Практически все втулки с внутренним переключением передач (за исключением вариатора Nuvinci) используют планетарную передачу. Самая простая планетарная передача содержит:
- одну центральную солнечную шестерню на оси втулки,
- планетарную обойму с тремя или четырьмя планетарными шестерёнками, расположенными вокруг солнечной шестерни и взаимодействующими с ней и с
- зубчатым колесом, зубья на котором расположены с внутренней стороны.
Устройство 3 скоростной планетарной втулки Sturmey-Archer.
Преимущества простой планетарной передачи:
- Нагрузка распределяется на три или четыре планетарных шестерни: возникает такое же количество точек контакта на солнечной шестерне и планетарной обойме, что уменьшает нагрузку на зубья шестерни и позволяет уменьшить и облегчить механизм. Три планетарные шестерни из-за геометрии размещения равномерно распределяют нагрузку, наподобие стола с тремя ножками. В планетарных передачах с четырьмя планетарными шестерёнками благодаря тангенциальному смещению выравнивается нагрузка между двумя планетарными шестерёнками, расположенными друг напротив друг. Двое других подвергаются радиальному смещению. По мере износа втулки нагрузки на каждую шестерню постепенно выравниваются. Но даже после износа из-за изгиба оси под весом и натяжением цепи нагрузки не становятся абсолютно одинаковыми.
- Солнечная шестерня, планетарная обойма и зубчатое колесо соосны. Из-за этого точки ввода и вывода вращательного момента могут меняться местами, некоторые шестерни могут быть не задействованы, что приводит к увеличению, уменьшению и сохранению таким же передаточного отношения.
- Из-за того что планетарная обойма «плавает» внутри симметричного механизма, то зубчатая передача передаёт сгибающие нагрузки и трение только на оси планетарных шестерёнок, а не на ось втулки. Сгибающие нагрузки на ось втулки также возникают в зависимости от веса велосипедиста и напряжения велосипедной цепи.
- Хотя каждая планетарная шестерёнка воздействует на две другие шестерёнки, потери энергии при этом минимальны, так как планетарная обойма вращается немного медленней в том же направлении, что и планетарные шестерёнки, уменьшая скорость вращения подшипников шестерёнок и частоту сцепления их зубьев. Читайте более подробно про эффективность планетарной передачи.
Недостатки простой планетарной передачи:
- У простой планетарной передачи с зафиксированной солнечной шестерёнкой повышающее передаточное отношение не может превышать 2:1, так как при этом планетарные шестерни будут чрезмерно маленькими и вращаться через чур быстро. Также понижающее передаточное отношение не может быть ниже 1:2. Исходное передаточное соотношение 1:1 достигается благодаря прямой передаче. Для соотношений очень близких к 1:1 может потребоваться чрезмерно маленькая солнечная шестерня.
- Если зубчатое колесо неподвижно и солнечная шестерня приводит в движение планетарную обойму, то передаточное число будет находится между нулём и 1:2, но не подходить близко к границам этого диапазона. Когда планетарная обойма приводит в движение солнечную шестерню, то передаточное отношение будет между 2:1 и бесконечностью, но опять таки не приближаться близко к границам этого диапазона.
- Если планетарная обойма неподвижна, то возникает обратная передача, которая редко используется на велосипедах.
Трёхскоростные втулки Sturmey-Archer, SRAM, Shimano.
В трёхскоростных втулках производства Sturmey-Archer, SRAM и Shimano установлена простая одноступенчатая планетарная система, в которой солнечная шестерня неподвижна сцеплена с осью. Благодаря переключателю вращающий момент проходит через планетарную систему в разных направлениях для получения повышающего и понижающего передаточных отношений или задняя звёздочка подсоединяется к оболочке втулки для получения прямой передачи.
Sturmey-Archer и SRAM предлагают трёхскоростные втулки со шлицами, необходимыми для прикрепления стандартной кассеты Shimano с целью получения многоскоростной гибридной системы переключения передач. При установке такой гибридной втулки отпадает необходимость в переднем переключателе. Они особенно подходят для велосипедов с меленькими колёсами, так как благодаря дополнительному повышению передаточного отношения в планетарной втулке, отпадает необходимость в большой ведущей звезде.
Трёхскоростная планетарная втулка SRAM DualDrive с многоскоростной кассетой.