Spannungswellengetriebe

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Bauteile eines Spannungswellengetriebes

Ein Spannungswellengetriebe, Wellgetriebe oder Gleitkeilgetriebe, auch nach der englischen Bezeichnung strain wave gear (SWG) genannt, ist ein Getriebe mit einem elastischen Übertragungselement, das sich durch hohe Übersetzung und Steifigkeit auszeichnet. Das erste Spannungswellengetriebe wurde 1955 von Walton Musser entwickelt.[1] Die ersten Wellgetriebe in Serienproduktion stellte die Harmonic Drive AG unter dem Produktnamen Harmonic-Drive-Getriebe her.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Animation

Ein Spannungswellengetriebe besteht aus drei Elementen:

  • einer elliptischen Stahlscheibe mit aufgeschrumpftem Wälzlager und dünnem verformbarem Laufring, dem sogenannten Wave Generator. Das abgebildete Wellgetriebe arbeitet ohne Wälzlagerring. Die Stahlscheibe ist der Antrieb des Getriebes und elliptisch. Rechts ist sie gelb gezeichnet.
  • einer verformbaren zylindrischen Stahlbüchse mit Außenverzahnung, dem sogenannten Flexspline. Die Stahlbüchse ist der Abtrieb. Rechts ist sie rot.
  • einem starren zylindrischen Außenring mit Innenverzahnung, dem Circular Spline. Am unteren und oberen Rand greifen seine Zähne und die des Flexspline ineinander. Rechts ist er blau.

Die Außenverzahnung der Stahlbüchse hat weniger Zähne als die Innenverzahnung des Außenrings. In der Regel beträgt diese Differenz zwei Zähne. Somit vollführen Flexspline und Circular Spline bei jeder Umdrehung eine Relativbewegung um zwei Zähne.[1]

Funktionsweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die angetriebene elliptische Scheibe verformt die dünnwandige Stahlbüchse über den Außenring des Kugellagers. Dadurch greift die Außenverzahnung der Stahlbüchse im Bereich der großen Ellipsenachse in die Innenverzahnung des Außenrings. Hält man den Außenring fest, bleibt bei einer Umdrehung der Antriebsscheibe die Stahlbüchse (der Abtrieb) entsprechend der geringeren Zahl der Zähne gegenüber dem Außenring zurück.

Durch die hohen Zähnezahlen der feinen Verzahnungen erhält man sehr große Untersetzungen. Beispielsweise beträgt die Untersetzung bei z=200 Zähnen für die Innenverzahnung und z=198 für die Stahlbüchse 198:2 = 99, wenn die elliptische Scheibe als Antrieb und die Stahlbüchse als Abtrieb festgelegt sind. Bei 99 Umdrehungen der elliptischen Scheibe dreht sich die verformbare Stahlbüchse einmal.

Ca. 30 % der Zähne beteiligen sich an der Kraftübertragung. Zusammen mit dem hohen Untersetzungsverhältnis von 30:1 bis zu 320:1 ist das Wellgetriebe torsionssteif und spielfrei.[1] Je nach Ausführung ist die Positioniergenauigkeit besser als 30 Winkelsekunden. Das Getriebe ist kompakt und wartungsfrei. Wellgetriebe werden für Achsantriebe bei Robotern, Antriebe in Flugsimulatoren, die Nachführung von großen Parabolantennen, in Kraftfahrzeugen (Dynamiklenkung), in Werkzeugmaschinen und in Antrieben von Druckmaschinen eingesetzt.

Ein weiteres spielfreies Getriebe zur Übertragung von großen Drehmomenten ist das Zykloidgetriebe. Das Zykloidgetriebe hat einen höheren Wirkungsgrad als das Wellgetriebe (95 Prozent gegenüber 85 Prozent),[1] ist aber aufwendiger in der Fertigung.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier: Das Prinzip macht's, in: Konstruktionspraxis spezial Antriebstechnik, März 2013, Seite 80 (PDF)

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d Georg Jacobs (Hrsg.): Maschinengestaltung Band II. Verlag Mainz, Aachen 2016, ISBN 978-3-86130-749-5, S. 249f.