Планетарная втулка (internal hub) — это сложная система переключения скоростей для велосипеда.

Она более надежная и долговечная, нежели обычная втулка, но очень плохо реагирует на сверхнагрузки, поэтому их не используют в соревнованиях или экстремальном катании. Самые продвинутые модели (например некоторые Dutch байки) обладают 7и ступенчатыми планетарными втулками, а на упрощенные ситибайки (или складные) ставят 3х ступенчатые. Написано в циклопедии. В таких втулках механизм и звезды находятся в смазке под защитной оболочкой, а сама система напоминает коробку передач автомобиля. Я вот пока таких втулок нигде не наблюдал.

Патент на планетарную втулку датируется 1880м годом. Впервые такие втулки использовали на трехколесных мотоциклах. 1895м американским инженером была изобретена компактная 2х скоростная планетарная втулка, так и не нашедшая успеха на рынке. Уже в начале 20го века количество скоростей увеличилось до 3 (автор — компания Sturmey-Archer). В 1930е годы рынок был полон планетарками, практически на каждом велосипеде стояла такая втулка (особенной популярности они пользовались в Великобритании, Голландии, Германии, Скандинавии). Позже появились переключатели скоростей и кассеты, устанавливаемые на втулки. Благодаря свое дешевизне и неприхотливостью такая система вскоре вытеснила планетарные втулки.

Компания Sturmey-Archer (одни из основных производителей планетарок, разработала 3- и 5- скоростные системы ещ в 1987, в то время как Shimano только закончили работу над 3х скоростными втулками. В последнее время они вновь начали обретать популярность и все больше компаний выпускают на рынок планетарные втулки. Основными из них являютсяSturmey-Archer, Rohloff, Shimano, Sram (с купленной в 2001м Fichtel & Sachs), Bendix (выпускала втулки с 1950 по 1970 гг). а также NuVinci с их уникальной системой «CVP»

Устройство планетарной втулки

Планетарная передача

Основные элементы планетарной передачи:

• Солнечная шестерня (англ. sun gear) — находится в центре.
• Водило (англ. carrier unit) — жёстко фиксирует друг относительно друга оси нескольких планетарных шестерён («сателлитов») одинакового размера (англ. planetary gears), находящихся в зацеплении с солнечной шестерней.
• Кольцевая шестерня (англ. ring gear) — внешнее зубчатое колесо, имеющее внутреннее зацепление с планетарными шестернями.

При использовании планетарной передачи в качестве редуктора один из элементов фиксируется неподвижно, второй — используется как ведущий (замыкается на звезду, приводимую цепью), а третий — в качестве ведомого (замыкается на корпус втулки). Соединение элементов осуществляется с помощью собачек или роллерного сцепления, уменьшающего шумность. Таким образом, передаточное отношение будет зависеть от количества зубьев каждого компонента, а также того, какой элемент закреплён. Увеличивая количество планетарных передач, можно увеличивать количество скоростей у втулки.

Принцип работы 3-скоростной планетарной втулки, включающей в себя одну планетарную передачу:

• Солнечная шестерня — это ось, она закреплена неподвижно на раме.
• Первая передача (отношение 0.733). Ведомая звезда с помощью привода соединена собачками с кольцевой шестерней. Водило соединено собачками с корпусом втулки. Кольцевая шестерня вращает водило через сателлиты, при этом водило (и корпус втулки) вращается медленнее, чем кольцевая шестерня (и звезда).
• Вторая передача (отношение 1.0). Под действием исполнительного механизма муфта, сжимая возвратную пружину, выдвигает собачки на кольцевой шестерне, и она зацепляется с корпусом втулки. Вращение передается непосредственно с звезды на кольцевую шестерню и далее на корпус втулки — прямая передача. Водило вращается с той же скоростью, что и на первой передаче, но корпус втулки вращается быстрее, поэтому собачки водила стрекочут по корпусу и не оказывают влияния на работу механизма.
• Третья передача (отношение 1.364). Исполнительный механизм толкает муфту дальше, она входит своими шлицами в зацепление с водилом. Тем самым, водило соединяется с ведомой звездой. Собачки на кольцевой шестерне по-прежнему зацеплены с корпусом втулки, но водило теперь вращается в противоположную сторону, ускоряя вращение корпуса втулки по сравнению с ведомой звездой. Собачки стрекочут между водилом и корпусом, а также между приводом и кольцевой шестерней

 

При увеличении количества планетарных передач, включаемых в различных сочетаниях, можно увеличивать число передаточных отношений втулки (с соответствующим увеличением сложности и цены).

8-скоростная втулка имеет две планетарных передачи. Первая из них (подключается муфтой на 1-4 скоростях) — замедляет вращение втулки на фиксированную величину. Она состоит из 1 кольцевой шестерни, 1 солнечной шестерни и 1 набора сателлитов. Вторая планетарная передача ускоряет движение втулки. Она состоит из 1 кольцевой шестерни, 3 солнечных шестерней (далее — СШ № 2, 3, 4) и 3 наборов сателлитов. При переключении передач, различные солнечные шестерни подключаются собачками, расположенными на оси, и меняют передаточное отношение второй планетарной передачи. 5-я передача втулки — прямая, вращение передается с звездочки на корпус без преобразования потока мощности.

Использование планетарных передач (далее — ПП1 и ПП2) втулки на различных скоростях:

1. ПП1 замедляет, ПП2 не используется.
2. ПП1 замедляет, ПП2 ускоряет с СШ2.
3. ПП1 замедляет, ПП2 ускоряет с СШ3.
4. ПП1 замедляет, ПП2 ускоряет с СШ4.
5. Прямая передача
6. ПП1 не используется, ПП2 ускоряет с СШ2.
7. ПП1 не используется, ПП2 ускоряет с СШ3.
8. ПП1 не используется, ПП2 ускоряет с СШ4.

11-скоростная втулка имеет уже 3 планетарных передачи. Она не имеет прямой передачи, поток мощности преобразуется минимум 1 раз на всех передачах.

Красиво и правильно устройство планетарной втулки показано на видео:

По поводу цен небольшое фото планетарных втулок с ценниками :)

На сайте велофан хорошо расписана история велосипедов с планетарной втулкой:

Перед как попасть на велосипеды, планетарные втулки использовались на трёхколёсных велосипедах. Патент на планетарную велосипедную втулку датируется серединой 1880-х годов. Первый патент на компактную планетарную втулку был предоставлен в 1895 году американским механиком Сьюардом Томасом Джонсоном из Ноблсвилла в США. В этой втулке было всего две скорости. Она не была коммерчески успешной.

В 1896 Уильям Рейли из Салфорда в Англии запатентовал двухскоростную втулку. Она начала выпускаться в 1898 году под названием «втулка». Она стала большим достижением в велосипедной индустрии и выпускалась ещё не одно десятилетие. Многим понравилась практичность компактной планетарной втулки.

В 1902 году Рейли сконструировал 3-скоростную планетарную втулку. Он прекратил сотрудничество с производителем «втулки» и отдал им интеллектуальные права на планетарные втулки. Чтобы обойти проблему с патентом, коллега Рейли — Джеймс Арчер приобрёл патент на 3-скоростную втулку. Тем временем известный английский журналист и изобретатель Генри Стармей также изобрёл свою 3-скоростную втулку. В 1903 году Френк Боуден, директор велосипедной компании Raleigh, создал Three-Speed Gear Syndicate и приобрёл права на обе 3-скоростные втулки Reilly/Archer и Sturmey. Втулка Рейли выпускалась как первая 3-скоростная втулка Sturmey Archer.

Двухскоростная планетарная втулка Fichtel Sachs Torpedo, выпускавшаяся в 1904 — 1954 годах.

В 1902 году Майкл Педерсен, выпускавший велосипеды Dursley Pedersen, запатентовал 3-скоростную втулку. Она начала выпускаться в 1903 году. Эта втулка была основана на принципе «контрпривода» с необычной планетарной передачей, в которой вместо зубчатого колеса использовалась вторая солнечная шестерня. В 1904 году компания Fichtel & Sachs (Германия, Швайнфурт) выпустила втулку под лицензией Wanderer. Таким образом до 1909 года на английском рынке было доступно 14 разных 3-скоростных планетарных втулок.

К 1930-му году планетарные втулки использовались на велосипедах по всему миру. Они были особенно популярны в Великобритании, Нидерландах, немецкоговорящих странах и Скандинавии. Начиная с 1970-х годов они утратили популярность в англоговорящих странах. Но во многих странах северной Европы, где велосипеды постоянно использовались в качестве повседневного транспорта, а не только для спорта и отдыха, планетарные втулки всё ещё широко использовались. Появились более дешёвые и мощные (но менее надёжные) классические переключатели скоростей, предлагавшие широкий диапазон передач.

В 1987 году Sturmey-Archer производили только 3- и 5-скоростные втулки, Fichtel & Sachs и Shimano — только 2- и3-скоростные втулки. В том же году была опубликована первая книга (исключая инструкции по техническому обслуживанию), посвящённая 80 годам истории планетарных втулок. С тех пор наблюдается медленный но неуклонный рост интереса к планетарным втулкам, что нашло отражении в увеличении доступного диапазона втулок.

В 1995 году Sachs представила Elan, первую планетарную втулку с 12 скоростями и общим передаточным диапазоном 339%. Тремя годами позже Rohloff вышла на рынок с планетарной втулкой на 14 передач Speedhub 500/14 с общим диапазоном 526%, сравнимым с 27 скоростными классическими системами переключения передач. Она была достаточно надёжная и лёгкая. Это единственная втулка, которая может устанавливаться на горные велосипеды наравне с дерайлерами. В 2007 году NuVinci запустила в производство бесступенчатую ∞-скоростную втулку (велосипедный вариатор), предназначенную для ежедневных поездок на работу, с общим диапазоном приблизительно 350%.

На 2008 год Sturmey-Archer производила 3-, 5- и 8-скоростные втулки, SRAM (наследник Fichtel & Sachs) производила 3-, 5-, 7- и 9-скоростные, Shimano производила 3-, 7- и 8-скоростные. В феврале 2010 года Shimano официально представила 11-скоростную модель Shimano Alfine 700.

Хотя на большинстве планетарных втулок используется одна задняя звёздочка, в системах SRAM Dual Drive скомбинирована планетарная втулка с задним дерайлером. Тем самым получается трансмиссия широкого диапазона, сосредоточенная на заднем колесе. В 2010 году Canyon представила гибридную втулку 1442, в которой использовалась похожая комбинация планетарной передачи и дерайлера.

У Brompton Bicycle была своя собственная гибридная комбинация специальной втулки Sturmey-Archer широкого диапазона с двухскоростным дерайлером — «BWR» (Brompton Wide Ratio). Система ориентирована на складные велосипеды, в которых сложный передний дерайлер может загрязнить складной механизм велосипеда, велосипеды с горизонтальной посадкой и велосипеды для перевозки грузов, в которых маленькие колёса и / или увеличенный вес требует широкого диапазона передач с маленькими шагами). В прошлом планетарные втулки также использовались на мотоциклах, сейчас они практически не используются.

История выпуска первых моделей производителями:

• 1902 год, Sturmey Archer (Англия) — 3-скоростная втулка с диапазоном 145%.
• 1907 год, Fichtel & Sachs (Germany) — 2-скоростная Doppel-Torpedo.
• 1995 год, Shimano — 7-скоростная Nexus Inter 7 с диапазоном 244%.
• 1997 год, SRAM приобрела (Fichtel&) Sachs.
• 1998 год, Rollhoff AG (Германия) — 14-скоростная Speedhub 500/14 с диапазоном 526%.
• 2009 год, Brompton (England) — 3-скоростная BWR с диапазоном 246%.

Достоинства планетарной втулки

• Механизм переключения передач хорошо защищён от внешних воздействий, благодаря чему трансмиссия требует меньше ухода и имеет больший ресурс по сравнению со схемой с внешним переключением передач.
• В случае рамы с горизонтальными или скользящими дропаутами (или с эксцентриковой кареткой) отсутствует риск поломки петуха и/или попадания заднего переключателя в спицы.
• Возможность переключения передач в неподвижном состоянии, что полезно для городской езды.
• Более простая эксплуатация, особенно для неопытных велосипедистов: одна манетка, нет запрещённых сочетаний передач.
• Возможность использования с ременным или карданным приводом.
• Возможность использования системы с одной звездой, что позволяет установить щиток, защищающий цепь от внешних воздействий, а одежду — от контакта с цепью.
• Возможность использования долговечных цепей и звёзд от синглспида.

Недостатки планетарных втулок

• Высокая стоимость по сравнению с системами внешнего переключения.
• Риск убить втулку высоким крутящим моментом при агрессивной эксплуатации.
• Узкий диапазон передаточных отношений.
• Меньший КПД привода из-за большого количества зубчатых передач.
• Большой вес, смещение центра тяжести назад, на двухподвесах — увеличение неподрессоренных масс.
• Сложность конструкции, невозможность ремонта в полевых условиях. Обслуживание планетарной втулки требует больших навыков, чем традиционная трансмиссия.
• Несовместимость с эксцентриковым зажимом колеса. Если втулка недостаточно прочно привинчена к дропаутам, ось может провернуться, вызвав поломку втулки и/или рамы
  
• Распространенные рамы с вертикальными дропаутами не реализуют преимущества планетарной втулки в полной мере.

И напоследок видюшка про втулку Шимано: