Планетарная передача на автомобиле
Автомобильный справочник
для настоящих любителей техники
Планетарная передача автоматической коробки передач
В основе самых распространенных на сегодняшний день автоматических коробок передач лежит планетарная передача. Она используется в работе классической гидродинамической коробки передач, так как посредством ее работы можно эффективно перераспределять как крутящий момент, так и передаточное число на валах коробки.
Преимущества таких коробок передач:
Это дает, среди прочего:
Недостатком, по сравнению с механическими коробками передач, является более высокая стоимость планетарной передачи.
Простая планетарная передача
Название «планетарная передача» связано с тем фактом, что водило (S) планетарной передачи, соединенное с планетарными шестернями (2), вращается внутри неподвижной коронной шестерни (3) вокруг солнечной шестерни (1), при этом расположенные между ними планетарные шестерни вращаются вокруг собственной оси (рис. 14 «Планетарная передача«). Такая схема движения в принципе напоминает вращение планет вокруг солнца.
 |  |
При оснащении каждой из этих деталей коробки передач соединительным валом (рис. 15), а также муфтами свободного хода или тормозами, можно получить различные соотношения взаимного перемещения деталей планетарного механизма, а, следовательно, различные варианты передаточных отношений (см. таблицу 1).
Примечание: количество зубьев коронной шестерни обозначается знаком «-», поскольку коронная шестерня имеет внутренний зубчатый венец.
Вращение блоком (вариант 7 в таблице 1) достигается за счет жесткого соединения солнечной и коронной шестерней, в результате чего водило с планетарными шестернями вынуждено вращаться с такой же частотой.
 |  |
На практике в автомобилях используются в основном планетарные передачи с одной определенной точкой отбора мощности. Это означает, что количество возможных передаточных отношений сокращается с семи до трех.
Передаточное отношение «на замедление» Солнечная шестерня вращается Коронная шестерня неподвижна. Отбор мощности через водило.
Вращение блоком. Коронная шестерня вращается и сблокирована с солнечной шестерней.
Водило вращается с такой же частотой:
Нейтральное положение
Одна часть зубчатой передачи приводится в движение. Все остальные элементы могут свободно вращаться, то есть подвижны и не сблокированы друг с другом.
Составные части планетарные передачи
Если несколько простых планетарных передач конструктивно соединены друг с другом (к примеру, передача Симпсона, рис. 19), такой механизм называют составной планетарной передачей. При грамотном сочетании отдельных элементов коробки передач возникает огромное множество теоретически возможных вариантов передаточных отношений.
Если стоимость составной планетарной передачи снижается за счет:
Планетарная передача Симпсона
Отличительной чертой передачи Симпсона являются простые в техническом отношении зубчатые венцы. Это означает, что в этой конструкции друг с другом соединены два блока планетарных шестерен с одинаковыми солнечными шестернями (Z1 = Z4) одинаковыми планетарными шестернями (Z2 = Z5) и одинаковыми коронными шестернями (Z3 = Z6). В целях уменьшения стоимости чаще всего используется удлиненная солнечная шестерня, общая для обоих блоков планетарных шестерен.
Планетарная передача Равиньо
Очень часто в многоступенчатых планетарных передачах в качестве блоков планетарных шестерен используются блоки Равиньо рис. 20 «Передача Равиньо». Такой «урезанный» блок планетарных шестерен состоит из солнечных шестерен (1 и 2), а также одной коронной шестерни (3) и водила (4), общего для обоих блоков планетарных шестерен.
Переключение передач в планетарной коробке
В планетарной коробке передач одни детали блока планетарных шестерен удерживаются на месте, другие с геометрическим замыканием (жестко) соединены с валом турбины гидротрансформатора крутящего момента (выполняющим роль первичного вала механической планетарной передачи).
Удержание обеспечивается за счет тормозов, а соединение с геометрическим замыканием — за счет соединения многодисковых муфт.
Тормоза и многодисковые муфты в автоматической коробке передач носят общее название органы переключения или элементы переключения передач. Управление ими всегда осуществляется с помощью гидравлического давления.
Тормоза
При включении или затягивании тормозов в рамках переключения передачи солнечные шестерни, водило планетарной передачи или коронные шестерни блокируются (останавливаются), а при выключении или отпускании тормозов снова разблокируются и начинают движение,
В планетарных передачах могут использоваться ленточные или дисковые тормоза.
Ленточные тормоза
По окружности тормозного барабана расположена тормозная лента, имеющая с внутренней стороны фрикционную накладку.
У ленточного тормоза с одинарной обвивкой тормозной лентой тормозная лента обвита вокруг тормозного барабана один раз, а у ленточного тормоза с двойной обвивкой тормозной лентой — два раза, благодаря чему усилие фиксации тормозного барабана при стягивании тормозной ленты в два раза выше, чем у ленточного тормоза с одинарной обвивкой. Ленточный тормоз автоматической коробки передач Opel имеет двойную обвивку тормозной лентой. На рис. 21 «Ленточный тормоз с гидравлическим приводом механизма переключения передач автоматической коробки» изображен ленточный тормоз с одинарной обвивкой тормозной лентой.
Дисковые тормоза
В современных автоматических коробках передач используются только дисковые тормоза. На рис. 22 изображены основные детали дискового тормоза. Стальные диски (2) с наружными захватами вложены в стальную обойму (1) и имеют возможность перемещения в осевом направлении, фрикционные диски (3) с накладками соединены с блоком планетарных шестерен с помощью внутреннего зубчатого венца. Стальная обойма жестко соединена с картером коробки передач (в ZF и Opel такой дисковый тормоз получил название «неподвижной муфты»). По сравнению с ленточными тормозами дисковые тормоза могут передавать более высокие крутящие моменты и более точно регулироваться в отношении передачи усилия.
Муфты
Муфты автоматической коробки передач выполняют следующие функции:
При установлении соединения с жестким геометрическим замыканием говорят, что муфта включается или соединяется. При разъединении соединения с геометрическим замыканием говорят, что муфта выключается или разъединяется.
Как и дисковый тормоз (рис. 22) дисковая муфта состоит из стальных дисков с наружными захватами и фрикционных дисков с накладками и внутренним зубчатым венцом.
На рисунках 23 и 24 схематически изображена муфта переднего хода автоматической коробки передач Audi и VW.
Название муфта переднего хода говорит о том, что эта муфта включается на всех передачах переднего хода. Только в нейтральном положении и на передаче заднего хода муфта разъединена.
Под системой автоматического переключения понимается гидравлический привод тормозов и муфт. Для затягивания и быстрого отпускания ленточных тормозов используются круглые поршни в соответствующих цилиндрах (см. рисунок 21).
Для обеспечения соединения дисковых тормозов и муфт поршни выполнены в виде колец, как показано на рисунках 23 и 24. Отпускание тормозов и разъединение муфт выполняется с помощью тарельчатых или спиральных пружин или с помощью нескольких небольших круглых витых пружин, расположенных по окружности муфты.
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:
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.