Самые простые трёхскоростные втулки используют простую планетарную эпициклическую зубчатую передачу. Солнечная шестерня (желтая на рисунке) прикреплена непосредственно к оси и зафиксирована относительно велосипедной рамы. Три или четыре идентичных «планетарных» шестерёнок сцепляются с «солнечной» шестерёнкой и вращаются вокруг неё. «Планетарные» шестерёнки окружены и сцепляются с зубьями на внутренней поверхности «зубчатого колеса» (вывернутой наизнанку шестерни).
Планетарные шестерни, прикреплённые к детали, называемой «планетарной обоймой», вращаются. При этом зубчатое колесо вращается 4 раза на каждые 3 оборота планетарной обоймы. У разных моделей планетарных втулок это соотношение разное.
Принцип работы планетарной передачи во втулке велосипеда:
- На низкой передаче задняя звёздочка приводит в движение зубчатое колесо (красная на рисунке). Планетарная обойма (зелёная на рисунке) приводит в движение втулку, что даёт понижение передачи. Следовательно заднее колесо вращается три раза на каждые четыре оборота звёздочки, при этом понижая передачу на 25%.
- На средней передаче звёздочка по-прежнему передает усилие на зубчатое колесо, которое непосредственно приводит в движение втулку. Следовательно это прямая передача. Даже несмотря на то, что шестерёнки всегда вращаются, усилие с них далее никуда не передаётся.
- На высокой передаче усилие с задней звёздочки передаётся на планетарную обойму, которое далее через зубчатое колесо приводит в движение втулку. Следовательно заднее колесо вращается четыре раза на каждые три оборота звёздочки, при этом приводя к повышению передачи на 33%.
Планетарные втулки, имеющие больше трёх скоростей, используют не меньше двух блоков планетарных механизмов и / или комбинируют планетарные многоступенчатые шестерёнки, имеющие параллельно несколько рядов зубьев.
В отличии от классических переключателей передач из-за принципа работы планетарной передачи ось планетарной втулки участвует в передаче вращающего момента на всех передачах, за исключением прямой, и поэтому должна быть надёжно прикреплена к раме велосипеда. Обычно для этой цели хватает стопорных шайб между дропаутом и осевой гайкой, но в современных планетарных втулках широкого диапазона используется рычаг обратного действия, крепящийся к нижнему перу заднего треугольника. Втулка с ножным или барабанным тормозом (устанавливаются на городские велосипеды) в любом случае комплектуется рычагом обратного действия.
На большинство велосипедов с планетарными втулками устанавливаются один поворотный, триггерный переключатель, переключатель под большой палец. Исключением являются 5-скоростные планетарные втулки Sturmey-Archer старой конструкции, в которых используется второй трос, переключающий солнечные шестерёнки узкого и широкого диапазонов. Такие втулки конструкционно представляют собой две 3-скоростных втулки в одном механизме. Средняя передача в обоих диапазонах — прямая, так что в итоге втулка даёт пять отдельных передач. Переключение передач на такой втулке реализовано или специальным 5-скоростным переключателем с двумя тросиками, или стандартным 3-скоростным и фрикционным переключателями.