Wellgetriebe Kundenspezifische Getriebe im Industriezeitalter 4.0

Eine flexible Getriebeauslegung – wie es der Kunde wünscht: das gibt es nun bei einem neuen Wellgetriebesystem. Möglich machen das der Einsatz eines frei wählbaren Lagers für den Wave Generator, eine rechnergestützte Modellierung des kompletten Getriebes sowie eine Fertigung nach Industrie 4.0.

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Harmonic Drive SE

Die Harmonic-Drive-Getriebe sind für ihre Kompaktheit bekannt: das unterstreichen Getriebe mit einer Länge von nur 125 mm und einer Drehmomentkapazität von mehr als 9000 Nm. Ein weiterer Vorteil der von der Harmonic Drive AG angebotenen Lösungen ist der große Durchmesser der Hohlwelle, den die Anwender für Versorgungsleitungen, Wellen oder Kabel weiterer Antriebssysteme nutzen. Das ermöglicht zahlreiche Antriebslösungen, von individuellen Getrieben bis hin zu kompletten Servo-Mehrachssystemen. Sie alle weisen die entscheidenden Vorteile der Harmonic-Drive-Lösungen auf: Präzision, Kompaktheit und niedriges Gewicht.

Mit dem Wellgetriebeprinzip viele Antriebsprobleme lösen

Harmonic-Drive-Getriebe basieren auf dem Wellgetriebeprinzip, das 1955 von Walton Musser entwickelt wurde. Die drei Komponenten eines solchen Wellgetriebes führen zu einer außergewöhnlich präzisen und kompakten Getriebelösung für zahlreiche Antriebsprobleme. Einstufige Untersetzungen bis zu 320:1 sind in Kombination mit großen Hohlwellen und spielfreien Präzisionsgetrieben die herausragenden Leistungsmerkmale der auf diesem Prinzip basierenden Getriebe.

Das Funktionsprinzip des Wellgetriebes beruht auf lediglich drei Komponenten. Bei Harmonic Drive werden diese als Wave Generator, Flexspline sowie Circular Spline bezeichnet. Der Circular Spline entspricht einem Zahnkranz mit Innenverzahnung, der in der Regel am Maschinengehäuse befestigt wird. Im Inneren des Circular Spline befindet sich der Flexspline. Dabei handelt es sich um ein drehsteifes, aber radial flexibles Getriebeelement mit Außenverzahnung. Der Flexspline besitzt zwei Zähne weniger als der Circular Spline und wird ganz allgemein als Abtriebselement genutzt. Die dritte Komponente, der Wave Generator, ist eine elliptische Welle mit einem dünnwandigen Kugellager, die auf der Ellipse angebracht ist und in der Regel am Motor als Antriebselement dient.

Wenn sich der Wave Generator dreht, greifen die Zähne des Flexspline in die Zähne des Circular Spline ein. Da der Flexspline zwei Zähne weniger als der Circular Spline besitzt, vollzieht sich eine Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline. Dies führt zu der hohen Untersetzung von 30:1 bis 320:1 in einer Stufe und der kompakten Auslegung der Harmonic-Drive-Getriebe. Die gängigste Version des Wellgetriebes verfügt über einen Flexspline in Topfform. Wenn der Flexspline auf dem elliptischen Wave Generator angebracht ist, führt die Verformung über der Hauptachse zu einem permanenten Kontakt zwischen den Zähnen. Dies ist die Grundlage der spielfreien Harmonic-Drive-Getriebe.

Hohlwellendurchmesser bis 60 % des Außendurchmessers möglich

Eine weitere Version des Wellgetriebes verfügt über einen zylinderförmigen Flexspline. Ein zweiter Spline, der Dynamic Spline mit derselben Anzahl von Zähnen, dient als Kupplung für die Verbindung des Flexspline mit dem Abtrieb. Der Vorteil der flachen Getriebe ist ihre extrem kurze Länge. Beide Versionen können mit einer Hohlwelle ohne Reduzierung der Drehmomentkapazität geliefert werden.

Für neue Anwendungen hat Harmonic Drive das Wellgetriebe auf Basis des Flachgetriebes jetzt noch einmal neu „erfunden“. Die früheren Wellgetriebe wurden durch die verfügbaren Lagergrößen des Wave Generators eingeschränkt. Dieses Element bestimmt die mögliche Größe der Getriebekomponenten (und demgemäß die Drehmomentkapazität) sowie des Hohlwellendurchmessers. Das neue Getriebesystem ermöglicht eine völlig flexible Getriebeauswahl durch den Einsatz eines frei wählbaren Lagers für den Wave Generator – eine Technologie, die als Waveplus bezeichnet wird. Extrem große Hohlwellendurchmesser bis zu 60 % des Außendurchmessers sind nun ohne Einschränkung der Drehmomentkapazität möglich.

Integration von computergestützter Konstruktion und Fertigung

Die Waveplus-Technologie wurde für Harmonic Drive Flachgetriebe entwickelt, um eine auf die Kundenanforderungen abgestimmte, absolut flexible Getriebeauslegung zu ermöglichen. Damit kann die Harmonic Drive AG nahezu alle vom Kunden gewünschten Getriebegrößen liefern. Die einschränkenden Faktoren sind lediglich die verfügbaren Schneidewerkzeuge und die bearbeitbaren Komponentengrößen. Die Folge ist eine nahezu unendlich große Auswahl an Getriebegrößen und -untersetzungen.

Grundlage der Waveplus-Technologie ist der Einsatz von Nadellagern im Wave Generator. Speziell konstruierte Rollenkäfige und eine optimierte Form des Wave Generators sowie die modernsten Harmonic-Drive-Getriebeformen versprechen hohe Drehmomentkapazitäten und eine außergewöhnliche Präzision über die gesamte Lebensdauer. Der Einsatz modernster Computertechnologien führt zu verbesserten Komponenten mit einer optimalen Lastverteilung. Harmonic Drive ist der erste und einzige Hersteller von Wellgetrieben, der in der Lage ist, mithilfe dieser Technologien ein komplettes Wellgetriebe zu modellieren. Die Integration von computergestützter Konstruktion und Fertigung erweist sich bei diesen Produkten als ein praktischer Vorteil von Industrie 4.0.

Baugröße der Getriebe festlegen anhand eines Parameters festlegen

Auf Basis eines einzigen Parameters, wie beispielsweise des erforderlichen Beschleunigungsdrehmoments oder des Hohlwellendurchmessers, lassen sich die Baugröße der Getriebe festlegen und mögliche Untersetzungen auf der Grundlage der großen Auswahl an Getriebemodulen empfehlen. Alle Harmonic Drive Getriebe zeichnen sich durch eine herausragende Präzision über die komplette Lebensdauer aus.

Die Verbindung von Getriebeauswahlverfahren mit modernen Fertigungseinrichtungen ermöglicht es, in kürzester Zeit kundenspezifische Getriebelösungen zu konzipieren und herzustellen. Frühere Schwachstellen wie die Lagerauslegung, die zu längeren Lieferzeiten führte, gibt es nicht mehr. Darin zeigt sich eine weitere äußerst praktische Anwendung der Verfahren von Industrie 4.0.

Kundenspezifische Getriebelösungen schnell realisierbar

Zurzeit werden vom Unternehmen auch Harmonic-Drive-Iridium-Line-Getriebe mit Waveplus als Getriebekomponente und Getriebe mit spezieller, kundenspezifisch ausgelegter Abtriebslagertechnik entwickelt. Kundenspezifische Lösungen lassen sich dank des flexiblen Fertigungsprozesses ebenfalls schnell realisieren. Die Harmonic Drive AG kann Lösungen anbieten, die von einfachen Kundenschnittstellen bis hin zu vollständigen kompakten Servosystemen einschließlich Feedback- und Kontrollelektronik reichen.

Um die vom Kunden geforderte Flexibilität zu erhöhen, können Iridium-Line-Getriebe bei extremen Belastungen entweder mit speziellem Fett oder Getriebeöl gemäß ISO VG68 EP geschmiert werden. Dadurch ist es möglich, die Iridium-Line-Getriebe in das aktuelle Schmiersystem des Kunden einzubeziehen oder als wartungsfreies fettgeschmiertes System einzusetzen. Die Auswahl des optimalen Schmierungssystems erlaubt es dem Kunden darüber hinaus, Harmonic-Drive-Getriebe in einer Vielzahl von Umgebungen mit Temperaturen von unter -50 bis über 200 °C einzusetzen.

Derzeit kommen Iridium-Line-Getriebe für anspruchsvolle Aufgaben, wie beim Richtbohren bei der Öl- und Gasförderung, zum Einsatz. Frühere hydraulische Lösungen waren schwer, langsam und wenig effizient. Die aktuelle mechatronische Lösung hat zu einer verbesserten Effizienz und einer einfacheren, kompakteren Bauweise geführt. Kundentests waren so erfolgreich, dass weitere Größen und Untersetzungen angefordert wurden, die nun in Limburg produziert werden.

* Richard Hurst ist Produktmanager Mechanik bei der Harmonic Drive AG in 65555 Limburg

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