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Harmonic-Drive-Getriebe Eine geniale Erfindung – Harmonic-Drive-Getriebe

Autor / Redakteur: Ullrich Höltkemeier / Stéphane Itasse

Im Rahmen eines Grundlagenartikels zeigen wir das „Wieso, Weshalb, Warum“ des Harmonic-Drive-Getriebes. Dazu sprach der Chefredakteur des MM-Schwesterportals Konstruktionspraxis, Ullrich Höltkemeier, mit Dr. Matthias Mendel, Leiter K&E der Harmonic Drive AG.

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Der Hohlwellen-Servoantrieb CHA ist ein für viele Anwendungen geeignetes, hochintegriertes mechatronisches System.
Der Hohlwellen-Servoantrieb CHA ist ein für viele Anwendungen geeignetes, hochintegriertes mechatronisches System.
(Bild: Harmonic Drive)

Seit der Amerikaner Walton Musser im Jahr 1955 das Wellgetriebe zum Patent anmeldete, fasziniert das einzigartige Funktionsprinzip viele Ingenieure. Jeden, der einmal einen Wellgetriebe-Einbausatz in den Händen hielt, erstaunt, dass man mit einer filigranen anmutenden, dünnwandigen Büchse (Flexspline) sehr hohe Leistungen übertragen kann.

Dazu sagt Dr. Matthias Mendel, Leiter K&E bei Harmonic Drive: „Beschäftigt man sich näher mit dem Funktionsprinzip, erschließen sich schnell die Vorteile und die Genialität der Erfindung. Wirklich beeindruckend ist, dass sich ein solches Getriebe mit nur drei scheinbar einfachen Komponenten realisieren lässt.“ Die Wellgetriebe von Harmonic Drive basieren auf einem außergewöhnlichen Funktionsprinzip, bei dem die Verformung von Material zur Übertragung von Kräften ausgenutzt wird.

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Seit der Patentierung 1955 haben schon einige Ingenieurgenerationen mit diesem hochpräzisen Getriebe herausragende Leistungen erzielt. So können mit dem nur dreiteiligen, leichten und kompakten Getriebe Untersetzungen von 30 : 1 bis 320 : 1 pro Stufe bei höchster Präzision erzielt werden.

Das Funktionsprinzip des Harmonic-Drive-Getriebes

Die Erfolgsgeschichte von Harmonic Drive ist eng mit einer Komponente verbunden,dem Harmonic-Drive-Getriebe. Dieses Getriebe besteht aus drei Bauteilen: dem äußeren Circular Spline, einem zylindrischen Ring mit Innenverzahnung, dem mittleren Flexispline, einer zylindrischen, verformbaren Stahlbüchse mit Außenverzahnung sowie dem inneren Wave Generator, einer elliptischen Stahlscheibe mit zentrischer Nabe und aufgezogenem elliptisch verformbaren Spezialkugellager.

Der elliptische Wave Generator als angetriebenes Teil verformt über das Kugellager den Flexspline, der sich in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse mit dem innenverzahnten, fixierten Circular Spline im Eingriff befindet. Mit Drehen des Wave Generators verlagert sich die große Ellipsenachse und damit der Zahneingriffsbereich.

Da der Flexspline zwei Zähne weniger als der Circular Spline besitzt, vollzieht sich nach einer halben Umdrehung des Wave Generators eine Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline um einen Zahn und nach einer ganzen Umdrehung um zwei Zähne. Bei fixiertem Circular Spline dreht sich der Flexspline als Abtriebselement entgegengesetzt zum Antrieb.

Vorteile der Harmonic-Drive-Getriebe zusammengefasst

  • Spielfreiheit: Harmonic-Drive-Getriebe weisen über ihre gesamte Lebensdauer keine Spielzunahme in der Verzahnung auf.
  • Hervorragende Positionier- und Wiederholgenauigkeit: Harmonic-Drive-Getriebe besitzen eine hervorragende Positioniergenauigkeit von weniger als einer Winkelminute und eine Wiederholgenauigkeit von nur wenigen Winkelsekunden.
  • Kleine Abmessungen und geringes Gewicht: Harmonic-Drive-Getriebe sind wesentlich kompakter und leichter als konventionelle Getriebe.
  • Hohe Drehmomentkapazität: Da die Kraftübertragung über einen großen Zahneingriffsbereich erfolgt, können Harmonic-Drive-Getriebe höhere Drehmomente als konventionelle Getriebe übertragen.
  • Hohe Untersetzungen in einer Stufe: Mit nur drei Bauteilen werden Untersetzungen von 30:1 bis 320:1 in einer Stufe erreicht.
  • Hohe Wirkungsgrade: Im Nennbetrieb werden Wirkungsgrade bis zu 85 % erreicht. Harmonic-Drive-Getriebe sind nicht selbsthemmend und weisen kein Stick-Slip-Verhalten auf.
  • Hohe Torsionssteifigkeit: Harmonic-Drive-Getriebe weisen über den gesamten Drehmomentbereich eine hohe Torsionssteifigkeit mit nahezu linearer Kennlinie auf.
  • Zentrale Hohlwelle: Harmonic-Drive-Getriebe bieten die Möglichkeit einer zentralen Hohlwelle. Kabel, Wellen, Laserstrahlen usw. können so auf einfache Weise durch die Hohlwelle geführt werden
  • Hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer: Harmonic-Drive-Getriebe erreichen eine sehr hohe Lebensdauer, die den Lebenszyklus der Maschinen positiv beeinflußt.

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