FEM-Analysen reduzieren Getriebegesamtgewicht um 50%

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Harmonic Drive SE

Leistungssteigerung im Präzisionsgetriebebau bedeutet, bei Beibehaltung der sehr anspruchsvollen Getriebeeigenschaften wie Spielfreiheit, Übertragungsgenauigkeit, Torsionssteifigkeit und Wiederholgenauigkeit die Drehmomentkapazität bei gleichem Bauraum spürbar zu erhöhen. Dies ist nur möglich, wenn man eine sehr hohe Fertigungs- und Entwicklungstiefe beherrscht.

Neue Werkstoffe verbessern Präzisionsgetriebe

So sind die Weiterentwicklung vorhandener Werkstoffe und der Einsatz völlig neuer Materialien in der Entwicklungsphase von großer Bedeutung. Harmonic Drive möchte durch Werkstoff- und Bauteiloptimierungen diese Ziele erreichen.

Es werden umfangreiche Simulationsmodelle aufgebaut, um die Entwicklungszeiten möglichst kurz zu gestalten. Die Variationsvielfalt bei der Ideenfindung soll nicht durch eine hohe Anzahl von gefertigten Prototypen überprüft werden, sondern bereits in der Simulationsphase am Modell aufgezeigt werden.

Derzeit wird an einer neuen Getriebegeneration gearbeitet, bei der eine spürbare Leistungssteigerung realisiert wird. Erste neue Getriebe dieser Generation werden voraussichtlich Anfang 2011 für Pilotkunden zur Verfügung stehen (Bild 1).

Formleichtbau reduziert Getriebegewicht

Als Basis für leichte Präzisionsantriebssysteme wurde im Entwicklungszentrum der Harmonic Drive AG ein konsequenter Formleichtbau zur Gewichtsreduktion des Kernbauteils umgesetzt. Das Ergebnis ist ein innovativer Leichtbaugetriebe-Einbausatz der Baureihe CPL (Compact Precise Light). Sämtliche Komponenten der bereits relativ leichten Standardgetriebe wurden gewichtsoptimiert.

Eine weitere Innovation im Bereich des Flexsplines, welcher auch zur Gewichtsreduktion beiträgt, ist die Nutzung von reibwerterhöhenden Schichten. Zur Übertragung der maximalen Drehmomente wird bei den Getrieben am Abtriebsflansch eine beidseitig diamantbestückte Scheibe – Ekagrip – eingesetzt. Dadurch wird der Reibwert zwischen den zu verschraubenden Flächen des Flexsplines und des kundenseitigen Abtriebsflansches in etwa verdreifacht, sodass das erforderliche Drehmoment mit weniger und kleineren Schrauben übertragen werden kann.

Massenträgheitsmoment wird durch Optimierung des Wave-Generators um etwa 40% reduziert

Mit Hilfe von systematisch durchgeführten FEM-Analysen ist es gelungen, das Gewicht des Circular Splines, welcher den größten Anteil am Getriebegewicht hat, ebenfalls spürbar zu reduzieren. Der Circular Spline erhält durch die neue T-Form ein optimiertes Verhältnis zwischen Gewicht und nötiger radialer Steifigkeit, die von großer Wichtigkeit für die Drehmomentkapazität und Überlastbarkeit des Getriebes ist.

Durch diese Maßnahme reduziert sich das Gesamtgewicht im Vergleich zum Standard-Harmonic-Drive-Getriebeeinbausatz um bis zu 50%. Das Massenträgheitsmoment wird durch die Optimierung des Wave-Generators um etwa 40% reduziert. Inzwischen werden diese Getriebe bereits in Serie in der Servicerobotik und in der Luftfahrt erfolgreich eingesetzt. Immer öfter finden diese Leichtbaugetriebe Anwendung im Werkzeugmaschinenbau und ähnlichen Branchen (Bild 2 bis 4).

Anspruchsvolle Positionierprozesse und perfekte Oberflächen bei der Werkstückbearbeitung erfordern immer öfter die Spielfreiheit des Getriebes über die gesamte Lebensdauer sowie eine perfekte Laufkultur des Gesamtantriebssystems. Für die Getriebe bedeutet dies eine perfekte Werkstoffauswahl und Verzahnungsauslegung in Verbindung mit Optimierungen im Herstellungsprozess der Verzahnungen. So entstehen bei der Entwicklung neuer Getriebegenerationen, unter Berücksichtigung des besonderen Zahneingriffsverhaltens, optimierte Verzahnungen, die durch verbesserte Herstellungsprozesse in den Verzahnungsmaschinen gefertigt werden. MM

* Dr. Matthias Mendel ist Leiter Konstruktion und Entwicklung sowie Prokurist der Harmonic Drive AG in 65555 Limburg/Lahn

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