Практически все изобретения механики, основанные на вращательном движении, можно исторически соотнести с принципом колеса и временем его изобретения. До того, как был понят этот принцип, ничего подобного существовать не могло бы. Кто и когда первым придумал возможность соединять за счет зубцов несколько колес и вращать их друг за счет друга - неизвестно, но этот человек создал небольшую революцию.

Так появилась первая шестерня. Принцип шестеренчатой передачи энергии движения можно считать революционным в развитии промышленности.

Планетарный редуктор

В современной промышленности планетарные редукторы, в основе которых лежит шестерня солнечная, используются в лебедках и электроинструменте. Наиболее популярным техническим средством, которое есть практически в каждом доме и где может быть использована солнечная шестерня - велосипед с планетарной втулкой.

Сам принцип нескольких зубчатых колес, которые передают энергию движения друг другу, далеко не нов. И даже планетарный редуктор не самое свежее изобретение. Новшеством здесь можно считать лишь то, насколько активно этот принцип работы распространяется в современных приборах и технике самого разного назначения.

Планетарные втулки сегодня в велосипедах ставятся туда, куда прежде ставили звездочки для байка для регулирования передач. В спортивных велосипедах каждая звездочка на велосипед отвечает за свою передачу скоростей. Более простая задняя планетарная втулка, которая работает на солнечной шестерне, ставится на велосипеды для города, а также на туристические велосипеды.

Как было сказано, задняя планетарная втулка более популярна, чем передняя. В первую очередь, это определяется особенностью крепления велосипедной цепи и классической установки звездочки на велосипед. Но если вы хотите переделать свой байк из обычного в электрический, то вам придется столкнуться с таким изобретением как мотор-колесо. Ставится оно обычно на переднюю вилку (хотя можно поставить и на заднюю, и даже заменить оба колеса, сделав велосипед полноприводным), одна из важных частей мотор-колеса - планетарный редуктор, в основу которого так же положена шестерня солнечная.

Изначально мотор-колёса были иного принципа, но требования удешевления из-за возрастания массовости спроса на электровелосипеды привело к тому, что именно роторная передача, основанная на планетарном принципе, стала наиболее выгодной системой генерации энергии движения и распределения ее. Это решение увеличивает статическую тягу при уменьшении веса колеса, но при этом становится более шумным сам мотор и усиливаются вибрации от высоких частот, передающиеся на раму. На текущий момент основная часть колес с мотором до 500 Ватт - редукторные. Это сделало электровелосипеды более шумными и тяжелыми, но резко снизило стоимость конструкции. Однако, при установке такого планетарного редуктора нужно проследить, чтобы допустимые вибрации не превышали норму, иначе это отразится на сроке службы рамы.

Принцип работы редукторов

Как же работает редуктор с солнечной шестерней?

Любой редуктор состоит из нескольких обязательных элементов. Очевидно, что в основе лежит шестерня солнечная, а так же имеется коронная шестерня (эпицикл), которая находится на периферии редуктора и как бы вмещает в себя остальные элементы, несколько шестерен-сателлитов, находящихся между солнечной шестерней и эпициклом, взаимодействующих с обеими. А так же закрепленное водило, на осях которого вращаются сателлиты.

Процесс работы передаточного цикла зависит от кинематической схемы привода. От типа кинематической схемы вращение может подводиться к каждому элементу редуктора и сниматься с любого из оставшихся. При этом третья составная должна быть заторможена. Изменяя схему подвода и снятия крутящего момента внутри данной конкретной планетарной передачи, мы имеем возможность получить различные передаточные числа и направления вращения.

На этом принципе основана работа любого планетарного двигателя, будь то планетарная втулка велосипеда или мотор мотор-колеса электровелосипеда. Разница только в том, от какой энергии начинается работа планетарного двигателя.

Конечно, большинство людей, покупая технику в дом, совсем не интересуются в деталях составными частями, еще меньше их интересует, что же именно в их технике делает шестерня солнечная, и это правильно, так как невозможно знать и понимать все. Но, если вы покупаете байки, работающие на планетарной втулке или мотор-колесе, стоит понимать уровень сложности механизма, который помогает приводить в движение ваш транспорт. Как следствие, оценивать проблемы технического характера, которые могут возникнуть при поломке такого устройства.

При всем том, что технически сложные приспособления при поломках непросто восстановить, а самостоятельно часто невозможно, они очень облегчают жизнь велолюбителям. Так планетарная втулка и звездочка на велосипед могут выполнять одни и те же функции, однако, ясно, что для не спортсменов велосипед с планетарной втулкой, основанной на солнечной передаче, намного удобнее. Тем более, если речь идет об электровелосипедах.

• Многие выбирают именно этот тип транспорта, специально подыскивают оборудование для переделки обычных велосипедов в электровелосипеды.

Очевидно, что человек, который сам изготавливает электровелосипед, в общих чертах представляет, как работает мотор-колесо, и на каких принципах основано движение велосипеда с электрической тягой, в отличие от механического принципа движения велосипеда.

Если вы планируете покупать или делать своими руками электровелосипед , то принцип работы планетарного редуктора будет далеко не лишним знанием, которое поможет вам полнее представлять, что за технику вы получите в конце концов.

Рис . Планетарный редуктор : а - с вращающейся планетарной шестерней и с сателлитами на корпусе; б - с неподвижной планетарной шестерней и с сателлитами на вращающемся водиле; 1 - планетарная шестерня; 2 - водило; 3 - ось якоря электродигателя; 4 - шестерня на валу электродвигателя; 5 - сателлитная шестерня; 6 - корпус редуктора; 7 - подшипник; 8 - муфта свободного хода.

В данном материале рассмотрим устройство и принцип работы понижающего планетарного редуктора на примере механизма автомобильных стартеров в состав которых он входит. (см рис, выше).

Планетарный редуктор - это такой редуктор, у которого большая шестерня 1 имеет зубцы с внутренним зацеплением и сочленена с малой ведущей шестерней 4 наружного зацепления через несколько сателлитных шестерен 5. При этом и ведущая, и ведомая шестерни соосны, а сателлиты находятся между ними и внутри большой (планетарной) шестерни. Оси сателлитных шестерен могут быть установлены как на корпусе первичного приводного устройства (рис. а см. выше), так и непосредственно на торцевом водиле вторичного (выходного) вала редуктора (рис. б см. выше). В первом случае большая планетарная шестерня вращается и сама является водилом выходного вала; во втором - она неподвижна, так как жестко закреплена в корпусе 6 редуктора. Во втором случае сателлиты, установленные на водиле 2 и сочлененные с шестерней 4 первичного вала, обегают внутренние зубья неподвижной планетарной шестерни 1 и тем самым приводят водило 2 во вращение.

Планетарный редуктор , иногда называют редуктором Джемса, имеет преимущества перед всеми известными конструкциями: он малогабаритен; компактен; обладает равномерным распределением нагрузки по зубцам, а значит более надежен в работе; имеет одно направление вращения входного и выходного валов; обеспечивает повышенное передаточное число n при относительно малых размерах (n=1+W 2 /W 1

Благодаря применению стартера с планетарным редуктором, например, в автомобильных стартерах передаточное число между оборотами коленвала ДВС и якорем стартерного электродвигателя может быть увеличено до 80 (вместо 16 при классическом исполнений стартера).

В автомобильных электростартерах более широкое распространение получил планетарный редуктор второго типа.

Рис 2 . Приводной механизм стартера BOSCH-DW: 12/1.1: 1 - ось сателлита; 2 -сателлит планетарного редуктора; 3 - водило на торце вторичного вала; 4 - посадочное место для планетарной шестерни (шестерня снята); 5 - проточка под пружинную защелку; 6 - направляющие спиральные пазы для МСХ; 7 - поводковая муфта; 8 - муфта свободного хода (МСХ); 9 - шестерня МСХ; 10 - вторичный (выходной) вал стартера.

На рис. 2 показан внешний вид передаточного механизма стартера BOSCH-DW: 12/1.1, в состав которого входит планетарный редуктор. Для удобства восприятия передаточный механизм, показанный на фото, частично разобран: планетарная шестерня снята с сателлитов 2, а муфта свободного хода 8 - сдвинута с направляющих пазов 6 выходного вала 10 стартера.

Рис. 3 . Роторный узел стартера BOSCH-DW: 12/1.1. 1 - первичный вал (вал ЭДВ); 2 - ламельный коллектор; 3 - якорная обмотка; 4 - магнитопровод якоря; 5 - продольная балансировочная выборка; 6 - паз якорного магнитопровода; 7 - фиксатор планетарной шестерни; 8 - ведущая шестерня планетарного редуктора (на валу ЭДВ); 9 - неподвижная планетарная шестерня; 10 - поводковая муфта; 11 - муфта свободного хода (МСХ); 12 - шестерня МСХ; 13 - проточка под запорное пружинное кольцо; 14 - крышка запорного пружинного кольца; 15 - запорное пружинное кольцо; 16 - вторичный (выходной) вал стартера.

Как и любой другой, планетарный редуктор состоит из двух основных шестерен (рис. 3): ведущей 11-зубцовой шестерни 8 на валу 1 ЭДВ и большой планетарной шестерни 9, изготовленной из пластмассы. Последняя, имеющая 37 зубцов внутреннего зацепления, неподвижно установлена в корпусе стартера с помощью фиксирующих шпилек 7. Внутренние детали планетарного редуктора показаны на рис. 2: водило 3 установлено на торце выходного вала 10, оно одновременно является установочной площадкой для осей 1 вращения трех сателлитов. Сателлитные 13-зубцовые шестерни 2 (сателлиты) планетарного редуктора, их три, упираясь в неподвижную планетарную шестерню, передают вращение вала электродвигателя на водило. Оси 1 после установки на них сателлитовых шестерен 2 запрессованы в тело водила 3 и, таким образом, сателлиты с осей несъемные.

При сборке, когда узел 7, 8, 9 муфты свободного хода 19 снят с вала 10, пластмассовая планетарная шестерня надвигается на посадочное место 4 выходного вала стартера (до упора в торец водила). В пластмассу планетарной шестерни залита бронзовая втулка, которая для вторичного вала является опорным подшипником. Вторым опорным подшипником для вала с водилом является бронзовая втулка, запрессованная в лобную крышку стартера. Планетарная шестерня фиксируется на валу для предотвращения обратного продольного смещения с помощью плоской пружинной защелки, под которую подкладывается дистанционная шайба. Планетарная шестерня накрывает сателлиты, которые при этом входят в зацепление с ее внутренними зубцами.

При окончательной сборке стартера шестерня вала электродвигателя вдвигается своими зубцами между тремя сателлитами, а подшипниковый торец вала электродвигателя входит в бронзовую втулку, запрессованную в водило. Эта втулка является передним подшипником скольжения для якоря электродвигателя. Задним подшипником служит бронзовая втулка, запрессованная в тыльную крышку стартера.

Все три подшипника скольжения (бронзовые втулки) являются съемными и при ремонте автомобильного стартера могут быть заменены на новые.

В некоторых автомобильных электростартерах встроенный понижающий редуктор может быть не планетарным, а простым рядным, имеющим обычное внешнее или внутреннее зацепление двух шестерен.

Из отечественных автомобилей таким стартером впервые был оснащен правительственный автомобиль ЗИЛ-110.

Двухступенчатый планетарный редуктор представляет собой конструкцию, составленную из шестеренок и других рабочих элементов, которые приводятся в движение посредством зубчатой передачи. При этом двигаются они по принципу, который заложен в механике вращения планет – вокруг одного центра. По этой причине центральная шестерня именуется «солнечной», промежуточные — «сателлитами», а внешняя с внутренним зубчатым сцеплением — «коронной». Кроме этого, самый простой планетарный редуктор состоит из водила. Оно предназначено для фиксации сателлитов относительно друг друга, чтобы они двигались вместе.

Для правильной работы устройства необходимо, чтобы одна из составляющих его частей была жестко закреплена на корпусе. В планетарном редукторе, который оснащен водилом, статической частью является именно оно. Кроме этого, жестко закрепленным может быть коронная или солнечная шестеренки. В случае если ни одна из частей этого устройства не закреплена, имеется возможность расщепления одного движения на несколько, либо слияние двух в одно.

При этом в сцепке с ведущим и ведомым валом может быть как коронная, так и солнечная шестерни, или сателлиты. Этот механизм может осуществлять повышение передаточного числа и снижение крутящего момента и на оборот.

За счет такой конструкции обеспечивается движение ведомого и ведущего валов в одном направлении.

Назначение и конструкция редуктора

Служит редуктор для обеспечения понижения передачи и при этом повышения силы крутящего момента. Для обеспечения работы этого механизма вращающийся вал присоединяется к его ведомому элементу.

Это устройство в классическом исполнении состоит из червячных или зубчатых пар, центрирующих подшипников, различных уплотнений, сальников и т.д. Примером планетарного редуктора является шариковый подшипник. Корпус устройства сложен из двух элементов:

• крышки;
• основания.

Смазка всех составных элементов этого устройства производится путем разбрызгивания масла, но в некоторых особенных устройствах это осуществляется при помощи масляного насоса в принудительном порядке.

Принцип работы

То, как будет функционировать этот агрегат зависит от кинематической схемы привода. Так подводку вращательного движения можно осуществлять к любому элементу этой системы, а снятие производить с какого-либо из оставшихся. Передаточное число зависит от того, согласно какой схемы организована подводка и съем вращательного движения.

Понимание того, как работает подобный редуктор, позволяет оценить сложность ремонта и восстановления.

Разновидности планетарных редукторов

В зависимости от количества ступеней, которые они имеют планетарные редукторы подразделяют на:

• многоступенчатые.

Одноступенчатые более простые и при этом компактнее, меньше по размерам в сравнении с многоступенчатыми, обеспечивают более широкие возможности по передаче крутящего момента, достижения разных передаточных чисел. Обладающие несколькими ступенями являются достаточно громоздкими механизмами, при этом диапазон передаточных чисел, которые ими могут быть обеспечены, существенно меньше.

В зависимости от сложности конструкции они могут быть:

• простыми;
• дифференциальными.

Кроме этого, планетарные редукторы в зависимости от формы корпуса, используемых элементов и внутренней конструкции могут быть:

• коническими;
• волновыми;
• глобоидными;
• червячными;

Через них может передаваться движение между параллельными, пересекающимися и перекрещивающимися валами.

Характеристики основных разновидностей этого устройства

Цилиндрические

Самые распространенные. Коэффициент полезного действия этих устройств достигает 95%. Они могут обеспечивать передачу достаточно больших мощностей. Передача движения осуществляется между параллельными и соосными валами. Они могут оснащаться прямозубными, косозубными и шевронными зубчатыми колесами. Коэффициент передачи может колебаться в пределах от 1,5 до 600.

Конические

Такое название они носят потому, что в них используются шестеренки, которые имеют коническую форму. Это обеспечивает плавность сцепки и способность выдерживать достаточно большие нагрузки. Могу иметь одну, две и три ступени. Валы в этой разновидности редукторов могут располагаться как горизонтально, так и вертикально.

Волновые

Они представляют собой конструкцию с гибким промежуточным числом. Состоят они из генератора волн, эксцентрика или кулачка, который обеспечивает растяжение гибкого колеса до достижения его контакта с неподвижным. При этом гибкое колесо имеет наружные зубья, а неподвижное — внутренние.

К достоинствам такого типа редукторов относится:

• плавность хода;
• высокое передаточное число;
• возможность передачи движения через герметичные и сплошные стенки.

Они могут быть одно- и многоступенчатыми. Высокоскоростные оснащены подшипниками скольжения, а низкоскоростные — подшипниками качения.

Достоинства планетарных редукторов

• Небольшой вес;
• Широкий диапазон передаточных чисел;
• Относительная компактность;
• Собрать и починить такое устройство можно своими руками.

Главное в этом деле — правильно произвести расчет основных параметров нагрузки и существующих условий эксплуатации этого устройства.

Выбор производиться в зависимости от:

• типа передачи;
• максимально допустимых осевых и консольных нагрузок;
• типоразмера этого устройства;
• диапазона температур, в которых редуктор может использоваться длительный период и не терять при этом своих полезных качеств и свойств.

Делаем планетарный редуктор своими руками

Первым делом производится проектирование будущей конструкции в зависимости от конструктивных особенностей изделия и задач, которые планируется решать с его использованием. При этом производится расчет таких параметров как передаточное число, расположение валов, количество ступеней и т.д.

Далее производится определение межосевого расстояния. Этот показатель очень важен, так как указывает на способность передавать крутящий момент. Температура внутри устройства во время его работы не должна быть выше, чем 80 градусов по Цельсию.

При конструировании планетарного редуктора производится также расчет:

• числа передаточных ступеней;
• количества сателлитных шестеренок и зубьев на них;
• толщины шестеренок;
• размещения осей в будущем механизме.

Кроме этого, осуществляется подбор шестеренок, которые выполнены из подходящего материала, расчет сил, которые будут присутствовать при функционировании механизма и проверочный расчет.

Не имея специального оборудования и условий, изготовить составные части этого устройства в условиях домашней мастерской не получится. Планетарный редуктор можно собрать из подобранных частей, которые без труда можно приобрести в торговой сети или на разборке.

Сборка также является делом достаточно непростым, для достижения успеха в этом деле необходимо иметь практический опыт ремонта подобных механизмов, их сборки и разборки, обладать теоретическими познаниями в механике, прочими знаниями и навыками.

Планетарный редуктор, который также называют дифференциальным редуктором, представляет собой один из вариантов механических редукторов. Причина использования такого названия редуктора заключается в применении планетарной передачи, которая расположена в редукторе. Именно она отвечает за передачу, а также преобразование крутящего момента. Планетарные редукторы могут иметь одну планетарную передачу или больше.

Планетарный редуктор

Принцип работы планетарного редуктора
Солнечная шестерня в таком редукторе расположена в центральной части, а на его периферии находится коронная шестерня. Кроме этого, в нем используются сателлиты (на фото ниже их пять) – небольшие шестерни, которые установлены между коронной и солнечной.

Водило используется для механического соединения сателлитов, на его осях они вращаются.

Передача вращения от основной передачи на солнечную шестерню осуществляется с помощью полуосей. После этого солнечная шестерня может вращать сателлиты, которые вращаются на собственных осях, закрепленных на водиле. В свою очередь, водило закреплено на балке моста.
Расчет планетарного редуктора
В процессе вращения сателлиты передают вращение коронной шестерне, после чего начинает вращаться ступица. Крутящий момент возрастает в такое количество раз, в какое число зубьев на шестерне солнечной является меньшим по сравнению с числом зубьев на коронной шестерне.
В ведущих мостах грузовиков МАЗ, троллейбусов ЗиУ-9, автобусов Икарус, тракторов К-700 и Т-150К используются планетарные редукторы, которые осуществляют передачу крутящего момента к колесной ступице.

ведущий мост грузовиков МАЗ, троллейбусов ЗиУ-9, автобусов Икарус, тракторов К-700 и Т-150К

Благодаря использованию такого редуктора в бортовой передаче появляется возможность сделать диаметр основной передачи меньшим, в результате чего возрастает клиренс. Кроме этого, полуоси имеют меньший диаметр, что позволяет спроектировать их на менее высокий крутящий момент.

Видео о планетарном редукторе

В ведущем мосту автомобиля планетарные передачи могут не использоваться, хотя крутящий момент может быть одинаковым. К примеру, мост грузовых машин КамАЗ имеет практически такие же показатели, как у моста МАЗа, однако на КамАЗе используется двойная основная передача, в то время, как на МАЗе она является одинарной.
В автоматических трансмиссиях передача крутящего момент осуществляется от вала с шестерней солнечной на вал, который сопряжен с водилом. Отечественные производители изготавливают планетарные редукторы серии ЗМП и ЗП.

Планетарные редукторы относятся к механическим зубчатым передачам.

Механические передачи служат для передачи энергии на расстояние, как правило с преобразованием по скорости и моменту. В зубчатых передачах движение осуществляется благодаря непосредственному контакту зубчатых коле

Редуктор - это устройство преобразующее высокую угловую скорость вращения входного вала (от двигателя) в более низкую на выходном валу (к полезной нагрузке), повышая при этом вращающий момент.

Передаточное отношение (i) – это отношение угловой скорости ведущего вала к угловой скорости ведомого вала .

Планетарные редукторы – это механизмы в которых оси отдельных колес являются подвижными. Простейший планетарный редуктор, состоящий из четырех звеньев, изображен на рисунке 1. В этих редукторах колеса с подвижными осями вращения называются планетарными колесами или сателлитами (звено 1), а звено, на котором располагаются оси сателлитов, - водилом или планетарным водилом [H] (звено 2). Зубчатые колеса с неподвижными осями вращения называются солнечными или центральными (звено 3); неподвижное колесо – коронной шестерней, эпициклом или опорным колесом (звено 4). На практике, для повышения прочности планетарного редуктора, количество сателлитов увеличивают до максимально возможного. Планетарный редуктор, изображенный на рисунке 1, носит название редуктора Джемса .

Рис. 1. Простейший планетарный редуктор.

Передаточное отношение U от колеса 3 до водила H редуктора, при неподвижной коронной шестерне, имеет вид:

где, U – коэффициент передаточного отношения;
индекс (1) – указывает на что, что неподвижным является элемент 1, в данном случае это коронная шестерня;
индексы 3 и H - указывают, что расчет передаточного отношения от колеса 3 (солнечная шестерня) к водилу H;
r – радиусы колес, индексы указывают на радиус соответствующего колеса (r1 – радиус коронной шестерни);
z – количество зубьев шестерни, индексы указывают на количество зубьев соответствующего колеса);

На рисунке 2 изображен вид классического одноступенчатого планетарного редуктора:

Рис. 2 Одноступенчатый планетарный редуктор

При использовании планетарной передачи в качестве редуктора один из трёх её основных элементов фиксируется неподвижно, а два других служат в качестве ведущего и ведомого. Таким образом, передаточное отношение будет зависеть от количества зубьев каждого компонента, а также от того, какой элемент закреплён. Для получения самого большого передаточного отношения, неподвижным оставляют коронную шестерню, см. рисунок 3. Такие передачи как правило используют в планетарных мотор-редукторах, на транспорте и машиностроении.

Рис. 3. Анимация работы одноступенчатого планетарного редуктора, с неподвижным эпициклом

На практике широко применяются многоступенчатые планетарные редукторы. Давайте рассмотрим двигатель постоянного тока с планетарным редуктором. Для примера возьмем планетарный мотор-редуктор МРП42 производства ООО "Электропривод" с передаточным отношением 1/144. Такое большое передаточное отношение можно получить, используя редуктор с несколькими ступенями. На рисунке 4 изображена первая ступень.

Вращение от мотора передается на водило через сателлиты первой ступени. На водиле первой ступени закреплена шестеренка передающая вращение дальше (на вторую ступень).

Рис. 6. Третья ступень планетарного редуктора.

Подсчет полного передаточного отношения, складывается из произведения передаточных отношений все звеньев, вошедших в состав редуктора:

Подсчитанное по формулам передаточное отношение соответствует заявленному для рассматриваемого в нашем примере мотор-редуктора.

Законченный вариант планетарного редуктора изображен на рисунке 7, в нем добавлен присоединительный фланец с установленным подшипником скольжения. В этом редукторе все шестерни выполнены из металла, что обуславливает продолжительный жизненный цикл изделия.

Рис. 7. Планетарный редуктор в сборе.