Внутренние зубчатые колёса и зубчатые венцы — незаметные, но ключевые элементы компактных приводов с большим крутящим моментом. В отличие от внешних прямозубых колёс, у которых зубья обращены наружу, внутреннее колесо имеет зубья, нарезанные на внутренней стороне кольца или цилиндра, и зацепляется с меньшим внешним шестернёй в схеме «солнце — сателлиты». Такая геометрия упаковывает больше мощности в меньший объём, чем любая ступень с параллельными валами, поэтому планетарные редукторы почти всегда опираются на венец при передаточном отношении выше трёх к одному. Для покупателя венец — не просто очередная позиция в спецификации; это элемент, который задаёт плотность момента, запас по боковому зазору и риск коробления после термообработки для всего редуктора. Если венец выбран неправильно, никакая точность солнечного колеса и сателлитов не спасёт шум, КПД или ресурс.
Планетарная передача, или эпициклический механизм, состоит из трёх соосных элементов: центрального солнечного колеса, нескольких сателлитов на вращающемся водиле и внешнего зубчатого венца, внутренние зубья которого одновременно входят в зацепление с каждым сателлитом. Сателлиты обращаются вокруг солнечного колеса, одновременно вращаясь на собственных осях, и делят входной момент на три, четыре и даже пять точек зацепления сразу. Поскольку нагрузка распределяется, планетарная ступень передаёт в несколько раз больший момент, чем одна прямозубая ступень того же делительного диаметра, а радиальные реакции на центральных валах в основном взаимно компенсируются, что уменьшает подшипники и размер корпуса. Передаточное отношение зависит от того, какой элемент заторможен, какой является ведущим и какой ведомый. При неподвижном венце и ведущем солнечном колесе водило становится ведомым, и отношение равно единице плюс число зубьев венца, делённое на число зубьев солнечного колеса. Если затормозить водило и вращать венец, отношение получается обратным, а жёсткое соединение любых двух элементов превращает механизм в глухую муфту без всякого снижения скорости. Именно эта гибкость трёх элементов объясняет, почему планетарные передачи встречаются в автоматических коробках, колёсных приводах и гусеничных машинах, где несколько диапазонов скоростей укладываются в один компактный корпус. Внутренние зубья венца постоянно контактируют сразу с несколькими сателлитами, поэтому шаговая точность, соосность и биение напрямую определяют плавность распределения момента и уровень шума ступени. Эксцентрично вращающийся венец перегружает один сателлит против других и гасит то самое распределение нагрузки, ради которого планетарная схема и существует.
Нарезать зубья на внутренней стороне кольца — задача иная, чем наружное зубофрезерование, и на этом поле доминируют три метода. Зубодолбление использует долбяк в виде шестерни, который возвратно-поступательно движется внутри отверстия и навивает зуб за зубом с контролируемыми модификациями профиля; это стандартный выбор для средних серий, хорошей точности и заготовок, у которых уже расточено отверстие, обработан фланец или монтажный торец. Долбление подходит для венцов практически любого диаметра и берёт поднутрения и выходы, недоступные другим методам, но снимает материал ход за ходом, поэтому цикл растёт с числом зубьев и диаметром. Протяжка проходит многозубый инструмент сквозь кольцо за один проход, давая очень короткий такт для простых по профилю внутренних колёс в больших сериях; однако стоимость инструмента и требование сквозного отверстия делают её невыгодной для коротких серий, больших диаметров или сложной геометрии. Электроэрозия проволочным станком прорабатывает профиль заряженной проволокой вообще без сил резания, поэтому берёт закалённые материалы и тонкостенные венцы без коробления; она медленна и дорога в пересчёте на деталь, но это правильный выбор для малых серий высокой точности, а также для прототипов и ремонта, когда специальная протяжка не окупается. Компромисс «точность — стоимость» следует ясному рисунку: долбление даёт класс ISO семь-девять на обычной серийной детали, протяжка держит класс восемь-девять в больших сериях, а проволочная эрозия может выйти на класс пять или шесть по закалённому материалу, но при доле производительности. Покупателю стоит подбирать процесс одновременно под годовой объём и требуемую точность, а не по принципу «что мастерская лучше умеет».
Внутренние зубчатые венцы стоят в самом ядре распределения момента планетарной ступени, поэтому их зубья должны иметь твёрдую износостойкую поверхность при вязкой сердцевине. Цементация с последующей закалкой остаётся самым распространённым маршрутом для тяжёлых венцов и даёт упрочнённый слой около миллиметра на легированных сталях вроде 20CrMnTi или 18CrNiMo7-6. Настоящая трудность — коробление: тонкостенные кольца при закалке могут уйти в овальность или перекос, а поскольку зубья внутри, последующая круглая шлифовка трудно и дорога в применении к самим профилям. Индукционная поверхностная закалка локализует тепло во впадинах зубьев, уменьшая коробление по сравнению со сквозной цементацией и подходя для крупных венцов, которые нецелесообразно закаливать в печи. Нитроцементация ведётся при более низких температурах и почти не даёт размерного движения, поэтому её предпочитают для точных венцов, малых серий и деталей, которые после термообработки должны остаться близкими к чистовому размеру; обратная сторона — более мелкий слой и меньшая контактная несущая способность, поэтому нитридованные венцы идут на более лёгкие службы и более тихие, маломоментные ступени. Технологи управляют короблением, зажимая венец на оправке при закалке, применяя пресс-закалку для ответных венцов и оставляя небольшой припуск под шлифовку на отверстиях и торцах, чтобы после термообработки восстановить базовые поверхности. Внутренние профили обычно оставляют в состоянии как есть после термообработки, если шум или точность не требуют финишной операции вроде шлифовки или хонингования изнутри кольца, ведь шлифовка внутренней стороны венца медленнее и дороже чистовой обработки внешнего колеса.
Сочетание высокой плотности момента и соосного входа-выхода делает планетарные редукторы выбором по умолчанию там, где стеснены габариты и вес. Строительная техника использует планетарные колёсные и гусеничные приводы на главной передаче, потому что один компактный корпус может многократно умножить момент двигателя, сохраняя колёса близко к раме гусеницы. Ветроэнергетические машины в механизмах поворота и изменении угла установки лопастей опираются на многоступенчатые планетарные редукторы, которые держат положение при флуктуирующих порывах, где боковой зазор и крутильная жёсткость важны не меньше КПД; а отказ венца означает дорогую высотную сервисную операцию. Промышленные роботы используют прецизионные планетарные редукторы на суставах, где малый зазор, повторяемость позиционирования и тихий ход важнее абсолютного КПД. Ведущие мосты грузовиков и автобусов применяют планетарные колёсные редукторы, чтобы делить момент на несколько зацеплений, снижая нагрузку на отдельный зуб и позволяя сделать трубу моста меньше и легче, чем в одноступенчатой схеме. Тяжёлая добыча, морские подруливающие устройства и тяговые приводы железных дорог используют ту же геометрию, потому что она даёт максимальный момент на единицу объёма среди всех практически реализуемых зубчатых схем. Во всех этих отраслях венец часто и задаёт физический конверт всего редуктора: его наружный диаметр становится диаметром корпуса, а болтовой диаметр окружности или шлицевое соединение — механической связью с машиной. Для OEM-покупателя венец обычно самая длинносроковая кастомная деталь редуктора, потому что его отверстие, фланец и внутренние зубья должны сойтись с корпусом и водилой в узких допусках соосности, а термообработка крупных венцов в большинстве мастерских стоит в очереди.
При заказе кастомного внутреннего зубчатого венца дайте поставщику данные, которые реально двигают цену. Модуль и число зубьев задают геометрию и должны сойтись с сопрягаемым солнечным колесом и сателлитными шестернями по проектному межосевому расстоянию. Требуемая точность, указанная как класс ISO 1328 или DIN 3961, решает, достаточно ли долбления или нужны шлифовка, хонингование или проволочная эрозия. Спецификация материала и термообработки должна назвать и марку стали, и глубину слоя, и диапазон твёрдости, и пределы коробления на отверстии и монтажном торце. Наконец, опишите монтажную обстановку: венец крепится болтами к корпусу или шлицуется в водиле, и какой боковой зазор и биение должна держать собранная ступень. С этими шестью позициями на чертеже или в запросе КП поставщик сможет назвать реалистичный маршрут, срок и цену, а не гадать. Внутренние зубья и венцы — специализированные детали, но чёткий набор параметров превращает их из запроса в чёрном ящике в сопоставимый и изготовимый котировку, которую обе стороны могут подписать с уверенностью.