Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Механизм планетарный: расчет, схема, синтез

Применение

Сегодня электродвигатель с планетарным редуктором получили весьма широкое распространение, могут применяться в самых различных случаях. Область применения во многом зависит от конструктивных особенностей устройства и его характеристик. Выделяют следующие варианты исполнения:

  1. Цилиндрические. Это связано с тем, что конструктивные особенности позволяют обеспечить КПД около 95%. Назначение редуктора с планетарной передачей заключается в передаче достаточно большого усилия между параллельными и соосным валами. Передача вращения осуществляется за счет прямозубых, косозубых и шевронных колес. Коэффициент может варьировать в пределе от 1,5 до 600. Достоинством подобного варианта исполнения можно также назвать компактные размеры, а также высокую степень защиты от воздействия окружающей среды.
  2. Конические сегодня также встречаются довольно часто. Конструктивной особенностью можно назвать то, что шестерни имеют коническую форму. За счет подобной формы обеспечивается плавность сцепки, а также высокую степень устойчивости к нагрузкам. В алы в данном случае могут располагаться вертикально или горизонтально.
  3. Могут применяться и волновые устройства. Они характеризуются тем, что имеют гибкое промежуточное число. Основными конструктивными элементами можно назвать эксцентрики и кулачки, которые обеспечивают растяжение гибкого колеса. Подобный вариант исполнения характеризуется высоким передаточным числом, плавностью хода и повышенной степенью герметичности. Выделяют несколько различных разновидностей этого механизма, к примеру, могут применяться различные типы подшипников.

Несмотря на достаточно сложную конструкцию, она получила весьма широкое распространение. Примером можно назвать машиностроительную область, станкостроение и производство различных механизмов. Примером можно назвать автомобильную коробку передач, которая предназначена для передачи вращения и изменения предаваемого усилия или скорости.

Наиболее важными параметрами выбора можно назвать следующие показатели:

Тип передачи, которая применяется для передачи вращения.
Максимально допустимая осевая и консольная нагрузка. На момент эксплуатации редуктора нагрузка, возникающая на момент работы распределяется самым различным образом.
Имеет значение и размер редуктора. Слишком большой показатель определяет отсутствие возможности установки в тех или иных условиях

Однако, нужно уделить внимание тому моменту, что увеличение мощности достигается исключительно за счет увеличения размеров устройства. Поэтому приходится подбирать более оптимальный вариант исполнения.
Диапазон температур, при которых механизм может применяться

Тип применяемого материала при изготовлении корпуса и основных элементов определяет то, в каких условиях устройство может эксплуатироваться. Слишком высокая температура становится причиной повышения пластичности и снижения твердости поверхности, за счет чего есть вероятность деформации и износа изделия. Для обеспечения охлаждения проводится добавление масла. Не все варианты исполнения могут применяться для длительной работы, некоторые могут эксплуатироваться только периодически.
Популярность производителя также имеет значение. Некоторые заводы характеризуются тем, что производят качественные и долговечные механизмы.

Все наиболее важные параметры указываются в инструкции по эксплуатации, что существенно упрощает процесс выбора подходящего варианта исполнения.

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.

Складные велики

Складные велики постепенно набирают популярность. Как правило, в подобной конструкции выпускаются городские и прогулочные велосипеды. Они оснащаются специальными шарнирными элементами для быстрого складывания, легко уменьшаются в размерах.

Велики данного типа комфортно транспортировать. Их можно положить в большой рюкзак или чемодан, закинуть в багажник, переносить в руках. Качественные шарниры выдерживают множество циклов складывания и раскладывания, а процесс трансформации транспортного средства занимает минимум времени.

Многие складные велосипеды оснащаются планетарными механизмами. Они обеспечивают равномерное распределение нагрузок во время поездки и комфортную регулировку скорости. Конечно, такая деталь увеличивают общий вес велика, но этот недостаток перекрывается многими преимуществами.

Некоторые популярные складные модели:

  • FORWARD Enigma 154.
  • Велики от Shulz.
  • Comanche Lago.
  • Volume Generator – горник, который приглянется многим покупателям.

Разновидности планетарных передач

По количеству ступеней планетарные механизмы разделяют на:

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:

Разные типы применяют для передачи момента между валами, расположенными параллельно или под углом. А также в механизмах, требующих низкой или высокой кинематической характеристики.

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.

Вариаторная трансмиссия

Основная статья: Вариатор

Принцип действия бесступенчатой трансмиссии с клиновой цепью.

Paботa вариатора

Тороидная вариаторная трансмиссия системы Хейса, устанавливалась на автомобили марки Austin. Середина 1930-х.

В основе большинства современных автомобильных вариаторов — клиноременная передача. Левая боковина на ведущем шкиве и правая на ведомом подвижные. Зазор между боковинами в простейшем случае определяется центробежным регулятором, также могут применяться нагрузочные муфты. При повышении частоты вращения двигателя и ведущего вала боковины ведущего вала сдвигаются, тем самым посадочный диаметр шкива увеличивается, а коэффициент передачи — уменьшается.

Ременная передача целесообразна для мопедов и автомобилей особо малого класса; для более тяжёлых машин применяется цепная передача на том же конструктивном принципе.

Такая трансмиссия сама по себе не может ни стоять на месте, ни двигаться задним ходом — потому в большинстве автомобилей с вариаторами имеются гидротрансформатор и один планетарный ряд. Существует гибрид вариатора и робота — вариатор со сцеплением. В мопедах — автоматическое (центробежное) сцепление.

Вариатор не может работать с огромными крутящими моментами — на «низких передачах», используемых для резкого старта и форсирования препятствий, ведущий шкив имеет минимальный размер, и весь крутящий момент передаётся через минимальную площадь ремня. Возможна прокрутка ремня, что очень вредно — царапается шкив, что ускоряет износ всего вариатора. На плохих дорогах бывает и такое: машина буксует на льду, добуксовывает до дороги и цепляется за неё, что тоже может привести к прокрутке. Этому есть несколько решений:

  • Электроника ограничивает мощность мотора в рискованных режимах.
  • Планетарный ряд, расположенный после вариатора, преобразует скорость в силу и этим частично разгружает вариатор (линейка трансмиссий Subaru Lineartronic).
  • Всю нагрузку берёт на себя стартовая передача, действующая в обход вариатора (Toyota Direct-Shift CVT, появившаяся в 2018 — некоторые модели Toyota Corolla, Lexus UX200).

По динамике разгона вариатор — среднее между гидроавтоматом и ручной коробкой. Расход топлива сравним с ручной коробкой, а в некоторых авто даже экономнее.

Применение

Вариатор в качестве трансмиссии на колёса применяется широко:

  • В автомобилях класса до малого (Ford Fiesta 1983—2002, Fiat Uno 1983—89). Именно на них проявляются преимущества вариатора и не важны недостатки.
  • В мотороллерах.

Вариатор применяется редко:

В автомобилях классов до семейного (Toyota Corolla, Subaru Legacy), лёгкий и средний кроссовер (Nissan Qashqai, Subaru Forester). Существуют производители (в основном японские), специализирующиеся именно на вариаторных авто.

Вариатор не применяется:

  • В крупных и внедорожных автомобилях. Вариатор на такие нагрузки не способен.
  • В гоночных и спортивных автомобилях. Разработки по гоночным вариаторам, начавшиеся в конце 1980-х, были пресечены правилами гонок. Спорткар повторяет некоторые черты гоночного, и потому вариатора (даже механико-вариаторного гибрида на манер Toyota Direct-Shift CVT) иметь в принципе не может.

История вариаторных трансмиссий

Первая бесступенчатая трансмиссия была запатентована в 1886 году. С 1950-х годов бесступенчатые трансмиссии широко применялись для бортовых авиационных электрогенераторов, приводимых в действие вспомогательными двигателями.

Первая автомобильная бесступенчатая трансмиссия c резиновыми клиновыми ремнями была применена в малогабаритных голландских автомобилях DAF (DAF 600), а после продажи отделения DAF, выпускавшего пассажирские автомобили, патент унаследовала Volvo.

В 1987 году клиновые вариаторы с цепным приводом были запущены в массовое производство Ford и FIAT (Ford Fiesta, FIAT Uno). В то же время Subaru наладило производство своей CVT, которую поставляло и поставляет другим автопроизводителям.

В конце 1990-х годов вариаторы начали устанавливать и на машины среднего класса, взамен традиционных гидромеханических АКПП.

Управляющие элементы планетарной передачи

Наличие у любых ПМ и их сборок двух и более степеней свободы может использоваться в некоторых типах ПП в качестве основного функционала (здесь имеются ввиду планетарные дифференциалы, разветвители потоков и суммирующие ПП). Однако для работы ПП в режиме редуктора с одним ведущим звеном и одним ведомым всем остальным свободным основным звеньям необходимо задать определённую угловую скорость (в том числе, возможно, нулевую). Лишь в таком случае лишние степени свободы будут сняты, все свободные основные звенья станут опорными, а вся подающаяся на единственное ведущее звено мощность будет снята с единственного ведомого в полном объёме (с поправкой на КПД ПП). Функцию задания необходимых угловых скоростей свободным звеньям выполняют так называемые управляющие элементы ПМ. Таковых элементов два: фрикционы и тормоза.

Фрикционы соединяют друг с другом два свободных звена ПМ, либо соединяют свободное звено с внешним подводом мощности. В обоих случаях при полной блокировке фрикционы обеспечивают паре соединённых элементов некую одинаковую ненулевую угловую скорость. Конструктивно обычно выполнены в виде многодисковых фрикционных муфт, хотя в отдельных случаях возможны и более простые муфты.

Тормоза соединяют свободные звенья ПМ с корпусом ПП. При полной блокировке тормоза обеспечивают заторможенному свободному звену нулевую угловую скорость. Конструктивно могут быть аналогичны фрикционам — в виде многодисковых фрикционнных муфт; но широко распространены и более простые конструкции — ленточные, колодочные, однодисковые.

Фрикционы и тормоза по принципу своего действия являются идеальными синхронизаторами угловых скоростей соединяемых элементов. Также они выполняют предохранительные функции и при резких ударных нагрузках могут пробуксовывать, переводя динамические нагрузки в работу сил трения. И также они могут выполнять функцию главной муфты сцепления (главного фрикциона), поэтому зачастую в механических трансмиссиях машин с ПКП главная муфта сцепления вообще не применяется. При том, что тормоза в отличие от фрикционов допускают больше вариантов фактического исполнения, конструкция и тех и других может быть совершенно одинаковой, или, по крайней мере, унифицированной, несмотря на существенное функциональное различие фрикционов и тормозов. Помимо фрикционов и тормозов в работе ПП могут быть задействованы автоматически срабатывающие механизмы свободного хода (другое их название — обгонные муфты или автологи). В русскоязычных кинематических схемах планетарных КП фрикционы, тормоза и муфты свободного хода обычно обозначаются буквами Ф, Т и М.

Из чего состоит планетарка

Знать все тонкости строения и работы «планетарки» необходимо или инженерам, которые проектируют такие механизмы, или специалистам, занимающимся их обслуживанием. Рядовому велосипедисту эта информация совершенно не нужна. Во-первых, обывателю сложно понять все нюансы и технические термины. Во-вторых, велолюбителю достаточно знать только принцип использования планетарки, тогда как информация о строении или функционировании ему никогда не пригодится.

Все-таки, рассмотрим, из чего состоит эта деталь. На рисунке ниже вы можете увидеть строение стандартного приспособления.

Обычно в «планетарку» входят следующие компоненты:

  • Солнечная шестеренка – желтая.
  • Водило – синее.
  • Кольцевая шестеренка – красная.

Основная задача планетарной втулки – регулировка скорости и обеспечение равномерности движения. Она может оснащаться тремя, пятью, семью передачами и т. д. Чем больше скоростей, тем точнее регулировка и сложнее строение механизма.

Правила эксплуатации планетарной системы передач

К правилам эксплуатации планетарного ряда АКПП относятся следующие:

  1. Уменьшение чрезмерных повышенных нагрузок на коробку. К таким относятся, прежде всего, долгая езда по плохому покрытию (вязкая грязь, мокрый снег). Такие воздействия ведут к нарушению цикла работы узла и перекосу зубьев на одной из шестерен.
  2. Избегание перегрева коробки передач. Такая ситуация может возникать по множеству причин, начиная от неправильного режима эксплуатации (большое количество резких стартов за короткий промежуток времени) и заканчивая нарушением регламента замен рабочих жидкостей.
  3. Проведение профилактических работ по мониторингу состояния всего агрегата в сервисных центрах. Не реже чем в 130-150 тысяч км проводить дефектовку агрегата с частичным или полным разбором коробки.
  4. Поддержание достаточного уровня масла в коробке передач, предусмотренного производителем.

Также изготовителями приведен регламент проведения замены жидкости, которого следует строго придерживаться.

Недостатки

Теперь пройдемся по недостаткам подобных механизмов:

  • «Планетарки» обладают большим трением качения. В результате их нельзя применять для установки в спортивные байки.
  • Значительный вес. Масса зависит от конкретной модели, в среднем она составляет 1.7 кг. За счет этого увеличивается общий вес транспортного средства.
  • Высокая стоимость. Цена зависит от модели, производителя, количества передач, сложности изготовления. Подобная деталь обойдется в крупную сумму, а экономить покупая дешевые решения нельзя, они не прослужат вам долго.
  • Невозможность самостоятельного обслуживания. При возникновении различных неисправностей приходится обращаться к специалистам. Без специальных знаний и опыта не стоит пытаться отремонтировать втулку, велик риск сломать ее полностью
  • При агрессивной езде увеличивается вероятность поломки шестеренок. Поэтому предпочтительно использовать велосипеды с такими втулками для поездок по ровным дорогам со средней скоростью.

При покупке этих механизмов необходимо учитывать особенности последующей эксплуатации. Учитывайте, что вам придется серьезно переплатить за «планетарку», а в случае поломки вы не сможете самостоятельно отремонтировать её. Ремонт подобных деталей довольно сложный и дорогой, стоимость восстановительных работ зависит от поломки.

Кинематический анализ планетарных механизмов

Кинематический анализ планетарных механизмов выполняется по методу Виллиса, основанному на остановке водила. Для этого всей планетарной передаче (рис. 4.12) мысленно сообщается вращение с угловой скоростью водила, но направленной в обратную сторону, т.е. – ωН. Таким образом, получается обращенное движение, при котором водило мысленно останавливается, а другие колёса освобождаются. Преобразованный механизм представляет собой рядовой зубчатый механизм, скорость звеньев в котором составляет ωН = 0; ω1 (н) =ω1 (3) – ωН (3) ; колесо 3 было неподвижно, а в преобразованном механизме его угловая скорость равна ωН (3) .

Верхний индекс показывает неподвижное звено. Мысленная остановка водила равноценна вычитанию его угловой скорости из угловых скоростей подвижных колёс. Передаточное отношение в преобразованном механизме в итоге представляется как

. Но поскольку ω3 (3) = 0, то получается

, откуда передаточное отношение планетарного механизма будет . При этом .

В обращенном механизме сателлит 2 является «паразитным» колесом и лишь изменяет направление вращения ведомого колеса. Окончательно будем иметь:

В общем виде формула Виллиса представляется как

где n и l – центральные колёса. При этом

При графическом методе определения передаточных отношений в планетарном механизме строятся планы линейных и угловых скоростей (рис. 4.12). Тогда

.

Из плана угловых скоростей:

где μω – масштабный коэффициент плана угловых скоростей.

Передаточное отношение i1-н (3) оказывается положительным, так как отрезки ирасполагаются по одну и ту же сторону от вертикалиOF.

Применение[править | править код]

Исторически планетарная передача применялась в астрономических часах, а также в конструкции книжного колеса.

Планетарный редуктор

Наиболее широкое применение принцип нашёл в планетарных редукторах, автомобильных дифференциалах, бортовых планетарных передачах ведущих мостов тяжёлых автомобилей, кроме того, используется в суммирующих звеньях кинематических схем металлорежущих станков, также в редукторах привода воздушных винтов турбовинтовых двигателей (ТВД) в авиации, также довольно распространены планетарные втулки для велосипедов.

В современных устройствах могут использоваться каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел. На этом принципе работают многие автоматические коробки передач.

Часто планетарные передачи используются для суммирования двух потоков мощности (например, планетарные ряды двухпоточных трансмиссий некоторых танков и др. гусеничных машин), в этом случае неподвижно зафиксированных элементов нет. Например, два потока мощности могут подводиться к солнечной шестерне и эпициклу, а результирующий поток снимается с водила. Широко применяется данная схема в авиации: в приводе постоянных оборотов электрогенератора планетарный механизм используется для сложения двух различных входных частот вращения с целью получения стабильной выходной. В авиационных электро- и гидроприводах для надёжности используются два мотора, работающие на общий выходной вал через планетарный редуктор, и при отказе одного мотора или цепи управления им работоспособность привода сохраняется, но с двойным уменьшением частоты вращения.

Планетарные передачи также используются в случаях, когда необходимо переменное передаточное отношение (может быть достигнуто торможением, например, водила).

Планетарный механизм поворотаправить | править код

ПМП применяются на и танках для изменения скорости и поворота. В этом случае в трансмиссии к левому и правому ведущим колёсам устанавливается свой планетарный редуктор, коронная шестерня которого приводится от двигателя, с водила передаётся момент на колесо, а солнечная шестерня связана с тормозом той или иной конструкции (как правило, ленточным). Также между коронной шестернёй и выходным валом установлен так называемый блокировочный фрикцион, а на выходном валу (от водила) — ещё один тормоз.

Если тормоз солнечной шестерни и фрикцион выключены, то момент на ведущее колесо трактора не передаётся — корона через сателлиты вращает расторможенную солнечную шестерню, практически не создавая момента на водиле. Для исключения движения трактора в этом случае может быть заторможен основной тормоз (на выходном валу). Если начать затормаживать солнечную шестерню, то сателлиты получат точку опоры и начнут создавать момент на водиле, вращая ведущее колесо трактора. При полностью заторможенной солнечной шестерне ПМП работает как обычный понижающий редуктор. Это первая передача ПМП. При включении блокировочного фрикциона он начнёт передавать момент от двигателя напрямую на водило, минуя редуктор, и при полном включении фрикциона редуктор ПМП будет полностью выведен из работы (заблокирован) — это вторая передача ПМП, работа в качестве прямой передачи.

Таким образом, включение тормоза водила даёт остановку трактора, включение тормоза солнечной шестерни — первую (понижающую) передачу, включение блокировочного фрикциона — вторую.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации