Что такое планетарная трансмиссия на автомобиле
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:
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:
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:
Управляя элементами простой «планетарки», получают разные характеристики:
Передача
Как работает планетарная коробка в АКПП
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:
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:
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.
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:
Основное соотношение подбора зубьев передачи через передаточное число выглядит так:
Планетарная КПП: что это такое и как работает планетарная трансмиссия
На автомобилях планетарная механическая коробка передач появилась очень давно. Использовался такой тип КПП на заре автомобилестроения. Так называемая «планетарка» ставилась на легендарную модель Ford T, где водитель управлял коробкой отдельными педалями.
Если говорить о современных авто, сегодня планетарная передача активно используется в устройстве коробок автомат АКПП. Далее мы рассмотрим, как устроена планетарная передача АКПП, каков принцип работы данного механизма, а также какие особенности имеет планетарная передача в коробке автомат.
Планетарный механизм: назначение и устройство
В устройстве трансмиссии планетарный механизм позволяет изменять скорость, а также при необходимости направление вращения выходного вала. При этом в работе механизма можно выделить зависимость, что чем ниже будет скорость вращения выходного вала, тем большим будет на нем крутящий момент.
Итак, планетарная передача в основе имеет несколько вращающихся шестерен. Шестерни бывают следующих видов:
Общий принцип работы планетарной передачи состоит в том, чтобы одна из шестерен (солнечная, коронная или водило) имела жесткую фиксацию. В этом случае элемент становится передающим.
В качестве примера можно представить, если закреплена коронная шестерня, тогда входной вал передает крутящий момент на солнечную шестерню. От солнечной шестерни идет передача момента дальше на сателлиты. Сателлиты проходят по коронной шестерне и вращают водило.
Водило, в свою очередь, передает крутящий момент на выходной вал коробки. По такому принципу построена планетарная коробка передач, куда также включены специальные системы торможения (тормоза) и блокировки элементов планетарного механизма.
С учетом особенностей конструкции можно выделить два типа планетарных передач:
Также планетарный ряд может быть как с закрепленным элементом, так и с дифференциальным. Во втором случае ни один из элементов не зафиксирован жестко, что позволяет изменять вращение отдельно (посредством усилий, которые прикладываются к валам). Данный механизм позволяет вращаться наименее нагруженному валу с наибольшей скоростью.
Где используется планетарный механизм в автомобиле
Начнем с того, что планетарная передача используется в устройстве различных типов техники. Что касается автоиндустрии, чаще всего планетарный механизм лежит в основе дифференциала автомобиля.
Дифференциал стоит на каждой ведущей оси. Именно в дифференциале использован такой тип планетарной передачи, где ни один из элементов не имеет жесткой фиксации. Через входной вал момент передается на шестерню (не коронную, так как зубья расположены не вниз, а по сторонам). Шестерня передает момент на сателлиты, к которым присоединены 2 солнечные шестерни.
В устройстве современной трансмиссии инженеры используют целый планетарный ряд АКПП. Планетарные ряды фактически являются связанными между собой несколькими планетарными механизмами. Благодаря такой конструкции можно гибко реализовать диапазон передаточного соотношения от 0.7:1 (для повышенных передач) и 4.5:1 (на пониженных). Передаточное соотношение, например, 0.7:1, означает, что на один оборот выходного вала входной вал делает 0.7 оборота.
Также в устройстве АКПП имеются специальные тормозные механизмы, которые нужны для переключения передач. Указанные механизмы (тормоза АКПП) имеют возможность притормозить вращение шестерен, а также полностью их заблокировать для подключения других элементов.
Плюсы и минусы планетарной передачи
Начнем с того, что данный механизм имеет целый ряд очевидных преимуществ:
Использование планетарного ряда или планетарного механизма в системе с высокими нагрузками приводит к снижению КПД и надежности. Причина – много шестерен и составных элементов, в результате чего увеличиваются потери на трение, возрастает риск поломок.
Также можно выделить высокую чувствительность к смазке и качеству смазочного материала применительно к планетарной передаче. Например, если в АКПП окажется недостаточно масла, тогда такая коробка быстро выйдет из строя.
Так или иначе, планетарная коробка не имеет валов, ползунов, последовательно расположенных шестерен, что делает ее очень компактной и позволяет разместить даже в предельно ограниченном пространстве.
Еще планетарные коробки могут передавать большой крутящий момент (такие КПП даже используются в устройстве тяжелой военной техники). Крутящий момент достаточно равномерно распределяется на сателлиты (особенно если их больше 3), при этом зубья испытывают меньшие нагрузки сравнительно с двухвальными или трехвальными КПП.
Также при условии грамотного и своевременного обслуживания можно говорить о большом ресурсе, а сама конструкция планетарных коробок передач позволяет с относительной простотой реализовать их систему управления. Если просто, в устройстве коробки используются ленточные тормоза и блокировочные муфты. Ленточный тормоз плавно останавливает шестерни, тогда как муфта позволяет их заблокировать, что и приводит к переключению передачи.
Главным же недостатком можно считать то, что в автоматических коробках, где необходимо получить 3, 4, 5 и более ступеней, требуются каскадные планетарные системы. Данное решение значительно усложняет устройство, снижая КПД и общую надежность.
Что в итоге
Как видно, планетарная АКПП и другие узлы на основе планетарного механизма активно используются в современной автоиндустрии. Более того, массовое производство автоматических планетарных коробок практически вытеснило в развитых странах механические КПП.
Благодаря удобству и качеству работы АКПП пользуются большой популярностью, продолжая вытеснять МКПП даже из бюджетного сегмента (например, китайские авто с автоматом).
Как работает коробка-автомат: классическая гидромеханическая АКПП, составные элементы, управление, механическая часть. Плюсы, минусы данного типа КПП.
Устройство и принцип работы механической коробки передач. Виды механических коробок (двухвальная, трехвальная), особенности, отличия
Понижающая (пониженная) передача: назначение передачи, особенности работы. Как пользоваться понижающей передачей и когда включать пониженную передачу.
Дифференциал коробки передач: что это такое, устройство дифференциала, виды дифференциалов. Как работает дифференциал КПП в трансмиссии автомобиля.
Коробка отбора мощности (КОМ): для чего предназначена, как работает КОМ, особенности, виды и типы. Что нужно учитывать при эксплуатации данной коробки.
Устройство полного привода, виды и типы полного привода, схема устройства привода на полноприводных авто. Полноприводные коробки, особенности.
Как устроена и работает планетарная коробка передач
Современная автоматическая коробка – второй по сложности агрегат после двигателя, и одним из основных его узлов является планетарная передача. Но самое интересное, что этот механизм имеет более чем 100-летнюю историю – впервые его использовали в далёком 1908 году на автомобиле Ford model T.
Правда, на коробке с ручным переключением передач. Многие не в курсе, но первая АКПП появилась ещё раньше – в 1906 году. Она была трехступенчатой и с гидравлическим приводом, который прижился и использовался повсеместно вплоть до последнего времени, когда управление работой автоматической коробкой переложили на электронику.
Но планетарная коробка передач до сих пор остается самой распространённой разновидностью среди автоматических трансмиссий.
Устройство, принцип работы
Схематически АКПП можно представить как конструкцию, состоящую из двух частей – планетарного механизма и гидротрансформатора. Крутящий момент от силового агрегата передаётся на гидротрансформатор – именно он преобразует момент вращения, реагируя на изменение режима движения (или вообще не передаёт вращение).
В МКПП валов три (ведущий, промежуточный, ведомый), а их шестерни пребывают в постоянном зацеплении. Переход на другую передачу осуществляется за счёт подключения ведомого вала к определённой паре шестерён. В коробке-автомате принцип иной: выбор необходимого режима движения осуществляется посредством блокировки соответствующих шестерен планетарного механизма.
Конструкция планетарной КПП, или планетарного редуктора, включает солнечную шестерню, принимающую вращение от гидротрансформатора посредством элемента, называемого водило, к которому подключены сателлиты в количестве 3 или 4 штук. Сателлиты стыкуются с коронной шестерней (её второе название – кольцевая). Все перечисленные элементы планетарной передачи содержит тормозной механизм фрикционного типа (в редких случаях – ленточные тормоза), с помощью которых и осуществляется блокировка шестерен.
Чтобы понять принцип работы планетарной коробки, рассмотрим три простых примера:
Важно понять, что в каждом из режимов происходит блокировка определённых элементов планетарной передачи.
Как же происходит передача крутящего момента далее, на приводы (раздатку для авто с ПП или карданный вал для заднеприводных авто)? Всё просто: вращение «снимается» с тех элементов, которые остались незаблокированными. Так, если блокируется водило, вращение на колёса передаётся с кольцевой шестерни. Если говорить о прямой передаче, здесь планетарный редуктор является фактически «лишним», поскольку крутящий момент на привод передаётся непосредственно с гидротрансформатора.
Усовершенствование АКПП, направленное на снижение расхода горючего, создание для мотора более благоприятных условий работы, улучшение динамики автомобиля, происходит по нескольким направлениям. Для этого увеличивают количество планетарных редукторов, при этом все редукторы, кроме первого, не содержат понижающих передач. Вследствие этого прямая передача на втором и так далее редукторах оказывается более скоростной, нежели повышающая передача основного редуктора. В то же время понижающая передача дополнительным редукторам как бы не нужна, поскольку крутящий момент с них снимается далеко не во всех случаях.
Рассмотрим более подробно работу фрикционов, которые, собственно, и отвечают за переключение режимов. Каждый планетарный редуктор включает набор фрикционов – тонких подвижных или фиксированных колец. Подвижные кольца связаны с вращающимися узлами редуктора. Если электроника, среагировав на манипуляции с педалью акселератора, создаёт соответствующее давление жидкости в АКПП, неподвижные диски вступают в зацепление с подвижными. В результате определённые элементы (например, КШ или водило) оказываются обездвиженными. Такой принцип является сутью планетарного механизма.
Очень многое зависит от электроники. Именно она отслеживает текущую скорость движения машины, а также скорость вращения коленвала, регулируя работу коробки таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для двигателя при минимизации расхода топлива. Современная электроника умеет даже определять степень износа фрикционов, и при выполнении диагностики автомобиля сообщать об этом. Тем, кто планирует покупку б/у авто с АКПП, это полезно знать – так можно застраховать себя от приобретения авто с неисправной трансмиссией.
Устройство планетарной КПП включает насос, в функции которого входит создание требуемого давления в магистрали движения технической жидкости, между магистралями распределение давления жидкости регулируется электромагнитными клапанами.
Поскольку величина давления, создаваемого насосом, довольно значительная, авто с коробкой-автоматом «с толкача» не заведёшь – буксировка нужного давления обеспечить не может.
Если бы автоматическая коробка с планетарным механизмом была напрямую подключена к двигателю, при остановке авто и переключении передач мотор бы глох, ведь сцепление здесь не предусмотрено. Проблему решает гидротрансформатор, который, собственно, и выполняет функции сцепления, но в автоматическом режиме.
Он состоит из трёх компонентов:
Колёса турбины и насоса имеют между собой некоторый зазор. Вращение на турбину передаётся посредством трансмиссионного масла, которое с лопастей насосного колеса направляется на лопасти турбинного. Геометрия элементов гидротрансформатора подобрана таким образом, что, невзирая на отсутствие жёсткого сцепления между насосом и турбиной, ТМ движется по замкнутому кругу. Таким образом, при остановке автомашины вращение передаётся без необходимости выключать передачу. При возникновении необходимости изменения текущего режима движения начинает «трудиться» реактор.
При резком нажатии на педаль акселератора (скажем, при старте) скорость вращения турбинного колеса увеличивается, при этом реактор останавливается. Это так называемый гидротрансформаторный режим. Форма лопастей реактора такова, что когда масло возвращается из турбины в насосную секцию, формируется дополнительное сопротивление, способствующая ускорению движения жидкости.
В определённый момент времени скорость вращения турбинного колеса сравнивается с насосным, и тогда колесо реактора тоже приходит в движение, не препятствуя движению жидкости увеличивая КПД автоматической трансмиссии. Этот режим гидромуфты.
Сфера применения планетарных МКПП
На заре автомобилестроения планетарные трансмиссии присутствовали и в механических коробках – например, в знаменитой модели Ford T. Передачи переключались тремя педалями, педаль газа перенесли на подрулевой переключатель. Первая передача включалась левой педалью, вторая – центральной, задняя – правой. В 1928 году модель сняли с конвейера, и эра планетарных МКПП ушла в небытиё.
В 30-е годы появились первые полуавтоматические коробки передач планетарного типа, которые впоследствии были вытеснены полностью автоматическими.
В полуавтоматах функции сцепления выполняла гидромуфта. В автоматических трансмиссиях – гидротрансформатор.
Впрочем, планетарные МКПП всё ещё в ходу – их устанавливают в гусеничную технику (трактора, экскаваторы), в том числе военного назначения (танки, транспортёры, тягачи). Используется планетарный механизм в металлорежущих станках, и даже в турбинах авиационных двигателей, в качестве редуктора.
Весьма популярны планетарные коробки передач в велосипедных трансмиссиях. Они отличаются долговечностью, малым весом и простотой эксплуатации, являясь, по существу, необслуживаемыми. Однако они существенно увеличивают стоимость двухколёсной техники, поэтому в чисто спортивных моделях не используются, во многом – из-за увеличения массы ТС на 1,5-2 кг. и плохой ремонтопригодностью, если сравнивать с устройствами переключения передач параллелограммного типа.
Плюсы и минусы планетарных трансмиссий
Планетарный механизм, используемый в автоматических коробках, обладает рядом неоспоримых достоинств:
Но есть и недостатки:
В любом случае принцип работы, положенный в основу планетарной коробки передач, позволяет делать её более компактной, чем механический аналог, что в современном автомобилестроении ценится очень высоко.
Характерной особенностью планетарных механизмов является способность обеспечивать передачу солидного крутящего момента, который весьма равномерно передаётся на сателлиты, и чем их больше, тем меньшие нагрузки испытывают зубья. Эта особенность активно используется в тяжёлой военной технике.
Если соблюдать все регламентные процедуры, то можно утверждать, что современные АКПП обладают большим ресурсом.
Если конструкция такой коробки спроектирована грамотно, то она заведомо будет иметь больший КПД, чем у двух- и трёхвальных МКПП.
Отметим также, что тенденция производить автоматические коробки с увеличенным числом ступеней ведёт к существенному усложнению конструкции, вызванному необходимостью применения каскадных схем, что сказывается на надёжности таких агрегатов.