Oblast techniky

Vynález se týká rotačního objemového stroje, který může být po úpravě použit jako kompresor nebo spalovací motor.

Dosavadní stav techniky

Jsou známy pístové kompresory a spalovací motory, v nichž píst koná přímočarý vratný pohyb ve válci. V pístovém kompresoru se stlačování vzdušiny děje periodicky zmenšováním objemu pracovního prostoru. U pístového spalovacího motoru expandující spaliny tlačí píst ve válci a od něj se přímočarý pohyb ojnicí přenáší na klikový hřídel. Nevýhodou pístových strojů je zejména, že část přiváděné resp. vyráběné energie spotřebují součásti stroje konající vratný pohyb. Ve známém rotačním kompresoru je vzdušina stlačována změnou své hybnosti při průtoku strojem, ve spalovací turbíně se tepelná energie proudu spalin mění v kinetickou energii lopatkového kola. Ve Wankelově motoru se energie expandujících spalin přenáší na rotační píst uložený ve spalovací komoře.

Vynález si klade za úkol navrhovat rotační kompresor nebo spalovací motor nového typu, který by spojil vlastnosti pístových a rotačních strojů.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší rotační kompresor nebo spalovací motor, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořena dvěma otočnými navzájem kolmými hnanými věnci o rozdílném průměru, z nichž menší věnec, jehož osa otáčení leží ve střední rovině většího věnce, je na vnějším obvodu opatřen alespoň jedním vnějším soustředným ozubem uloženým suvně ve vnitřní kruhové drážce skříně a větší věnec je na vnitřním obvodu opatřen alespoň jedním vnitřním soustředným ozubem uloženým suvně ve vnější kruhové drážce, která kříží vnitřní drážku menšího věnce, výška obou ozubů je shodná, přičemž každý z ozubů lícuje s příslušnou drážkou a vytváří v ní píst, každý věnec uzavírá drážku mimo ozub tak, že v drážce mezi ozuby vytváří uzavřenou komoru, tvar komory na každém věnci se shoduje s tvarem ozubu na témže věnci, vnější obvodová plocha vnitřní drážky, vnitrní obvodová plocha vnější drážky, vnější obvodová plocha komory většího věnce a vnitřní obvodová plocha komory menšího věnce mají v příčném řezu kruhová zakřivení, přičemž příčné zakřivení vnější obvodové plochy vnitřní drážky se shoduje s obvodovým zakřivením vnější obvodové plochy komory většího věnce, příčné zakřivení obvodové plochy vnější drážky se shoduje s obvodovým zakřivením vnitřní obvodové plochy komory menšího věnce, příčné zakřivení vnější obvodové plochy komory většího věnce se shoduje s obvodovým zakřivením vnější obvodové plochy vnitřní drážky a příčné zakřivení vnitřní obvodové plochy komory menšího věnce se shoduje s obvodovým zakřivením vnitřní obvodové plochy vnější drážky, přičemž v místě vzájemného styku čela ozubů lícují a čely proložená v podstatě rovinná plocha svírá sosou věnce úhel, jehož tangens se v podstatě rovná poměru poloměru tohoto věnce k poloměru druhého věnce.

To vytváří geometrické a kinematické podmínky nutné pro funkci zařízení.

Aby došlo ke kompenzaci rozdílu zdvihových objemů komor většího a menšího věnce, odpovídá s výhodou poměr šířky vnitřní drážky k šířce vnější drážky poměru poloměru většího věnce k poloměru menšího věnce.

-1CZ 294083 B6

Je-li zařízení provedeno jako rotační kompresor, pak do bočních stěn drážek v oblasti jejich křížení jsou zaústěny ve dvou diagonálně protilehlých rozích sací a výtlačné kanály.

Je-li zařízení provedeno jako spalovací motor, pak do bočních stěn drážek v místě jejich křížení je v jednom rohu zaústěn sací a výtlačný kanál a v diagonálně protilehlém rohu spalovací komůrka se vstřikovací tryskou nebo svíčkou.

Pro lepší dynamické vyvážení jsou oba věnce opatřeny po dvou shodných ozubech, mezi nimiž se nacházejí shodné komory.

Věnce mohou být spřaženy kuželovým soukolím tvořeným hřídelem, jehož osa prochází šikmo věnci a na němž jsou upevněna alespoň dvě kuželová ozubená kola, z nichž první kolo zabírá do ozubení na boku menšího věnce a druhé kolo do ozubení na boku většího věnce. To představuje výhodný převod k pohonu zařízení jako kompresoru anebo k odebírání energie, je-li zařízení provozováno jako motor.

Větší věnec je z výrobních důvodů s výhodou proveden jako dělený v rovině, v níž leží osa tohoto věnce, přičemž obě poloviny jsou staženy vnějším kroužkem.

Přehled obrázků na výkresech

Zařízení podle vynálezu bude objasněno pomocí výkresu, na němž obr. 1 schematicky představuje do roviny rozvinuté válcové řezy vedené ozuby a komorami obou věnců, obr. 2 a 3 na rozvinutém schematickém řezu objasňují funkci zařízení jako kompresoru a obr. 4 a 5 jako spalovacího motoru, obr. 6 je zjednodušený schematický pohled na jedno provedení zařízení podle vynálezu bez kuželového soukolí, obr. 7 je bokorys a obr. 8 půdorys zařízení podle obr. 6, obr. 9 je řez sestavou zařízení podle obr. 6 s kuželovým soukolím, přičemž pro názornost není vyobrazena skříň zařízení.

Příklady provedení vynálezu

Nejprve bude objasněn základní kinematický princip zařízení pomocí obr. 1. Na něm jsou vyobrazeny do roviny rozvinuté řezy ozuby 1 většího věnce 2 suvně uložené ve vnější drážce 3 a ozuby 4 menšího věnce 5 suvně uložené ve vnitřní drážce 6. Ozuby 1, 4 jsou střídány komorami 7, 8, jejichž tvar se shoduje s tvarem ozubu £ 4 na témže věnci 2, 5. Délka Ji rozvinuté vnější drážky 3 se rovná 2π násobku poloměru ri většího věnce 2, délka £ rozvinuté vnitřní drážky 6 se rovná 2π násobku poloměru r2 menšího věnce 5. Šipky naznačují směr pohybu ozubů a komor. V místě křížení obou drážek 3, 6 po sobě kloužou šikmá čela 9 a záda ozubů £ 4. Popisovaná konfigurace odpovídá kinematice dvou hřebenů opatřených ozuby s šikmými čely a uložených suvně ve dvou na sebe kolmých drážkách, přičemž hřebeny jsou obráceny svými ozuby proti sobě. Je zřejmé, že vmiste křížení střídavě ozub 1 většího věnce 2 proniká do komory 8 menšího věnce 5 a naopak, přičemž ozuby £ 4 rozdělují komory 8, 7 na dva pracovní prostory, z nichž objem jednoho se zvětšuje a druhého zmenšuje.

Pomocí obr. 2 až 5 bude dále objasněn pracovní funkce zařízení, a to podle obr. 2 a 3 jako kompresoru a podle obr. 4 a 5 jako spalovacího motoru. Na obr. 2 je zachycen okamžik, kdy ozub 1 většího věnce 2 dělí komoru 8 menšího věnce 5 na dva pracovní prostory 81, 82, z nichž objem prvního pracovního prostoru 81 se zvětšuje a kanálem 10 se nasává vzdušina a naproti tomu objem pracovního prostoru 82 se zmenšuje a kanálem 11 se vzdušina vytlačuje. Na obr. 3 je pak zachycen okamžik, kdy ozub 4 menšího věnce 5 dělí komoru 7 většího věnce 2 na dva pracovní prostory 71.72. z nichž objem prvního pracovního prostoru 71 se zvětšuje a kanálem 12 se nasává vzdušina a naopak objem pracovního prostoru 72 se zmenšuje a kanálem 13 se vzdušina vytlačuje. Při otáčení věnců 2, 5 shodnými úhlovými rychlostmi se děje zachycené na

-2CZ 294083 B6 obr. 2 a 3 cyklicky střídají. Situace na obr. 4 odpovídá situaci na obr. 2: Objem prvního pracovního prostoru 81 se zvětšuje a kanálem 10 se nasává vzduch nebo hořlavá směs, objem pracovního prostru 82 se zmenšuje a vzduch nebo hořlavá směs se z něj vytlačuje do spalovací komůrky 14. Zde dojde ke vstříknutí paliva tryskou 15. případně k zážehu palivové směsi svíčkou. Situace na obr. 5 odpovídá situaci na obr. 3: Objem prvního pracovního prostoru 71 se vlivem spalin expandujících ze spalovací komůrky 14 zvětšuje, zatímco ze zmenšujícího se pracovního prostoru 72 se kanálem 13 vytlačují expandované spaliny. Je zřejmé, že expanze spalin v komorách 7 většího věnce 2 pohání tento věnec 2 v jednom smyslu otáčení. Na obr. 3 je označena i skříň 16 zařízení.

Popsaný kinematický princip bude na obr. 6 až 9 demonstrován na prostorovém schematickém vyobrazení jednoho příkladu provedení vynálezu. Rotační kompresor je tvořen dvěma otočnými navzájem kolmými hnanými věnci 2, 5 o rozdílných průměrech r_b D- Menší věnec 5, jehož osa o₇ otáčení leží ve střední rovině p většího věnce 2, je na vnějším obvodu opatřen dvěma vnějšími soustřednými ozuby 4 uloženými suvně ve vnitřní kruhové drážce 6 skříně 16. Větší věnec 2 je na vnitřním obvodu opatřen dvěma vnitřními soustřednými ozuby 1 uloženými suvně ve vnější kruhové drážce 3, která kříží vnitřní drážku 6 menšího věnce 5. Výška ozubů L 4 je shodná. Přitom každý z ozubů 4, 1 lícuje s příslušnou drážkou 6, 3 a vytváří v ní píst. Každý z obou věnců 2, 5 uzavírá drážku 3, 6 mimo ozub 1, 4 tak, že v drážce 3, 6 mezi ozuby L 4 vytváří uzavřené komory 7, 8. Přitom tvar komory 7, 8 na každém věnci 2, 5 se shoduje s tvarem ozubu 1.4 na témže věnci 2, 5. Vnější obvodová plocha 17 vnitřní drážky 6, vnitřní obvodová plocha 18 vnější drážky 3, vnější obvodová plocha 19 komory 7 většího věnce 2 a vnitřní obvodová plocha komory 8 menšího věnce 5 mají v příčném řezu kruhová zakřivení, přičemž příčné zakřivení vnější obvodové plochy 17 vnitřní drážky 6 se shoduje s obvodovým zakřivením vnější obvodové plochy 19 komory 7 většího věnce 2, příčné zakřivení vnitřní obvodové plochy 18 vnější drážky se shoduje s obvodovým zakřivením vnitřní obvodové plochy 20 komory 8 menšího věnce 5, příčné zakřivení vnější obvodové plochy 19 komory 7 většího věnce 2 se shoduje s obvodovým zakřivením vnější obvodové plochy 17 vnitřní drážky 6 a příčné zakřivení vnitřní obvodové plochy 20 komory 8 menšího věnce 5 se shoduje s obvodovým zakřivením vnitřní obvodové plochy 18 vnější drážky 3. V místě vzájemného styku v křížení drážek 3, 6 čela 9 a zádi ozubů 1, vzájemně lícují. Čely 9 v tomto místě proložená v podstatě rovinná plocha svírá s osou oi, o₇ věnce 2, 5 úhel a_b 02, jehož tangens se rovná poměru poloměru r_b £ tohoto věnce 2, 5 k poloměru druhého věnce 5, 2. Toto uspořádání přenáší do prostoru geometrické a kinematické podmínky popsané na plošném modelu pomocí obr. 1 až 5.

Vzhledem k tomu, že se liší poloměry rj, 12 obou věnců 2, 5 a hloubka obou drážek 3, 6 je shodná, byl by při shodných šířkách obou drážek 3, 6 objem komory 7 většího věnce 2 větší než objem komory 8 menšího věnce 5. Aby byl tento rozdíl zdvihových objemů v podstatě vykompenzován, odpovídá poměr šířky vnitřní drážky 6 k šířce vnější drážky 3 poměru poloměru ri většího věnce 2 k poloměru £> menšího věnce 5.

Na obr. 9 je provedení věnců 2. 5 podle obr. 6 až 8 doplněno kuželovým převodem sestávajícím z hřídele 21 procházejícího šikmo oběma věnci 2, 5 a ze dvou párů kuželových ozubených kol 22. 23. z nichž kola 22 zabírají do ozubení 24 na boku většího věnce 2 a kola 23 do ozubení 25 na boku menšího věnce 58. Tímto kuželovým soukolím je prokázán pohyb obou věnců 2, 5 a soukolí zajistí i přívod energie do kompresoru, případně odvod energie ze spalovacího motoru. K usnadnění montáže je větší věnec 2 proveden jako dělený v osové rovině, přičemž obě poloviny jsou staženy vnějším kroužkem 26. Šípy na obrázku vyznačují směr otáčení jednotlivých součástí zařízení. Skříň 16 zařízení se vyrobí jako přesný skořepinový odlitek s vyztužovacími žebry a s konzolami pro upevnění ložisek hřídele 21, dělený ve středové rovině q menšího věnce 5. V odlitku se vybrousí drážky 3, 6 obou věnců 2, 5, vyfrézují pouzdra pro ložiska hřídele a vyvrtají se kanály 10 až 13. Větší věnec 2 je pro umožnění montáže dělený. Montáž se provede tak, že se menší věnec 5 položí do vnitřní drážky 6 otevřené skříně 16. skříň 16 se uzavře, do vnější drážky 3 se vloží poloviny většího věnce 2 a stáhnou se kroužkem 26. Do ložisek se zasune hřídel 21 a na něm se upevní kuželová ozubená kola 22.23.

-3CZ 294083 B6

Aby se zajistil maximální možný styk čel 9 ozubů L 4 se záděmi ozubů 4, L, jsou čela frézována stopkovou válcovou frézou s vertikální osou. Např. při obrábění čela 9 resp. zádi ozubu 4 věnce 5 se věnec 5 otáčí kolem své horizontální osy o? obvodovou rychlostí úměrnou jeho poloměru D a zároveň se otáčí kolem další horizontální osy Oi kolmé na osu o? a odsazené od ní o rozdíl Π - Γ2, a to obvodovou rychlostí úměrnou poloměru £2 většího věnce 2. Způsob obrobení čela 9 resp. zádi ozubu 1 většího věnce 2 bude analogický.