CZ302294B6

CZ302294B6 - Rotacní motor na stlacitelná média

Info

Publication number: CZ302294B6
Application number: CZ20080465A
Authority: CZ
Inventors: Dvorák@Jirí
Original assignee: Dvorák@Jirí
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2011-02-09
Also published as: JP5256346B2; RU2011107095A; EP2318661B1; KR101488060B1; KR20110044976A; CZ2008465A3; EP2318661A1; RU2468209C2; US20110171053A1; JP2011529540A; CN102105652B; CN102105652A; WO2010012245A1; US8721310B2

Abstract

Rotacní motor na stlacitelná média, obsahuje alespon jeden rotor (1) a alespon jeden stator (2) uložené mezi dvema vzájemne spraženými a soubežne umístenými ložiskovými deskami (3), uzpusobenými pro uchycení oboustranne vyvedené hnací hrídele (11) rotoru (1), na níž je upevnen rotacní píst (12) uložený v komore (21) statoru (2) opatrené tesnicími víky (6). Podstata rešení spocívá v tom, že rotacní píst (12) elipsovitého prurezu je uložen v symetricky tvarované trojboké komore (21) opatrené zaoblenými vrcholy (211), z nichž každý je opatren alespon jedním kanálem (214) pro vstup a výstup tlakového média, tak, že jeho podélná osa (o.sub.p.n.), která je totožná s osou pohonné hrídele (11), je za úcelem dosažení soucasného krouživého pohybu statoru (2) proti smeru otácení rotacního pístu (11), a to pri paralelním posunu všech bodu statoru (2) po kružnici o polomeru excentricity (e), posunuta vzhledem k podélné ose (o.sub.s.n.) komory (21) statoru (2) o hodnotu excentricity (e), k dosažení cehož je k jedné z ložiskových desek (3) na hnací hrídeli (11) upevneno centrální ozubené kolo (7), po jehož obvodu jsou rovnomerne rozmístená tri satelitní ozubená kola (8), která jsou pevne nasazena na cepech (81) otocne uchycených v ložiskové desce (3) a spražených se statorem (2) pomocí unášecích kolíku (23), uchycených ve statoru (2) s excentricitou (e) vzhledem k osám cepu (81).

Description

Rotační motor na stlačitelná média

Oblast techniky

Vynález se týká konstrukce rotačního motoru na stlačitelná média, zejména motorů poháněných stlačeným plynem nebo párou.

Dosavadní stav techniky

Jsou běžně známé konstrukce klasických pneumatických nebo parních motorů obsahujících klikový mechanismus a vratně se pohybující píst, jejichž nevýhodou jsou značné energetické ztráty při změně směru pohybu pístu. Podobným řešením jsou i motory, u nichž je klikový mechanisis mus nahrazen šikmou deskou. Je rovněž známé řešení dle spisu EP 1 084 334 obsahující speciální klikový mechanismus, který umožní prodlevu pístu v jeho horní úvrati, kde je před píst vpuštěn tlakový vzduch, který svojí expanzí uvede píst znovu do pohybu. Toto řešení je technicky velmi složité a motor vykazuje nízkou účinnost.

2o Další známé konstrukce rotačních pneumatických motorů využívají excentrické uložení rotoru a použití pohyblivých těsnicích lamel, jak je popsáno například ve spisech US 5 174 742, JP 11 173 101 nebo JP 7 247 949. U těchto řešení nelze využít celou dráhu rotace k přenosu energie, což má za následek nižší účinnost. Další nevýhodou těchto řešení je větší opotřebitelnost těsnicích lamel a potřeba jejich mazání, a také nutnost použití speciálních konstrukčních mate25 riálů, což má za následek zvýšení výrobní náročnosti.

Také jsou známá řešení rotačních pneumatických motorů s dvěma i více tvarovanými rotory, které při rotaci vytváří variabilně proměnné pracovní prostory, jako je tomu například u konstrukcí dle spisů JP 6 017 601, CS 173 441, CZ 296 486 nebo US 4 797 077. U těchto řešení opět nelze využít celou dráhu rotace k přenosu energie. Další nevýhodou jsou velké plochy s nutností utěsnění, větší celková hmotnost motorů a velká výrobní náročnost. Konečně je známo řešení rotačního pístového motoru podle vynálezu US 3 221 664, kde rotační píst koná složený rotační a krouživý pohyb současně, a to pomocí čepů excentricky umístěných na třech satelitních kolech, která jsou v záběru s vnitřním ozubením umístěným v ložiskové desce pevně spojené s nehyb35 ným statorem. Satelitní kola se odvalují po vnitřním ozubení a jejich středové čepy, vsazené do příruby centrální hřídele, se pohybují po kružnici a unáší tím centrální hřídel do rotačního pohybu. Těsnicí víka jsou pevně spojena s rotačním pístem, a tím se pohybují po čelních plochách statoru. Kruhové drážky v těsnicích víkách zajišťují při svém pohybu vstup a výstup tlakového média z přípojek. Nevýhodou tohoto řešení je poměrně složitá konstrukce, ale zejména přenos celého vznikajícího kroutícího momentu z rotačního pístu na centrální hřídel.

Úkolem předkládaného vynálezu je představit novou jednoduchou konstrukci rotačního motoru s minimálním počtem pohybujících se součástí, která nepotřebuje ke své činnosti pro mechanické předělení jednotlivých pracovních fází žádné speciální díly, je výrobně nenáročná, vykazuje vysokou provozní účinnost a spolehlivost provozu, přičemž je Šetrná k životnímu prostředí.

Podstata vynálezu

Stanoveného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je rotační motor na stlačitelná média, obsahující alespoň jeden rotor a alespoň jeden stator uložené mezi dvěma vzájemně spřaženými a souběžně umístěnými ložiskovými deskami, uzpůsobenými pro uchycení oboustranně vyvedené hnací hřídele rotoru, na níž je upevněn rotační píst uložený v komoře statoru opatřené těsnicími víky, jehož podstata spočívá v tom, že rotační píst elipsovitého průřezu je uložen v symetricky

- 1 CZ 302294 B6 tvarované trojboké komoře opatřené zaoblenými vrcholy, z nichž každý je opatřen alespoň jedním kanálem pro vstup a výstup tlakového média, tak, že jeho podélná osa (o_p), která je totožná s osou pohonné hřídele, je za účelem dosažení současného krouživého pohybu statoru proti směru otáčení rotačního pístu, a to při paralelním posunu všech bodů statoru po kružnici o poloměru excentricity (e), posunuta vzhledem k podélné ose (o_s) komory statoru o hodnotu excentricity (e), k dosažení čehož je k jedné z ložiskových desek na hnací hřídeli upevněno centrální ozubené kolo, po jehož obvodu jsou rovnoměrně rozmístěná tri satelitní ozubená kola, která jsou pevně nasazena na čepech otočně uchycených v ložiskové desce a spřažených se statorem pomocí unášecích kolíků, uchycených ve statoru s excentricitou (e) vzhledem osám čepů.

Další podstatou vynálezu je, že rotační píst je vytvořen tak, že mezi velkou osou (a) a malou osou (b) elipsy a excentricitou (e) platí vztah a -^; b + 2e.

přičemž jednak zaoblené vrcholy komory vzájemně pootočené o 120° jsou vytvořeny ve vzdálenosti (v_v) od podélné osy (o_s) komory statoru, která má hodnotu v_v ~ a + e, jednak zaoblení vrcholů komory odpovídá zaoblení rotačního pístu, jednak stěny komory protilehlé vrcholům jsou vytvořeny ve vzdálenosti (v_s), která odpovídá poloměru vepsané kružnice a má hodnotu v_s - b + e a jednak přechodové částí povrchu komory mezi vrcholy a stěnami jsou tvořeny obalovou křivkou vytvořenou pohybujícím se rotačním pístem.

.io Konečně je podstatou vynálezu, že satelitní ozubená kola jsou opatřena polovičním počtem zubů než má centrální ozubené kolo a jejich čepy jsou v ložiskové desce uchyceny pomocí čepových ložisek, kde každý z čepuje na svém vnějším čele opatřen fixačním otvorem vytvořeným s vyosením o hodnotu excentricity (e), přičemž v každém z fixačních otvorů je uloženo vodicí ložisko pro uchycení unášecích kolíků, které jsou upevněny ve statoru na stejné rozteči jako satelitní ozubená kola.

Dalšími výhodami řešení je uložení pohyblivých dílů v ložiscích, snadná možnost jejich přesného opracování a synchronně řízený pohyb, což umožňuje vytvoření minimální vůle mezi rotačním pístem a statorem. Rotační píst se tak může bezdotykově otáčet ve vnitřním prostoru statoru, což zvyšuje celkovou účinnost a životnost motoru. Odpadá tím nutnost mazání styčných ploch, což je výhodné zejména pro parní provoz. Nemalou výhodou je možnost dosažení dynamického vyvážení krouživého pohybu statoru při paralelním posunu všech jeho bodů po kružnici o poloměru excentricity (e), a to pouhým přidáním jednoho či více rotačních pístů na hnací hřídel a propojení příslušných statorů se synchronním mechanismem, tedy soustavami ozubených kol a jim příslušných unášecích kolíků. Přitom motor má i velmi snadnou možnost reverzace směru rotace pouhou změnou časování přepouštěcích ventilů. Z hlediska ochrany životního prostředí je další výhodou řešení poměrně nízká hlučnost chodu motoru a absence exhalátů při jeho provozu. Při použití samomazných ložisek a plastového centrálního ozubeného kola může motor pracovat zcela bez oleje.

Přehled obrázků na výkresech

Konkrétní příklad konstrukce motoru podle vynálezu je schematicky znázorněn na připojených výkresech, kde obr. 1 je vertikální podélný řez motorem, obr. 2 je schematický bokorysný pohled na motor ze strany centrálního ozubeného kola, io obr. 3 až obr. 5 jsou geometrická schémata rotoru a statoru pro vytváření tvarů elipsovitého pístu rotoru, trojboké komory statoru a obalové křivky komory statoru, obr. 6 znázorňuje jednotlivé fáze činnosti motoru.

Příklady provedení vynálezu

Rotační motor sestává z rotoru 1 a statoru 2, které jsou uloženy mezi dvěma souběžně umístěnými ložiskovými deskami 3, které jsou vzájemně spřaženy rozpěrnými prvky 4, například šrouby,

2o pravidelně uspořádanými v jejich obvodové části. Ve středové části ložiskových desek 3 jsou umístěna hřídelová ložiska 5, ve kterých je uložena oboustranně vyvedená hnací hřídel 11 rotoru I, na níž je souose upevněn rotační píst 12 elipsovitého průřezu, který je vytvořen tak, že mezi velkou osou a a malou osou b elipsy a excentrickou e platí vztah

2? a = b + 2e.

Rotační píst 12 je uložen v trojboké komoře 21 prstencového statoru 2, k jehož čelním plochám 22 jsou oboustranně upevněna, s výhodou přišroubována, těsnicí víka 6 opatřená centrickými otvory 61 pro umožnění volného průchodu hnací hřídele J_l· Tvar komory 21 statoru 2 je vytvo30 řen tak, že sestává ze třech symetrických částí, jejichž zaoblené vrcholy 211 vzájemně pootočené o 120° jsou vytvořeny ve vzdálenosti v_y od podélné osy statoru 2, která má hodnotu v_v a + e, přičemž zaoblení vrcholu 211 komory 21 odpovídá zaoblení rotačního pístu J_2. Stěny 212 komory 21 protilehlé vrcholům 211 jsou vytvořeny ve vzdálenosti y^, která odpovídá poloměru vepsané kružnice a má hodnotu v_s = b + e.

Přechodové části 213 povrchu komory 21 mezi vrcholy 211 a stěnami 212 jsou tvořeny obalovou křivkou pohybujícího se rotačního pístu 12, jehož podélná osa Op je posunuta vzhledem k podélné ose Os komory 21 o hodnotu excentricky e, jak je patrné z obr. 3 až obr. 5. V každém z vrcholů 211 je pak vytvořen minimálně jeden kanál 214 pro vstup a výstup pracovního média.

Z vnější strany jedné z ložiskových desek 3 je na hnací hřídeli J_[ upevněno centrální ozubené kolo 7, po jehož obvodu jsou rovnoměrně po 120° rozmístěná tři satelitní ozubená kola 8 opatřená polovičním počtem zubů než má centrální ozubené kolo 7. Satelitní ozubená kola 8 jsou pevně nasazena na čepech 81, které jsou otočně uchyceny, například pomocí čepových ložisek 82, v ložiskové desce 3. Každý z čepů 81 je na svém vnějším čele 811 opatřen fixačním otvorem 812 vytvořeným s vyosením o hodnotu excentricity e. V každém z fixačních otvorů 812 je uloženo vodicí ložisko 813 pro uchycení unášecích kolíků 23, které jsou upevněny, například nalisovány, ve statoru 2 na stejné rozteči jako satelitní ozubená kola 8 a slouží k přenosu krouživého pohybu statoru 2 na hnací hřídel J_L

-3 CZ 302294 B6

Z výše uvedeného je patrné, že celkový popis rotačního motoru je prováděn pouze plošně a neřeší další související a neznázoměné konstrukční uzly, jako jsou například přepouštěcí ventily včetně jejich ovládání a přívodů, mazání, chlazení, setrvačník apod., které nemají vliv na podstatu předkládaného řešení. Rovněž použití názvu stator 2 pro krouživě se pohybující čten je vědomým záměrem vynálezce, neboť tento člen opravdu funkci statoru 2 vzhledem k protisměrně se otáčejícímu rotačnímu pístu 12 vykonává.

Při vytváření eliptického tvaru rotačního pístu 12 a tvaru trojboké komory 21 statoru 2 je hlavním parametrem pro určení velikosti rotačního motoru volitelná hodnota excentricity e, tedy posunutí osy o_s trojboké komory 21 statoru 2 vůči ose Ο_β rotačního pístu J_2 konajícího prostý rotační pohyb. V optimálním případě volby průřezu rotačního pístu 12 je délka a velké osy elipsy pětkrát až šestkrát větší než hodnota excentricity e, malá osa b se pak musí při otočení rotačního pístu 12 o 90° dotýkat stěn trojboké komory 21 a je tedy o dvojnásobek hodnoty excentricity e menší. Trojboká komora 21 je tvořena tak, že přechodovou křivku mezi zaoblenými vrcholy 211 a stěnami 212 rozměrově vymezenými vepsanou kružnicí tvoří obalová křivka rotačního pístu 12 otáčejícího se dvojnásobnou rychlostí, než kterou se současně protisměrně krouživě pohybuje stator 2 na kružnici o poloměru excentricity e tak, že všechny jeho body jsou v každém okamžiku pohybu paralelně posunuty o hodnotu excentricity e. Složený pohyb rotačního pístu 12 a statoru 2 lze pak nahradit tak, že se stator 2 nepohybuje a rotační píst 12 provádí planetový pohyb, při němž se střed elipsy se pohybuje po kružnici o poloměru excentricity e v určitém úhlu a současně se osa O_E elipsy, tedy rotačního pístu 12, natáčí v protisměru opačným směrem o poloviční úhel, jak je patrné z obr. 5. Touto metodou lze zjistit nejvzdálenější dotykové body elipsy, jejichž tečným propojením se zaoblením vrcholů 21 1 vznikne obalová křivka, které se na protilehlé straně dotýkat i boční část elipsy rotačního pístu 12.

Činnost motoru je možno odvinout od výchozí polohy rotačního pístu 12, který se jedním ze svých oblouků nachází v jednom z vrcholů 211 statoru 2, kde uzavírá příslušný kanál 214 pro vstup tlakového média, přičemž se svým povrchem oboustranně symetricky dotýká stěn 212 statoru 2, Při natočení rotačního pístu 12, znázorněném na obr. 6, se začnou jeho dotykové body s oběma stěnami 212 od sebe vzdalovat a v komoře 21 vzniká pracovní prostor 215, do něhož přilehlým kanálem 214 přes neznázoměný přepouštěcí ventil začne vnikat pracovní médium, které svou expanzí natáčí rotační píst 12 až do maximálního možného objemu, což je při otočení rotačního pístu JJ2 o 90°. Současně je na opačné straně rotačního pístu 12 dokončován předchozí pracovní cyklus v pracovním prostoru 215 u druhého vrcholu 211, který je přes příslušný kanál 214 vyprazdňován. Po vyprázdnění se dostává rotační píst 12 u tohoto vrcholu 211 do výchozí pozice a proces se zde opakuje výše popsaným způsobem. Vzhledem k trojbokému tvaru komory 21 tedy probíhá vpouštění tlakového média proti směru otáčení rotačního pístu 12, a to vždy po jeho pootočení o 60°, tedy šestkrát za jednu otáčku. Je patrné, že jednotlivé pracovní cykly probíhající v pracovních prostorech 215 příslušných vrcholů 211 se vzájemně překrývají, neboť maximální pracovní prostor 215 je dosažen při pootočení pracovního pístu o 90°, ale již při jeho pootočení o 60°začíná u sousedního vrcholu 211 další pracovní cyklus.

Popsané konstrukční řešení není jediným možným provedením rotačního motoru, když v závislosti na jeho velikostí a požadovaném výkonu je možné v každém z vrcholů vytvořit místo jednoho dva kanály 214 pro samostatný vstup a výstup tlakového média a rovněž provedení a spřažení ložiskových desek 3 může být různé v závislosti na konkrétním konstrukčním provedení rotoru 1 a statoru 2.

Průmyslová využitelnost

Rotační motor podle vynálezu lze využít v různých odvětvích průmyslu a dopravy jako ekologicky čistou pohonnou jednotku strojů, vozidel ajiných zařízení.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

5 1. Rotační motor na stlačitelná média, obsahující alespoň jeden rotor (1) a alespoň jeden stator (2) uložené mezi dvěma vzájemně spřaženými a souběžně umístěnými ložiskovými deskami (3), uzpůsobenými pro uchycení oboustranně vyvedené hnací hřídele (11) rotoru (1), na níž je upevněn rotační píst (12) uložený v komoře (21) statoru (2) opatřené těsnicími víky (6), vyznačující se tím, že rotační píst (12) elipsovitého průřezu je uložen v symetricky tvarované io trojboké komoře (21) opatřené zaoblenými vrcholy (211), z nichž každý je opatřen alespoň jedním kanálem (214) pro vstup a výstup tlakového média, tak, že jeho podélná osa (o_p), která je totožná s osou pohonné hřídele (11), je za účelem dosažení současného krouživého pohybu statoru (2) proti směru otáčení rotačního pístu (11), a to pri paralelním posunu všech bodů statoru (2) po kružnici o poloměru excentricity (e), posunuta vzhledem k podélné ose (o_s) komory (21)

15 statoru (2) o hodnotu excentricity (e), k dosažení čehož je k jedné z ložiskových desek (3) na hnací hřídeli (11) upevněno centrální ozubené kolo (7), po jehož obvodu jsou rovnoměrně rozmístěná tři satelitní ozubená kola (8), která jsou pevně nasazena na čepech (81) otočně uchycených v ložiskové desce (3) a spřažených se statorem (2) pomocí unášecích kolíků (23), uchycených ve statoru (2) s excentrickou (e) vzhledem k osám čepů (81).
2. Rotační motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že rotační píst (12) je vytvořen tak, že mezi velkou osou (a) a malou osou (b) elipsy a excentricitou (e) platí vztah a - b + 2e, přičemž jednak zaoblené vrcholy (211) komory (21) vzájemně pootočené o 120° jsou vytvořeny ve vzdálenosti (v_v) od podélné osy (o_s) komory (21) statoru (2), která má hodnotu v_v — a + e, jednak zaoblení vrcholů (211) komory (21) odpovídá zaoblení rotačního pístu (12), jednak stěny (212) komory (21) protilehlé vrcholům (211) jsou vytvořeny ve vzdálenosti (v_s), která odpovídá poloměru vepsané kružnice a má hodnotu

35 v_s = b + e a jednak přechodové části (213) povrchu komory (21) mezi vrcholy (211) a stěnami (212) jsou tvořeny obalovou křivkou vytvořenou pohybujícím se rotačním pístem (12).

40 3. Rotační motor podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že satelitní ozubená kola (8) jsou opatřena polovičním počtem zubů než má centrální ozubené kolo (7) ajejich čepy (81) jsou v ložiskové desce (3) uchyceny pomocí čepových ložisek (82), kde každý z čepů (81) je na svém vnějším čele (811) opatřen fixačním otvorem (812) vytvořeným s vyosením o hodnotu excentricity (e), přičemž v každém z fixačních otvorů (812) je uloženo vodicí ložisko (813) pro

45 uchycení unášecích kolíků (23), které jsou upevněny ve statoru (2) na stejné rozteči jako satelitní ozubená kola (8).