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Getriebe Platzsparende Exzentergetriebe bieten hohe Übersetzung

| Autor / Redakteur: Hans-Erich Maul / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Vom Planetengetriebe über das Wolfromgetriebe bis hin zum Cyclogetriebe reichen die Varianten an untersetzenden Getrieben. Ein Vergleich hoch untersetzender Planetengetriebe zeigt dabei verschiedene Vorteile, die bei der Auswahl für Exzentergetriebe mit Evolventenverzahnung sprechen.

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Bild 4: Radialschnitt durch ein Exzenterge- triebe mit Evolventenverzahnung; i = –17, Zähnezahldifferenz = 5.
Bild 4: Radialschnitt durch ein Exzenterge- triebe mit Evolventenverzahnung; i = –17, Zähnezahldifferenz = 5.
(Bild: Maul Konstruktionen)

Bei der Anpassung der hohen Drehzahlen der Motoren an die geforderten Drehzahlen in der Anwendung steht der Konstrukteur immer vor der Frage, welches Getriebe das richtige ist. Ein kurzer Abriss über Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Konstruktionen soll bei der Auswahl helfen.

Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Getriebe

Bei Planetengetrieben (Bild 1) können nur mit mehreren Stufen hohe Untersetzungen mit sehr vielen Zahnrädern realisiert werden. Dadurch sind diese axial lang bauend. Die Untersetzung pro Stufe liegt zwischen i = 5:1 und i = 10:1.

Die Acbargetriebe (Bild 2 – siehe Bildergalerie) eignen sich besonders, wenn sehr hohe Untersetzungen oberhalb i = 500:1 oder größer erforderlich sind. Es sind mindestens zwei Innen- und zwei Planetenräder erforderlich.

Mit Wolfromgetrieben (Bild 3) sind mittlere bis hohe Untersetzungen möglich, allerdings mit dem großen Aufwand zweier Innen- und vieler Planetenräder.

Harmonic-Drive-Getriebe nur für relativ kleine und niedrige Verzahnungen

Bei Harmonic-Drive-Getrieben können nur mittlere Untersetzungen bei relativ großer Baugröße realisiert werden, weil die kleinste Zähnezahldifferenz zwischen Innenzahnrad und Waver zwei ist. Der Waver verformt sich elastisch. Deshalb können nur relativ kleine und niedrige Verzahnungen verwendet werden, weil sonst die Elastizität des Wavers überschritten wird.

Cyclogetriebe sind für Untersetzungen bis zirka i = 100:1 einstufig mit Zähnezahldifferenzen von eins relativ groß bauend zu realisieren. Klein bauende Getriebe sind nicht möglich, weil die Miniaturisierung der Rollen dies verhindert.

Alle einstufigen hoch untersetzenden Getriebe haben gemeinsam, dass das Antriebsrad, das gleichzeitig auch das Hauptrad der Stufe ist, mit der hohen Drehzahl des Motors dreht. Bei mehrstufigen Planetengetrieben reduziert sich die Drehzahl langsam mit jeder Stufe. Dadurch sind diese meist geräuschärmer als alle anderen hoch untersetzenden Getriebe. Deshalb werden meist Antriebsdrehzahlen über 3000 min-1 vermieden.

Bei Exzentergetrieben wird mit Evolventenverzahnung gearbeitet

Das Exzentergetriebe ist im Grundaufbau ähnlich dem Cyclogetriebe. Es wird aber keine teure Verzahnung mit Rollen und Kurvenkörpern verwendet, sondern eine normale Evolventenverzahnung mit einem Eingriffswinkel von 20° (Bild 4).

Diese Verzahnung kann im Abwälzverfahren durch Fräsen oder Stoßen mit normalen Werkzeugen hergestellt werden. Es ist aber auch ein preiswertes Feinstanzen möglich.

Exzentergetriebe haben großen Einsatzbereich

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Drehung des Exzenterrades zu verhindern: Standardmäßig wird das mindestens dreifache Parallelkurbelgetriebe, das aus Rollen und Bolzen besteht, verwendet. Es ist aber auch ein Kardangelenk sowie eine Schmidt- oder Oldhamkupplung einsetzbar. Dabei kann der Abtrieb entweder das Innenzahnrad, wie es beispielsweise beim Trommelmotor der Fall ist, oder der Rollenträger sein. Dementsprechend kehrt sich die Drehrichtung um.

So wie die Evolventenverzahnung in großen und in sehr kleinen Abmessungen möglich ist, so hat das Getriebe auch einen sehr großen Einsatzbereich. Es sind sowohl einstufige Getriebe von i = 1000:1 bei zum Beispiel 200 mm Durchmesser und Modul 0,2 mm mit Zähnezahldifferenz eins möglich als auch Getriebe mit einer Zähnezahldifferenz von 10 und i = 8:1. Dabei ist der besondere Trick, die Evolventenverzahnung entsprechend zu konstruieren.

Exzentergetriebe erzeugen hohes Antriebsmoment und sich hoch belastbar

Die Verzahnung kann für alle Bauformen mit voller Zahnhöhe gestaltet werden. Dabei ist es nicht nötig, Kopfkürzungen und damit Tragfähigkeitsverluste hinzunehmen. Die Verzahnung trägt flächenförmig bei allen Zähnezahldifferenzen. Bei Differenz eins tragen circa 10% aller Zähne, sodass die Getriebe, die ein hohes Abtriebsmoment erzeugen, auch gleichzeitig hoch belastbar sind.

Werden gleichzeitig viele und sehr stabile Bolzen und Rollen angeordnet, sind sehr hoch belastbare Getriebe mit einer großen Lastreserve zu bauen. Die zentrische Lagerung muss dabei allerdings sehr stabil, am besten vollrollig ausgeführt werden.

Exzentergetriebe können unterschiedlich ausgeführt werden

Die Getriebe können absolut spielfrei eingestellt werden, indem man das Innenzahnrad zweiteilig ausführt und die beiden Innenzahnräder gegeneinander verdreht. Das Exzentergetriebe kann bei niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel als Einstellgetriebe, mit nur einem Exzenterrad und mit oder ohne Gegengewicht am Exzenter ausgeführt werden.

Bei hohen Drehzahlen wird das Getriebe am besten mit zwei um 180° versetzten Exzenterrädern gestaltet. Dann kann die entstehende Unwucht vollständig ausgeglichen werden.

Die Übersetzung rechnet sich aus den Zähnezahlen der Zahnräder; die Formel lautet: i =Za/(Za-Zi).

Exzentergetriebe preiswerter als andere hochuntersetzende Getriebe

Angewendet werden können diese Getriebe zum Beispiel großbauend bei Roboterarmgelenken mit einstufig i = 250:1 mit Modul 1 mm ohne Planetenvorschaltstufe. Oder kleinbauend zweistufig mit i = 600:1 und Modul 0,4 mm bei einem Fingergelenk einer Roboterhand. Dabei sind diese Getriebe im Vergleich zu anderen hochuntersetzenden Getrieben einfach zu fertigen und preiswerter.

Darüber hinaus sind sie kompakter als alle anderen hochuntersetzenden Getriebe. Baureihen mit gleichem Innenzahnrad und verschiedenen Exzenterrädern ergeben eine gute, fast geometrische Stufung. Deshalb hat sich Maul Konstruktionen auf die Konstruktion solcher Getriebe spezialisiert.

* Hans-Erich Maul ist technischer Leiter bei Maul Konstruktionen in 52068 Aachen

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