Что значит планетарный двигатель

История создания первого планетарного редуктора

Кто изобрел планетарную передачу?

История создания первого планетарного редуктора приходится на далекий 1782 год. Создателем первого планетарного редуктора в мире по праву считается шотландец Уильям Мердок. Он был сотрудником судостроительной компании Джеймса Ватта и работал над преобразованием энергии в управляемое движение, вырабатываемой паровым двигателем.

Изобретатель первого планетарного редуктора — Уильям Мердок

Несколько лет плодотворной работы дали свои результаты, и он сконструировал планетарный редуктор, который вместе с валами и колесами мог преобразовывать движение поршня паровой машины во вращательное движение. В июле 1782 года первая паровая машина Ватта, оснащенная планетарной передачей, приводила в движение кузнечный молот. Благодаря инженеру Мердоку, планетарный редуктор нашел свое применение в машиностроении и производстве оборудования, где он и сегодня играет важную роль.

Модель повозки Уильяма Мердока

Есть также более древние рукописи Ибн Халафа аль-Муради о планетарной передаче в водяных часах. Ибн Халафа аль-Муради был арабским инженером, который в XI веке разработал технологии для различных водяных часов. Его зубчатая передача также состояла из планетарного механизма. Однако из документа не ясно, он ли изобрел эту технологию или усовершенствовал ранее существующую.

Почему планетарная передача имеет такое название?

Структура планетарной передачи напоминает нашу солнечную систему. Планетарные шестерни вращаются подобно планетам вокруг солнца. Так появилось название планетарный редуктор. Общий термин для этого типа зубчатых пар — планетарная передача.

Как устроена планетарная передача

Планетарный редуктор состоит из четырех основных компонентов: солнечной шестерни, планетарных шестерен, коронной шестерни и водила планетарной шестерни. Солнечная шестерня с внешними зубьями расположена посередине корпуса и приводится в движение двигателем. Планетарные шестерни вращаются вокруг солнечной шестерни, также с внешними зубьями, орбита которых ограничена кольцевой шестерней с внутренними зубьями. Водило планетарной передачи соединяет отдельные планетарные шестерни и передает энергию на выходной вал редуктора.

Как было упомянуто выше, задача планетарного редуктора – снижение частоты вращения. Он также выполняет задачу по увеличения кутящего момента, поскольку мощности электродвигателя может не хватать при работе с тяжелыми нагрузками.

Планетарный редуктор без водила

• A: кольцевая шестерня
• B: солнечная шестерня
• C: планетарные передачи

Стандартная планетарная передача состоит из солнечного колеса, которое находится по центру шестерни и может вращаться либо быть жестко зафиксированной к корпусу. Также в состав зубчатой пары входят три планетарные шестерни, которые меньше солнечной шестерни и расположены вокруг нее. Они прикреплены к водилу планетарной шестерни и могут свободно вращаться или, как водило планетарной передачи, могут быть заблокированы. Внешняя часть планетарного редуктора — это зубчатый венец, который заблокирован в основании корпуса.

Как работает планетарная передача

Солнечная шестерня посажена непосредственно на вал двигателя и вращает планетарные шестерни, которые катятся по внешнему зубчатому колесу. Винт закреплен на соединительной пластине планетарных шестерен. Редукция планетарной шестерни равна отношению зубьев солнечной шестерни к наружной кольцевой шестерне.

Как работает планетарный редуктор

Режим работы планетарного редуктора с вращающейся кольцевой шестерней

Режим работы планетарного редуктора с фиксированной кольцевой шестерней

Конструктивное исполнение планетарной передачи делится на пять подгрупп:

1. Простая планетарная передача: классическая конструкция — одна или две центральные шестерни (солнечная шестерня и кольцевая шестерня), одна или несколько планетарных шестерен, водило планетарной передачи.
2. Обратная планетарная передача: простая планетарная передача с коаксиальным положением соединительного вала.
3. Открытая планетарная передача: простая планетарная передача с центральным колесом и несоосным вращающимся соединительным валом.
4. Составная планетарная передача: несколько простых планетарных шестерен, собранных вместе.
5. Комбинированная планетарная передача: состоит из планетарной передачи, совмещенной с редуктором цилиндрического или червячного типа.

Какие задачи выполняет планетарная передача?

Использование планетарной передачи многократно увеличивает производительность механического привода. Если выбрана правильная передача, двигатель может иметь небольшую мощность, что экономит затраты и увеличивает эффективность всего привода.

Планетарные передачи — это прецизионные шестерни. Это означает, что они в основном используются для устройств, в которых требуется высокая точность позиционирования. С помощью планетарных редукторов могут быть реализованы системы позиционирования с точностью до одного градуса.

Преимущества планетарных передач

Самым большим преимуществом планетарных редукторов является их компактность. Небольшие размеры особенно важны, когда ограниченное пространство затрудняет монтаж редуктора. Другими преимуществами являются высокая точность и эффективность. Планетарные передачи имеют КПД 97%.

Источник

Планетарная трансмиссия: как Toyota «изобрела велосипед»

Принципы работы и устройство планетарной трансмиссии, которой концерн Toyota оснащает все свои гибридные автомобили, вызывает массу вопросов у пользователей. Более того: в большинстве каталогов с характеристиками авто такая КПП незаслуженно именуется вариатором (CVT) или электронным вариатором(eCVT), хотя от вариатора в классическом понимании у «планетарки» мало что осталось. Так что же такое планетарная трансмиссия и в чем ее достоинства?

Немного истории

На самом деле, планетарная коробка передач – отнюдь не японское изобретение. Такие КПП в механическом варианте применялись еще на заре автомобилестроения в машинах Ford T. Трансмиссия была двухступенчатой, но ее использование было настоящим прорывом: такая коробка эффективней распределяла мощность двигателя между колесами. Конечно, первая планетарная трансмиссия была механической. И сегодня такие устройства широко используются для гусеничной техники различного назначения и даже велосипедов. Планетарки выбирают за надежность, ремонтопригодность и высокий КПД.

Инженеры Toyota, по сути, изобрели велосипед. Взяв классическую схему планетарной трансмиссии, состоящей из системы отдельных шестерней – сателлитов, вращающихся вокруг центральной шестерни–солнца, и соединив этот механизм с двигателем, работающим по циклу Аткинсона в сочетании с электромотором, японцы произвели настоящую революцию в автомобилестроении. Результатом ее стало появление первого массового гибридного автомобиля – Toyota Prius. Планетарки же стали неизменной «фишкой» Toyota, которую концерн использует во всех своих гибридах. Причина такого решения очевидна, ведь у планетарной трансмиссии – целый ряд преимуществ:

• Надежность. Система крайне редко выходит из строя, по оценкам специалистов планетарная трансмиссия не нуждается в ремонте как минимум 400 – 500 тыс. км пробега. Ломаться там фактически нечему: основные компоненты трансмиссии – это шестерни и валы.
• Компактность. Небольшие размеры механизма позволяют устанавливать планетарную трансмиссию в любые автомобили – от минивэнов до ультракомпактных кей–каров, а возможность использования большого количества планетарных механизмов – повысить динамику автомобилей.
• Высокий КПД. Такая трансмиссия обеспечивает работу ДВС и электромотора с максимальной отдачей. Если традиционные ступенчатые КПП, «автоматы» и вариаторы с 4 –6 ступенями имеют ограниченный диапазон регулирования передач (как правило, в пределах от 4 до 5,5, данный показатель демонстрирует, на сколько первая передача отличается от самой высокой), то у планетарной трансмиссии это число варьируется в пределах 10–15. Это значит, что двигатель при минимуме «оборотов» выдает максимум Нм.

Конструктивные особенности: как это работает?

В конструкции планетарной трансмиссии нет фрикционов, гидравлики, муфт, различных ремней и цепей. Скорость вращения колес при использовании такой передачи изменяется не за счет применения ременных и цепных механизмов, а через планетарный редуктор, который суммирует мощность ДВС и электромоторов.

Планетарная трансмиссия состоит из:

• Внешнего основного кольца – круговой шестерни
• «солнечной» шестерни, расположенной в центре механизма. Она является центральной
• Шестерен –саттелитов, которые вращаются вокруг центральной, солнечной шестерни.

Устройство распределения мощности или редуктор в системе от Тойота называется Power Split Device. В схеме гибридной силовой установки он связывает между собой 2 электромотора и бензиновый ДВС. Один из электродвигателей соединен с центральной шестерней трансмиссии. Второй двигатель подключен к планетарной оси с соответствующими шестернями. Через ось крутящий момент передается на круговую шестерню, затем – на центральную и после – на саттелиты. Они вращаются с одинаковой скоростью.

Классического сцепления здесь нет: мощность мотора и электродвигателей передается через PSD, а помимо передачи крутящего момента планетарка работает и в качестве дифференциала. Нет и ступеней: передаточное число меняется очень быстро и плавно.

Благодаря использованию планетарной трансмиссии, достигается и высокая экономия топлива. Высокий расход привычных бензиновых моторов связан с дроссельной заслонкой. На средней скорости она только слегка приоткрыта, и ДВС буквально «всасывает» воздух через эту щель, растрачивая массу энергии. Планетарка, которая позволяет двигателю на меньших оборотах передавать на колеса больший крутящий момент, позволяет ДВС работать с максимально открытым дросселем. А это значит, что КПД мотора при низком расходе топлива возрастает в несколько раз. Силовой установке просто не нужно тратить лишнюю энергию, чтобы работать в качестве воздушного насоса.

Использование планетарной трансмиссии даже в бюджетных машинах – это настоящий прорыв в автомобилестроении. Такая КПП обеспечивает плавность хода, работает без рывков и фактически бесшумно, а главное – заметно повышает производительность двигателя. Как всегда, японские инженеры смогли использовать это практичное изобретение для того, чтобы повысить технологичность своих автомобилей.

Источник

Планетарный мотор-редуктор: плюсы и минусы

Планетарный тип редуктора отличается передачей планетарного типа. Узел состоит из одной центральной шестерни и нескольких малых, называемых еще саттелитами. Подвижные саттелиты вращаются вокруг центральной шестерни, дополняют механизм эпицикл, взаимодействующий с саттелитами и водило – колесо, предназначенное для фиксации планетарных шестерен.

Такой тип мотор-редуктора отличается широкой вариативностью передаточных чисел, компактностью и небольшим весом, а также высоким КПД.

Используются планетарные мотор-редукторы в основном в трансмиссиях тяжелой строительной, сельскохозяйственной и коммунальной техники.

Плюсы планетарных мотор-редукторов:

· возможность изменения нагрузки на вал, причем не только по величине, но и по времени; агрегат одинаково хорошо справляется как с прямой, так и реверсивной нагрузкой в номинальном режиме работы;

· рассчитаны на продолжительные периоды работы от 8 до 24 часов;

· можно использовать при пониженном давлении, которое эквивалентно подъему на высоту до 1000 м над уровнем моря;

· рассчитаны на работу в климате с широким разбросом температур, от -45 до +45 ° С и повышенной влажностью; специально адаптируются для тропических широт.

Минусы планетарных мотор-редукторов:

· не могут работать в агрессивной и взрывоопасной среде;

· при работе имеют повышенный момент инерции, в чем явно уступают агрегатам цилиндрической конструкции;

. невозможность достигнуть высокой точности передачи.

Среди планетарных мотор-редукторов хорошо зарекомендовала себя серия 300 от Bonfiglioli благодаря компактности и в то же время чрезвычайной мощности. Планетарный механизм делает их идеальным выбором для устройств, работающих в тяжелых условиях, где ударные нагрузки являются больше правилом, нежели исключением. Исполнение мотор-редукторов серии 300 очень разнообразно, благодаря различным конфигурациям выходного вала и расположению двигателя относительно корпуса редуктора. Для заказа доступны 16 типоразмеров корпуса, диапазон крутящего момента составляет от 1000 до 540000 Нм.

Подробнее о серии можно узнать на сайте официального представителя Bonfiglioli в России и СНГ.

Источник

Схема и устройство планетарной передачи АКПП

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:

1. Корона блокируется.
2. Вал подаёт крутящий момент на солнце.
3. Вращение солнца заставляет планеты обкатываться вместе с ним.
4. Водило становится ведомым, сообщая пониженную передачу.

Управляя элементами простой «планетарки», получают разные характеристики:

Передача

Как работает планетарная коробка в АКПП

Солнце подаёт вращение на водило, корона двигается в противоположную сторону. Корона подаёт вращение на водило, солнце зафиксировано. Ведущее водило передаёт вращение солнцу. Корона заблокирована. Водило двигает корону. Солнце зафиксировано.

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.

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.

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%.

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.

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.

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:

Источник