Przekładnie planetarne, czyli kosmos w maszynie
Trapezium EngineeringJednym z najważniejszych wynalazków w świecie mechaniki są przekładnie. Pozwalają dowolnie zmieniać prędkość i siłę obrotową przekazywaną z urządzenia podającego na odbierające. Powszechne dążenie do zmniejszenia wymiarów przy równoczesnym uproszczeniu technologii i obniżeniu kosztów produkcji sprawia, że dużą popularność zyskały przekładnie planetarne.
- Przekładnia planetarna jest jednym z dostępnych rodzajów przekładni obiegowych
- Budowa przekładni planetarnej (koło słoneczne, koło koronowe i małe koła zębate) jest zbliżona do budowy układu planetarnego
- Dostępne są trzy główne warianty przekładni planetarnych, które różnią się sposobem działania jej elementów
- Przekładnie planetarne mają liczne zalety, zwłaszcza w przypadku maszyn wymagających dużych momentów i małych gabarytów napędu
- Przekładnie planetarne są obecnie wykorzystywane w wielu różnorodnych aplikacjach przemysłowych
Historia i zakres stosowania przekładni zębatych wiąże się ściśle z powstaniem koła. Uznaje się, że pierwsze przekładnie wykonano z drewna i początkowo najprawdopodobniej były to przekładnie cierne (oba koła się stykały), wkrótce jednak przekształciły się w zębate, zbudowane z dwóch kół zębatych ustawionych prostopadle do siebie. Wspomina o nich Arystoteles już w IV wieku p.n.e., a dwa wieki później znalazły one szerokie zastosowanie w całym basenie Morza Śródziemnego.
Współcześnie jednym z najczęściej stosowanych typów przekładni w układach napędowych jest przekładnia z kołami zębatymi o osiach stałych, nazywana zwykłą. W zależności od wymaganego przełożenia może występować jako jednostopniowa lub wielostopniowa. Uzyskanie dużego przełożenia wymaga wykonania przekładni wielostopniowej, co jednak prowadzi do znacznego zwiększenia jej wymiarów i masy. Rozwiązaniem tego problemu może być przekładnia planetarna, która jest jednym z typów przekładni obiegowych.
Budowa przekładni planetarnej
Swoją nazwę przekładnia planetarna zyskała dzięki podobieństwu do układu planetarnego, z którym ma jeden wspólny element: „słońce”, czyli centralny składnik, wokół którego pozostałe elementy krążą jak planety. W skład przekładni planetarnej wchodzą dwa współśrodkowe koła zębate: koło słoneczne (zwane też centralnym) o uzębieniu zewnętrznym, zamocowane na stałe na wałku, oraz koło koronowe (również zwane centralnym) o uzębieniu wewnętrznym. Między nimi umieszczone są małe koła zębate, tzw. satelity, w liczbie od trzech do pięciu, połączone ze sobą jarzmem (wodzidłem). Satelity wykonują obrót, każdy wokół własnej osi, a wszystkie razem obiegają oś całego mechanizmu. Wewnątrz przekładni następuje rozdział energii na poszczególne koła satelitarne, a poprzez nie na następne człony, takie jak jarzmo i koło centralne.
Najbardziej charakterystyczną cechą przekładni planetarnej jest możliwość przenoszenia mocy na podstawie trzech wartości przełożenia. Poprzez zastosowanie kół centralnych oraz przynajmniej dwóch kół obiegowych możliwe jest dzielenie przenoszonych obciążeń właśnie na koła, które osadzone są bezpośrednio na jarzmie i które mają niewielki poślizg. Zastosowanie kół wewnętrznych i zewnętrznych umożliwia przeniesienie napędu z dużym momentem obrotowym nawet z silników o dużych lub bardzo dużych mocach przy jednoczesnym zachowaniu niewielkich rozmiarów. Pozwala to umieścić przekładnię w niewielkim ośrodku napędowym, dzięki czemu jest ona bardziej efektywna i nie obciąża konstrukcji całej maszyny bądź też układu napędowego.
Przekładnie planetarne – różne warianty
Przekładnie planetarne mają wiele cech niespotykanych w zwykłych przekładniach o osiach stałych – to m.in. więcej stopni swobody, co umożliwia sumowanie momentów i mocy pochodzących z kilku napędów lub rozdział momentów i mocy na kilka odbiorników. Istnieje też prosty sposób na zmianę przełożenia przekładni planetarnej – wystarczy zahamować jeden jej element, jednak wówczas będzie ona mieć jeden stopień swobody.
Przekładnie planetarne mogą działać w trzech wariantach:
1. Jeżeli zostanie unieruchomione koło centralne lub koronowe, przekładnia pracuje jako obiegowa o jednym stopniu swobody. Gdy zablokowany jest ruch koła koronowego, poruszają się jarzmo i „słońce”, a wokół niego satelity, a gdy unieruchomione jest koło centralne – pracują jarzmo, satelity i koło koronowe. Tego rodzaju rozwiązanie konstrukcyjne przenosi duże moce i jest często stosowane.
2. Jeżeli obracają się wszystkie człony ruchome, czyli jarzmo, koło centralne i koronowe oraz satelity, przekładnia działa jako obiegowa o dwóch stopniach swobody. Nazywana jest wówczas przekładnią różnicową lub dyferencjałem.
3. Jeżeli jarzmo jest unieruchomione, przekładnia staje się przekładnią zwykłą (nie obiegową) o zazębieniu wewnętrznym z trójdrożnym przepływem energii, ponieważ satelity nie krążą wokół koła centralnego, a jedynie poruszają się wokół własnej osi. Koła koronowe i centralne poruszają się w różnych kierunkach.
Różnice w obwodzie (a więc i liczbie zębów) między kołem koronowym, satelitami i kołem słonecznym powodują, że elementy te obracają się z różnymi prędkościami. Przekładnie planetarne można ponadto podzielić na płaskie i przestrzenne. Płaskie charakteryzują się tym, że tory wszystkich kół zębatych są równoległe do jednej płaszczyzny, przestrzenne zaś tego warunku nie spełniają. Poza tym można wyróżnić przekładnie obiegowe jednojarzmowe lub wielojarzmowe oraz z przełożeniem bazowym dodatnim lub ujemnym. Interesującym rozwiązaniem jest zastosowanie ruchomej osi względem osi kół centralnych, co w dużym stopniu zwiększyło możliwości takich przekładni. Zyskały one cechy nieosiągalne dla przekładni o osiach stałych, dzięki czemu znacznie rozszerzył się zakres możliwych rozwiązań konstrukcyjnych.
Przekładnie planetarne i jej zalety
Konstrukcja przekładni planetarnej ma dużą przewagę w stosunku do przekładni tradycyjnej, szczególnie w urządzeniach wymagających jednocześnie dużych momentów obrotowych i małych gabarytów napędu. W układzie przełożenia planetarnego napęd przenoszony jest wielopunktowo, dzięki czemu występuje mniejsze obciążenie poszczególnych zębów, a tym samym mogą one mieć mniejsze wymiary. W przypadku pracy udarowej obciążenia w danym stopniu przekładni są przenoszone jednocześnie przez kilka zębów, co minimalizuje ryzyko uszkodzenia przekładni i jest dużą zaletą w porównaniu do przekładni tradycyjnej, gdzie cały moment jest przenoszony jednopunktowo.
Dodatkowo wielopunktowe przeniesienie napędu daje bardzo korzystny rozkład sił wewnątrz przekładni ze względu na ich symetryczny rozkład – satelity pośredniczą pomiędzy kołem centralnym a koronowym, co umożliwia zastosowanie zasady wewnętrznego podziału obciążenia. Poza tym zazębienie wewnętrzne występujące w przekładni planetarnej ma takie korzystne własności jak mały poślizg i możliwość przenoszenia znacznych względnych obciążeń przy miękkich zębach koła koronowego i twardych zębach satelitów oraz koła centralnego. Kolejną zaletą jest niewielkie obciążenie korpusu. W klasycznej przekładni walcowej występują duże siły działające na jej korpus, dlatego musi on być odpowiednio masywny. W przekładni planetarnej siły działające na korpus rozkładają się równomiernie, a ich wypadkowa jest zerowa. Dzięki temu występujące naprężenia są znikome, a korpus przekładni może być lekki i zwarty. Niewielki korpus to także mniejsze koszty eksploatacji przekładni, ponieważ do jej smarowania potrzeba o 50–70% mniej oleju niż w przypadku przekładni walcowej. Trzeba jednak pamiętać, że małe gabaryty korpusu mają wpływ na pojemność cieplną przekładni, co np. w zastosowaniach wymagających wyższych prędkości obrotowych może stanowić pewne ograniczenie.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Kolejna zaleta przekładni planetarnych to modułowość – ich budowa może obejmować kilka stopni występujących w szerokim zakresie przełożeń i maksymalnych momentów wyjściowych. Pozwala to na stworzenie – jak z klocków – przekładni o ogromnym przełożeniu i bardzo dużym momencie obrotowym na wyjściu. Wynika to z faktu, że w przekładniach złożonych wielostopniowych, składających się z kilku przekładni pojedynczych ustawionych szeregowo, przełożenie całkowite jest iloczynem przełożeń na kolejnych stopniach, a sprawność całkowita przekładni złożonych wielostopniowych jest równa iloczynowi sprawności przekładni pojedynczych.
Modułowość daje także szeroki zakres opcji wejścia i wyjścia. Przekładnie planetarne można napędzać różnymi rodzajami silników, a ich układ może być liniowy lub kątowy. W wersji kątowej przekładnie planetarne należy połączyć w zespół z klasyczną przekładnią ślimakową lub walcowo-stożkową bądź też wykorzystać moduł kątowy przeznaczony do danego typu przekładni.
Wadą przekładni planetarnych jest skomplikowany proces projektowy, w trakcie którego należy wziąć pod uwagę wiele warunków geometrycznych związanych z przełożeniem, liczbą zębów, satelitów oraz doborem współczynników korekcji. Poza tym w przekładniach obiegowych może wystąpić zjawisko mocy krążącej, czyli mocy mechanicznej krążącej w układzie zamkniętym, która w wyniku wielokrotnego krążenia jest tracona na skutek nieidealnej sprawności przeniesienia napędu między zębami kół.
Przekładnie planetarne – typowe zastosowania
Wyjątkowe cechy przekładni planetarnych pozwalają na ich wykorzystywanie w wielu dziedzinach przemysłu. Doskonale sprawdzają się tam, gdzie wymagane są duże momenty obrotowe oraz zwarta budowa. Pracują w ciężkich maszynach, w napędach wciągarek i dźwigów, w generatorach wiatrowych, na platformach wiertniczych oraz statkach. Ponadto wykorzystywane są w suwnicach i przenośnikach przejezdnych, wózkach widłowych, taśmach transportowych, rampach załadowczych czy pompach dozujących.
Kolejne zastosowanie przekładni planetarnych stanowią napędy urządzeń wolnoobrotowych, których wały wyjściowe rozwijają duże momenty obrotowe – wykorzystuje się je w takich maszynach jak mieszalniki, młyny, kruszarki i węzły betoniarskie. Dzięki swojej kompaktowej budowie, cichej pracy i wysokiej wydajności przekładnie planetarne są chętnie stosowane w systemach automatyki przemysłowej oraz robotach manipulacyjnych, pozycjonerach współpracujących z robotami, centrach obróbczych CNC, rewolwerowych podajnikach narzędzi i stołach obrotowych.
Przekładnie planetarne wykorzystuje się również w urządzeniach codziennego użytku, takich jak sprzęt AGD (młynki, blendery, roboty kuchenne), oraz wyposażeniu budynków, np. w systemach otwierania i zamykania rolet, drzwi garażowych czy osłon basenów. Kolejne przykłady ich zastosowania to automatyczne skrzynie biegów w samochodach i przerzutki w rowerach. Występują też w mechanizmach różnicowych w pojazdach kołowych, ponieważ jednak dyferencjały oparte na przekładniach planetarnych są dość skomplikowane, konieczne jest stosowanie dużej liczby satelitów, co wpływa na wzrost ciężaru całego mechanizmu.
MM Info – Przekładnie cykloidalne
Do przekładni obiegowych zalicza się też przekładnie cykloidalne, które są syntezą mechanizmów obiegowego i równowodowego. Mechanizm obiegowy składa się z zespołu obiegowych kół zębatych i rolek, który w głównej mierze decyduje o właściwej pracy przekładni. Jego podstawowym i najważniejszym elementem jest obiegowe koło zębate o cykloidalnym zarysie zębów. Obiegowe przekładnie cykloidalne charakteryzują się dużymi przełożeniami, małymi rozmiarami i zwartą budową przy wysokiej sprawności i trwałości podczas eksploatacji. Mogą być znacznie przeciążane i szybko reagują na zmiany obciążenia. Są cichobieżne, zapewniają dużą równomierność ruchu i mają mniejszą liczbę części w porównaniu do przekładni klasycznych o takim samym przełożeniu. Cieszą się powodzeniem szczególnie u producentów robotów, ponieważ wykazują jeszcze więcej zalet niż przekładnie planetarne – są bardziej wytrzymałe i mają bardziej kompaktową konstrukcję. Dzięki zjawisku jednoczesnego zazębiania się nieprzerwanie wszystkich zębów (podczas gdy w przekładniach planetarnych jednocześnie zazębia się tylko ich część) gwarantują też bardzo małe luzy kątowe. To sprawia, że są bardziej wytrzymałe na wstrząsy i uderzenia niż przekładnie planetarne i umożliwiają osiągnięcie bardzo precyzyjnego ruchu.
O Autorze
