KLEINSTES FORMAT,GROSSE ÜBERSETZUNG Auf einen Blick

Schwerpunkt

Getriebe – Die Überwachung der Landeklappen von Flugzeugen erfordert die zuverlässige Erfassung von Drehwinkeln. Eine Kombination aus Wellgetriebe und Planetengetriebe ermöglicht dabei höchste Untersetzungen auf kleinstem Raum.

10. Dezember 2013

Beim Einsatz von Wellgetrieben und Planetengetrieben spricht man nicht immer zwingend von einem »Entweder-oder«, sondern vielmehr von »Sowohl-als-auch«, denn beide Technologien können durchaus sehr gut miteinander vereint werden. Hier setzt der ganzheitliche Ansatz der Harmonic Drive AG an: Der Limburger Antriebspezialist versteht sich nicht nur als Getriebehersteller, sondern als Unternehmen, das komplette Antriebslösungen mit Getriebe, Motor, Messsystem und Regelungstechnik bietet.

Möglich wird diese breite Produktpalette durch ein Baukastensystem, das seit über 15 Jahren kontinuierlich weiterentwickelt wird. Die mechanischen Komponenten, basierend auf dem Wellgetriebeprinzip, erlauben in nur einer Stufe spielfreie Untersetzungen von 30 bis 320 sowie Drehmomente bis 10.000 Newtonmeter. Einbausätze umfassen die Kernkomponenten Circular Spline, Flex Spline und Wave Generator mit flexiblem Wälzlager (siehe Bild 3). Dazu kommen Units, bei denen der Circular Spline gemeinsam mit dem integrierten hochpräzisen Abtriebslager das Gehäuse bildet, was die Systemintegration deutlich erleichtert.

Das Wellgetriebeprinzip erlaubt auch koaxiale Hohlwellen bis 80 Millimeter bei einem Außendurchmesser von 284 Millimeter. Der Untersetzungsbereich zwischen 3 und 50 wird durch Planetengetriebe abgedeckt. Hierbei ist es gelungen, die Flexspline-Technologie auf das Hohlrad des Planetengetriebes zu adaptieren, also ein flexibles Hohlrad zu entwickeln, das verschleiß- und spielkompensierend wirkt. Dies gewährleistet eine Begrenzung des Verdrehspiels auf weniger als eine Winkelminute, dauerhaft über die gesamte Lebensdauer des Getriebes.

In Kombination mit Servomotoren und integrierten Messsystemen sind alle diese Produkte auch als Servoaktuatoren verfügbar. Durch die optimierte Integration von Motor und Getriebe sind die Lösungen extrem kompakt, so dass oft die entscheidenden Millimeter Bauraum eingespart werden können. Das neueste Highlight dieser Produktlinie ist der Hohlwellen-Planetengetriebe-Antrieb FelisDrive. Dieser Motor wurde von der Harmonic Drive AG selbst entwickelt, um eine optimale Abstimmung auf die Getriebeperformance zu realisieren. Das dabei aufgebaute Know-how fließt nicht nur in die Serienprodukte ein, sondern auch in die erwähnten Systemlösungen. Diese werden entweder exakt nach Kundenwunsch anhand des Lastenheftes realisiert, oder die Harmonic Drive AG unterstützt bereits bei der Konzeption.

Entwicklung nach Kundenwunsch

Zum Beispiel hat das Unternehmen im Rahmen des Luftfahrt-Forschungsprogramms LuFo IV, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wird, ein Untersetzungsgetriebe komplett entwickelt, gefertigt und getestet, mit dessen Hilfe die Position der Start- und Landeklappen an den Tragflächen gemessen wird. Diese wird dabei indirekt an den Antriebswellen ermittelt, also nicht direkt im Drehpunkt der Klappen, und als Winkel dargestellt. Die Messung muss absolut erfolgen, damit die Klappenposition jederzeit ohne Initialisierung oder Referenzierung eindeutig bestimmt werden kann. Das eingesetzte Winkelmesssystem kann jedoch nur im Bereich einer einzelnen Umdrehung absolut messen, während die Antriebswelle einige hundert Umdrehungen benötigt, um die Klappen vollständig zu betätigen.

Dies erfordert also ein präzises, zuverlässiges, leichtes und robustes Untersetzungsgetriebe, das den harten Umweltanforderungen mit Stößen, Vibrationen und extremen Temperaturen standhält und zugleich extrem wenig Bauraum benötigt.

Ein Getriebetyp, der alle diese Eigenschaften vereinigt, sind die Wellgetriebe der Harmonic Drive AG. Diese erreichen je nach Baugrößen Untersetzungen bis i=320 in einer Stufe. Für den beschriebenen Einsatzfall ist allerdings auch diese Untersetzung noch zu gering. Durch »Vorschalten« eines einstufigen Planetengetriebes lässt sich der Messbereich allerdings leicht verdoppeln bis verfünffachen und so an den erforderlichen Messbereich anpassen.

Bei der beschriebenen Anwendung dient als Herzstück ein HDUC-Einbausatz der Baugröße 8. Dabei sind die Komponenten des vorgeschalteten Planetengetriebes jeweils mit einer anderen »Funktionalität« kombiniert. Dies reduziert Schnittstellen und ermöglicht einen kompakten Aufbau. So wurde das Sonnenrad direkt auf die schnell laufende Eingangswelle verzahnt, während das Gehäuse innen verzahnt ist und als Hohlrad dient. Ebenso bilden der Planetenträger und die HDUC-Eingangswelle eine Einheit. Die Abtriebswelle und der Flex Spline sind durch ein vorgespanntes Rillenkugellagerpaar gelagert. Besonders elegant gelöst ist die Lagerung des Planetenträgers bzw. der HDUC-Eingangswelle, indem die Welle im stationären Gehäuse und im mitdrehenden Klemmring des Flex Spline gelagert ist. Ähnlich ist auch die Eingangswelle mit dem Sonnenrad im stationären Montageflansch sowie im mitdrehenden Planetenträger gelagert.

Im konkreten Beispiel wurde das Planetengetriebe mit einer Untersetzung von i=4 realisiert. Zusammen mit der HDUC-Untersetzung von i=100 ergibt das eine Gesamtuntersetzung von i=400, sodass letztlich bis zu 400 Eingangsumdrehungen absolut gemessen werden können. Das Spiel der Planetenstufe von etwa 3 arcmin wird durch die prinzipbedingte spielfreie Harmonic-Drive-Untersetzung in Richtung Abtrieb um Faktor 100 reduziert und somit auf der Getriebeausgangsseite nahezu eliminiert.Dennoch ist das zweistufige Getriebe bei einem Durchmesser von 33 Millimeter (ohne Flansch) lediglich 55 Millimeter lang, hat also etwa die Größenordnung einer Espressotasse.

In Kombination mit Servomotoren und integrierten Messsystemen lässt sich das beschriebene Konzept natürlich auch für Servoaktuatoren anwenden, um den Arbeitspunkt der Anwendung an den Arbeitspunkt des Motors anzupassen oder den abtriebsseitigen Stellbereich noch feiner auflösen zu können. Wellgetriebe und Planetengetriebe sind also kein Widerspruch, sondern eine ideale Ergänzung, um höchste Untersetzungen mit kleinsten Getrieben zu realisieren.bt z

-Die Harmonic Drive AG mit Sitz in Limburg/Lahn ist ein führender Hersteller von hochpräzisen antriebstechnischen Systemlösungen aus Motor Getriebe, Messsystem und Regelungstechnik.

-Die Spezialität des Unternehmens sind sogenannte Wellgetriebe, die eine lebenslange Spielfreiheit mit hervorragender Positionier- und Wiederholgenauigkeit sowie äußerst kompakten Abmessungen und geringem Gewicht verbinden.

-Die Getriebe erreichen mit nur drei Bauteilen hohe Untersetzungen in nur einer Stufe und können zugleich höhere Drehmomente übertra-gen als konventionelle Getriebe gleicher Größe.

Erschienen in Ausgabe: 09/2013