Планетарный редуктор с анимацией шестерён

Планетарная передача собирает три звена — солнце, корону и водило — в один узел, и её передаточное число зависит от того, какое звено закреплено. Калькулятор считает скорости всех звеньев по уравнению Уиллиса, проверяет зубья сателлита и условие сборки и показывает вращение в анимации.

Параметры

Планетарная передача: солнце с Ns зубьями, внутренняя корона с Nr, k сателлитов. Соосный сателлит требует Np = (Nr − Ns) / 2, а равномерная расстановка — делимости (Ns + Nr) на k.

об/мин

Ns — целое, не меньше 8; Nr — целое, больше Ns; k — целое, не меньше 1; частота входа — больше 0. Пустое поле считается ошибкой, а не нулём.

Сборка

  • ——
  • ——
  • ——

Пока хотя бы один пункт отмечен «нет», результат не считается.

Результат

—об/мин

—

Зубья сателлита Np
—
Передаточное число i
—
Солнце ns
—
Корона nr
—
Водило nc
—
Направление выхода
—

Звенья

Зубья, частоты и направление вращения каждого звена
ЗвеноЗубьяЧастота, об/минНаправление

Как вращаются звенья

Скорости и направления взяты из расчёта. Красное кольцо в центре — солнце, внешний пунктирный венец — корона, крестовина с сателлитами — водило. Индексные линии на каждом звене показывают поворот.

Схема планетарной передачи Солнце в центре, сателлиты на водиле и внешняя корона. Индексные линии на каждом звене показывают направление вращения; угловые скорости соответствуют числам расчёта.
Солнце
—
Водило
—
Корона
—
Сателлит относительно водила
—

Эксперимент: закреплённое звено

Переключите закреплённое звено и сравните, как при тех же Ns, Nr и входной частоте меняются передаточное число и частота выхода.

Сравнение трёх режимов при текущих Ns, Nr и входной частоте
РежимВыходное звеноiЧастота выхода, об/мин

—

Как считается Уравнение Уиллиса, три режима и условия сборки

Кинематику задаёт уравнение Уиллиса Ns·ns + Nr·nr = (Ns + Nr)·nc. Если закреплена корона (nr = 0), водило вращается со скоростью nc = Ns·ns / (Ns + Nr) и i = 1 + Nr/Ns. Если закреплено солнце (ns = 0), то nc = Nr·nr / (Ns + Nr) и i = 1 + Ns/Nr. Если закреплено водило (nc = 0), корона идёт в обратную сторону: nr = −Ns·ns / Nr, отношение −Nr/Ns.

Сборку проверяют три условия: Np = (Nr − Ns) / 2 целое и не меньше 8; (Ns + Nr) / k целое; Nr − Ns чётное. Пока они не выполнены, расчёт остановлен.

Проверка Уиллиса: (ns − nc) / (nr − nc) = −Nr / Ns.

Что считает калькулятор

В планетарной передаче солнце стоит в центре, корона идёт по краю, а несколько сателлитов на общем водиле сидят между ними. Одно из трёх звеньев закрепляют, на другое подают вращение, а с третьего снимают выход. Калькулятор считает, с какой частотой и в какую сторону крутится выход, если известны числа зубьев и частота входного звена.

Заодно он проверяет, собирается ли такая передача: сателлит должен быть соосным, а сателлиты — равномерно расставленными по короне. Если условия не сходятся, считать нечего: калькулятор останавливается и показывает, какой пункт нарушен.

Как заполнить поля

Ns — число зубьев солнца, целое и не меньше 8. Nr — число зубьев короны, целое и строго больше Ns. k — сколько сателлитов стоит между солнцем и короной. n₁ — частота того звена, которое вы вращаете, в оборотах в минуту; она должна быть больше нуля.

Ниже кнопками выбирается закреплённое звено: корона, солнце или водило. Это и есть режим передачи. Кнопки-примеры заполняют поля готовыми наборами и переключают режим.

Пустое поле или текст на месте числа — ошибка, а не ноль. Пока поле не исправлено, прежний результат не подставляется как новый.

Как получается результат

Скорости трёх звеньев связаны уравнением Уиллиса:

Ns·ns + Nr·nr = (Ns + Nr)·nc

Здесь ns, nr, nc — частоты вращения солнца, короны и водила. Закреплённое звено имеет нулевую частоту, и уравнение сразу даёт скорость выхода.

  • Корона закреплена, вход — солнце: nc = Ns·ns / (Ns + Nr), передаточное число i = 1 + Nr/Ns, выход идёт в ту же сторону.
  • Солнце закреплено, вход — корона: nc = Nr·nr / (Ns + Nr), i = 1 + Ns/Nr, направление тоже совпадает.
  • Водило закреплено, вход — солнце: nr = −Ns·ns / Nr, отношение −Nr/Ns, корона вращается в обратную сторону.

Сборку проверяют три условия. Зубья сателлита Np = (Nr − Ns) / 2 должны быть целым числом не меньше 8. Сумма (Ns + Nr) должна делиться на число сателлитов k, иначе их не расставить равномерно. Разность Nr − Ns должна быть чётной — иначе Np вообще не целое.

Для контроля режима есть тождество (ns − nc) / (nr − nc) = −Nr/Ns. Калькулятор показывает его числом в панели эксперимента.

Пример: 24, 72 и 3 сателлита

Возьмём Ns = 24, Nr = 72, k = 3 и вход 1500 об/мин. Зубья сателлита Np = (72 − 24) / 2 = 24. Сборка проходит: (24 + 72) / 3 = 32, а 72 − 24 = 48 чётное.

Корона закреплена: nc = 24 · 1500 / 96 = 375 об/мин, передаточное число i = 4, направление совпадает с входом.

Солнце закреплено, вход — корона: nc = 72 · 1500 / 96 = 1125 об/мин, i = 1 + 24/72 ≈ 1,3333.

Водило закреплено: nr = −24 · 1500 / 72 = −500 об/мин, то есть 500 об/мин в обратную сторону, отношение −3.

Те же числа удобно сверять по таблице режимов: при неизменных Ns, Nr и входной частоте меняется только закреплённое звено.

Что показывает схема

Красное кольцо в центре — солнце, внешний пунктирный венец — корона, крестовина — водило, а кружки на крестовине — сателлиты. У каждого звена есть индексная линия: по ней видно, куда оно поворачивается. Угловые скорости на схеме взяты из того же расчёта, только уменьшены, чтобы глаз успевал следить. Сателлиты вращаются ещё и относительно водила — их собственная скорость считается отдельно и выведена под схемой.

Кнопка «Пауза» останавливает движение, «Сброс» возвращает звенья в исходное положение. Если в системе включён режим уменьшенного движения, схема остаётся статичной, но все числа и таблицы показываются полностью.

Где модель не работает

Расчёт идеальный: зубья считаются точными, зазоры, трение и упругость валов не учтены. Реальный КПД ниже единицы, особенно у передач с закреплённым водилом, где сателлиты испытывают высокие нагрузки. Если вращать вход в другую сторону, значения частот не изменятся, а направления всех звеньев сменят знак. Условия сборки приведены для равномерной расстановки сателлитов одной серии: другая разбивка требует отдельной проверки. Числа на схеме — иллюстрация, а не расчёт прочности или износа.