Планетарная коробка передач: устройство, принцип работы, эксплуатация и ремонт

Планетарные механизмы относятся к наиболее сложным устройствам коробки передач. При небольших размерах конструкция характеризуется высокой функциональностью, что объясняет ее широкое применение в технологических машинах, велосипедной и гусеничной технике. На сегодняшний день планетарная коробка передач имеет несколько конструкционных исполнений, но основные принципы работы ее модификаций остаются прежними.

Устройство агрегата

Основа конструкции формируется всего тремя функциональными частями с одной осью вращения. Их представляет водило и два зубчатых центральных колеса. Также в устройстве предусматривается обширная группа вспомогательных звеньев в виде комплекта одноформатных зубчатых колес, коронной шестерни и подшипников. Из этого можно сделать вывод, что планетарная коробка передач – это механизм из семейства зубчатых «коробок», однако с принципиальным отличием. Оно заключается в условной независимости угловых скоростей у каждого из основных звеньев. Теперь стоит подробнее ознакомиться с элементами агрегата:

• Водило – основа и обязательная часть любой планетарной системы, в том числе с дифференциальной связью. Это рычажный механизм, представляющий собой пространственную вилку, ось которой совмещается с общей осью передачи. При этом зубчатые оси с сателлитами вращаются вокруг нее в плоскостях размещения центральных колес.
• Зубчатые колеса. В первую очередь следует разделять группы больших центральных и малых центральных колес этого типа. В первом случае речь идет о крупных колесах с внутренними зубцами – данная система носит название эпицикла. Что касается малых колес с зубьями, то они отличаются наружным расположением зубьев – также их называют солнечной шестерней.
• Сателлиты. Колесная группа планетарной коробки передач (реже – одинарное зубчатое колесо), элементы которой обязательно имеют внешние зубья. Сателлиты располагаются в сцепке с обеими группами центральных колес. В зависимости от функциональности и мощности техники количество сателлитов может варьироваться от 2 до 6, но чаще всего используется 3 сегмента, поскольку в этом случае отпадает потребность в дополнительных уравновешивающих устройствах.

Принципы работы планетарных коробок передач

Изменение передачи зависит от конфигурации размещения функциональных узлов. Значение будет иметь подвижность элемента и направления крутящего момента. Один из трех компонентов (водило, сателлиты, солнечная шестерня) фиксируется в неподвижном положении, а два других вращаются. Для блокировки элементов планетарной коробки передач принцип работы механизма предусматривает подключение системы ленточных тормозов и муфт. Разве что в дифференциальных устройствах с коническими шестернями тормоза и блокировочные муфты отсутствуют.

Понижающая передача может активизироваться по двум схемам. В первом варианте реализуется следующий принцип: останавливается эпицикл, на фоне чего рабочий момент от силового агрегата переправляется на базу солнечной шестерни и убирается с водила. В итоге интенсивность вращения вала будет понижаться, а солнечная шестерня прибавит в частоте работы. В альтернативной схеме блокируется солнечная шестерня устройства, а вращение передается от водила к эпициклу. Результат аналогичный, но с небольшим отличием. Дело в том, что передаточное число в данной рабочей модели будет стремиться к единице.

В процессе повышения передачи тоже может реализовываться несколько рабочих моделей, причем для одной и той же планетарной коробки передач. Принцип действия в простейшей схеме следующий: блокируется эпицикл, а момент вращения переносится с центральной солнечной шестерни и транслируется на сателлиты и водило. В таком режиме механизм работает как повышающий редуктор. В другой конфигурации будет блокироваться шестерня, а момент переправляется от коронной шестерни на водило. Также принцип действия схож с первым вариантом, но есть разница в частоте вращения. При включении заднего хода момент кручения снимется с эпицикла и будет передаваться на солнечную шестерню. При этом водило должно находиться в неподвижном состоянии.

Особенности рабочего процесса

Принципиальным отличием планетарных механизмов от других видов коробок передач является уже упомянутая независимость рабочих элементов, что формулируется как две степени свободы. Это значит, что благодаря дифференциальной зависимости для вычисления угловой скорости одного компонента системы необходимо брать во внимание скорости двух других зубчатых узлов. Для сравнения, другие зубчатые коробки передач предполагают линейную зависимость между элементами в определении угловой скорости. Иными словами, угловые скорости планетарной «коробки» могут меняться на выходе независимо от динамических показателей на входе. При зафиксированных и неподвижных шестернях появляется возможность суммировать и распределять потоки мощности.

В простейших механизмах отмечается две степени свободы зубчатых звеньев, но работа сложных систем может предусматривать и наличие трех степеней. Для этого механизм должен иметь как минимум четыре функциональных звена, которые будут находиться в дифференциальной связке между собой. Другое дело, что такая конфигурация фактически будет неэффективна в силу низкой работоспособности, поэтому на практике применения и передачи с четырьмя звеньями сохраняют две степени свободы.

Простые и сложные планетарные передачи

Уже был отмечен один из признаков разделения планетарных механизмов на простые и сложные – это количество рабочих звеньев. Причем речь идет только об основных узлах, и группы сателлитов не берутся в расчет. Простая система обычно имеет три звена, хотя кинематикой допускаются все семь. В качестве примера такой системы можно привести наборы одно- и двухвенцовых сателлитов, а также парные взаимозацепленные группы зубчатых колес.

В сложных механизмах основных звеньев гораздо больше, чем в простых. Как минимум в них предусматривается одно водило, однако центральных колес может быть больше трех. Более того, принцип работы планетарной коробки передач позволяет даже в рамках одной сложной системы использовать несколько простых агрегатов. Например, в четырехзвенной модели может находиться до трех простых узлов, а в пятизвенной – до шести. Однако о полной независимости простых планетарных систем в рамках сложных устройствах речи не идет. Дело в том, что у нескольких таких механизмов с большей вероятностью будет одно общее водило.

Управляющие элементы механизма

При сохранении нескольких степеней свободы устройство можно использовать в качестве основного самодостаточного функционала. Но если выбирается модель с одним ведущим и одним ведомым звеном (режим редуктора), то необходимо будет задавать им определенные скорости. Для этого и применяются управляющие элементы планетарной коробки передач. Принцип их действия заключается в перераспределении скоростей за счет фрикциона и тормоза. Лишние степени свободы снимаются, а основные свободные узлы становятся опорными.

Фрикционы отвечают за соединение двух свободных звеньев или одного звена (тоже свободного) с внешним мощностным подводом. Обе конфигурации фрикционов в условиях блокировки обеспечивают контролируемым звеньям определенную угловую скорость, причем не нулевую. По конструкции такие элементы представляют собой многодисковые муфты, но иногда встречаются и обычные муфты для передачи момента.

Что касается тормоза, то его задача в управляющей инфраструктуре планетарной коробки передач заключается в соединении свободных звеньев с корпусом механизма. Данный элемент в условиях блокировки наделяет свободные звенья нулевой угловой скоростью. По техническому устройству такие тормоза схожи с муфтами, но в самых простых исполнениях – однодисковых, колодочных и ленточных.

Применение планетарного механизма

Впервые данный агрегат был использован в автомобиле Ford T в виде двухступенчатой коробки передач с ножным принципом переключения и ленточными тормозами. В дальнейшем устройство пережило немало преобразований, и сегодня в качестве новейшей версии механизмов данного типа можно назвать японскую планетарную коробку передач Prius. Принцип работы этого агрегата заключается в распределении энергии между силовой установкой (которая может быть и гибридной) и колесами. В процессе работы двигатель останавливается, после чего энергия направляется на генератор, в результате чего начинается движение колес.

При этом система может быть не только функционалом одной лишь коробки передач. Сегодня данное устройство применяют в редукторах, дифференциалах, в сложных кинематических схемах промышленного оборудования, в приводных системах спецтехники и самолетов. Передовые автогиганты осваивают и принципы работы механизма в составе с электромагнитными и электромеханическими приводами. Та же планетарная коробка передач Prius успешно применяется в гибридных электромобилях. Самой коробки передач в традиционном смысле в таких конструкциях нет, но есть подобие вариатора без ступенчатого переключения – комплекс планетарных шестерней, приводящий колеса в движение и получающий энергию от движка, как раз и выполняет эту функцию.

Планетарная коробка передач для велосипеда

В традиционном понимании отсутствует коробка передач и у велосипедного транспорта, обеспеченного планетарными механизмами. Это втулки с той же солнечной шестерней, которая жестко крепится к задним колесам на их оси. Также для фиксации применяется водило, определяющее направление движения сателлитов и не позволяющее им разъезжаться и сцепляться между собой. И самый ответственный элемент планетарной «коробки» велосипеда представлен эпициклической шестерней, вращение которой происходит за счет кручения педалей. В момент изменения передачи исполнительный механизм втулки (шлицевой привод) меняет показатели динамики водила, что и дает эффект регулировки скорости.

То есть можно вновь заключить, что планетарная модель работает в качестве редуктора. В данной системе эпицикл выполняет функцию ведомого звена цепи, солнечная шестерня сохраняет неподвижное состояние, а водило замыкается на корпус. При этом рабочие схемы простых и многоскоростных втулок будут одинаковыми. Небольшая разница заключается лишь в том, что у каждого узла планетарной системы наблюдаются свои строго определенные показатели отношений передач.

Эксплуатационный процесс

Главной мерой при эксплуатации данного механизма со стороны пользователя является поддержание планетарного ряда в оптимальном рабочем состоянии. Это достигается за счет периодической чистки элементов и, что особенно важно, благодаря смазке. Что надо смазывать в планетарной коробке? Главным образом скользящие подшипники редуктора. Масло направляется из коленвала в полость редукторного вала, заполняя полости сателлитов с зубчатыми колесами. Далее, в зависимости от конструкции, по цапфам и радиальным отверстиям техническая смазка поступает на подшипники шестеренок. Для максимального распределения масла по длине подшипников на внешней стороне цапфы иногда выполняют лыску.

Зацепления смазываются или путем окунания зубьев колес в жидкостную ванночку, или посредством направления масла в зону сцепки по специальным соплам. То есть реализуется струйная смазка или смазка окунанием. Но самым эффективным способом считается распространение масляного тумана, который применяют в отношении элементов зацепления и подшипников. Данный метод смазки реализуется разбрызгиванием из специального пульверизатора.

Что же касается самого смазывающего состава, то для планетарных передач рекомендуются нелегированные нефтяные масла. Например, годятся для применения индустриальные составы общего назначения. Для высокоскоростных механизмов желательно использовать специальные турбинные и авиационные средства.

Неисправности и ремонт механизма

Наиболее распространенным признаком неполадки планетарной передачи является наличие вибраций в зоне короба. Водители отмечают также посторонние шумы, толчки и подергивания. Наличие тех или иных симптомов зависит от характера неисправности, причин для которой может быть несколько:

• Перегрев механизма.
• Агрессивный стиль езды с резкими торможениями и ускорениями.
• Отсутствие масла, его низкий уровень или недостаточно высокое качество.
• Недостаточный прогрев коробки передач перед движением.
• Пробуксовка на гололеде.
• Попадание автомобиля в снег или грязь.
• Износ элементов планетарного ряда.

Чтобы отремонтировать планетарную коробку передач, необходимо знать конкретную причину ее поломки. Для этого производится разборка механизма. Обычно короб держится на болтах внутри приводного вала. Необходимо с одной из сторон (зависит от конструкции) снять скоростные кронштейны и затем через отверстие вала привода выкрутить болт. Далее производится чистка или замена вышедшего из строя элемента. Как правило, речь идет о загрязнении металлической стружкой, поломке зубьев, износе осей и шестерней.

Заключение

Планетарные механизмы отличаются сложностью устройства, в чем есть свои плюсы и минусы. К первым можно отнести сбалансированность обслуживаемых элементов с относительно точным распределением сил. Данный фактор позволяет разрабатывать скромные по размерам блоки переключения передач, которые дают возможность выполнения оптимизированной компоновки. В случае с «планетаркой» велосипеда отмечаются и эргономические достоинства, среди которых возможность переключения в стоячем положении. При езде по городу это особенно полезное качество, так как менять скоростные режимы приходится достаточно часто. Если же говорить о недостатках планетарных систем, то они при больших передаточных отношениях все же характеризуются скромной производительностью. Также система требует точной сборки, поскольку малейшие отклонения увеличивают риск того же износа деталей.