Планетарная передача — вид зубчатой передачи, применяемой в механических и автоматических трансмиссиях. Помимо преобразования вращения «планетарка» способна суммировать и раскладывать мощности. Зная о планетарном механизме: что это такое, как работает, по каким критериям оценивают редуктор, станет понятно устройство и характеристики АКПП. В случае поломки расчёт передачи поможет выбрать надёжный и долговечный механизм.
Устройство и принцип работы
Планетарный механизм — это конструкция из зубчатых колёс, перемещающихся относительно центра. По центральной оси расположены колёса разного диаметра:
- малое солнечное с внешними зубцами;
- большое коронное или эпицикл с внутренними зубцами.
Между колёсами передвигаются сателлиты. Их вращение напоминает движение планет Солнечной системы. Оси сателлитов механические соединены на водиле, которое вращается относительно центральной оси.
Устройство простого планетарного блока:
- 1 эпицикл;
- 1 солнечное колесо;
- 1 водило.
Планетарный механизм собирают в каскады из двух и более звеньев на одном валу для получения широкого диапазона передач. Главной кинематической характеристикой зубчатой передачи является передаточное отношение.
Принцип работы планетарной коробки заключается в блокировке одного из основных элементов и передаче вращения через ведущее колесо. Для остановки элемента применяют тормозные ленты, блокировочные муфты, конические шестерни. Передаточное отношение меняется в зависимости от схемы закрепления. Описать принцип действия планетарного механизма удобнее на примере:
- Корона блокируется.
- Вал подаёт крутящий момент на солнце.
- Вращение солнца заставляет планеты обкатываться вместе с ним.
- Водило становится ведомым, сообщая пониженную передачу.
Управляя элементами простой «планетарки», получают разные характеристики:
| Передача | Как работает планетарная коробка в АКПП |
| 1 | Солнце подаёт вращение на водило, корона двигается в противоположную сторону. |
| 2 | Корона подаёт вращение на водило, солнце зафиксировано. |
| 3 | Ведущее водило передаёт вращение солнцу. Корона заблокирована. |
| 4 | Водило двигает корону. Солнце зафиксировано. |
| Задний ход | Водило заблокировано. Солнечное колесо вращается, планеты обкатывают и двигают корону в противоположную сторону. |
Кпд η простой передачи достигает 0,97.
Планетарный ряд с одной степенью свободы становится планетарной передачей. Две степени образуют дифференциал. Дифференциал складывает моменты на ведомом колесе, поступающие от основных ведущих звеньев.
Читать
Как правильно заводить машину с автоматической коробкой передач и что делать если сел аккумулятор
Разновидности планетарных передач
По количеству ступеней планетарные механизмы разделяют на:
- однорядные;
- многорядные.
Планетарная передача из одной солнечной шестерни, одновенцовых сателлитов, водила и эпицикла будет однорядной. Замена сателлитов на двухвенцовые усложняет конструкцию, делая её двухрядной.
Многоступенчатая планетарная коробка передач — это последовательно установленные однорядные блоки. Такая схема позволяет суммировать передаточные числа и получать большие значения. 4-скоростные АКПП состоят из двухрядных планетарных конструкций, 8-скоростные — из четырёхрядных.
В АКПП применяют схемы, названные в честь изобретателей:
- Механизм Уилсона представляет собой трёхрядную конструкцию, в которой соединены корона первого, водило второго и корона третьего рядов. Количество передач — 5 прямых и 1 задняя.
- Механизм Лепелетье состоит из 3 соосно расположенных простых планетарных передач. Количество передач — 6 прямых и 1 задняя.
- Схема Симпсона — 2 редуктора с общей солнечной шестернёй. Водило второго ряда оборудовано тормозом. Корона первого ряда и солнце через две блокировочные муфты жёстко соединены с ведущим валом. Механизм реализует режимы: нейтраль; 1,2,3 передачи; задний ход.
По типу зубчатых конструкций планетарные редукторы делятся на:
- цилиндрические;
- конические;
- волновые;
- червячные.
Разные типы применяют для передачи момента между валами, расположенными параллельно или под углом. А также в механизмах, требующих низкой или высокой кинематической характеристики.
Детальное описание устройств
Смешанные планетарные конструкции могут иметь разное количество колес, а также различные передачи, посредством которых они соединяются. Наличие таких деталей значительно расширяет возможности механизма. Составные планетарные конструкции могут быть собраны так, чтобы вал несущей платформы двигался с высокой скоростью. В результате некоторые проблемы с редукцией, солнечной шестерней и прочими могут быть устранены в процессе усовершенствования устройства.
Таким образом, как видно из приведенной информации, планетарный механизм работает по принципу передачи вращения между звеньями, являющимися центральными и подвижными. При этом сложные системы более востребованы, чем простые.
Характеристики основных разновидностей этого устройства
В конструкции планетарного ряда АКПП применяют различные типы зубчатых передач. Выделяют три основные наиболее распространенные: цилиндрические, конические и волновые.
Цилиндрические
Зубчатые механизмы передают момент между параллельными валами. В конструкцию цилиндрической передачи входит две и более пар колёс. Форма зубьев шестерней может быть прямой, косой или шевронной. Цилиндрическая схема простая в производстве и действии. Применяется в коробках передач, бортовых редукторах, приводах. Передаточное число ограничено размерами механизма: для одной колёсной пары достигает 12. КПД — 95%.
Читать
Что лучше и надежнее, вариатор или автомат
Конические
Колёса в конической схеме преобразуют и передают вращение между валами, расположенными под углом от 90 до 170 градусов. Зубья нагружены неравномерно, что снижает их предельный момент и прочность. Присутствие сил на осях усложняет конструкцию опор. Для плавности соединения и большей выносливости применяют круговую форму зубьев.
Производство конических передач требует высокой точности, поэтому обходится дорого. Угловые конструкции применяются в редукторах, затворах, фрезерных станках. Передаточное отношение конических механизмов для техники средней грузоподъёмности не превышает 7. КПД — 98%.
Волновые
Во волновой передаче отсутствуют солнечная и планетные шестерни. Внутри коронного колеса установлено гибкое зубчатое колесо в форме овала. Водило выступает в качестве генератора волн, и выглядит в виде овального кулачка на специальном подшипнике.
Гибкое стальное или пластмассовое колесо под действием водила деформируется. По большой геометрической оси зубья сцепляются с короной на всю рабочую высоту, по малой оси зацепление отсутствует. Движение передаётся волной, создаваемой гибким зубчатым колесом.
Во волновых механизмах КПД растёт вместе с передаточным числом, превышающим 300. Волновая передача не работает в схемах с кинематической характеристикой ниже 20. Редуктор выдает 85% КПД, мультипликатор — 65%. Конструкция применяется в промышленных роботах, манипуляторах, авиационной и космической технике.
Достоинства и недостатки планетарных передач
Планетарная передача выигрывает у простых зубчатых механизмов аналогичной мощности компактным размером и массой меньшей в 2 — 3 раза. Используя нескольких планетных шестерней, достигается зацепление зубьев на 80%. Нагрузочная способность механизма повышается, а давление на каждый зубец уменьшается.
Кинематическая характеристика планетарного механизма доходит до 1000 с малым числом зубчатых колёс без применения многорядных конструкций. Помимо передачи планетарная схема способна работать как дифференциал.
За счёт соосности валов планетарного механизма, компоновать машины проще, чем с другими редукторами.
Применение планетарного ряда в АКПП снижает уровень шума в салоне автомобиля. Сбалансированная система имеет высокую вибропрочность за счет демпфирования колебаний. Соответственно снижается вибрация кузова.
Недостатки планетарного механизма:
- сложное производство и высокая точность сборки;
- в сателлиты устанавливают подшипники, которые выходят из строят быстрее, чем шестерня;
- при повышении передаточных отношений КПД падает, поэтому приходится усложнять конструкцию.
Читать
Основные режимы и для чего нужна кнопка овердрайв на автомате
Износ
Что касается срока службы и амортизации, то в линейных механизмах планетарных систем распределение нагрузки заметно среди основных компонентов.
Термическая и циклическая усталость могут повышаться в них за счет ограниченного распределения нагрузки и того факта, что планетарные передачи могут вращаться довольно быстро по их осям. Более того, при высоких скоростях и передаточных отношениях планетарного механизма, центробежные силы могут значительно увеличить величину движения. Также следует заметить, что по мере снижения точности производства и увеличения количества сателлитов тенденция к дисбалансу возрастает.
Эти устройства и их системы могут даже подвергнуться износу или амортизации. Некоторые конструкции будут чувствительны даже к небольшим дисбалансам и способны потребовать качественные и дорогие компоненты сборки. Точным расположением планетных штифтов вокруг оси солнечной шестерни может быть ключ.
Другие схемы планетарных механизмов, которые помогают балансировать нагрузки, включают использование плавающих подузлов или «мягких» креплений, чтобы обеспечить максимально долговечное движение солнца или эпицентра.
Передаточное число планетарных передач
Передаточным называют отношение частоты ведущего вала планетарной передачи к частоте ведомого. Визуально определить его значение не получится. Механизм приводится в движение разными способами, а значит передаточное число в каждом случае различно.
Для расчёта передаточного числа планетарного редуктора учитывают число зубьев и систему закрепления. Допустим, у солнечной шестерни 24 зуба, у сателлита — 12, у короны — 48. Водило закреплено. Ведущим становится солнце.
Сателлиты начнут вращаться со скоростью, передаваемой солнечной шестернёй. Передаточное отношение равно: -24/12 или -2. Результат означает, что планеты вращаются в противоположном направлении от солнца с угловой скоростью 2 оборота. Сателлиты обкатывают корону и заставляют её обернуться на 12/48 или ¼ оборота. Колёса с внутренним закреплением вращаются в одном направлении, поэтому число положительное.
Общее передаточное число равно отношению числа зубьев ведущего колеса к количеству зубьев ведомого: -24/48 или -1/2 оборота делает корона относительно солнца при зафиксированном водиле.
Если водило станет ведомым при ведущем солнце, то передаточное отношение: (1+48/24) или 3. Это самое большое число, какое способна предложить система. Самое маленькое отношение получается при фиксировании короны и подачи момента на водило: (1+/(1+48/24)) или 1/3.
Передаточные числа простой планетарной схемы: 1,25 — 8, многоступенчатой: 30 — 1000. С ростом кинематической характеристики КПД снижается.
А что в итоге?
Анализ реальных возможностей инструментов, предназначенных для расчета и конструирования планетарных передач, говорит о том, что описанное в этой статье программное обеспечение не имеет на рынке прямых аналогов. С его помощью можно:
- существенно сократить сроки проектирования;
- снизить требования к квалификации исполнителя проекта;
- выполнить расчет по самым современным на настоящий момент методикам;
- автоматически оформить конструкторскую документацию.
Можно также утверждать, что спроектированные в модуле APM Drive планетарные передачи соответствуют лучшим мировым аналогам, ибо при разработке программного обеспечения были в полном объеме реализованы самые совершенные алгоритмы в области расчета и проектирования передач такого типа.
Мы надеемся, что созданное в НТЦ АПМ недорогое программное обеспечение расчета планетарных передач займет достойное место в линейке продуктов, предлагаемых НТЦ АПМ российской промышленности, и что наши предприятия наконец-то начнут выпускать сложные в техническом отношении изделия и шаг за шагом будут отвоевывать машиностроительные сегменты рынка, потерянные ранее. Будем рады, если наши разработки внесут свой вклад в процесс технического возрождения. Уверены, что инструменты расчета и проектирования планетарных передач будут особо востребованы в технических университетах, которые готовят кадры для экономики России. Мы уже наблюдаем возрастающий интерес у этой категории наших пользователей, а это залог того, что у страны есть будущее в сфере высоких технологий.
«САПР и графика» 1’2003
Подбор чисел зубьев планетарных передач
Число зубьев колёс подбирают на первом этапе расчёта планетарной схемы по заранее установленному передаточному отношению. Особенность проектирования планетарного ряда заключается в соблюдении требований правильной сборки, соосности и соседства механизма:
- зубья сателлитов должны совпадать с впадинами солнца и эпицикла;
- планеты не должны задевать друг друга зубьями. На практике более 6 сателлитов не используют из-за трудностей равномерного распределения нагрузки;
- оси водила, солнечного и коронного колёс должны совпадать.
Основное соотношение подбора зубьев передачи через передаточное число выглядит так:
i = 1+Zкорона/Zсолнце,
где i — передаточное число;
Читать
Диагностика и ремонт АКПП
Zn — количество зубьев.
Условие соосности соблюдается при равных межосевых расстояниях солнечного колеса, короны и водила. Для простой планетарной зубчатой передачи проверяют межосевые расстояния между центральными колёсами и сателлитами. Равенство должно удовлетворять формуле:
Zкорона= Zсолнце+2×Zсателлит.
Чтобы между планетами оставался зазор, сумма радиусов соседних шестерней не должна превышать осевое расстояние между ними. Условие соседства с солнечным колесом проверяют по формуле:
sin (π/c)> (Zсателлит+2)/(Zсолнце+Zсателлит),
где с — количество сателлитов.
Планетные колёса размещаются равномерно, если соотношение зубьев короны и солнца к количеству сателлитов окажется целым:
Zсолнце/с = Z;
Zкорона/с = Z,
где Z — целое число.
Основы синтеза планетарных устройств
Эти знания нужны при проектировании и создании узлов машин. Понятие «синтез планетарных механизмов» заключается в расчете числа зубьев в солнце, эпицентре и сателлитах. При этом необходимо соблюсти ряд условий:
- Передаточное отношение должно равняться заданному значению.
- Зацепление зубьев колес должно быть правильным.
- Необходимо обеспечить соосность входного вала и выходного.
- Требуется обеспечить соседство (сателлиты не должны мешать друг другу).
Также при проектировании нужно учитывать габариты будущей конструкции, ее массу и КПД.
Если задано передаточное число (n), то число зубьев на солнце (S) и на планетарных шестернях (P) должно удовлетворять равенству:
n = S/P
Если допустить, что число зубьев на эпицентре рано (А), то при заблокированном водиле должно быть соблюдено равенство:
n = -S/A
Если закреплен эпицентр, то будет верным следующее равенство:
n = 1+ A/S
Так производится расчет планетарного механизма.
Советы по подбору планетарного редуктора
Перед выбором планетарного редуктора проводят точный расчёт нагружения и режимов работы механизма. Определяют тип передачи, осевые нагрузки, температурный диапазон и типоразмеры редуктора. Для тяжёлой спецтехники, где нужен большой крутящий момент при малых скоростях, выбирают редуктор с высоким передаточным отношением.
Чтобы сбавить угловую скорость, не снижая крутящего момента, применяют привод с электродвигателем и редуктором. При выборе мотор редуктора учитывают:
- эксплуатационную нагрузку;
- момент вала на выходе;
- частоту вращения входного и выходного валов;
- мощность электродвигателя;
- монтажное исполнение.
Типовые неисправности: когда требуется ремонт планетарки АКПП?
Ресурс эксплуатации планетарного механизма напрямую зависит от стиля эксплуатации автомобиля и качество технического обслуживания. Чаще всего преждевременный выход из строя планетарки случается на кроссоверах или внедорожниках, часто передвигающихся по бездорожью.
Из типовых неисправностей планетарного редуктора отмечаются:
- Износ зубьев шестерней или элементов дифференциала.
- Выработка шлицев или скручивание полуосей.
- Износ подшипников.
- Деформация корпуса редуктора или утечка рабочей жидкости.
Как правило, все перечисленные неисправности имеют комплексный фактор происхождения и возникают в результате естественной выработки агрегатов при большом пробеге трансмиссии, либо в результате агрессивной эксплуатации автомобиля. Чаще всего необходимость в проведении преждевременного ремонта планетарного механизма возникает из-за систематического перегрева трансмиссии, длительного отсутствия ТО или использования некачественного или неподходящего масла.
Наиболее распространенные признаки неисправности планетарки:
- Увеличение вибронагруженности кузова при наборе скорости.
- Посторонние звуки при работе автомобиля в районе редуктора.
- Неравномерное вращение или биение выходного вала.
Обратите внимание! При появлении первых признаков неисправности рекомендуется сразу обратиться в сервисный центр для проведения диагностики или дефектовки. Своевременное выявление проблемы позволяет устранить неисправность на локальном уровне, что существенно снижает стоимость ремонта и увеличивает ресурс эксплуатации трансмиссии.
Область применения планетарных передач
Планетарная схема используется в:
- редукторах;
- автоматических и механических коробках передач;
- в приводах летательных аппаратов;
- дифференциалах машин, приборов;
- ведущих мостах тяжёлой техники;
- кинематических схемах металлорежущих станков.
Планетарную коробку передач применяют в агрегатах с переменным передаточным отношением, затормаживая водило. В гусеничной технике для сложения потоков мощности элементы в планетарном механизме не блокируют.
Где используется планетарный механизм в автомобиле
Но все-таки темой статьи выступает применение планетарной передачи в автомобилях. Обычно речь идет о дифференциале транспортного средства, который устанавливает на всех ведущих осях. Именно здесь лучше всего используются системы, не предусматривающие жесткой фиксации отдельных элементов по отношению друг к другу.
Еще одно направление применения – гидромеханическая коробка передач. Она также основана на базовом принципе планетарного механизма, предусматривающем взаимное вращение зубчатых колес трех типов. Но устройство подобных КПП заметно сложнее описанного выше, так как минимальное количество только передних передач равняется 5-6. Очевидно, что один механизм с решением такой задачи попросту не справится.
Важно
Современные АКПП – это сложные технические устройства, которые формируются посредством объединения в систему нескольких планетарных.
Такой подход позволяет получить на выходе широкий диапазон передаточных чисел – начиная с 0,7 к 1 (если речь идет о повышенной передаче) и заканчивая 4,5 к 1 (для пониженных). Приведенное соотношение расшифровывается предельно просто: 0,7 к 1 означает, что 0,7 оборота входного вала дают один оборот выходного.
