A bolygóművek jelentősége

A XXI. századra rengeteg mechanikus, hidraulikus, elektromos, pneumatikus áttételen alapuló erőátviteli megoldást feltaláltak az autóipar nagyjai – nem szóval ezek kombinációjáról. A számos kiváló megoldás közül most egy olyan mechanikus változatot mutatunk be, melyről ritkán hallunk, pedig nagyon sok mai közúti jármű hajtásrendszerének szerves része.

A bolygómozgásról általában

Hogy megértsük az elem létjogosultságát, nézzük meg, mi történik benne.

Egy test akkor végez bolygómozgást, amikor egyidejűleg forog a saját tengelye körül, forgásközéppontja pedig közben valamilyen haladó mozgást végez. Ez a haladó mozgás pedig jellemzően ciklusos, azaz meghatározott, ismétlődő pályán történik.

A bolygóműben lévő bolygókerekek mozgása nagyon hasonlít a Földéhez a Nap körül, azzal a lényeges különbséggel, hogy a gépkocsikban alkalmazott bolygóművekben mindig párhuzamos a két tengely iránya – a Föld esetében ez nem igaz.

A bolygómű részei

Fontos leszögeznünk, hogy a bolygómű valós kialakítása igen sokrétű lehet. Ugyanez igaz a bonyolultságára is. A megértéshez mi egy egyszerű, elemi változatot fogunk felhasználni.

A fent említett bolygókerekek (kék színnel) közvetlen kapcsolatban állnak a behajtótengellyel (zöld), a koszorúkereket pedig fékezzük (szürke).

A behajtó tengely és a bolygókerekek áttétele adja meg a napkerék és a kihajtótengely (piros) forgási sebességét, így biztosítjuk az áttételt a be- és kimenet között.

A bolygómű szerkezeti kialakításában az az igazán különleges, hogy bármelyik részét is fékezzük meg, a másik kettő képes az áttételest hajtást biztosítani (adott paraméterekkel).

Bolygómű típusok

A fenti ábrán látható, egyszerű változat a P(P)N típusú bolygómű, melynek különböző alváltozatai is megtalálhatók a járművekben ( P(PP)N, P(PP)P, N(PP)N stb.), elsősorban az automata váltókban, de máshol is fellelhetők. Az N és P karakterek pozitív, illetve negatív forgásirányokat jelölnek.

Ezen négy változat kinematikai ábrája látható a fenti ábra első két sorában (a kép csak a bolygómű egyik felét ábrázolja, egyszerűsítés céljából).

A harmadik sorban egy szintén nagyon elterjedt, régi ismerőssel találkozhatunk. Ez nem más, mint a P(P)P bolygómű, ismertebb nevén a differenciálmű. Ebben az esetben természetesen két napkerék egy egyszerű (nem kettős) bolygókerékhez csak úgy csatlakozhat, ha a bolygókereket megdöntjük, helyet csinálva a második pozitív keréknek.

Többszörözés

Bár a legtöbb leírás, magyarázat és kinematikai elemzés mindig csak egyetlen bolygókereket vesz figyelembe, a valóságban mindig több, legalább három (mint az első ábránk esetén), néha még annál is több, akár 10-12 bolygókerék is található a bolygóműben, mégpedig párhuzamosan beépítve.

Ennek az a jelentősége, hogy az átvihető nyomaték (és vele együtt a teljesítmény) annyiszorosára nő, ahány bolygókerék van beépítve, miközben a bolygómű külső dimenziói nem változnak. Ez a bolygóműves sebességváltók egyik legnagyobb előnye: kis térfogatú házban nagy teljesítményű hajtómű.

Az igazsághoz hozzátartozik, hogy nem csak a párhuzamos többszörözés intézménye létezik a bolygóműveknél. Ugyanis lehetséges párosával sorba kapcsolni őket.

Ez azt jelenti, hogy mindegyik bolygókerék csak az egyik központi kerékhez csatlakozik közvetlenül, a másikhoz egy bolygókeréken keresztül.

Azzal, hogy megdupláztuk az egy adott láncban lévő bolygókerekek számát, alapvetően megváltoztatja a bolygómű kinematikáját, ugyanis legalább az egyik forgásirány ellentétessé válik.

Ebből kifolyólag a kimenő hajtás iránya is megváltoztatható. Az irányváltókerekes bolygóműben is alkalmazhatunk kettős bolygókereket, például a gyűrűkerékkel kapcsolódó egyszerű bolygókerék helyére. Ha már van kettős bolygókerék, akkor nyilván itt sincs akadálya annak, hogy mindkét központi kerék napkerék legyen. Ezt a két példát látjuk a fenti ábra utolsó sorában.

Sokan nem gondolnák, hogy a következő példa szintén bolygómű, pedig az, még ha speciális értelemben is. A belső fogazású bolygókerék erőátvitelre nem alkalmas, mert egy bolygóműbe csak egy bolygókerék építhető be, így az átvihető teljesítmény a bolygókerekek szaporításával nem növelhető. Viszont az autótechnikába mégis bevonult, éspedig Wankel-motor néven.

Az erőforráson belül ugyanis nem szükséges az áttételes hajtás biztosítása, elvégre a belépő erő nem mechanikus, hanem az üzemanyag-levegő keverék elégetéséből származó expanzióból eredeztethető.

Előnyök és hátrányok a gyakorlati alkalmazásban

Korábban a cikk során már említettünk néhány jellemzőt, most pedig kiegészítjük még néhány fontos tulajdonsággal.

A bolygóművek nagy teljesítménysűrűséget biztosítanak a párhuzamos tengelyű fogaskerekekhez képest, ugyanis többféle áttételt is képesek megvalósítani relatíve alacsony tömeg és térfogat mellett. A hátrányok közé tartozik a nagy és folyamatos csapágyterhelés, az állandó kenési követelmények, a körülményes javíthatóság és a tervezés bonyolultsága.

A bolygókerekes hajtóműben a hatásfok-veszteség fokozatonként jellemzően körülbelül 3%, amely rendkívül jó értéknek számít. Ez a fajta hatásfok biztosítja, hogy a bevitt energia nagy része (körülbelül 97%-a) a sebességváltón keresztül tovább halad, ahelyett, hogy a sebességváltón belüli mechanikai veszteségekre pazarolnánk.

A bolygómű stabilitást is biztosít az egyenletes tömegeloszlás és a megnövekedett forgási merevség miatt. Fogaskerekeire sugárirányban kifejtett nyomatékot a fogaskerék sugárirányban továbbítja, a fogaskerekek fogaira nehezedő oldalirányú nyomás nélkül.

A bolygókerekes hajtómű szerkezetének mozgási módja eltér a hagyományos párhuzamos fogaskerekekétől. A hagyományos fogaskerekek a két sebességfokozat közötti kis számú érintkezési pontra támaszkodnak a hajtóerő átviteléhez. Ebben az esetben az összes terhelés néhány érintkező felületre összpontosul, így a fogaskerekek gyorsan kopnak és néha megrepednek. Belátható az eddigiek alapján, hogy a bolygómű esetén a kontakt felületek nagysága jelentősen nagyobb egy adott fokozatban, és ezek egyenletesen oszthatják el a terhelést a központi tengely körül.

Ennek köszönhető az is, hogy a pillanatnyi, impulzus jellegű, nagy belépő erőket is sokkal jobban tolerálja a rendszer, és egyúttal ellenállóbb is a nagyobb nyomaték okozta sérülésekkel szemben.

A ház és a csapágyalkatrészek is kisebb valószínűséggel sérülnek meg a nagy terhelés miatt, mivel csak a bolygókerekek tartócsapágyain keletkeznek jelentős oldalirányú erők nyomatékátvitelnél, a radiális erők egymással szemben állnak és kiegyensúlyozottak.

Bár eredete az időszámítás kezdete elé is visszakalauzol minket, és az első epicikloisz pályát leíró fogazatú malom is megépült már 1650-ben, a bolygómű még mindig velünk van, és ez hűen tükrözi az ötlet nagyszerűségét.