Do XX wieku przemysł motoryzacyjny opracował rozmaite rozwiązania w zakresie przenoszenia napędu na bazie przekładni mechanicznych, hydraulicznych, elektrycznych i pneumatycznych, jak również sposoby ich łączenia. Tematem tego artykułu jest układ mechaniczny, o którym pisze się stosunkowo rzadko, choć jest on integralną częścią układu napędowego wielu współczesnych pojazdów.

Kilka słów o przekładni planetarnej

Aby zrozumieć znaczenie tego układu, przyjrzyjmy się jego wnętrzu.

O ruchu planetarnym mówimy, gdy koło zębate obraca się wokół własnej osi, a jego środek ciężkości wykonuje jednocześnie ruch postępowy. Ten ruch postępowy ma zazwyczaj charakter cykliczny, powtarzalny.

Ruch przekładni planetarnych jest bardzo podobny do ruchu Ziemi wokół Słońca, z tą różnicą, że w przekładniach planetarnych stosowanych w samochodach obie osie obrotu są zawsze równoległe – w przypadku Ziemi i Słońca tak nie jest.

Części przekładni planetarnej

Konstrukcja przekładni planetarnej może być bardzo zróżnicowana. Dla lepszego zrozumienia jej zasady działania, prezentujemy jej uproszczoną wersję.

Koła planetarne (w kolorze niebieskim) mają bezpośredni kontakt z wałem wejściowym (w kolorze zielonym), a koło zębate pierścieniowe (w kolorze szarym) jest nieruchome.

Przełożenie wału wejściowego i kół planetarnych określa prędkość obrotową koła centralnego i wału wyjściowego (czerwonego).

Wyjątkową cechą konstrukcji przekładni planetarnej jest to, że można zahamować dowolną jej część, a dwie pozostałe będą w dalszym ciągu się poruszać (przy założeniu odpowiednich parametrów).

Typy przekładni planetarnych

Uproszczona wersja pokazana na rysunku powyżej to przekładnia planetarna typu P(P)N, która dzieli się na poszczególne podwersje (np. P(PP)N, P(PP)P, N(PP)N, itd.), które stosowane są przede wszystkim w automatycznych skrzyniach biegów, ale można je spotkać również w innych miejscach. Znaki N i P oznaczają dodatni i ujemny kierunek obrotu.

Schemat kinematyczny tych czterech wersji można zobaczyć w dwóch pierwszych rzędach powyższego rysunku (na obrazku pokazano dla uproszczenia tylko jedną połowę przekładni planetarnej).

W trzecim rzędzie widzimy przekładnię planetarną typu P(P)P, znaną również jako przekładnia różnicowa. W tym przypadku dwa koła centralne mogą być połączone z prostym (nie podwójnym) kołem planetarnym poprzez przechylenie przekładni planetarnej, co stworzy miejsce dla drugiego koła dodatniego.

Przełożenia

Chociaż większość opisów, wyjaśnień i analiz kinematycznych zawsze uwzględnia tylko jedno koło planetarne, w rzeczywistości zawsze jest ich więcej, co najmniej trzy równoległe (jak na pierwszym rysunku) koła planetarne, choć może być ich nawet aż 10-12.

Znaczenie ma to, że przenoszony moment obrotowy wzrasta tyle razy, ile wynosi liczba zainstalowanych kół planetarnych, przy czym wymiary zewnętrzne przekładni planetarnej nie ulegają zmianie. Jest to jedna z największych zalet przekładni planetarnych: wysokowydajna przekładnia w obudowie o niewielkiej objętości.

Przekładnie planetarne występują nie tylko w układzie równoległym. Możliwe jest połączenie ich po dwa w rzędzie. Oznacza to, że każde koło planetarne jest połączone bezpośrednio tylko z jednym kołem centralnym.

Podwojenie liczby kół planetarnych w danym łańcuchu zasadniczo zmienia kinematykę przekładni planetarnej, ponieważ przynajmniej jeden kierunek obrotu staje się przeciwny.

W związku z tym można również zmienić kierunek obrotów wału wyjściowego. Podwójne przekładnie planetarne można stosować w układach nawrotnych, w którym zamiast pojedynczego zestawu kół planetarnych połączonych z kołem pierścieniowym występują dwa zestawy. Jeśli istnieją dwa zestawy kół planetarnych, to oczywiście oba koła środkowe mogą pełnić funkcję kół centralnych. Te dwa przykłady można zobaczyć w ostatnim rzędzie powyższego rysunku.

Może się to wydawać dziwne, ale poniższy rysunek również przedstawia szczególny rodzaj układu planetarnego. Ponieważ w tego typu przekładni planetarnej można zainstalować tylko jedno takie koło, nie nadaje się ono do przenoszenia mocy, gdyż uniemożliwiałoby to jej zwielokrotnienie. Układ na bazie takiego rozwiązania znany jest jako silnik Wankla.

Przekładnie nie muszą znajdować się w obrębie źródła zasilania, bo moc wejściowa może pochodzić ze spalania mieszanki paliwowo-powietrznej.

Zalety i wady przekładni planetarnych w praktycznym zastosowaniu

We wcześniejszej części artykułu omówilismy już kilka funkcji, a teraz opiszemy pozostałe.

Przekładnie planetarne zapewniają wysoką gęstość mocy w porównaniu do przekładni z wałem równoległym, ponieważ mogą osiągnąć wiele przełożeń przy stosunkowo niewielkiej masie i objętości. Wady to duże i ciągłe obciążenia łożysk, potrzeba stałego smarowania, konieczność uciążliwych napraw i złożoność konstrukcji.

W przekładni planetarnej strata sprawności na jedno koło zębate wynosi zazwyczaj około 3%, co jest uważane za bardzo dobrą wartość. Dzięki wysokiej sprawności, większość energii wejściowej (około 97%) jest przekazywana przez przekładnię, a nie marnowana na straty mechaniczne w przekładni.

Przekładnia planetarna jest również stabilna, dzięki równomiernemu rozkładowi masy i zwiększonej sztywności obrotowej. Moment obrotowy przyłożony promieniowo do kół zębatych jest przenoszony promieniowo bez bocznego nacisku na zęby kół.

Przekładnia planetarna porusza się w inny sposób niż konwencjonalne przekładnie równoległe. Konwencjonalne przekładnie przenoszą siłę napędową, dzięki niewielkiej liczbie punktów styku pomiędzy dwoma kołami zębatymi. W tym przypadku całe obciążenie koncentruje się na małej powierzchni stykowej, więc koła zębate zużywają się szybko, a czasem nawet pękają. Z powyższego wynika, że w przypadku przekładni planetarnych wielkość powierzchni styku jest znacznie większa, a obciążenia rozkładają się bardziej równomiernie.

Dzięku temu układ znacznie lepiej znosi chwilowe duże siły wejściowe i jest bardziej odporny na uszkodzenia spowodowane wysokim momentem obrotowym.

Elementy obudowy i łożyska są również mniej narażone na uszkodzenia w wyniku dużych obciążeń, ponieważ tylko łożyska planetarne generują znaczne siły boczne podczas przenoszenia momentu obrotowego, siły promieniowe są przeciwstawne i zrównoważone.

Początki przekładni planetarnych sięgają maszyny zwanej orbitą epicykloidalną zbudowanej w 1650 r. Idea ta jest stosowana w dalszym ciągu w dzisiejszych układach, choć stopień ich skomplikowania znacznie się zwiększył.