Планетарный механизм и его использование в качестве КПП

Планетарная КПП, как работает планетарная трансмиссия

Планетарным механизмом называют зубчатую передачу вращательного движения, которая способна одновременно складывать, раскладывать и изменять крутящий момент (альтернативный вариант — угловую скорость), причем в одной геометрической плоскости.

1. Планетарный механизм: назначение и устройство
   • Три основные звена
   • Планетарные шестерни
2. Применение планетарных МКП
3. Где используется планетарный механизм в автомобиле
4. Преимущества и недостатки планетарной передачи
5. Видео «Принцип работы планетарной передачи»

Особенно широкое распространение она получила в различных КПП – как механических, так и автоматических. Сегодня планетарная трансмиссия выступает одним из ключевых узлов большей части автомобилей, что делает актуальным более внимательное рассмотрение ее конструкции, принципа действия и преимуществ.

Планетарный механизм: назначение и устройство

Устройство планетарного механизма представляет собой конструкцию из нескольких зубчатых колес, минимальное количество которых равняется четырем.

Как минимум, два из них обладают общей неподвижной осью вращения, а оси оставшихся вращаются вокруг нее. Последние крепятся к так называемому водилу, благодаря чему формируется механическая система с двумя или большим количеством степеней свободы.

Три основные звена

Основными конструктивными элементами планетарной КПП выступают: два центральных колеса, одно малое с наружными зубцами, а второе – большое с внутренними. Первое называют солнцем (солнечным), второе – эпициклом или коронным. Характерной особенностью работы планетарного механизма выступает отсутствие непосредственного контакта между ними.

Третьим обязательным элементом становится уже упомянутое выше водило. Деталь представляет собой рычажный механизм, к которому крепятся планетарные шестерни, которые заслуживают отдельного описания.

Планетарные шестерни

Другое их название – сателлиты. Они также представляются собой зубчатые колеса с внешними зубьями. Планетарные шестерни выступают связующим звеном между солнцем и эпициклом. Их минимальное количество равняется двум в самых простых системах.

В более сложных нередко используются группы зубчатых колес, что делает эффективность КПП заметно выше. Общая схема сравнительно простой однорядной планетарной передачи показана с обозначением основных элементов показана на скриншоте.

Различают два основных типа рассматриваемых КПП. Первый предусматривает блокировку одного вида шестерен и называется одноступенчатой планетарной передачей. Второй допускает блокировку разных видов зубчатых колес, что позволяет отнести его к многоступенчатым.

Еще одна классификация осуществляется по типу передачи. В этом случае различают три вида:

• Понижающая. Работает по двум вариантам. Первый предусматривает блокировку эпицикла с подачей вращения на вал солнца. Крутящий момент снимается с водила, частота вращения которого ниже аналогичного показателя солнечного зубчатого колеса. Аналогичный эффект достигается и вторым способом: подача вращения на эпицикл и блокировкой солнца с одновременным снятием крутящего момента с водила.
• Повышающая. Также функционирует по двум вариантам. Первый: блокировка эпицикла, подача вращения на водило и сателлиты, снятие крутящего момента с солнца. Второй: солнце блокируется, вращение снова подается на водило с сателлитами, но снимается с большого зубчатого колеса.
• Задняя. Работает аналогичным образом, то есть по двум схемам. Первая: подача вращения на солнце, снятие с эпицикла, а водило блокируется. Второй: подача крутящего момента на эпицикл, снятие вращения с солнца, водило остается заблокированным.

Применение планетарных МКП

Первым и самым широким направлением практического использования планетарных МКП с ручным режимом управления в автомобилестроении стал автомобиль Ford T, выпуск которого был прекращен достаточно давно – в 1928 году.

Постепенно они были вытеснены более современными полуавтоматическими и автоматическими коробками передач планетарного типа. Первые предусматривали сцепление с помощью специальных гидромуфт, вторые предполагали использование гидротрансформаторов.

Но автомобилестроение – это далеко не единственная сфера использования рассматриваемого технического устройство. Планетарный механизм поворота активно применяется в разнообразной гусеничной технике – от гражданской до военной, включая тягачи, танки и транспортеры.

МКП используется в качестве редуктора в специализированном оборудовании, например, станках для металлообработки или авиационных турбинах. Отдельного упоминания заслуживает применение планетарной МКП в задних втулках велосипедных колес.

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.

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.

Преимущества и недостатки планетарной передачи

Популярность и востребованность механизма планетарной передачи объясняется наличием нескольких существенных достоинств. Главные из них состоят в следующем:

• надежность. При качественном изготовлении устройство выходит из строя достаточно редко. Перед первым ремонтом планетарная трансмиссия способна отработать до полумиллиона км пробега. Во многом таких результатов удается добиться, благодаря простой конструкции, предусматривающей наличие валов и шестерен. Другими словами, там просто нечему ломаться;
• компактные размеры. Достигаются размещением всех зубчатых колес на одной оси, причем в непосредственной близости и контакте друг с другом;
• относительно невысокий уровень шума, издаваемого при эксплуатации. Обеспечивается за счет минимальной нагрузки на зубья из-за точности геометрических размеров и принципа работы;
• обширный диапазон доступных для переключения передач. Объясняется внушительным разбросом в значении передаточных чисел;
• конструктивное разнообразие. Предусматривает различное количество шестерен, их разную конфигурацию и комбинации, объединение в одну систему нескольких механизмов и т.д.;
• плавное переключение передач. Обеспечивается низкой вибронагруженностью и равномерным распределением нагрузок между отдельными элементами конструкции.

Основным недостатком рассматриваемого механизма становится сложность изготовления. Несмотря на отработанность технологии, эффективная работа с нужным уровнем КПД предъявляет повышенные требования как к точности геометрических размеров всех элементов, так и правильности сборки. Логичным следствием такого положения дел выступает относительно невысокая ремонтопригодность планетарной трансмиссии.

Еще одним заметным минусом можно назвать требовательность к качеству и характеристикам смазочных материалов. Она дополняется необходимостью своевременного и регулярного технического обслуживания. Его отсутствие приводит к ускорению износа и быстрому выходу системы из строя.

Планетарная АКПП заслуженно считается одним из самых популярных механизмов в сегодняшнем автомобилестроении.

Автоматические коробки передач подобного типа заметно теснят механические аналоги. Но это является далеко не единственная сфера практического применения планетарной передачи. Что позволяет сделать вывод о хороших перспективах в самых разных отраслях машиностроения.

Как устроена и работает планетарная коробка передач

Современная автоматическая коробка – второй по сложности агрегат после двигателя, и одним из основных его узлов является планетарная передача. Но самое интересное, что этот механизм имеет более чем 100-летнюю историю – впервые его использовали в далёком 1908 году на автомобиле Ford model T.

Правда, на коробке с ручным переключением передач. Многие не в курсе, но первая АКПП появилась ещё раньше – в 1906 году. Она была трехступенчатой и с гидравлическим приводом, который прижился и использовался повсеместно вплоть до последнего времени, когда управление работой автоматической коробкой переложили на электронику.

Но планетарная коробка передач до сих пор остается самой распространённой разновидностью среди автоматических трансмиссий.

Устройство, принцип работы

Схематически АКПП можно представить как конструкцию, состоящую из двух частей – планетарного механизма и гидротрансформатора. Крутящий момент от силового агрегата передаётся на гидротрансформатор – именно он преобразует момент вращения, реагируя на изменение режима движения (или вообще не передаёт вращение).

В МКПП валов три (ведущий, промежуточный, ведомый), а их шестерни пребывают в постоянном зацеплении. Переход на другую передачу осуществляется за счёт подключения ведомого вала к определённой паре шестерён. В коробке-автомате принцип иной: выбор необходимого режима движения осуществляется посредством блокировки соответствующих шестерен планетарного механизма.

Конструкция планетарной КПП, или планетарного редуктора, включает солнечную шестерню, принимающую вращение от гидротрансформатора посредством элемента, называемого водило, к которому подключены сателлиты в количестве 3 или 4 штук. Сателлиты стыкуются с коронной шестерней (её второе название – кольцевая). Все перечисленные элементы планетарной передачи содержит тормозной механизм фрикционного типа (в редких случаях – ленточные тормоза), с помощью которых и осуществляется блокировка шестерен.

Чтобы понять принцип работы планетарной коробки, рассмотрим три простых примера:

• пускай нам нужно ускориться, то есть перейти на повышенную передачу. В этом случае кольцевая шестерня стопорится, вращательное движение от гидротрансформатора и СШ поступает на сателлиты, скорость вращения которых возрастает. Водило как бы «суммирует» вращение сателлитов и в результате тоже начинает вращаться быстрее;
• при уменьшении скорости движения фиксируется уже водило, а сателлиты продолжают вращаться, что заставляет кольцевую шестерню снизить скорость вращения;
• прямая передача обеспечивается следующим образом: водило при помощи фрикциона жёстко фиксируется с кольцевой шестерней, все не активные элементы «планетарки» не вращаются, минимизируя трение.

Важно понять, что в каждом из режимов происходит блокировка определённых элементов планетарной передачи.

Как же происходит передача крутящего момента далее, на приводы (раздатку для авто с ПП или карданный вал для заднеприводных авто)? Всё просто: вращение «снимается» с тех элементов, которые остались незаблокированными. Так, если блокируется водило, вращение на колёса передаётся с кольцевой шестерни. Если говорить о прямой передаче, здесь планетарный редуктор является фактически «лишним», поскольку крутящий момент на привод передаётся непосредственно с гидротрансформатора.

Усовершенствование АКПП, направленное на снижение расхода горючего, создание для мотора более благоприятных условий работы, улучшение динамики автомобиля, происходит по нескольким направлениям. Для этого увеличивают количество планетарных редукторов, при этом все редукторы, кроме первого, не содержат понижающих передач. Вследствие этого прямая передача на втором и так далее редукторах оказывается более скоростной, нежели повышающая передача основного редуктора. В то же время понижающая передача дополнительным редукторам как бы не нужна, поскольку крутящий момент с них снимается далеко не во всех случаях.

Рассмотрим более подробно работу фрикционов, которые, собственно, и отвечают за переключение режимов. Каждый планетарный редуктор включает набор фрикционов – тонких подвижных или фиксированных колец. Подвижные кольца связаны с вращающимися узлами редуктора. Если электроника, среагировав на манипуляции с педалью акселератора, создаёт соответствующее давление жидкости в АКПП, неподвижные диски вступают в зацепление с подвижными. В результате определённые элементы (например, КШ или водило) оказываются обездвиженными. Такой принцип является сутью планетарного механизма.

Очень многое зависит от электроники. Именно она отслеживает текущую скорость движения машины, а также скорость вращения коленвала, регулируя работу коробки таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для двигателя при минимизации расхода топлива. Современная электроника умеет даже определять степень износа фрикционов, и при выполнении диагностики автомобиля сообщать об этом. Тем, кто планирует покупку б/у авто с АКПП, это полезно знать – так можно застраховать себя от приобретения авто с неисправной трансмиссией.

Устройство планетарной КПП включает насос, в функции которого входит создание требуемого давления в магистрали движения технической жидкости, между магистралями распределение давления жидкости регулируется электромагнитными клапанами.

Поскольку величина давления, создаваемого насосом, довольно значительная, авто с коробкой-автоматом «с толкача» не заведёшь – буксировка нужного давления обеспечить не может.

Если бы автоматическая коробка с планетарным механизмом была напрямую подключена к двигателю, при остановке авто и переключении передач мотор бы глох, ведь сцепление здесь не предусмотрено. Проблему решает гидротрансформатор, который, собственно, и выполняет функции сцепления, но в автоматическом режиме.

Он состоит из трёх компонентов:

• центробежного насоса, жёстко соединённого с валом маховика;
• реактора, в случае необходимости блокирующего передачу вращения;
• центростремительной турбины, в функции которой входит передача преобразованного момента вращения планетарному механизму.

Колёса турбины и насоса имеют между собой некоторый зазор. Вращение на турбину передаётся посредством трансмиссионного масла, которое с лопастей насосного колеса направляется на лопасти турбинного. Геометрия элементов гидротрансформатора подобрана таким образом, что, невзирая на отсутствие жёсткого сцепления между насосом и турбиной, ТМ движется по замкнутому кругу. Таким образом, при остановке автомашины вращение передаётся без необходимости выключать передачу. При возникновении необходимости изменения текущего режима движения начинает «трудиться» реактор.

При резком нажатии на педаль акселератора (скажем, при старте) скорость вращения турбинного колеса увеличивается, при этом реактор останавливается. Это так называемый гидротрансформаторный режим. Форма лопастей реактора такова, что когда масло возвращается из турбины в насосную секцию, формируется дополнительное сопротивление, способствующая ускорению движения жидкости.

В определённый момент времени скорость вращения турбинного колеса сравнивается с насосным, и тогда колесо реактора тоже приходит в движение, не препятствуя движению жидкости увеличивая КПД автоматической трансмиссии. Этот режим гидромуфты.

Сфера применения планетарных МКПП

На заре автомобилестроения планетарные трансмиссии присутствовали и в механических коробках – например, в знаменитой модели Ford T. Передачи переключались тремя педалями, педаль газа перенесли на подрулевой переключатель. Первая передача включалась левой педалью, вторая – центральной, задняя – правой. В 1928 году модель сняли с конвейера, и эра планетарных МКПП ушла в небытиё.

В 30-е годы появились первые полуавтоматические коробки передач планетарного типа, которые впоследствии были вытеснены полностью автоматическими.

В полуавтоматах функции сцепления выполняла гидромуфта. В автоматических трансмиссиях – гидротрансформатор.

Впрочем, планетарные МКПП всё ещё в ходу – их устанавливают в гусеничную технику (трактора, экскаваторы), в том числе военного назначения (танки, транспортёры, тягачи). Используется планетарный механизм в металлорежущих станках, и даже в турбинах авиационных двигателей, в качестве редуктора.

Весьма популярны планетарные коробки передач в велосипедных трансмиссиях. Они отличаются долговечностью, малым весом и простотой эксплуатации, являясь, по существу, необслуживаемыми. Однако они существенно увеличивают стоимость двухколёсной техники, поэтому в чисто спортивных моделях не используются, во многом – из-за увеличения массы ТС на 1,5-2 кг. и плохой ремонтопригодностью, если сравнивать с устройствами переключения передач параллелограммного типа.

Плюсы и минусы планетарных трансмиссий

Планетарный механизм, используемый в автоматических коробках, обладает рядом неоспоримых достоинств:

• компактность механизма (все шестерни скомпонованы рядом и расположены на одной оси);
• низкая шумность, обусловленная минимальной загрузкой зубьев;
• планетарная коробка обеспечивает увеличение количества передаточных чисел;
• такая коробка работает более плавно, с гораздо меньшим уровнем вибраций;
• зубья шестерен обладают большим ресурсом, поскольку могут выдерживать в разы большую нагрузку.

Но есть и недостатки:

• сложность конструкции предполагает высокую стоимость изготовления, что сказывается на конечной цене изделия;
• из-за необходимости соблюдения высокой точности при сборке ремонтопригодность таких трансмиссий весьма низкая;
• планетарный механизм весьма требователен к нагрузкам: если этим злоупотреблять, надёжность и КПД коробки резко падает. Причина очевидна – сложность конструкции и большое количество шестерен, при частой интенсивной нагрузке потери на трение возрастают, как и вероятность поломки;
• АКПП весьма чувствительна к качеству и уровню трансмиссионного масла. Если с этими характеристиками возникнут проблемы, коробка долго не проработает.

В любом случае принцип работы, положенный в основу планетарной коробки передач, позволяет делать её более компактной, чем механический аналог, что в современном автомобилестроении ценится очень высоко.

Характерной особенностью планетарных механизмов является способность обеспечивать передачу солидного крутящего момента, который весьма равномерно передаётся на сателлиты, и чем их больше, тем меньшие нагрузки испытывают зубья. Эта особенность активно используется в тяжёлой военной технике.

Если соблюдать все регламентные процедуры, то можно утверждать, что современные АКПП обладают большим ресурсом.

Если конструкция такой коробки спроектирована грамотно, то она заведомо будет иметь больший КПД, чем у двух- и трёхвальных МКПП.

Отметим также, что тенденция производить автоматические коробки с увеличенным числом ступеней ведёт к существенному усложнению конструкции, вызванному необходимостью применения каскадных схем, что сказывается на надёжности таких агрегатов.

Планетарная коробка передач подробно

Планетарная механическая коробка передач (МКП) — разновидность коробки передач, в которой используются планетарные механизмы. Была распространена в начале ХХ столетия (автомобиль Ford T), в наше время получила достаточно широкое распространение в гусеничной технике — военной и гражданской, а также на велосипедах и в автомобилях с гибридной трансмиссией.

Содержание

Устройство и принцип работы

В планетарной МКП используется система шестерен-сателлитов, вращающихся вокруг центральной солнечной шестерни. Чаще всего сателлиты размещены внутри большой коронной шестерни (эпицикла), с которой находятся в постоянном зацеплении. В свою очередь сателлиты закреплены на водиле.
Изменение передаточного отношения планетарной МКП зависит от того, какой из трех основных элементов — солнечная шестерня, сателлиты с водилом и коронная шестерня — закреплен неподвижно, на какой подается крутящий момент и с какого элемента снимается трансмиссией. В любом случае один из трех основных элементов планетарной коробки (а сателлиты рассматриваются как одно целое с водилом) будет неподвижен, два других будут вращаться. Для остановки и блокировки одного из элементов КП используется система ленточных тормозов и блокировочных муфт. Но есть планетарные механизмы, в которых тормоза и муфты отсутствуют — речь идет о дифференциалах, которые тоже относятся к планетарным механизмам, построенным с применением конических шестерен.
Вариантов планетарных систем, применяемых в МКП, достаточно много. Описание принципа работы касается простейшей системы с тремя сателлитами, закрепленными на водиле под углом в 120 градусов.
Понижающая передача. Первый вариант. Если остановить эпицикл, крутящий момент от двигателя подавать на вал солнечной шестерни, а снимать крутящий момент с водила, то в результате частота вращения вала водила будет меньше, чем частота вращения солнечной шестерни.
Второй вариант. Если подать вращающий момент вала двигателя на эпицикл, заблокировать солнечную шестерню, а крутящий момент снимать с водила, получится тот же эффект (но с передаточным числом близким к единице).
Повышающая передача. Первый вариант. Эпицикл заблокирован, крутящий момент подается на водило с сателлитами, а снимается с центральной солнечной шестерни. В результате КП работает в качестве повышающего редуктора.
Второй вариант. Солнечная шестерня блокирована, крутящий момент подается на водило, снимается с большой коронной шестерни. Эффект получается такой же, КП работает в режиме повышающей передачи.
Задний ход. Первый вариант. Крутящий момент подается на солнечную шестерню, снимается с эпицикла, водило закреплено неподвижно. С этом случае КП работает в качестве редуктора с отрицательным передаточным отношением, то есть включен режим реверса крутящего момента.
Второй вариант. Крутящий момент подается на эпицикл, снимается с вала солнечной шестерни, водило, опять же, закреплено неподвижно. КП работает в реверсивном режиме с отрицательным передаточным отношением.

Применение планетарных МКП

В автомобильном транспорте МКП с ручным (а точнее, с ножным) управлением вышли из употребления еще в 1928 году — с прекращением выпуска легендарного автомобиля марки Ford T. В этой машине применялась планетарная механическая двухступенчатая коробка передач. При этом переключение передач производилось педалями, которые включали ленточные тормоза коробки. Первая передача включалась нажатием на правую педаль, вторая — на среднюю и задний ход — на левую педаль (всего было три педали, вместо педали «газа» использовался подрулевой рычаг).
В 30-е и последующие годы МКП была вытеснена полуавтоматическими и автоматическими планетарными КП. В полуавтоматах вместо сцепления использовались гидромуфты, в автоматах — гидротрансформаторы.

Планетарный редуктор

Сегодня планетарные МКП широко используются в гусеничной технике, в том числе и военной — в танках, тягачах, транспортерах. В авиационных турбинах, в металлорежущих станках — в качестве редукторов.

Очень популярны планетарные механический коробки передач, встроенные в заднюю втулку велосипедного колеса. Эти коробки легки, долговечны, эффективны и просты в эксплуатации, поскольку не требуют какого-либо обслуживания. В то же время они повышают стоимость велосипедов и не применяются в спортивных моделях — из-за большой массы (порядка 1,5-2 кг) и меньшей ремонтопригодности по сравнению с открытыми устройствами перевода цепи параллелограммного типа.

Достоинства и недостатки планетарных КП

К достоинствам планетарных коробок следует отнести компактность. Все детали планетарной КП вращаются вокруг одной оси. В них нет валов, ползунов и последовательно расположенных шестерен. В результате такая коробка занимает примерно столько же места, сколько одно-двухдисковое сцепление.
В то же время планетарные коробки способны передавать очень большой крутящий момент, что обуславливает их применение в тяжелой (в частности, танковой) технике. Эта особенность объясняется тем, что крутящий момент равномерно распределяется на сателлиты (которых может быть больше трех), зубья которых испытывают меньшие по сравнению с двух-трехвальными КП механические нагрузки. Планетарные коробки отличаются повышенным ресурсом и простотой обслуживания.
Конструкция планетарных коробок позволяет легко организовать систему управления — оснастить элементы КП ленточными тормозами и блокировочными муфтами (поясним: первые нужны для плавной остановки вращения шестерен, вторые — для окончательной блокировки и, соответственно, переключения передачи).
Наконец, правильно спроектированная планетарная КП с верно подобранным передаточным отношением шестерен имеет более высокий коэффициент полезного действия, чем двух-трехвальные механические КП.
Но вместе с тем есть у планетарных коробок и недостатки. Главный из них — сложность с проектирования и производства многоступенчатых КП. В автоматических коробках для получения трех и более ступеней переключения приходится прибегать к каскадным планетарным системами. Это усложняет КП и, соответственно, снижает ее КПД и надежность.
В наши дни наработки в области планетарных автомобильных коробок передач используются в производстве автоматических планетарных коробок, которые полностью вытеснили механические КП этого типа. Вместе с полуавтоматическими и бесступенчатыми трансмиссиями (прежде всего, с вариаторными системами) АКП широко используются в легковых автомобилях среднего и высокого класса. Благодаря эксплуатационным удобствам АКП пользуются повышенной популярностью и постепенно вытесняют механические КП с ручным управлением из автомобилей бюджетного класса.

Источник https://perevozka24.ru/pages/planetarnaya-kpp-kak-rabotaet-planetarnaya-transmissiya

Источник https://drivertip.ru/osnovy/chto-takoe-i-kak-rabotaet-planetarnaya-kpp.html

Источник https://wiki.zr.ru/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BA%D0%B0_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B0%D1%87_%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BD%D0%BE