Планетарні мотор редуктори та планетарні механізми широко застосовуються в автомобільних трансмісіях, промислових приводах і різноманітній техніці. Одним із найвідоміших прикладів їх використання є планетарна КПП — коробка передач, у якій зміна передатного числа здійснюється за допомогою планетарних зубчастих механізмів. Така конструкція дозволяє отримувати кілька передатних відношень у компактному корпусі, не переміщуючи великі зубчасті колеса, як у традиційних механічних коробках передач.
Що таке планетарна КПП
Планетарна КПП — це коробка передач, основу якої становлять один або кілька планетарних рядів. Кожен такий механізм складається з декількох основних елементів:
- сонячної шестерні — центрального зубчастого колеса;
- сателітів — шестерень, які обертаються навколо сонячної;
- водила — деталі, на якій встановлені осі сателітів;
- коронної шестерні — зовнішнього зубчастого колеса із внутрішнім зачепленням.
Особливість планетарного механізму полягає в тому, що всі ці елементи можуть взаємодіяти між собою в різних комбінаціях. Якщо один елемент є ведучим, другий — веденим, а третій утримується нерухомо, отримуємо певне передатне число.
Якщо змінити комбінацію з’єднаних і заблокованих елементів, змінюється і передатне відношення.
Саме на цьому принципі працює планетарна автоматична коробка передач.
Як працює планетарна коробка передач
На відміну від механічної КПП, де для вибору передачі потрібно переміщувати шестерні або синхронізатори, у планетарному автоматі зубчасті колеса зазвичай постійно перебувають у зачепленні.
Передатне число змінюється за допомогою фрикційних муфт і гальмівних пакетів.
Наприклад, одна муфта може з’єднати сонячну шестерню з певним валом, тоді як гальмо утримує коронну шестерню. У такому режимі планетарний ряд працює як понижувальна передача.
При зміні комбінації муфт і гальм змінюється кінематична схема механізму. Коробка отримує наступну передачу.
Таким способом один або кілька планетарних рядів можуть формувати відразу декілька передач.
Чому планетарна КПП може бути компактною
Однією з головних переваг планетарної конструкції є те, що кілька передатних відношень можна отримати за допомогою відносно невеликої кількості механічних компонентів.
У звичайній коробці передач збільшення кількості ступенів часто пов’язане з додаванням зубчастих пар, валів і механізмів перемикання.
У планетарному механізмі ситуація інша. Один і той самий ряд може використовуватися в декількох режимах.
Наприклад:
сонячна шестерня → вхід;
коронна шестерня → нерухома;
водило → вихід.
Це один режим роботи.
А якщо змінити фіксацію та підключення елементів, той самий планетарний ряд починає працювати вже з іншим передатним числом.
Тому конструкторам вдається отримувати багато ступенів у досить компактному корпусі.
Для чого потрібна планетарна КПП
Основне завдання коробки передач — передавати крутний момент від двигуна до коліс і змінювати співвідношення між частотою обертання та моментом.
Двигун внутрішнього згоряння має обмежений робочий діапазон обертів. Для початку руху автомобілю потрібен великий крутний момент на колесах, а під час руху з високою швидкістю, навпаки, бажано зменшити частоту обертання двигуна.
Планетарна КПП вирішує цю задачу за допомогою різних передатних чисел.
На нижчих передачах:
- збільшується крутний момент на виході;
- зменшується швидкість обертання вихідного вала;
- автомобілю легше рушати та прискорюватися.
На високих передачах:
- зменшується передатне число;
- двигун працює на нижчих обертах;
- автомобіль може підтримувати високу швидкість без надмірного розкручування двигуна.
Як формуються передачі
У найпростішому планетарному механізмі можна отримати кілька різних режимів роботи.
Якщо зафіксувати коронну шестерню, подати обертання на сонячну шестерню та зняти його з водила, отримаємо понижувальний режим.
Якщо змінити ведучий і ведений елементи, передатне відношення зміниться.
Якщо ж сонячна шестерня та коронна шестерня будуть жорстко з’єднані між собою, весь планетарний ряд може обертатися практично як єдине ціле. У такому випадку передатне число наближається до 1:1.
Ще один режим дозволяє отримати підвищувальну передачу, коли вихідний елемент обертається швидше за вхідний.
Саме можливість отримувати різні режими роботи одного механізму робить планетарну схему настільки корисною для трансмісій.
Планетарна КПП і автоматична коробка передач
Найчастіше під планетарною КПП мають на увазі автоматичну коробку передач із гідромеханічною передачею.
У класичній конструкції між двигуном і планетарними рядами встановлюється гідротрансформатор. Він забезпечує передачу крутного моменту від двигуна до коробки та дозволяє автомобілю плавно рушати.
Далі крутний момент надходить до планетарних механізмів.
Електронний блок керування визначає, яка передача потрібна в конкретний момент. Гідравлічна система створює необхідний тиск, а фрикційні муфти та гальмівні пакети змінюють конфігурацію планетарних рядів.
У результаті водієві не потрібно вручну перемикати передачі.
Скільки планетарних рядів може бути в КПП
Кількість планетарних механізмів залежить від конструкції конкретної коробки.
Прості автоматичні КПП можуть використовувати кілька планетарних рядів для формування декількох передач. У сучасних багатоступеневих автоматах їх конструкція стає складнішою: планетарні механізми можуть об’єднуватися між собою, а окремі елементи використовуються відразу в декількох передачах.
Саме така архітектура дозволила створити відомі восьмиступеневі автоматичні коробки, зокрема сімейство ZF 8HP.
Збільшення кількості передач дозволяє зробити переходи між сусідніми передатними числами більш плавними та частіше підтримувати двигун у відповідному робочому діапазоні.
Переваги планетарної КПП
Компактність
Планетарні ряди дозволяють отримувати кілька передатних відношень у відносно компактному механізмі.
Це особливо важливо для автомобільних трансмісій, де розміри та маса агрегату мають велике значення.
Великий діапазон передатних чисел
Комбінація декількох планетарних рядів дає можливість отримувати багато передач.
Чим ширший діапазон передатних чисел, тим легше поєднати хорошу тягу під час розгону з невисокими обертами двигуна під час руху на високій швидкості.
Плавність перемикання
У планетарній автоматичній коробці передачі змінюються переважно за рахунок керування фрикційними елементами, а не шляхом переміщення великих зубчастих коліс.
За правильно налаштованої гідравліки та електронного керування це дозволяє виконувати перемикання плавно.
Висока навантажувальна здатність
У планетарному ряду навантаження може розподілятися між кількома сателітами.
Це дозволяє передавати значний крутний момент при відносно компактних розмірах механізму.
Автоматизація роботи
Водієві не потрібно самостійно визначати момент перемикання. Електроніка аналізує швидкість автомобіля, навантаження двигуна, положення педалі акселератора та інші параметри, після чого керує роботою коробки.
Де використовується планетарна КПП
Планетарні трансмісії використовуються далеко не тільки в легкових автомобілях.
Легкові автомобілі
Це один із найпоширеніших напрямів. Планетарні механізми лежать в основі багатьох класичних гідромеханічних автоматичних коробок передач.
Гібридні автомобілі
Планетарні механізми особливо цікаві для гібридних силових установок. Вони дозволяють поєднувати потоки потужності від двигуна внутрішнього згоряння та електричних машин і керувати їх співвідношенням.
Одним із відомих прикладів є силова схема Toyota Hybrid Synergy Drive, де планетарний механізм використовується як пристрій розподілу потужності.
Важка техніка
Планетарні передачі використовуються у трансмісіях тракторів, будівельних і кар’єрних машин.
Їх компактність і здатність передавати великий крутний момент роблять таку конструкцію корисною для техніки, яка працює під значними навантаженнями.
Промислові приводи
Планетарні механізми застосовуються в промислових редукторах, приводах конвеєрів, підйомному обладнанні, роботизованих системах та іншій техніці.
У таких випадках планетарна передача може використовуватися не для перемикання передач, а для зниження швидкості та збільшення крутного моменту.
Чим планетарна КПП відрізняється від механічної
Головна відмінність полягає в принципі формування передатних чисел.
У механічній КПП різні передачі зазвичай формуються різними зубчастими парами, а водій або автоматизований механізм вибирає потрібну пару.
У планетарній коробці передач кілька передатних відношень формуються за рахунок різних комбінацій елементів одного або декількох планетарних рядів.
Це дозволяє відмовитися від великої кількості окремих зубчастих пар і зробити механізм більш компактним.
Водночас планетарна автоматична коробка має складнішу систему керування: у її роботі беруть участь гідротрансформатор, гідравлічний блок, соленоїди, фрикційні пакети та електронний блок керування.
Чи використовують планетарний принцип у сучасних коробках
Так. Планетарна архітектура залишається актуальною і сьогодні.
Вона використовується в багатоступеневих автоматичних коробках, гібридних трансмісіях і промислових редукторах.
Причина полягає у вдалому поєднанні декількох властивостей: компактності, здатності передавати великий момент, можливості отримувати різні передатні числа та ефективного використання простору всередині корпусу.
Висновок
Планетарна КПП — це коробка передач, у якій для зміни передатного числа використовуються один або декілька планетарних зубчастих механізмів. Їхня конструкція дозволяє отримувати різні режими роботи шляхом зміни того, який елемент є ведучим, який — веденим, а який утримується.
Саме тому планетарні передачі стали основою багатьох автоматичних трансмісій. Вони дозволяють компактно реалізувати кілька передач, передавати значний крутний момент і забезпечувати широкий діапазон передатних чисел.
Планетарний принцип також вийшов далеко за межі автомобільних КПП. Його використовують у гібридних трансмісіях, тракторах, будівельній техніці, промислових приводах і редукторах, де потрібне компактне та ефективне перетворення швидкості й крутного моменту.