Устройство планетарной втулки

Особенности велосипедов с планетарной втулкой

Планетарные втулки имеют долгий срок службы, не требующий дополнительного техобслуживания. Любителям экстрима следует знать, что такой тип велосипедов не предназначен для их использования в соревнованиях, езде по горной местности и плохим дорогам. Многие велосипеды оснащены втулками с семью и восемью скоростями, но на старых и более дешевых экземплярах можно встретить механизм с тремя передачами.

Некоторые модификации планетарных втулок имеют заднюю передачу, которая будет полезна для трехколесного велосипеда. Есть механизмы с фиксированной передачей, не имеющей свободного хода, которые хорошо подходят для зимней езды и тренировок.

На современном рынке есть в продаже втулки с максимальным количеством 14 передач, которые способны составить конкуренцию дерайлерам.

На байк с планетарной втулкой ставится надежная защита цепи велосипеда, которая увеличит срок ее эксплуатации и снизит на нет риск загрязнения одежды.

Плюсы и минусы планетарного редуктора

Устройство является популярным, так как обладает рядом положительных качеств:

• компактность – не требуется много места и времени для установки;
• имеет небольшой вес;
• создаёт меньше шума при работе, чем в обычные редукторы;
• нагрузка на валы и опоры небольшая, это позволяет сделать опорную конструкцию проще, тем самым снизить затраты;
• обладает большими передаточными отношениями.

Дифференцированная передача приводит в устройствах сложенное или разложенное движение, которое используется в металлургических станках.

Планетарный редуктор имеет и ряд недостатков:

1. Требования к изготовлению редукторов высокие. Необходима точность, ведь зубчики должны плотно соприкасаться, но легко двигаться, поэтому они сложнее в сборке, чем другие типы передач.
2. Стоимость выше, чем цена других редукторов.

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:

• солнечная шестерня;
• коронная шестерня
• сателлиты;

Само свое название планетарный механизм получил благодаря особенности размещения шестерен (подобно планетам вокруг солнца). Схема устройства предполагает, что в центре расположена солнечная шестерня, вокруг которой вращаются сателлиты. Сателлиты связаны между собой водилом, снаружи сателлитов установлена коронная шестерня. Указанные виды шестерен связаны с входным или выходным валом.

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:

• в первом типе блокируется только один тип шестерен (одноступенчатая планетарная передача);
• во втором возможна блокировка разных видов шестерен (многоступенчатая планетарка);

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.

Принцип работы таков, что сателлиты вращаются с одинаковой скоростью, однако солнечные шестерни могут иметь разную скорость вращения, причем отличную друг от друга. Однако если сложить скорости, сумма всегда является одинаковой.

Идем далее. Планетарная передача также лежит в основе гидромеханической планетарной коробки передач АКПП. Если просто, общий принцип работы также основывается на вращении трех типов шестерен. При этом устройство намного сложнее, так как современная коробка передач требует от 5-и до 6-и передач для движения вперед. Вполне очевидно, что на одном планетарном механизме невозможно реализовать такую задачу.

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.

Как правильно переключать передачи при движении на велосипеде

Странно? Ничуть. Планетарный механизм имеет сходство с механической КПП машины, а там ведь тоже при переходе с одной передачи на другую газ отпускается. А «газ» для велосипедиста – это кручение педалей.

Переходить с одной передачи на другую нужно немного заранее, и делается это так:

• Велосипед движется накатом, усилия на педали минимальны.
• С помощью ручки переключается передача.
• Через несколько оборотов колес (около 2 секунд) можно педалировать.

Езда в гору сопровождается переходом на пониженную передачу, то есть передаточное отношение должно быть меньше, чем до перехода. На трехскоростных планетарках это просто: перейти на первую передачу. С другими вариантами вполне нормальным будет переключиться, например, с третьей на вторую.

На повышение нужно идти последовательно, то есть сначала первая, затем вторая и так далее. При сбросе скоростей можно перешагивать. В однообразных условиях, где нельзя развить скорость (тротуар с пешеходами, например), лучше применять только главную передачу без переключений.

Велосипеды с планетарными втулками способны преодолевать значительные расстояния без большого количества спусков и подъемов, поэтому их часто можно встретить в больших городах с развитой сетью дорог и населенных пунктах на ровной местности. Такой вариант трансмиссии идеально подойдет тем, кто не хочет постоянно возиться с кассетами и цепями и при этом часто ездят по городу, загородным поселкам и равнинным трассам.

Переключение скоростей применяется на велосипедах практически всех видов. Данный механизм расположен на заднем колесе. Один из таких видов – это планетарная втулка для велосипеда. Как она устроена и стоит ли ее использовать?

Важно! Главное отличие планетарной трансмиссии от звездочной, которую можно легко , заключается в том, что механизм спрятан внутри втулки, а не располагается около колеса – это защищает его элементы от внешних воздействий, делает его более надежным и долговечным. Планетарная втулка для велосипеда состоит из набора шестеренок. По устройству она довольно сложна, так как работает по принципу автомобильной коробки передач

По устройству она довольно сложна, так как работает по принципу автомобильной коробки передач.

Планетарная втулка для велосипеда состоит из набора шестеренок. По устройству она довольно сложна, так как работает по принципу автомобильной коробки передач.

Механизм включает в себя следующие элементы:

• солнечная шестерня, жестко сцепленная с осью колеса;
• планетарные шестерни, или сателлиты;
• водило – соединяет и фиксирует сателлиты;
• эпицикл – кольцевая шестеренка.

Снаружи корпуса трансмиссии расположена единственная звездочка, соединенная с механизмом посредством шлицевого привода. При переключении передачи ручкой на руле он изменяет скорость вращения водила относительно эпицикла.

У втулки самого простого типа имеется три передачи, которые работают следующим образом:

1. Пониженная – эпицикл зацепляется за сателлиты, которые вращают солнечную шестерню. На каждые 4 оборота звездочки колесо совершает 3 оборота.
2. Прямая – эпицикл соединен с солнечной шестерней напрямую, минуя передаточные шестеренки, благодаря чему достигается соотношение вращений колеса и звездочки 1:1.
3. Повышенная. При ее включении механизм работает наоборот – звездочка передает усилие на планетарные шестерни, которые вращают эпицикл, момент от которого передается на солнечную шестерню. За счет этого передача повышается на 33–36%.

В зависимости от количества сателлитов передач может быть от 3 до 14, но наиболее распространены планетарные втулки велосипеда, устройство которых обеспечивает наличие 5 или 7 скоростей.

Но если вы только собрались приобретать велосипед, перед вами также будет сложная задача: какой выбрать. Можете отдать предпочтение одной из или же попробовать подобрать , если вы уже находитесь в почетном возрасте.

На каких велосипедах используется

Планетарные втулки ставятся на городские велосипеды, предназначенные для ежедневной езды на работу, или прогулочные, созданные для размеренной езды по городу. На ровных асфальтированных трассах или специальных велодорожках механизм справляется со своей задачей на ура, регулировать скорости при его наличии – одно удовольствие.

Для наиболее комфортной езды в городской среде специалисты советуют приобретать трех- или пятискоростные, а также 11-скоростные планетарки. По сравнению с обычными, планетарные втулки несколько дороже, однако именно они помогают продлить срок службы цепи и других деталей при частом использовании.

Рейтинг велосипедов с планетарной втулкой для городских прогулок

Многие люди, даже которые регулярно ездят на велосипеде, могут не знать, что такое планетарная втулка. И это даже при том, что у них на байке вполне может быть установлен именно такой механизм. Разберёмся, чем же такое устройство отличается от классического переключателя.

Велосипед с планетарной втулкой представляет собой довольно сложный механизм, состоящий из множества узлов и деталей (более 40). Первое транспортное средство такого типа было разработано ещё в начале XX века компанией SACHS. В Англии с 1902 года такие двухколёсные байки производила компания Sturmey-Archer. В настоящее время такие втулки ставят на транспортные средства серии «комфорт», которые довольно популярны и востребованы среди бюргеров из западной Европы.

Какой же самый лучший велосипед с планетарной втулкой? Будем разбираться.

Принцип работы планетарной передачи втулки велосипеда

Самые простые трёхскоростные втулки используют простую планетарную эпициклическую зубчатую передачу. Солнечная шестерня (желтая на рисунке) прикреплена непосредственно к оси и зафиксирована относительно велосипедной рамы. Три или четыре идентичных «планетарных» шестерёнок сцепляются с «солнечной» шестерёнкой и вращаются вокруг неё. «Планетарные» шестерёнки окружены и сцепляются с зубьями на внутренней поверхности «зубчатого колеса» (вывернутой наизнанку шестерни).

Планетарные шестерни, прикреплённые к детали, называемой «планетарной обоймой», вращаются. При этом зубчатое колесо вращается 4 раза на каждые 3 оборота планетарной обоймы. У разных моделей планетарных втулок это соотношение разное.

Принцип работы планетарной передачи во втулке велосипеда:

• На низкой передаче задняя звёздочка приводит в движение зубчатое колесо (красная на рисунке). Планетарная обойма (зелёная на рисунке) приводит в движение втулку, что даёт понижение передачи. Следовательно заднее колесо вращается три раза на каждые четыре оборота звёздочки, при этом понижая передачу на 25%.
• На средней передаче звёздочка по-прежнему передает усилие на зубчатое колесо, которое непосредственно приводит в движение втулку. Следовательно это прямая передача. Даже несмотря на то, что шестерёнки всегда вращаются, усилие с них далее никуда не передаётся.
• На высокой передаче усилие с задней звёздочки передаётся на планетарную обойму, которое далее через зубчатое колесо приводит в движение втулку. Следовательно заднее колесо вращается четыре раза на каждые три оборота звёздочки, при этом приводя к повышению передачи на 33%.

Планетарные втулки, имеющие больше трёх скоростей, используют не меньше двух блоков планетарных механизмов и / или комбинируют планетарные многоступенчатые шестерёнки, имеющие параллельно несколько рядов зубьев.

В отличии от классических переключателей передач из-за принципа работы планетарной передачи ось планетарной втулки участвует в передаче вращающего момента на всех передачах, за исключением прямой, и поэтому должна быть надёжно прикреплена к раме велосипеда. Обычно для этой цели хватает стопорных шайб между дропаутом и осевой гайкой, но в современных планетарных втулках широкого диапазона используется рычаг обратного действия, крепящийся к нижнему перу заднего треугольника. Втулка с ножным или барабанным тормозом (устанавливаются на городские велосипеды) в любом случае комплектуется рычагом обратного действия.

На большинство велосипедов с планетарными втулками устанавливаются один поворотный, триггерный переключатель, переключатель под большой палец. Исключением являются 5-скоростные планетарные втулки Sturmey-Archer старой конструкции, в которых используется второй трос, переключающий солнечные шестерёнки узкого и широкого диапазонов. Такие втулки конструкционно представляют собой две 3-скоростных втулки в одном механизме. Средняя передача в обоих диапазонах — прямая, так что в итоге втулка даёт пять отдельных передач. Переключение передач на такой втулке реализовано или специальным 5-скоростным переключателем с двумя тросиками, или стандартным 3-скоростным и фрикционным переключателями.

В чем плюсы планетарных втулок

1. Высокая надежность по сравнению с системой переключения передач на основе кассеты. Передачи переключаются быстро и точно. К тому же их можно переключать стоя на месте, в отличие от наружной системы, в которой скорости нужно переключать только в движении.
2. В планетарной втулке можно переключатся между разными скоростями напрямую, а не последовательно как на обычной системе.

Т.е., если необходимо быстро переключится с 1-ой скорости на 5-ю, то на обычной системе нужно последовательно переключать скорости: с первой на вторую, потом на 3, 4 и только потом на 5-ю, что занимает определенное время, то в планетарке можно сразу переключить с первой на пятую.

Правда, все плюсы от такого переключения можно ощутить только на многоскоростных моделях. На модели с тремя скоростями это не так заметно, хотя переключение всё равно происходит быстрее и удобнее чем на стандартном варианте.

Особенно это удобно при езде в городском ритме.

Не нужно практически никакого технического обслуживания.

Вообще эти втулки необслуживаемый компонент. Единственно, в процессе эксплуатации, возможно, придется регулировать натяжение тросика переключения передач, который может растянуться. Зато Вы избавлены от проблемы износа звезд системы, кассеты, цепи, настройке механизма переключения передач и прочих забот.

Использование обычной односкоростной цепи.

На планетарной втулке, как и на односкоростном велосипеде, используются только две звезды – передняя и задняя, и цепь работает без перекосов. В результате одна цепь будет работать всю велосипедную жизнь.

А с учетом того, что односкоростные цепи дешевле своих многоскоростных собратьев и их не нужно регулярно менять – эксплуатация такого велосипеда будет стоить значительно дешевле. А теперь добавьте сюда необходимость так же регулярно, в связи с износом, менять звезды системы и кассеты, их стоимость, а так же стоимость таких работ и станет понятно, что при длительной эксплуатации велосипеда, первоначально более высокая цена планетарной втулки вполне себя оправдывает и окупает.

Её не нужно регулярно мыть и чистить.

Механизм втулки находится в масле в пыле и влагозащищенном корпусе, но грязевые ванны для него все равно нежелательны.

Помните, что обычный механизм переключения передач требует регулярной мойки и чистки от попадающей в него грязи для уменьшения износа цепи и звезд.

Так же при мойке велосипеда струей воды под большим напором, например, на автомойке или домашним кёрхером, не нужно струю воды направлять непосредственно на саму втулку.

Возможность использования ножного тормоза.

Ножной тормоз – один из самых интуитивно понятных, эффективных и надежных. Работает в любую погоду: в грязи, под дождем, на колесах с «восьмеркой» и т.д. Лично мне байки с такими тормозами нравятся больше всего. Особенно если в дополнение к ножному тормозу на заднем колесе стоит ободной тормоз на переднем.

Справедливости ради скажем, что ножной тормоз работает только на втулках с внутренним тормозным механизмом. Существуют многоскоростные втулки без такого механизма и на велосипедах с ними устанавливают дисковые или ободные тормоза.

Достаточно интересный и не такой явный, но очень практичный плюс планетарок в том, что на таких велосипедах, как и на односкоростных моделях, используется защита цепи, чего нельзя поставить на обычных многоскоростных байках. А это значит, что не пачкаются брюки и на цепь попадает гораздо меньше грязи и ее нужно реже мыть и смазывать.

Так что если велосипед используется при поездках на работу, то чистые брюки – большой плюс.

Для любителей зимнего катания использование планетарного переключения передач просто находка. В отличие от звездной системы переключения передач планетарка не забивается снегом, не подвергается обледенению и её механизм всегда работает надежно.

Встроенный в планетарку барабанный тормоз надежно работает при низких температурах и, в отличие от V-brake и дисковых тормозов, не боится налипания снега на тормозные колодки и обледенения ободов или ротора, продолжая зимой работать так же надежно, как и летом.

Планетарки не повреждаются при авариях и паденияхвелосипеда на бок. Там просто нечему ломаться – нет никаких наружных частей.
Для переключения передач используется только одна ручка и скорости идут одна за другой. Новичку легче разобраться, хотя, это дело привычки.

Заднее колесоболее прочное и жесткое. Так же как и на односкоростном байке, угол наклона спиц на колесе с планетаркой одинаков с обеих сторон. Это дает возможность увеличивать натяжение спиц. А чем оно выше – тем колесо прочнее и жестче.

Преимущества

Давайте перечислим достоинства подобного механизма:

Длинный срок службы и исключительная надежность. Качественная втулка может использоваться в течение многих лет. Все детали регулятора находятся внутри прочного корпуса и защищены от негативных воздействий. Дополнительно обеспечивается смазывание компонентов маслом, за счет чего исключается быстрый износ.
Большой набор чисел передаточных. Оно может достигать 520%

Но важно учитывать, что конкретные параметры зависят от используемой втулки и количества передач. Также подобные механизмы обеспечивают равномерное распределение нагрузок

Этот факт будет важен при наличии неровностей дорожного полотна.
Переключение скоростей происходит точно и быстро. Сам переключатель расположен на руле. Даже если вы стоите на месте, можно выполнить смену передачи.
Прочные и простые цепи. Они обеспечивают стабильное функционирование механизмов и отсутствие перекосов по звездам. Также за их счет увеличивается общая надежность.

Как правильно переключать передачи при движении на велосипеде с планетарной втулкой

Велосипедами с планетарной втулкой это очень удобно управлять, и езда с этими приспособлениями очень упрощается, поскольку не возникает проблем с переключением скоростей. Поскольку эти приспособления сами переключают скорость, когда это необходимо. Однако следует ознакомиться с определенными принципами и правилами переключения скоростей:

1. Лучше всего совершать переключение передачей, когда давление с цепи полностью снято, в противном случае можно просто не переключиться и сломать весь механизм и порвать цепь;
2. Передачу нужно повышать прямо перед горой, а не во время преодоления ее;
3. Не следует переключаться одновременно на несколько передач. Все нужно делать последовательно – сначала нужно переключать первую передачу и немного разогнаться, затем вторую по такому же принципу следует переходить на третью и так далее. Весь принцип работы такой же, как и у автомобильной коробки передач;
4. Необходимо избегать все возможных перекосов цепи.

Процесс переключения:

• У всех современных велосипедах, в передней части расположены 2-3 звезды, а в задней 8-10 звезд;
• Нумерация звезд от 1 до 3 происходит в сторону увеличения звезд, а нумерация задних звезд от 1 до 6, в сторону уменьшения звезд.

Для того чтобы этот процесс стал ясен, можно рассмотреть на примере велосипеда с приводом 3х8:

• Большую переднюю звезду нужно использовать при движении на ровном асфальтовом покрытии. Совместно с этой звездой необходимо использовать задние звезды с номерами 8 до 4;
• Среднюю переднюю звезду применяют при движении на грунтовой дороге, с плохим асфальтовым покрытием. С ней используются задние звезды с 6 по 2;
• Маленькую переднюю звезду используют при езде на крутых подъемах и спусках, по ухабам и кочкам. С ней используют задние звезды с 5 по 1.

Неисправности и ремонт механизма

Наиболее распространенным признаком неполадки планетарной передачи является наличие вибраций в зоне короба. Водители отмечают также посторонние шумы, толчки и подергивания. Наличие тех или иных симптомов зависит от характера неисправности, причин для которой может быть несколько:

• Перегрев механизма.
• Агрессивный стиль езды с резкими торможениями и ускорениями.
• Отсутствие масла, его низкий уровень или недостаточно высокое качество.
• Недостаточный прогрев коробки передач перед движением.
• Пробуксовка на гололеде.
• Попадание автомобиля в снег или грязь.
• Износ элементов планетарного ряда.

Чтобы отремонтировать планетарную коробку передач, необходимо знать конкретную причину ее поломки. Для этого производится разборка механизма. Обычно короб держится на болтах внутри приводного вала. Необходимо с одной из сторон (зависит от конструкции) снять скоростные кронштейны и затем через отверстие вала привода выкрутить болт. Далее производится чистка или замена вышедшего из строя элемента. Как правило, речь идет о загрязнении металлической стружкой, поломке зубьев, износе осей и шестерней.

Из чего состоит и как работает планетарная втулка

Устройство планетарных втулок достаточно сложное и напоминает механизм автомобильной коробки передач. Для наглядности покажем стандартную схему для всей планетарной передачи:

Желтым цветом изображена солнечная шестерня. «Солнышко» жестко закреплено на оси заднего колеса велосипеда. Именно с ней зацепляются обозначенные синим цветом планетарные шестеренки. Для их фиксации используется «водило» (зеленый цвет). Эта деталь не позволяет сателлитам – так иначе можно называть планетарные шестерни – разъезжаться и сцепляться друг с другом, а также определяет их направление движения.

Довершает механизм эпициклическая шестерня, которая вращается за счет педалирования. На рисунке она показана красным цветом.

Звездочка сопрягается с механизмом втулки с помощью шлицевого привода, исполнительного механизма втулки. При изменении передачи он изменяет скорость вращения водила относительно кольцевой шестерни, благодаря чему и достигается подстройка велосипеда под угол направления дороги и регулируется его скорость.

Интересная особенность такого типа механизма – это работа в качестве редуктора. Солнечная шестерня играет роль неподвижного элемента, эпицикл – ведомого элемента цепи, водило замыкается на корпус втулки. Для примера рассмотрим, как работает механизм планетарной передачи на простой трехскоростной планетарке:

• Пониженная передача. Кольцевая шестерня опережает водило за счет его зацепления корпуса планетарной втулки. Передаточное отношение меньше единицы и составляет 0.733.
• Главная передача. Крутящий момент с эпицикла передается на втулку за счет зацепления ее с планетаркой. Иначе говоря, со втулкой соединено не водило, как на первой передаче, а звездочная шестерня. Что происходит при этом? Втулка вращается быстрее водила, а для достижения максимальной скорости понадобится больше усилий по сравнению с пониженной передачей.
• Передаточное число повышенной, или третьей, передачи больше единицы, и для трехскоростных велосипедов оно составляет 1.364. Направление движения водила и втулки противоположны, благодаря чему достигается ее ускорение по сравнению с главной передачей.
• Для планетарных втулок с 5, 7 и т.д. скоростями диапазон передаточных отношений выше, чем у трехскоростной за счет большего количества шестеренчатых механизмов. Принцип работы многоскоростных и простых втулок будет одинаковым. Разница только в том, что у каждой планетарной составляющей будут свои фиксированные (как у 3-х ступенчатой планетарки) значения отношений передач, а в целом у механизма их будет в несколько раз больше.