Приложения на планетарните редуктори

• Планетарните редуктори се използват в медицинско оборудване, строителни машини, в металообработващи машини, конвейерни системи и много други
  
  
• Съществен фактор за избор на редуктор с определено предавателно отношение е неговото предназначение
  
  
• Планетарният редуктор отговаря на всички изисквания за моделиране на приложения със сервомотори

Постигането на по-висока ефективност на една машина означава по-малко изразходван ресурс за извършване на повече работа. Влагането на този принцип в машиностроенето, а с особена сила това важи за автомобилостроенето, означава понижаване на вредните емисии от механизацията вследствие на оптимизирано използване на двигателния механизъм, било то електродвигател или ДВГ.

Намаляването на вредните емисии, отделяни в атмосферата от транспорта е важно, тъй като транспортът е отговорен за почти 30% от общите емисии на CO2 в ЕС, а сухопътният транспорт има дял от 72% от емисиите от транспорта. Като част от усилията за намаляване на емисиите Европейският съюз си е поставил за цел съкращаване на емисиите от транспорта с 60% спрямо нивото от 1990 г. до 2050 г. Намаляването на емисиите е в пряка закономерност с понижаването на разхода на гориво. Едно решение на тази задача може да бъде намерено в разработването на ефективни редукторни механизми, които да оптимизират разхода и същевременно да осигурят необходимата мощност и прецизност на предаване на движението. Съвременни решения например позволяват чрез групи планетарни предавки да се повишат предавателните числа, което от своя страна подобрява коефициента на полезно действие. Планетарните редуктори осигуряват отлично прецизно предаване на въртящия момент без вибрации и ниски нива на шум, като същевременно са с по-компактни размери от тези на други редукторни устройства.

Характерно за тях е, че в кинематичната им схема са включени зъбни колела с подвижна геометрична ос, наречени планетарни (сателитни). Със своето вътрешно цилиндрично разположение на компонентите и съосен вал, планетарните предавателни механизми са най-добрата и компактна алтернатива на редукторите с пиньон и зъбни колела, тъй като са подходящи за широк спектър от приложения – от задвижвания на булдозери до електрически отвертки. Винаги когато теглото и пространството спрямо големия въртящ момент са съществени аргументи за избора на редуктор, везните натежават в полза на планетарните редуктори. Разбира се, за избор на подходящ редуктор, задължително е доброто разбиране на тяхната функционалност и особености. Изследването на механиката и конструкцията на планетарните редукторни възли разкрива някои от по-малко очевидните характеристики, които играят роля в този избор.

Устройство и кинематична схема на планетарните редуктори

Планетарният редуктор е вид епицикличен редуктор, при който се използват предавки с една степен на свобода. При този тип предавателен механизъм задвижваната и задвижващата секция имат една ос на въртене. За своите размери и маса планетарните редуктори притежават много големи редуциращи възможности. Те имат широко приложение в автомобилостроенето като основен компонент на автоматичните трансмисии, но това далеч не изчерпва приложимостта на механизма.

В центъра на епицикличните предавки има централно зъбно колело с външни зъби, което се върти около неподвижна ос – слънчево колело. То представлява централно колело за предавателния механизъм, като освен него централно за механизма е разположено колело с вътрешни зъби (епициклично колело или корона), което също се върти около неподвижна ос, т.е. двете колела се въртят около една и съща ос. Между слънчевото колело и короната са разположени планетарни зъбни колела, като те извършват сложно движение – освен около собствената си ос, те се въртят и около оста на централните колела.

Епицикличните зъбни механизми се отличават с това, че при тях осите на планетарните колела са поставени на така нареченото водило. Въртейки се около геометричната ос на механизма, то служи за лагеруване на планетарните колела. С други думи планетарните зъбни колела извършват сложно движение, състоящо се от една ротация около своята геометрична ос и същевременно заедно с водилото – ротация около централната геометрична ос на механизма. Зацепването на планетарните зъбни колела с централните (слънчевите) колела е външно и вътрешно. Планетарните редуктори се изработват с едно, две и повече стъпала, а също така и с едно, две и повече планетарни колела, с един, два и повече редове и т.н.

Предавателното отношение на планетарните редуктори пряко зависи от вида на редуктора и от броя на зъбите на колелата. Кинематичният анализ се извършва чрез метода за спиране на движението на водилото (метод на Уилис). За целта на целия механизъм се задава мислено допълнително завъртане с ъглова скорост, равна на тази на водилото, но с обратен знак. Това довежда до спиране на движението на водилото и до задвижване на неподвижното централно колело. Така се получава обикновен двустъпален зъбен механизъм, защото всички геометрични оси на зъбните колела са неподвижни, а планетарните зъбни колела се превръщат в паразитни.

Чрез този метод се създава възможност да се изследва относителното движение на зъбните колела спрямо водилото.
Определящият фактор за избор на редуктор с определено предавателно отношение е неговото предназначение. От задачата, която той ще изпълнява, зависи броят на зъбите на колелата. Освен предназначението на редуктора от съществена важност за избора са пространството, което ще заема, ограниченията за неговата маса, цената и дали предаваният въртящ момент ще бъде прецизно зададен или е произволен. Когато натоварването е равномерно, материалът на двете зацепващи зъбни колела е необходимо да осигурява еднаква якост на огъване. Когато обаче предаването на въртящия момент е променливо, или когато са налице периодични удари при работата на задвижваната машина, едни и същи зъби на малкото зъбно колело поемат ударите.

Ефективност на планетарните предавателни кутии

Съвременните усъвършенствани процеси на производство на планетарни редуктори позволяват те да бъдат използвани широко в различни приложения като опаковъчни машини, CNC фрези, рутери, сервоконвейери, подаващи устройства и др.

Планетарните редуктори се влагат в конструкцията на медицинско оборудване, строителни машини, в металообработването, като оборудване за автоматично заваряване, в конвейерни системи, оборудване за хранително-вкусовата промишленост, като автоматични миксери, и много други. Планетарните редуктори са идеалният избор, който успява да отговори на всички конструктивни изисквания на сервомотори с различни приложения. По отношение на плътността на въртящия момент планетарните механизми позволяват най-висок номинален въртящ момент. Номиналният въртящ момент се отнася до максимално допустимия постоянен въртящ момент, който може да действа върху изходящия вал в системата, който се определя или от постоянната мощност на двигателя, или от постоянното натоварване на системата на редуктора.

Тъй като в планетарната предавка едновременно се извършва зацепване на множество зъби, се постига изключително високопроизводително намаляване на скоростта за относително малка и компактна конструкция. В рамките на процеса има ниска инерция, която се отразява обратно към сервомотора. Натоварването се разпределя безпроблемно между тези зъби, което позволява на редуктора да предаде по-висок въртящ момент и да осигури голямо редуциране на скоростта за различни сервоприложения.

Планетарните редуктори позволяват различен избор на предавателно число, като могат да бъдат изработени различни варианти на прецизност. Високият клас съвременни редуктори не се нуждаят от поддръжка благодарение на висококачествени системи за смазване. Високоефективните конструкции осигуряват голям въртящ момент и ниски нива на шум при работа. Размерите им са компактни в сравнение с конвенционалните решения, което спестява място при инсталация.

Съвременните транспортни средства и машини, работещи с трансмисия, се нуждаят от повече предавателни числа, за да се постигне най-ефективна работа на двигателя. Кинематичните свойства на планетарните предавателни механизми позволяват изпълнението на конфигурации с повече предавателни числа без увеличаване на броя на предавките. Често се изисква той да бъде възможно най-нисък и по тази причина е важно да може да се получат повече предавателни числа с по-малко предавки.

Оптималната работа на една транспортна машина зависи от разхода на гориво, мощността и динамичните й характеристики. Една трансмисия с подходящи технически параметри може да подобри представянето с оглед на мощността и скоростта, както и да повиши ефективността на разход на гориво на една машина. Това се постига чрез залагане на оптимално предавателно отношение за предвиденото натоварване при съобразяване на различните технически ограничения и условията на експлоатация. Постигането на конкретно предавателно отношение обаче става с отделна предавка. Едно неоспоримо предимство на планетарните редуктори е, че кинематично позволяват получаване на повече предавателни числа от броя на предавките.

Най-ниската стъпка на редуциране е 3:1, а най-голямата – 10:1. Слънчевото колело става твърде голямо спрямо планетарните зъбни колела при съотношение по-малко от 3 и въртящият момент ще намалее твърде много при отношение по-голямо от 10. Отношенията обикновено са цели числа. Изобретателят на планетарния предавателен механизъм не е известен, но принципите му са обяснени от Леонардо да Винчи през 1490 г.

При аналитичното изследване се определят кинематичното и силовото предавателно число, изразени чрез параметрите на планетарните редове, броят на зъбите на планетарните зъбни колела и коефициентите на полезно действие (КПД), отчитащи загубите в зъбните зацепвания. При определяне на КПД се пренебрегват дисковите загуби, възникващи при преносното движение и загубите от триене в централните лагери на междинните звена, тъй като те по правило при планетарните предавки са разтоварени от радиални усилия.

Често използвани планетарни предавателни механизми

Планетарният редуктор отговаря на всички изисквания за моделиране на приложения със сервомотори. Той се характеризира с дълъг експлоатационен живот и рядко се налага неговото обслужване. Планетарните редуктори имат широко приложение в комбинация със сервомоторни задвижвания.
Планетарните трансмисии, използвани в автомобилостроенето, са съставени от последователно или успоредно свързани планетарни редове и групови планетарни предавки. Примери за широко разпространени в конструирането на автомобилни трансмисии групови предавки са механизмът на Simpson, механизмът на Ravigneaux и механизмът на Lepelletier. Вариантите за свързване на тези планетарни механизми позволяват получаване на повече предавателни отношения.

При автоматичните степенни предавателни кутии планетарните схеми са съчетани с хидротрансформатор и фрикционни елементи с хидравлично притискане за превключване под товар. На основата на тристепенните механизми на Simpson и Ravigneaux или техни разновидности чрез добавяне на още планетарни редове и фрикционни елементи са получени четири-, пет- и шестстепенни планетарни предавателни кутии на повечето автомобили с автоматични трансмисии.
В приложения за автомобилни трансмисии най-често използваните планетарни предавателни механизми дълго време е бил механизмът на Simpson, който представлява групова планетарна предавка, състояща се от два обикновени унифицирани планетни реда (с еднакви зъбни колела), свързани в тристепенен механизъм, в комбинация с два съединителя и две спирачки. Слънчевите колела са разположени на един и същ вал и често се изработват като едно по-широко зъбно колело.

При този тип свързване зъбите се натоварват равномерно, което осигурява дълъг живот на предавката. Планетарните редуктори на Simpson имат много висок КПД на предавката. Планетарните редуктори осигуряват три предавки напред и една задна, плюс неутрална, и обикновено се използват в три- и четиристепенни скоростни автоматични трансмисии.

В по-модерните конструкции на трансмисии се използва по-сложен планетарен механизъм като Ravigneaux (създаден от Пол Равиньо), който се комбинира с един и два стандартни механизма. По този начин броят на предавките се увеличава на пет. Той е компактен и включва два планетарни реда с обща корона, сдвоени планетарни колела, лагеруващи на общо водило, едно голямо и едно малко слънчево колело, между които се осъществява още по-сложно предаване на мощността.

Недостатък е наличието на две различни слънчеви колела, което не позволява унифициране на редовете. От друга страна, за разлика от редукторния механизъм на Simpson, Ravigneaux разполага с една корона по-малко, което намалява разходите на средства и време за производството му.
Механизмът на Lepelletier е епицикличен механизъм с три степени на свобода на предаване, съставен от групова планетарна предавка, която свързва един обикновен планетарен ред с механизъм на Ravigneaux чрез изходящия вал на реда, което дава възможност той да бъде максимално скъсен и устойчив на напрежения. Кинематичната схема на този механизъм позволява слънчевите колела и водилото на груповата предавка да бъдат задвижвани с различни ъглови скорости, тъй като слънчевите колела са задвижвани от изхода на обикновения планетарен ред, а водилата се задвижват от входа към трансмисията.