Мир планетарных передач
Планетарная передача - это механическая передача на основе вращательного движения, способная в пределах одной оси изменять, складывать и раскладывать угловые скорости и крутящий момент.
Планетарные передачи имеют небольшие размеры, обеспечивают большое передаточное отношение и крутящий момент, превосходя по характеристикам зубчатые передачи с фиксированной осью.
Простой планетарный редуктор изображен со стороны подачи момента. Двойные роликовые подшипники на выходе позволяют изолировать прямозубые шестерни от воздействия внешних поперечных нагрузок. Основой планетарной передачи является водило.
Планетарная передача имеет соосные валы и корпус цилиндрической формы, являясь компактной альтернативой стандартным редукторам на основе колеса и шестерни. Планетарная передача используется во многих устройствах — от электрических шуруповертов до силовых приводов бульдозеров, то есть в оборудовании, к которому предъявляются повышенные требования по компактности и легкости при обеспечении больших передаточных отношений и крутящего момента. Разберемся в принципах работы планетарной передачи. Рассмотрев конструкцию и механику планетарных редукторов, можно выявить несколько не очевидных на первый взгляд факторов.
Конфигурация
Типичная планетарная передача включает в себя три группы зубчатых колес с различными степенями свободы. Планетарные шестерни (сателлиты) вращаются вокруг осей, которые, в свою очередь, вращаются вокруг солнечной шестерни, имеющей фиксированную ось вращения. Большое центральное зубчатое колесо с внутренними зубьями (эпицикл) имеет фиксированное положение и входит в зацепление с сателлитами. Концентричность сателлитов относительно солнечного колеса и эпицикла позволяет передавать крутящий момент по прямой линии. Многие силовые передачи «удобно» выровнены по прямой линии, а отсутствие смещенных валов не только экономит пространство, но и избавляет от необходимости перенаправления мощности или изменения расположения других элементов.В простой планетарной передаче входная мощность проворачивает солнечное колесо с частотой вращения. Сателлиты, расположенные вокруг центральной оси вращения, входят в зацепление и с солнечным колесом, и с эпициклом, поэтому они вращаются по орбите. Все сателлиты монтируются на одном вращающемся звене, называемом водилом. При этом водило вращается с низкой частотой и высоким крутящим моментом.
Однако, использование фиксированного элемента не обязательно. В дифференциальных передачах все элементы вращаются. Подобные планетарные передачи позволяют реализовать механизм с одним выходом и двумя источниками крутящего момента, либо систему с одним источником момента и двумя выходами. Например, в автомобилях используется приводной дифференциал, который представляет собой коническую планетарную передачу — используются две выходные оси для передачи крутящего момента на колеса автомобиля, которые вращаются независимо с учетом угла расположения колес. Механизмы с коническими планетарными передачами работают по принципу, аналогичному механизмам с параллельными валами.
Даже простая планетарная передача имеет два входа; фиксированный эпицикл имеет постоянную нулевую угловую скорость.
Конструкторы имеют возможность использовать более сложные планетарные механизмы. Сложные планетарные передачи включают в себя минимум два сателлита, установленных в линию на одном валу и вращающиеся вокруг своей оси и по орбите с одинаковой скоростью, но входящими в зацепление с разными шестернями. Такие сателлиты могут иметь различное число зубьев, как и шестерни, с которыми они входят в зацепление. Подобные реализации обеспечивают дополнительные возможности с точки зрения механики узлов и позволяют значительно увеличить передаточное отношение каждой ступени. Сложные планетарные передачи легко могут быть скомпонованы таким образом, чтобы водило вращалось с высокой скоростью, но при этом редуцирование осуществлялось от солнечного колеса. Кроме того, сателлиты могут входить в зацепление (и вращаться вокруг) одновременно с подвижными и с неподвижными внешними зубчатыми колесами, поэтому использование эпициклической шестерни не является обязательным.
Увеличение степени редуцирования
2. Планетарная передача (приводное солнечное колесо)
Сателлиты имеют небольшой размер и большое количество зубьев, поэтому выходной вал может сделать один оборот за определенное количество оборотов приводного вала. Для реализации сравнимого передаточного отношения с использованием обычной передачи необходимо использовать колесо большого размера, которое будет входить в зацепление с маленькой шестерней.
Простая планетарная передача, как правило, имеет передаточное число до 10:1. Сложные планетарные механизмы, имеющие гораздо более замысловатые конструкции, могут обеспечивать значительно большую степень редуцирования. Очевидным решением для увеличения (а иногда и для уменьшения) степени редуцирования является последовательная установка планетарных ступеней. В данном случае выход первой планетарной ступени соединяется со входом следующей, в результате чего общее передаточное отношение редуктора повышается.
Другим вариантом является встраивание обычной зубчатой передачи в планетарную. Например, входной вал с высокой частотой вращения может соединяться со стандартной передачей с фиксированными осями вращения, после чего крутящий момент передается на планетарную передачу. Такая конфигурация называется гибридной и является упрощенной альтернативой установке дополнительных планетарных ступеней, либо применяется в случаях, когда частота вращения входного вала оказывается слишком высокой для планетарной передачи. Кроме того, такое использование обычной передачи требует смещения оси вращения. Для получения необходимого угла на входе планетарной передачи иногда используются конические или гипоидные передачи. При этом комбинирование червячной передачи с планетарной является более редким, поскольку червяная передача сама по себе имеет значительное передаточное отношение.
Передача крутящего момента
3. Передача с фиксированными осями (с приводной шестерней)
Поскольку сателлиты планетарной передачи входят в зацепление с солнечным колесом и эпициклом в нескольких местах, для перемещения нагрузки задействуется большее число зубьев по сравнению с обычными передачами. Благодаря этому планетарная передача состоит из зубчатых колес меньших размеров (но включает большее их количество). Аналогично, радиальные плечи водила передают значительный момент на выходной вал — это другое преимущество концентрической компоновки механизма.
Менее очевидным, но более значительным является тот факт, что благодаря нескольким равномерно расположенным сателлитам (типовая реализация) подшипники выходного и входного валов испытывают меньшие радиальные нагрузки, появляющиеся в результате действия радиальных и тангенциальных ответных сил, поскольку эти силы отсутствуют. Кроме того, поскольку на подшипники не действуют подобные силы, существует меньшая вероятность повреждения корпуса.
С увеличением числа сателлитов улучшаются нагрузочные характеристики и жесткость на скручивание; чем более рассеянной является нагрузка, тем меньше изнашиваются и повреждаются зубья шестерен. Обычно в планетарных передачах используются три сателлита, зачастую — большее количество, а иногда и меньшее. При этом повторимся, что, как правило, сателлиты равномерно расположены вокруг солнечного колеса.
Для восприятия нагрузок, превышающих возможности прямозубых передач, могут использоваться косозубые передачи сравнимого размера и характеристик, поскольку зубья их шестерен расположены под углом, что обеспечивает вхождение в зацепление большего количества зубьев одновременно. Однако косозубые планетарные передачи подвержены радиальным нагрузкам, которые не нивелируется сателлитами, поэтому подшипники должны быть рассчитаны с учетом этих дополнительных нагрузок.
Износ
Говоря о сроке службы, следует отметить, что планетарные передачи прекрасно распределяют нагрузку между основными элементами, о чем свидетельствуют их небольшие размеры. Если используются компоненты одинакового качества, потенциально слабым местом являются подшипники, на которых крепятся сателлиты.
Часто пространство для установки редуктора весьма ограничено, но планетарные передачи имеют компактные размеры и в них используются подшипники малых типоразмеров в сравнении с обычными передачами с большими подшипниками. Также не стоит забывать о том, что сателлиты нивелируют радиальные нагрузки только на центральные валы; фактически, подшипники отдельных сателлитов, приводящих в движение водило, подвержены радиальным нагрузкам.
В этих подшипниках может наблюдаться термическая и циклическая усталость, обусловленная ограниченным распределением нагрузки и высокой частотой вращения. Более того, большие частоты вращения и тяжелые сателлиты становятся причиной возникновения центробежной силы, значительно увеличивающей нагрузку на механизм. Однако это не означает, что степень надежности подшипников сателлитов не может превышать надежность других элементов. Очевидно, что использование высококачественных прецизионных подшипников при посредственном качестве зубчатых колес не соответствует принципу равномерности качества элементов механизма.
Балансировка сателлитов
Нагрузка на сателлиты в реальных рабочих условиях не является идеально сбалансированной. Один из сателлитов может случайным образом оказаться ближе или дальше от оси солнечного колеса, либо ось водила может иметь небольшое отклонение. При низком качестве изготовления и увеличении числа сателлитов степень разбалансированности увеличивается.
В некоторых случаях дисбаланс не оказывает значительного влияния и является допустимым для нормальной работы механизма. Сателлиты могут притираться и, в результате, более равномерно распределять нагрузку. Однако некоторые конструкции могут быть чувствительны даже к небольшой разбалансировке и требуют применения высокоточных элементов и узлов; точное расположения осей сателлитов вокруг оси солнечного колеса может являться ключевым фактором надежности и работоспособности механизмов.
Другими способами балансировки является использование плавающих балансиров или «мягких» вспомогательных элементов, допускающих небольшое радиальное перемещение солнечного колеса или водила. В данном случае элементы могут непрерывно сдвигаться для более равномерного распределения нагрузки. Такая схема является достаточно распространенной, однако жесткая сборка имеет определенные преимущества, поэтому решение не всегда является очевидным.
Шум
4. На рисунке показан пример соосного дифференциала, включающего в себя сложную планетарную передачу со всеми вращающимися компонентами. Составные сателлиты вращаются с одинаковой скоростью, входя в зацепление с двумя различными солнечными колесами. Эти колеса являются косозубыми. В данном случае в качестве водила выступает корпус дифференциала. В конструкции отсутствует эпицикл и два солнечных колеса посажены на два отдельных концентрических вала.
Планетарная передача не является излишне шумной, причем зачастую она работает даже тише, чем обычная зубчатая передача. Зубчатые колеса меньшего размера являются причиной меньшей окружной скорости на начальной в сравнении с обычными передачами. Однако, большое число зубьев сателлитов, вступающих в зацепление с каждым оборотом вала, генерирует шум, особенно на высоких скоростях. При этом зацепление на круговой орбите еще более усложняет ситуацию. Очевидным решением является использование прямозубых шестерен высокого качества. Однако применение косозубых шестерен с постепенным зацеплением в некоторых случаях может оказаться более предпочтительным решением.
Другим способом снижения шума является проектирование механизма таким образом, чтобы обеспечить смещение фазы выхода из зацепления сателлитов относительно друг друга. Также может помочь демпфирование, предотвращающее появление резонанса.
Нагрев
5. Показанные на рисунке редуктор состоит из трех различных типов передач, включая простую косозубую планетарную передачу для передачи момента под прямым углом. Рассмотрим роль каждого типа передач: обычная косозубая является причиной нарушения соосности валов (нравится вам это или нет), но отлично подходит для восприятия высокой частоты вращения на входе и немного понижает его частоту; коническая передача плавно и эффективно поворачивает угол с дальнейшим снижением частоты вращения; компактная планетарная передача обеспечивает окончательное снижение частоты вращения, обеспечивая высокий крутящий момент.
Планетарная зубчатая передача, работающая на высоких скоростях в непрерывном режиме, генерирует большое количества тепла, которое требует отвода. В обычной зубчатой передаче для работы под нагрузкой зачастую требуется применение больших зубчатых колес с соответствующей площадью поверхности, через которую и отводится тепло. Компактность планетарной передачи ограничивает отвод тепла, что требует дополнительного теплоотвода; для этого может использоваться вентилятор или система циркуляции жидкости через теплообменник. При непрерывной работе механизм имеет меньше возможностей для охлаждения, поэтому при недостаточном теплоотводе в такой планетарной передаче вы будете вынуждены снизить допустимую частоту вращения. Либо, как уже упоминалось выше, перед планетарной передачей можно использовать передачу другого типа для снижения входной частоты вращения, несмотря на то, что это усложняет конструкцию.
Диапазон частоты вращения планетарной передачи в значительной степени зависит от конкретного применения. Зачастую, размер редуктора сильно влияет на максимально допустимую частоту вращения, поскольку высокая окружная скорость на начальной окружности может привести к повышенному тепловыделению, превышающему охлаждающий эффект большой площади поверхности. Действительно, существуют планетарные передачи, которые работают на частоте в несколько десятков тысяч оборотов в минуту.