Exakt und kraftvoll

Technik konkret

Getriebetechnik – Ein patentiertes Funktionsprinzip ermöglicht die präzise Übertragung hoher Drehmomente auf kleinstem Raum.

09. April 2010

Die zentrale Forderung bei der Entwicklung eines Getriebes ist eine exakte Bewegungsübertragung. Kommt dazu die Aufgabe, hohe Drehmomente zu übertragen, lässt sich das konventionell nur durch eine Erhöhung der Getriebesteifigkeit erreichen. Einen völlig anderen Weg geht hier ein Funktionsprinzip, das der US-Amerikaner Walter Musser 1955 zum Patent angemeldet hat und das als »Harmonic Drive« bekannt wurde: Dieses Übersetzungsprinzip beruht auf der elastischen Verformung eines dünnwandigen Bauteils und ermöglicht sehr kompakte und zugleich hochuntersetzende Getriebe für Anwendungen, die eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit bei geringer Baugröße erfordern.

Die leistungsfähigen Getriebe bestehen aus lediglich drei einfachen Komponenten: Der Antrieb geschieht über den sogenannten Wave Generator, einen elliptischen Stahlring mit zentrischer Nabe und einem aufgezogenen, elliptisch verformbaren Spezialkugellager. Über dieses Kugellager verformt der Wave Generator eine zylindrische, verformbare Stahlbüchse mit Außenverzahnung, den sogenannten Flexspline, der sich in den einander gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse mit der Innenverzahnung eines massiven Stahlrings im Eingriff befindet, des sogenannten Circular Spline.

Große Untersetzung

Mit Drehen des Wave Generators verlagert sich die große Ellipsenachse und damit der Zahneingriffsbereich. Da der Flexspline zwei Zähne weniger besitzt als der Circular Spline, führt eine Umdrehung des Wave Generators zu einer Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline um zwei Zähne. Bei fixiertem Circular Spline dreht sich der Flexspline als Abtriebselement entgegengesetzt zum Antrieb. Wenn der Flexspline zwei Zähne weniger besitzt als der Circular Spline, errechnet sich das Untersetzungsverhältnis als Hälfte der Zähnezahl des Flexspline.

Dieses Funktionsprinzip ermöglicht eine absolut spielfreie und präzise Übertragung von großen Drehmomenten mit hohen Untersetzungen und hohem Wirkungsgrad bei kleinen Abmessungen und geringem Gewicht. Zudem lassen sich die torsionssteifen Harmonic-Drive-Getriebe mit einer zentralen Hohlwelle ausrüsten.

Die kompakte Bauform eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in verschiedensten Bereichen der Technik wie Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, Druck- und Papierverarbeitungsmaschinen, Medizintechnik, Holz- und Kunststoffbearbeitungsmaschinen, Halbleitertechnik, Mess- und Prüfmaschinen, Luft- und Raumfahrttechnik, Textil-, Verpackungs-, Umform- sowie Glasbearbeitungsmaschinen, Nachrichtentechnik sowie optische Geräte und Photonik. Auf der Grundlage des Harmonic Drive Prinzips wurden unterschiedliche Antriebssysteme für anspruchsvolle Anwendungen entwickelt: Darunter sind Einbausätze für die weitestgehende Integration des Getriebes in die Maschinenumgebung, Einheiten mit integriertem Abtriebslager zur einfachen Adaption des Motors sowie der Last an das Getriebe oder komplette Servoantriebe mit oder ohne Hohlwellen sowie der Einsatz als Überlagerungsgetriebe im Differenzialbetrieb.

Richard Hurst, Harmonic Drive/bt

Erschienen in Ausgabe: 02/2010