Многоступенчатая планетарная передача более гибкая, чем одноступенчатая, но при этом немного снижается эффективность планетарной трансмиссии.
Вращаются все три элемента планетарной передачи.
В многоступенчатой планетарной передаче в движении находятся все три элемента: солнечная шестерня приводится в движение второй планетарной системой. В середине 20-го века этот подход использовалcя в планетарных втулках Sturmey-Archer с узким диапазоном для достижение передач, близких к прямой. Эти втулки позиционировались на рынке, как планетарные втулки для гонщиков и экономных туристов, имели только три или четыре передачи и поэтому проигрывали классическим системам переключения, предлагавших узкие шаги между передачами и широкий диапазон передаточных отношений. Выпущенная в 1995 году 12-скоростная планетарная втулка Sachs Elan также имела планетарную передачу с тремя вращающимися элементами.
Последовательные каскады. 7-скоростная втулка Shimano Nexus.
Последовательное использование нескольких планетарных каскадов широко применяется в современных планетарных втулках. Этот метод позволяет преодолеть ограничения одноступенчатой планетарной передачи.
Первой планетарной втулкой, использовавшей последовательный каскад планетарных передач, была 7-скоростная Shimano Nexus.
В этой втулке используется два каскада. Первый каскад понижает передачу, а второй — повышает. Каждый каскад состоит из двухкомпонентных составных планетарных шестерёнок и двух солнечных шестерёнок, предоставляющих два передаточных отношения и прямую передачу. На трёх средних передачах энергия проходит через оба каскада и таким образом втулка одновременно не использует прямую передачу обоих каскадов, точнее близкая к прямой передача получается с помощью последовательного понижения и повышения передачи через два каскада с приблизительно одинаковыми передаточными соотношениями. Это сделано с целью упрощения системы переключения передач. С любой момент времени с осью сцеплена только одна солнечная шестерня. При включении собачек для высоких передач автоматически отключаются собачки для низких передач, благодаря чему и обеспечивается гладкое переключение.
7-скоростная Shimano Nexus была первой широко распространённой втулкой с поворотным переключением. Её часто хвалили за плавность переключения, за безопасное подключение троса и равномерный шаг передач. Её часто критиковали за низкую эффективность на средних передачах и за слабую износостойкость из-за маленького диаметра собачек солнечных шестерёнок.
Каскады, только повышающие или понижающие передачу, прямая передача.
Планетарные системы, только повышающие или понижающие передачу (включая прямую передачу), обычно применяются на двухскоростных втулках. В некоторых из таких втулок реализовано переключение передач обратным движением педалей, что делает их особенно пригодными для разборных и складных велосипедов, на которых нежелательно наличие троса. Также Sturmey-Archer представили бестрещёточную трёхскоростную планетарную втулку с фиксированной передачей. Втулки с фиксированной передачей только понижают передачу, так как планетарная обойма, приводящая в движение оболочку втулки, должна быть постоянно сцеплена с оболочкой втулки.
4-скоростные и 7-скоростные планетарные втулки Shimano Nexus.
В 4-скоростной планетарной втулке Shimano Nexus имеется прямая передача и три повышающих передачи. Дальнейшим развитием 4-скоростной втулки стала 7-скоростная планетарная втулка Shimano. В ней используется три солнечных шестерни, каждая из которых может сцепляться со своим рядом зубьев на составной планетарной шестерне. Если солнечная шестерня закреплена к оси, то втулка работает на своей наименьшей, прямой передаче. Каждая из солнечных шестерней обеспечивает своё повышающее передаточное отношение. Собачки передают усилие на оболочку втулки на повышающих передаточных отношениях, а на прямой передаче собачки не задействованы. У 4-скоростной и 7-скоростной втулок поворотный переключающий механизм.
8-скоростные планетарные втулки Shimano Nexus.
8-скоростная планетарная втулка Shimano очень похожа на 4-скоростную втулку за исключением того, что у неё имеется предварительный каскад, который работает как прямой привод или понижает передачу, тем самым удваивая количество передач. Шаги между передачами неравномерные: шаги между первой и второй, пятой и шестой шире за остальные. Вероятно это обусловлено сложностью получения передаточных отношений близких к прямой передаче на однокаскадной планетарной системе. Эффективность восьмискоростной планетарной втулки Shimano Nexus максимальна на прямой пятой передаче.
8-скоростные планетарные втулки Sturmey-Archer.
В 8-скоростных втулках Sturmey-Archer установлены три простые планетарные системы, каждая из которых имеет своё передаточное отношение. Восемь скоростей образуются путём последовательного использования одной, двух или всех трёх планетарных систем и прямой передачи. Следовательно самой эффективной является самая нижняя передача, а наивысшая, использующая все три планетарные системы, наименее эффективна. На обычном велосипеде с этой втулкой должна использоваться необычно большая задняя звёздочка и маленькая передняя, но с другой стороны эта втулка хорошо подходит на велосипед с маленькими колёсами.
8-скоростная втулка Sturmey-Archer с тремя каскадами (справа налево на рисунке).
Первая модель этой втулки предлагала общее передаточное отношение 305%. Текущая версия (2010 год) имеет общий передаточный диапазон 324% и шаги между передачами приблизительно 14%, за исключением крайних шагов 30%. Для второй снизу передачи, расположенная близко к прямой, может потребоваться маленькая солнечная шестерёнка, что уменьшает надёжность втулки. Переключение осуществляется благодарю сцеплению с осью одной, двух, трёх или ни одной из солнечных шестерёнок. Когда солнечная шестерня не сцеплена с осью, все каскады работают, как прямая передача. Когда солнечная шестерня сцеплена с осью, каскад повышает передачи, деактивируя собачки используемые для прямой передачи. В этой втулке используется поворотный переключающий трос, прикреплённый кнутри от правого дропаута.
Современные планетарные втулки Elan и Rohloff Speedhub.
Sachs Elan уже снята с производства. Эта была первая планетарная втулка, которая попыталась конкурировать с современными дерайлерами. Довольно интересная втулка.
12-скоростная втулка Sachs Elan.
Сейчас доступна Rohloff Speedhub с 14-ю передачами, одинаковыми шагами между передачами 13% и общим передаточным отношением превышающим 5:1. Втулка позиционируется на рынке как конкурентоспособная по весу и эффективности альтернатива классическим систем переключения передач широкого диапазона.
14-скоростная втулка Rohloff в разрезе.
В этой втулке имеется три планетарных каскада (слева направо на рисунке). Первый и второй каскады представляет собой двухэтапную составную планетарную передачу на основе шестерней с одинаковым количеством зубьев. Первый каскад понижает передачу, а второй каскад повышает. Используется семь из девяти возможных передаточных соотношений. Две неиспользуемые комбинации предоставляют прямую передачу, но при этом мощность передаётся через оба комплекта шестерёнок.
Третий каскад имеет свой ввод на солнечной шестерне и вывод через планетарную обойму, при этом уменьшая передаточное соотношение для всего диапазона и тем самым удваивая количество доступных соотношений.
Rohloff Speedhub самая совершенная и самая дорогая планетарная втулка, доступная на данный момент на рынке. В ней собраны все преимущества планетарных втулок — масляная смазка, сбалансированная по весу конструкция. Но как для городского велосипеда, то эта втулка стоит непозволительно дорого. Если бы Rohloff снизила цену, даже при этом пожертвовав частью передач, то это было бы куда лучше, чем теперешняя странная ситуация с их непозволительно дорогой втулкой.
11-скоростная Shimano.
В конце 2010 года Shimano представила 11-скоростную втулку с масляной смазкой. Конструкция и передаточные отношения напоминают их 8-скоростную втулку: первый каскад понижает передачу или обеспечивает прямой привод, а второй каскад повышает передачу. Средняя передача — прямая. Шестерни первого каскада имеют винтообразную форму.