机构的概念，就可以得到单自由度并联机构的概念。

13、单自由度冗余支链并联机构，定义：由两个或多个支链（一般不多于三个），经并联连接构成的单自由度并联机构称为单自由度冗余支链并联机构。其自由度的限制，有时由一个支链限定（单自由度支链），有时由两个支链协调限定。两个支链，有两种驱动方案。一个方案是：一个无驱动支链，配合一个有驱动支链，例如平行四边形运动副作为主动副，只有一个主动副；另一个方案三个支链，其中两个支链都有主动副。例如，一种活塞轴线相互平行的双活塞斯特林发动机。

按照自由度的性质分类，双支链单自由度并联机构有两种。一种是单转动自由度双支链并联机构。三个转动方向，三个结构形式。例如，IR&RPR是一个二支链单转动自由度并联机构。另一种是含单平移自由度双支链并联机构。三个移动方向，三个结构形式。例如，一个平行四边形实体移动副是一个双支链平移自由度实体移动副。   还有一个是螺旋自由度，也是单自由度。也可以构成单自由度双（三）支链并联机构。

引入单自由度双支链并联机构的概念，为分析各种复杂的热机，铺平了道路，为建立现代机构（诸如串联机构，并联机构等）和传统机构（如各种热机）之间的联系搭建了桥梁。为从串联并联的角度理解分析传统的闭环机构提供了新思路。把基础平台，运动平台，引入传统机构，建立了二者之间的联系。

在用并联机构的思维研究连杆机构的思路引导下，可以把二自由度平面五杆机构（例如闭环机构RRRRR）作为并联机构研究.与基础平台连接的两个实体转动副作为主动副，远离基础平台的两个构件，选择其中一个作为运动平台。不同的选择，可以形成两种并联机构。这个思路可以用于其它连杆机构的研究。（并联机构的分类可以参考刘辛军等《并联机器人机构学基础》，高等教育出版社）

14、混连机构以串联运动链和并联运动链为基本结构单元，一个串联运动链和一个并联运动链（或包括更多的运动链），通过构型连接端连接，构成一个开环体系，或以并联运动链为基本结构单元，两个或多个并联运动链，通过构型连接端串联连接，构成一个开环体系，该两种体系均可称为混联运动链。若确定机架，则称为混联机构。若适当配置主动副，则称为混联机器人。

15、互馈，两个并行的部件之间的信息，能量，物质的相互交流。称为互馈。

1.2 基本定理

定理1、刚体构件连接定理：

两个或多个刚体构件经固定或活动连接，构成一个新的组合体。新组合体存在保留原部件功能的可能性，新组合体存在获得新功能的可能性。新组合体具有原连接功能或获得新的连接能力。连接后的新组合体还可以进行有限次连接。新组合体具有为人类所用的可能性。连接定理的刚体可扩展到弹性体。适当放宽条件，还可以进一步扩展。例如，两个实体转动副固定连接构成一个串联机构。其相邻的两个转动副上的构件相互固定连接，按照构件固定连接定理，二者合成一个构件。所以，两个相邻的耦合子之间是一个构件。

定理2、部件连接定理：

两个或多个部件经固定或活动连接，组合构成一个新的部件或系统，新部件或新系统存在获得新功能的可能性。新的部件或系统仍然具有原连接功能或获得新的连接功能。新部件或新系统还可以进行有限次的连接、组合。有限次连接形成的部件或新系统仍然存在获得新功能的可能性。新的部件或系统仍然具有原连接功能或获得新的连接功能。新部件或新系统具有为人类所用的可能性。

构件和部件连接定理，揭示了存在可用的新组合体的可能性。这种可能性为构建新发明提供了可能。

定理3、刚体构件分解定理：刚体构件经有限次分割，存在获得N个或多于N个的构件的可能性（N>1），新构件可能保留原主体功能或可以获得新的功能。可以保留原连接功能或获得新的连接功能。例如，分解后的刚体可能变为弹性体，刚体可能变为柔性体。弹性体可能变为柔性体。刚体扩展到弹性体，分解定理依然成立。

一般说来，有限次分割，最小分割单元的尺度，不能小于通常意义下的机械构件的尺度。不然，有限次分割，也可以得到纳米尺度的物体。纳米尺度的物体不在目前机械科学研究的范围。两个转动副构成的串联结构，有三个构件，分解为两个实体运动副后，按照构件分解定理，一个实体运动副两个构件，共四个构件。多出来的一个构件是分解后得到的。上述分解，不能够在耦合子的连接子与构件的连接处分解。

1.3 结构模式、层次划分和生成关系

1.3.1、结构模式。结构模式是指机构或机器或某个部件各个组成部分在空间或时间上的相互关系。分为自由模式和规范模式两种。规范模式如，串联模式、并联模式、混联模式或反馈模式，等。规范模式还有嵌套连接模式等等。

1.3.2、技术人工物的新的层次划分

主要分为以下几个层次：材料层次（对应生物大分子层次。本文不做讨论），构件层次（对应生物细胞层次），定常结构层次（对应生物组织层次），实体运动副层次（对应生物器官层次），元机构层次（元机器）（对应生物系统层次）（串联机构层次，并联机构层次，混联机构层次等），复杂机构层次（对应生物个体层次）等等。元机构层次从简单到复杂，又包括串联机构，并联机构，混联结构等。新层次划分与生物的层次划分基本对应。也有新的特点。新的划分，每一个层次都可以构成独立应用的个体。生物有些层次不具有这个能力。对应生物的系统层次，机械部件对应多个子层次。生物似乎没有这个现象。层次的划分也不是绝对的。由于构件与定常构件具有相近的特性，有时作为一个层次。例如，说构件是实体运动副的基本结构单元，所说的构件，就包括定常结构。

1.3.3生成关系 一般说来，相邻的两个层次，其前一个层次是相邻后一个层次的基本结构单元，有时还同时是功能单元。例如，构件与定常结构是相邻层次，构件是定常结构的基本结构和功能单元。串联机构与实体运动副是相邻层次，串联机构又实体运动副组成，实体运动副是串联机构的基本结构和基本功能单元。串联机构与并联机构是相邻的两个层次，并联机构由串联机构组成，串联机构是并联机构的基本结构和基本功能单元。

这种生成关系又不是绝对的。有时，后面层次的部件也可以构成前面一个层次的结构单元，有时前两个层次的部件作为下一个层次的基本结构单元。有时，基本结构或基本功能单元也不是绝对的。例如，大型的定常结构，考虑到热胀冷缩，其端部设置实体移动副。定常结构的结构单元也可以是实体运动副。实体运动副可以包含实体运动副，实体运动副可以包含机构。所以，机械部件的生成关系，既有一般规律，又有特殊个例。这也是自然界和工程界的普遍现象。规律皆有例外，说的就是这种情况。

对比：原机械原理中的层次划分（现有文献尚未看到这种提法，这是作者归纳得到的初步结论，或有不妥）：材料层次，构件层次（包括零件及零件组合），机构层次，机器层次等四个层次。与生物学的层次没有严格的对应关系。

2、瓦特蒸汽机是什么

蒸汽机是一种热力引擎，它将蒸汽的能量转换为机械功。这从功能层面回答了机器是什么的问题。

蒸汽机引擎有多种结构形式，最主要的是往复活塞蒸汽机和汽轮机。此外，还有旋转式蒸汽机。往复活塞式蒸汽机又分为双动式蒸汽机，多胀式蒸汽机，单流式蒸汽机。旋转式蒸汽机是一种比较新的蒸汽机结构。

本文暂不研究汽轮机。仅分析活塞式蒸汽机的个别机型。解剖麻雀，作为范例。下面研究的是一个简单的蒸汽机（图1），即往复单活塞双动式蒸汽机，以下称为瓦特蒸汽机。研究仅涉及蒸汽机主体部分。不研究蒸汽的产生和蒸汽的冷凝与回收等。

2.1蒸汽机的传统描述方式

组成与构造

瓦特蒸汽机主体主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、和飞轮等部分组成。汽缸和底座是静止部分。传统的解读方法，是用构件，机构等不同层次的部件解读一个主体。图5是瓦特蒸汽机的原理简图。为了过渡到新的解读方式，这个图5把蒸汽机主体分为两个部分，下半部分是一个曲柄连杆机构，上半部分是一个进气排气机构。图中标注，分为三个层次，元机构层次，实体运动副层次和构件层次。可以比较方便的与原传统的结构原理图对照。这是一个介于传统解读方式与新解读方式之间的一种方式。

图1  瓦特蒸汽机机构原理图（作为带反馈回路的闭环机构）

1主闭环结构P1R1R2R3，1.1、容积型实体移动副，1.2活塞端实体转动副，.1.3曲柄实体转动副，1.4主实体转动副，1.5飞轮，1.6 1.1.1缸体，1.1.2活塞，1.1.3活塞杆，1.1.4活塞杆端部触点（触头）.1.1.5.进气管1.1.6排气管2、曲柄连杆反馈机构，2.1  二位四通换向滑阀实体移动副，2.2左实体转动副R4，2.3右实体转动副R5；2.1。1滑阀实体运动副定子（滑阀壳体）2.1.2滑阀移动副耦合子,2.1.3滑阀移动子，2.1.4滑阀，2.1.5 左连接出头，2.1.6右连接出头，2.1.7蒸汽进气口，2.1.8，蒸汽排气孔，2.1.9左蒸汽连接管，2.1.10右蒸汽连接管，5、热源（蒸汽供给装置）6、排气冷却装置（蒸汽回收） 

当无蒸气进入汽缸时，蒸汽机是一个机构。

2.2、一种瓦特蒸汽机主体结构的新解读：

2.2.1 主体结构的连接模式

瓦特蒸汽机主要有两个特点，1，冷凝过程是与做功分离的，2，使用双作用活塞。这也是瓦特的独特贡献，极大的提供了蒸汽机的效率。

组成：由单自由度双支链并联机构（ P1R1R2R3&IR3）和一个反馈回路组成。并联机构包括一个基础平台，一个运动平台（飞轮）和两个支链（图1）。P1R1R2R3是驱动支链，IR3是无驱动支链，用于限制自由度。P2<R4&R5是反馈回路机构。辅助装置包括热源（蒸汽供给装置），排气冷却装置（蒸汽回收）。不赘述。

    图2 瓦特蒸汽机结构作为冗余支链单自由度并联机构 

 P1R1R2R3和P2<R4&R5两个闭环机构并列，两个实体移动副轴线平行，滑阀下部的两个连接管与主实体移动副的两个连接管联通。

反馈机构P2<R4&R5与实体移动副P1并联，主闭环机构P1R2R3R3与反馈机构之间的连接，是间断的啮合连接。P1的活塞杆右端有触点，分时与R4，R5的下方构件啮合连接（触碰），驱动滑阀移动副左右移动，在适当的时机改变P1移动副的活塞左右活塞腔的进气和排气的时机和顺序。

 主实体移动副的活塞杆上有连接触点，用于驱动两个转向实体转动副。两个闭环机构并列，形成一个闭环。主实体移动副是主动副。

 进气排气管道与气缸腔体之间有一个移动副切换阀，移动副切换阀有活塞杆驱动，用于控制蒸汽进气排气的接通和关闭和切换。

进气排气协调装置是一个滑阀式移动副，滑阀移动副轴线与容积型实体移动副轴线平行。移动副运动子的一端可切换控制进气排气管的开闭？和切换进气和排气。另一端连接两个转动副，两个转动副轴线固定。两个转动副的另一端与活塞杆的固定触点，在运动构成中碰触连接

左侧连通气缸左腔。右侧连通气缸右腔。这两个通孔与滑阀腔体相通。壳体中部的孔与图中的右上侧管道连接，通冷凝器。滑阀呈碗状，碗口向下。当碗口扣在左侧的两个孔上时，左侧气缸与排气管联通，右侧气缸通过碗口外侧与进气管联通。当碗口扣在右侧的两个孔上时，右侧气缸通过碗口内腔与排气管联通。左侧气缸通过碗口外侧与进气管联通。滑阀活塞杆的右端与两个转动副一端活动啮合（间断啮合），两个转动副由动力活塞杆上的触头通过碰撞控制。

蒸汽机功能：把蒸汽的内能连续的转化为刚体移动的动能，并对外输出。

2.2.2各个支链的组成与结构

2.2.2.1 驱动支链的组成，包括容积型实体移动副P1，实体转动副R1，R2，R3，飞轮。其中，R3称为主实体转动副，它连接飞轮，飞轮储存动能能量。

2.2.2.2 无驱动支链：IR4。这个支链，用于限制并联机构的自由度。

  2.2.2.3反馈回路机构P2<R4&R5机构。符号表达式中，“<”表示后面的实体运动副分为两个支路，&表示前后两个元素是并列的。

反馈回路闭环机构是以一个二位四通滑阀移动副和两个实体转动副构成的机构(符号表达：P<R&R)，包括二位四通滑阀移动副，两个实体转动副。滑阀移动副的活塞杆与实转动副啮合连接。实体转动副用于驱动滑阀实移动副。  

2.2.3容积型实体运动副P1的结构和功能

2.2.3.1容积型实体移动副P1，包括 1.1缸体，1.2活塞，1.3活塞杆，1.4活塞杆端部触点（触头）.进排气管A,进排气管B。容积型实体移动副P1的固定子是一个两端封闭的圆筒体，运动子是一个圆柱活塞，活塞把圆筒内部分为两个腔体，左右两部分轮流进气，轮流排气，推动活塞左右移动。腔体左侧连接一个管道通高温蒸汽，腔体右侧连接一个管道通大气（排出蒸汽）。

2.2.3.2二位四通换向滑阀移动副P2组成与结构

  滑阀实体移动副P2包括定子（滑阀壳体）,滑阀移动子，耦合子，四个输入构件等。二位四通换向滑阀实体移动副P1的结构作为单自由度冗余支链。并联机构换向滑阀就是一个流体类实体移动副。固定构件是换向阀壳体，滑阀与活塞杆是运动子，滑阀用于切换管道。壳体有四个通孔，上部一个接蒸汽源，下部三个。反馈回路包括二位四通换向滑阀实体移动副、左侧实体转动副和右侧实体转动副R5。 

2.3  工作过程新解读

以主动副为主线，探讨基本的运转机制和连续运行的机理。

1初始状态，

  活塞位于左侧，协调机构的滑阀移动副切换阀位于右侧，左侧活塞腔与进气管联通，右侧活塞腔与排气管联通，高压蒸汽源接通，排气管通畅。

2左侧进气右侧排气过程

第一推动力转动主转动副，活塞右移，蒸汽进入左侧气缸，推动活塞快速右移，蒸汽对活塞做功，活塞右侧排气，一直运动到最右侧。切换开关触点也一直右移，移动到最右侧时（对应主转动副曲柄在最右侧），触点触动右侧转动副，切换滑阀移动副左移到最左侧。右侧活塞腔与进气管联通，左侧活塞腔与排气管联通。此过程结束。

驱动支链有两个奇异点。即活塞的两个极限位置，R1,R2,R3三个实体转动副的轴线与P1轴线共面。在这个点，活塞左右移动、将无法驱动主转动副运动、P1在此情况下失去主动副的功能。此时主动副的功能由主实体转动副的飞轮（R3）代替，驱动活塞跨越两个奇异点。因此，实际上主动副有两个：P1和R3。P1提供所有能量。R3借P1的能量，储存起来，完成两个奇异点的驱动。

3右侧进气左侧排气过程

右侧活塞腔与进气管联通，左侧活塞腔与排气管联通。蒸汽进入右侧气缸，活塞开始左移，蒸汽对活塞做功，活塞快速左移，活塞左侧排气，活塞一直运动到最左侧。活塞杆的触点也一直左移，移动到接近最左侧时，触点触动左侧转动副，切换阀门左移到最左侧。此过程结束。完成第一个循环。

   第一个循环结束状态：活塞位于左侧，协调反馈机构的运动副切换阀位于左侧，左侧与进气管联通，右侧与排气管联通。此时，系统处于运动状态，飞轮依靠惯性继续转动，带动下一个循环。奇异点靠主转动副飞轮惯性提供能量，移动副在除两个奇异点外是主动副，两个奇异点由飞轮提供动力。保持蒸汽的连续供给，开始下一个循环。

整个过程。活塞从蒸汽获得的机械能远大于各运动副运动消耗的能量。机器对外输出机械功。

4正常停止工作，切断蒸汽供给即可，

蒸汽机连续运转的条件同活塞发动机类似。

3、内燃式往复运动活塞发动机是什么

3.1内燃式往复运动活塞发动机（以下简称活塞发动机）的传统描述

活塞式发动机的组成包括主要机件和工作系统两大部分。

3.1.1、主要机件

  主要机件包括机匣、汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门机构和排气门机构。一般，单汽缸呈圆筒形，是混合气燃烧的地方，固定在机匣上；活塞装在汽缸里面作往复运动，活塞通过连杆和曲轴连接；曲轴支承在机匣上，活塞通过连杆将直线运动转变成曲轴的旋转运动。进气门机构和排气门机构均由进气门、排气门以及凸轮盘（或凸轮轴）、推筒、推杆、摇臂等传动件组成。这些机件分别安装在汽缸和机匣上。汽缸头部还装有电嘴。汽缸外壁上配有许多散热片，用以扩大散热面积。机匣是发动机的壳体，用来安装汽缸和支承曲轴和其它附件（图3）。

 进、排气门机构的用于控制气门的开启和关闭。以保证在适当的时机把新鲜空气吸入汽缸，并把做功后的废气适时地排出汽缸。

图 3 活塞发动机的结构简图

1机匣、2汽缸、3活塞、4连杆、5曲轴、6进气门机构7排气门机构。8喷油嘴。9，燃烧室，10进气口，11 排气孔，12进气机构的凸轮和凸轮杆，13排气机构的凸轮和凸轮杆，

   3.1.2、工作系统

    往复运动活塞式发动机一般都具有燃油、点火、滑油、冷却和起动等工作系统。工作系统有时候也称为附件，有了这些附件配合，活塞发动机才能够正常工作。

    可以看出，活塞发动机主要机件由若干个构件，两个机构组成，而工作系统由数个系统组成。这种表达，在清楚的表达结构方面没有任何问题。我们说，任何一个机构或复杂结构由构件组成，都是对的。就如说任何一个生物都是由细胞组成一样，没有问题。说工作系统由若干个子系统构成，也没任何问题。活塞发动机的进气排气机构的表达同样没有问题。

但是，它们组成的基本结构单元是各不相同的。基本结构单元处于不同的层次，分类划分分属于不同的学科。这样的表达，缺乏统一性，缺乏层次性。

几个概念：如果机构处于静止状态，且三个转动副的轴线位于一个平面上，则移动副无法驱动主转动副。此时，活塞的位置称为奇异点，一个称为上死点，一个称为下死点。必须依靠主转动副的驱动，才能脱离这两个奇异点。所以移动副的往复连续运动，不是自然产生的，需要外力或飞轮驱动。本文重点讨论主要机件，不涉及工作系统。

3.2 活塞发动机机构新的解读方式

3.2.1主要机件组成，由一个单自由度二支链并联机构和若干个反馈回路机构组成。

并联机构组成，包括基础平台、驱动支链P1R1R2R3(四杆曲柄连杆机构)，无驱动支链IR4和运动平台。R3,R4同轴线。反馈回路通常由凸轮机构完成。

3.2.2 结构，参见图5。驱动支链P1R1R2R3由四个实体运动副串联连接构成。驱动支链机构的实体移动副P1轴线与实体转动副R3的轴线正交，R1、R2的轴线与R3的轴线平行。R1位于实体移动副的活塞杆的一端，其耦合子的中心的轨迹是一个直线段。实体转动副R3轴线固定，R2的耦合子中心固定在R3的转动子的连线上。R2的耦合子中心的轨迹是一个圆。圆的直径是活塞的行程。驱动支链的实体移动副P1完成基本的能量转换，驱动支链实现活塞的往复运动。无驱动支链IR3用于限制并联机构的自由度，运动平台仅仅保留一个转动自由度。反馈机构提供进气排气点火的准确信息和动力，实现热机的连续运转。一般的，进气排气反馈回路多应用凸轮机构。

    反馈机构形成回路，可以有多个或一个闭环回路。也可以没有反馈回路。因为进气排气的信息是相关的，所以反馈一个信息即可。其它信息可以解算出。理论上讲，无反馈回路的活塞发动机，可以采用各种传感器感受进气排气的信号，动力由外界供给。无反馈回路的活塞发动机，其进气排气系统与活塞发动机的连接，是梳联连接。是开放的，不是闭合的。

目前，实际应用的活塞发动机本质上是一个含有主动实体移动副的单自由度双支链并联机构。且都有反馈回路。

3.2.3工作过程

1初始状态

移动子位于上死点，缸体容机最小（不为0)．进气门打开，供油管处于关闭状态。人工或电动提供第一推动力。    

2第一推动力  第一推动力开始工作工作。主转动副R3开始转动，活塞开始下移。

3进气冲程

接初始状态。由第一推动力（外力）驱动主转动副R3转动。活塞从上死点向下滑动到下死点，气缸内的容积逐渐增大，空气进入气缸腔体，引入力关联元素，气缸供油管喷油，形成混合气体。这也是一个能量和物质引入过程，也是一气体物质移动过程。

3压缩冲程

主转动副R3在第一推动力的作用下转动，从第二个循环开始，第一推动力由飞轮惯性力驱动。

图4  活塞发动机的机构学分析（作为含有反馈回路的闭环结构）

1、主闭环结构，2排气门结构算，3进气门机构，4，喷油嘴，5点火器，1.1移动副，1.2转动副1，1.3，转动副2，1.4，转动副3，1.5 飞轮，2.1排气门，2.2排气门传动链，2.3排气出口，，2.1进气门，2.2进气门传动链，2.3进气口

图5  作为冗余支链单自由度的并联机构的活塞发动机机构

这时进气门关闭。靠第一推动力（第二个循环时依靠主转动副惯性驱动）继续旋转，把活塞由下死点向上推动。气缸内容积逐渐减小，混合气体受到活塞的强烈压缩。关联元素是密闭的混合气，这是一个阻力关联，是一个活塞移动动能转换为混合气内能的过程。当活塞运动到上死点时，混合气体的压强最大。温度也随之增加。这个过程的实体移动副P1，其功能是一个压缩机。

4工作冲程

实体移动副P1推动机构运转。

在压缩冲程结束，活塞达到上死点时，火花塞通过高压电产生电火花，将混合气体点燃。燃气作为动力关联元素，在耦合子的两个连接子之间形成动力关联。气体猛烈膨胀，压强急剧增高，活塞在燃气的强大压力作用下，向下死点迅速运动，连杆带动主实体转动副R3和飞轮转动。这个冲程是使机器获得动力的唯一冲程。其余三个冲程都是消耗能量的。这个过程启动后，主动副由实体移动副P1接管。对外输出机械功，部分动能储备储存在飞轮中。这个过程结束，这一个循环构成的实体移动副P1的主动副使命结束。其余三个过程的动力推动由飞轮接管。这个过程结束，第一推动力停止工作。

5排气冲程

  主动副的功能由主转动副R3接替。

这时进气门仍旧关闭，而排气门打开。由于飞轮的惯性，工作冲程结束后，主转动副R3继续旋转，使活塞由下死点向上运动。燃烧后的废气便通过排气门向外排出。当活塞到达上死点时，绝大部分的废气已被排出。然后排气门关闭，进气门打开。这个过程还是一个移动气体的过程，是一个泵的功能。这个过程结束，完成一个循环。从进气冲程吸入新鲜混合气体起，到排气冲程排出废气止，汽油的热能通过燃烧转化为推动活塞运动的机械能，对外输出机械功，这一总的过程叫做一个"循环"。

  6 如果继续供油，则发动机继续工作，返回第2 步，如此循环往复，连续输出机械功。这是一种周而复始的运动。

8结束状态，

停止供油，点火器（压燃是没有点火器）停止工作。在主转动副惯性力的作用下，各个运动副继续运动，消耗能量，直至停止运行。

  3.3 实现机器连续输出有用功的条件。

除必须连续供油供气外，还必须有

（1），第一推动力至少完成一个工作循环过程。

（2），每一个工作过程输出的机械功要大于两个工作循环所消耗的能量，储存在飞轮上的机械功大于一个工作循环所消耗的能量。

（3）通常，一个工作循环输出的机械功远大于一个工作循环所消耗的能量，不然，只能维持自身的运转无机械功输出。稍有阻力，则会停机。所以即使是怠速状态，也可以有机械功输出。  

3.4 元机器停止运行的条件

（1），供气停止或很少（包括氧气不足），

（2），供油停止或很少。

（3），压燃环境条件缺失，或点火装置失灵。

（4），机构运动阻力激增，大于机器输出的机械功。

（5）机械损伤（阻力激增等）等其它原因

上述有一条存在或几个条件同时存在，则必停机。

3.5  复杂机器的生成

  一个活塞（或二个）的活塞发动机称为活塞型发动机的元机器。元机器相当于数学中的“基”。多个元机器按照某种模式排列，构成一个整体，可以形成各种复杂机器。例如，按照对称性组合，有平移对称排列，有旋转对称排列，有反射对称排列。这些排列组成的发动机，还可以进一步做平移对称或气体对称连接，构成结构更复杂功率更大的发动机。

常见的直立型多缸活塞发动机是平移对称组合得到的复杂机器。三缸W型型复杂活塞发动机是旋转对称组合得到的复杂机器。H型四缸活塞发动机是在平移的基础上，再做反射对称组合得到的复杂机器。星型多缸活塞发动机是旋转对称组合得到的复杂机器。复杂多缸活塞发动机还可以进一步组合得到更复杂的机器。由元机器组合构成的复杂机器称为机器群。机器群是机构群的升华。机器群既是一个更复杂机器，又是下一个更为复杂的系统例如机器种群的基本结构和功能单元。机器种群又是机械群落的基本结构和功能单元。还有技术人工物种群，群落等等，等等。

4、斯特林发动机是什么

4.1 传统描述方式（图6）

斯特林发动机（ Stirling Engine ）是一种外部供热的活塞式发动机，主要由外部供热（燃烧）系统、工作循环系统（热能﹣机械能转换系统）、传动系统（机械能输出系统）、辅助系统以及监控系统等组成。本文主要研究工作循环系统（热能﹣机械能转换系统）和传动系统（机械能输出系统）两大部分。

斯特林发动机的基本结构类型分为ɑ型、β型和γ型三种类型。本文主要研究双活塞式（ɑ型）斯特林发动机。这种类型斯特林发动机有两个气缸，两个活塞分别置于这两个气缸中。靠近冷却器一侧的气缸和活塞组成冷腔，靠近加热器一侧的气缸和活塞组成热腔。热腔、加热器、回热器、冷却器和冷腔依次串联在一起，组成一个完整的循环回路。

斯特林发动机的传动机构是发动机输出功率的主要部件，其功能是将活塞的往复直线运动转换成输出轴的旋转运动（自由活塞发动机除外）。传动机构的形式很多，根据其结构特点，比较实用的主要有四种类型：曲柄连杆机构、菱形机构、斜盘机构和摇摆轭机构等。本文主要研究曲柄连杆机构构成的简单的发动机（图7）。

4.2 斯特拉发动机的机构学新的解读（ɑ型）

4.2.1组成与结构（图7、 图8）

由单自由度三支链并联机构和热源，冷却器和其它协调系统等组成。三支链并联机构由基础平台，运动平台和三个支链组成。热端支链机构是P1R1R2R3，冷端支链机构是P2R4R5R6，P1P2是主动副，还有一个无驱动支链IR6。R3，R5，R6和飞轮的轴线同轴线。R3与R6的两个曲轴相位角是90 度，三个支链按照并联机构的构型。规则连接。实体移动副一端与基础平台连接

图6 α型双活塞斯特林发动机简图（图片来自互联网）

1热端，2冷端，3，4连杆机构，1.1热端缸体，1.2热端活塞，3.2活塞转动副，3.1曲轴，2.1冷端缸体，2.2，冷端活塞，22.3转动副3.4飞轮4.1主转动副，4.2连杆.4.3曲轴，4.4飞轮，5热源，6冷却器。

图7  一种斯特林发动机，作为单自由度三支链并联机构

1、基础平台，2、热端驱动支链，3、冷端驱动支链，4、无驱动支链，5、移动平台（飞轮），6、回热器

图8  另一种斯特林发动机，作为单自由度并联机构

1、 基础平台，2、热端驱动支链，3、冷端驱动支链，4、无驱动支链，5、移动平台（飞轮），6、回热器

两个活塞腔充满工作介质，并相互联通，工作介质是全封闭的。在两个活塞之间实现压缩和膨胀过程。

斯特林发动机本质上是一个三支链双驱动单自由度并联机构。原机架是基础平台，飞轮是运动平台。两个驱动支链分别是冷端机构和热端机构。是并联机构的一个特例。这个并联机构还有一个特点，就是两个驱动支链的实体移动副之间存在气体介质的联通。两个实体移动副之间存在能量和物质的传输，是一个回馈过程可以称为互馈。

4.2.2工作过程 

从结构看，热端始终处于吸热状态，冷端始终处于放热状态。两个活塞的移动速度是反向变化的。A活塞速度最大时，B活塞速度最小（为0）.只有四个点上的速度是相同的。这是一个奇妙的设计。两个活塞腔的容积之和不是一个常数，容积变化，实现压缩和膨胀。斯特林发动机的循环不是理想循环，是一个近似的理想循环过程。工作过程如下。

1、膨胀过程  热缸活塞腔容积较大，工作介质与高温缸体大面积接触。经热传导介质被加热后，介质有膨胀趋势，由于热缸已经到达最大体积，而冷缸处于最小体积，气体经联通管进入冷缸，冷端活塞移动，经连杆机构带动飞轮旋转。

2、放热过程：介质进入冷缸后，与传热特性良好的低温缸体大面积接触，经传导，热量流出活塞腔，工作介质温度降低。飞轮依靠转动惯量，推动热缸上移，活塞腔容机变小。

 3、压缩过程：大部分介质进入冷缸，经冷却后，温度降低，压强减小，飞轮继续转动，冷缸活塞上移，介质被压缩。此过程近似于等温压缩过程。

 4、吸热过程：介质的总体积趋于最小，热缸的气体被加热后膨胀，由于曲柄摇杆的位置，冷缸容量变化最小，热缸容量变大。

热端继续加热，冷端持续降温，则上述过程会连续进行，不断输出机械功。切断热源，则蒸汽机会逐渐停止工作。

5、结论  往复运动活塞式发动机是什么

5.1活塞式元机器是什么

1、三种往复运动活塞发动机的主动副都是是容积型移动副，实现热能向机能量的转换，为系统输入能量。都是用曲柄连杆机构实现直线移动转换为旋转移动。

2、传统的内燃式活塞发动机，蒸汽机等元机器，是带反馈环节的和具有主动副的冗余支链单自由度并联机构。容积型移动副是主动副，主实体转动副R3飞轮依靠储存的能量驱动机构通过两个奇异点。反馈回路提供协调工作信息和能量转移，保证系统连续工作，连续输出机械功。活塞发动机的主动副是需要飞轮协助通过奇异点的。瓦特蒸汽机的主动副的直线移动，由反馈环节完成活塞的换向，飞轮协助通过奇异点。

3、斯特林发动机元机器是带特殊反馈环节的，且由两个主动副的三支链双驱动单自由度并联机构 。其主动副是容积型移动副。驱动支链完成热能转换为机械能的工作，曲柄连杆机构实现直线运动转换为旋转运动，两个相同的驱动支链通过适当的相位差保证连续运转（协助对方通过奇异点），并完成热力循环，连续输出机械功。其反馈环节是介质在两个活塞腔的流动。

4、热机是含有主动副的机构，机构没有主动副。机构多是可逆的，热机工作过程不可逆。燃料的化学能一旦转换为热能，热能再不可能转换为燃料。机器可以独立工作一个时间段，机构不能，机构可以靠惯性运转。这几点是机构与机器的重要差别。

5.2往复运动活塞式复杂机器是什么？

往复运动活塞式复杂机器是由两个或多个元机器按照某种规则组合构成的整体，活塞式复杂机器具有更大的功率。组合的元机器一般都是相同类型的元机器之间进行的组合。组合可以进行多层级的组合。例如，旋转对称组合得到一个复杂机器群，再以这个复杂机构群为生成元，做平移对称组合，得到更为复杂的机器群，等等。