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Präzisionsgetriebe – spielarm auf Dauer

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In Werkzeugmaschinen, in der Handhabung und Robotik zeichnet sich ein steigender Bedarf an Präzisionsgetrieben und -antrieben ab. Für präzise rotatorische Achsen werden zunehmend spielfreie Präzisionsgetriebe nach dem Harmonic-Drive-Prinzip eingesetzt.

Autor: Dr. Rolf Slatter

Ob Werkzeugrevolver, Werkzeugmagazin, Werkzeugwechsler, Palettenwechsler oder direkte Bearbeitungsachsen wie Schwenkachsen und NC-Tische – die hochpräzisen Harmonic-Drive-Getriebe erfüllen in diesen Anforderungen die an sie gestellten höchsten Ansprüche. Durch die derzeitige Begrenzung des kleinsten Untersetzungsverhältnisses der Harmonic-Drive-Getriebe von i = 30 : 1 werden in den Anwendungen, bei denen höhere Drehzahlen gefordert sind, oft Präzisions-Planetengetriebe eingesetzt.
Die Minimierung des Zahnflankenspiels ist teuer
Bisher ist beim Einsatz der Planetengetriebe die Minimierung des vorhandenen Zahnflankenspiels ein zu überwindendes Hindernis gewesen. Es gibt verschiedene theoretische und praktische Ansätze zur Minimierung des Zahnflankenspiels bei Plantengetrieben, welche allerdings in der Regel kostenintensiv sind und sehr hohen Aufwand in der Fertigung und Montage erfordern.
Die Ansätze, um das Zahnflankenspiel einzustellen oder zu minimieren, wie die Verwendung geteilter Hohl- und Planetenräder oder die Verwendung von konischen Zahnrädern, konnten sich am Markt nicht durchsetzen und sind zuletzt durch andere Verfahren, wie die Selektion und Zuordnung der Radpaarungen zueinander, abgelöst worden. Bei sämtlichen bisherigen Verfahren wurden starre Bauteile und Zahnräder in den Planetengetrieben verwendet. Dies erforderte einen sehr hohen Aufwand sowohl im Bereich der Fertigung als auch im Bereich der Montage. Weiterhin bietet diese Lösung lediglich Spielarmut bei Getrieben im Neuzustand. Da diese Lösung über keinen Mechanismus verfügt, der das Zahnflankenspiel auf Dauer begrenzt, ergibt sich erfahrungsgemäß in hoch beanspruchten Anwendungen eine Spielzunahme. Diese Eigenschaft ist für viele Anwender nicht mehr tragbar, zumal dies mit einer Abnahme der Genauigkeit in der Endanwendung bzw. mit nachträglicher Einstellung verbunden ist.
Jetzt aber hat die Harmonic Drive AG eine Lösung für dieses Problem parat. Harmonic Drive verfügt über das nötige Know-how bezüglich Auslegung und Fertigung von flexiblen Zahnrädern – wie z. B. den außenverzahnten Flex-spline des Harmonic-Drive-Getriebes – und hat sich dies zunutze gemacht, um eine echte Innovation im Bereich der Präzisionsplanetengetriebe zu realisieren.
Flexible Zahnräder sind die Lösung
Im Bereich von Planetengetrieben höherer Leistung ist es bekannt, dass man u. a. die Flexibilität von Hohlrädern zur Verbesserung der Lastverteilung der Planetenräder ausnutzen kann. Harmonic Drive hat dieses Prinzip in einer einzigartigen Form, dem Harmonic Planetengetriebe (HPG), weiterentwickelt. Dabei trägt die definierte flexible Verformung des Hohlrades der Planetengetriebe zur Minimierung des Zahnflankenspiels bei und die, wenn auch geringen, Fertigungstoleranzen sämtlicher Bauteile werden toleriert und ausgeglichen. Ein weiterer Effekt ist die bereits genannte Optimierung der Lastverteilung zwischen Hohlrad und Planetenrädern, was zu einersehr hohen Leistungsdichte verglichenmit „konventionellen“ Planetengetrieben führt. Sämtliche außenverzahnten Räder, wie Sonnen- und Planetenräder, sind in hoher Präzision geschliffen. Das Hohlrad wird mit denselben hochpräzisen Fertigungsverfahren hergestellt, mit denen die Hohlräder des Harmonic-Drive-Getriebes (Circular Spline und Dynamic Spline) hergestellt werden.
Bei der zweistufigen Version dieser HPG Präzisions-Planetengetriebe wird ein Teil der ersten Getriebestufe fliegend gelagert. Dieser Teil des Getriebes besteht aus Planetenrädern der ersten Stufe, Planetenträgern der ersten Stufe und Sonnenrad der zweiten Stufe. Durch diese fliegende Lagerung der ersten schnell-drehenden Stufe können sich die Getriebebauteile optimal zueinander einstellen. Die Flexibilität des Hohlrades lässt dies wiederum zu. Dadurch wird ein sehr geschmeidiger und ruhiger Getriebelauf erzeugt, was sich sowohl in den Getriebegenauigkeiten als auch im Geräuschverhalten widerspiegelt.
Hohe Präzision, hoher Wirkungsgrad
Im Vergleich zu herkömmlichen Planetengetrieben erreichen die neuen HPG-Planetengetriebe bei höchster Präzision höhere Wirkungsgrade und ein geringeres Geräuschniveau. Das Getriebe wird mit einer Lebensdauerfettschmierung versehen, wobei das antriebsseitige Sonnenrad, welches bei der Montage mit der Motorwelle verbunden wird, eine separate Lagerung erhält. Der gesamte Getriebebereich wird an- und abtriebsseitig komplett gedichtet. Die Motoradaption wird, wie inzwischen üblich, durch eine einfache Klemmverbindung zwischen Sonnenrad und Motorwelle erfolgen. Eine sehr einfache und schnelle Motormontage und Demontage ist somit ebenfalls möglich.
Das Sonnenrad ist gelagert und mit einer speziellen Klemmnabe für die Aufnahme der Motorwelle verbunden. Die geschützte Nabe wird über eine tangential angeordnete Schraube auf der Motorwelle geklemmt. Über eine Öffnung im Zwischenflansch kann diese Schraube mittels Drehmomentenschlüssel definiert angezogen werden. Die Öffnung wird später mit einer Kappe verschlossen. Der Motorflansch wird direkt an den Zwischenflansch des Getriebes angeschraubt.
Flexibles Hohlrad ver- hindert Zunahme des Spiels
Das wesentliche Alleinstellungsmerkmal ist jedoch die Tatsache, dass durch die Verwendung eines flexiblen Hohlrades keine Spielzunahme während der gesamten Lebensdauer vom Endanwender erfahren wird. Diese Eigenschaft wird durch Abbildung 4 untermauert, welche die Resultate eines Dauertests im Vergleich zu einem „konventionellen“ spielarmen Planetengetriebe darstellt. Wie aus diesem Diagramm zu entnehmen ist, ergibt sich beim letztgenannten schon nach wenigen hundert Stunden unter Sinusbelastung eine steigende Spielzunahme, was auch in eine schlechter werdende Wiederholgenauigkeit ausartet. Beim HPG-Getriebe dagegen bleibt das Zahnflankenspiel unter einer Winkelminute wie im Neuzustand und die Wiederholgenauigkeit bleibt unter ±5 Winkelsekunden.
Zunächst werden die HPG-Präzisionsplanetengetriebe in drei Baugrößen für Beschleunigungsdrehmomente von 23 bis zu 300 Nm, mit Untersetzungen 5, 11, 21 und 33 : 1 in allen Baugrößen, eingeführt. Weitere Baugrößen befinden sich derzeit in der Entwicklung. Es gibt bereits eine breite Palette von praktischen Anwendungen, wie schematisch in den Abbildungen 5 bis 8 dargestellt.
– mav 242
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