Hochintegrierte, präzise Harmonic Drive-Miniaturantriebe aus Kunststoff

Die kleinen Geschwister

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Harmonic Drive-Antriebe aus Stahl ermöglichen seit Jahren höchste Präzision bei hohen Untersetzungen auf kleinstem Raum. Jetzt werden sie auch in Kunststoff entwickelt und angeboten. Dabei werden minimales Gewicht und kostengünstige Fertigung im Spritzguss mit den bekannten Vorteilen wie Leistungsdichte, Spielfreiheit und hohen Untersetzungen im kompakten Raum vereint.

Die spanend gefertigten Harmonic Drive-Hochleistungsgetriebe sind für ihre lebensdauerhafte Genauigkeit im Winkelsekundenbereich bekannt. Die aufwändige Präzisionsfertigung hat natürlich ihren Preis. Um die wesentlichen Vorteile des Getriebeprinzips auch Märkten anbieten zu können, die einem extremen Kostendruck ausgesetzt sind, werden seit kurzem Harmonic Drive Getriebe auch in Kunststoff entwickelt.

Funktionsweise und Bauarten
Das Harmonic Drive Getriebe besteht im Prinzip aus nur drei Bauteilen: einem unrunden Kern, dem sogenannten „Wave Generator“, dem flexiblen Ring mit Außenverzahnung „Flexspline“ und dem feststehenden, innenverzahnten Ring „Circular Spline“.
Der elliptische Wave Generator als angetriebenes Teil verformt über das Kugellager den Flexspline, der in zwei gegenüberliegenden Bereichen mit dem Circular Spline kämmt. 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, vollzieht sich pro Umdrehung des Wave Generators eine sehr langsame Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline um zwei Zähne.
Um den Flexspline zu verformen, sind je nach Anwendungsbereich drei unterschiedliche Generatorbauarten im Einsatz. Neben dem klassischen Kugellager mit elastischem Außenring kann vor allem für kostensensitive Anwendungen ein Generator mit zwei planetenartigen Rollen eingesetzt werden. Die Weiterentwicklung daraus ist eine Planetenvorstufe als Generator, die ohne zusätzlichen Platzbedarf extrem hohe Untersetzungen von je nach Baugröße bis zu 1000:1 ermöglicht.
Besonders kurz bauen die Getriebe, wenn man anstelle eines topfförmigen Flexspline, wie bei den meisten Harmonic Drives aus Stahl, ein zweites Hohlrad als Abtriebs-Kupplungsstufe einsetzt, den „Dynamic Spline“ (DS). Diese Bauform wird bei den Kunststoffgetrieben bevorzugt angewendet, zumal der DS im Spritzguss kostengünstig in umgebende Bauteile der Anwendung integriert werden kann.
Die Kunststoffgetriebe sind im Drehmoment- und Genauigkeitsspektrum unterhalb der Stahl-Pendants angesiedelt und können mit Durchmessern von etwa 8 bis 70 mm sinnvoll hergestellt werden. Die Mikrogetriebe erfordern aufgrund der kleinen Verzahnungsmodule (teilweise unter 100 µm) höchste Genauigkeit im Spritzgießprozess. Der Leistungsbereich umfasst je nach Baugröße ca. 20 mNm bis 5 Nm, je nach Randbedingungen der jeweiligen Anwendung auch höher.
Hohe Untersetzungen
Gegenüber herkömmlichen Getrieben, etwa Planetenstufen, weisen Harmonic Drive-Getriebe aus Kunststoff eine Reihe von technischen Vorteilen auf. Sie gestatten mit wenigen Einzelteilen die Realisierung von hohen Untersetzungen (je nach Größe etwa 20:1 bis 100:1, mit Planeten-Generator auch deutlich höher). Sie bauen extrem kurz und sind prinzipbedingt spielfrei. Eine sehr hohe Leistungsdichte und die Möglichkeit, eine große Hohlwelle zu realisieren, sind weitere Vorteile. Die Kunststoffgetriebe weisen darüber hinaus ein extrem reduziertes Gewicht und natürlich günstige Herstellkosten durch das Spritzgießverfahren auf. Sie sind optional nichtmagnetisch, was den Einsatz sogar in Magnetresonanz (Kernspin-)tomographen ermöglicht, und können selbsthemmend ausgeführt werden, was häufig den Einsatz einer gesonderten Bremse am Abtrieb erspart.
Harmonic Drive Polymer-Antriebe zielen aufgrund der je Anwendung erforderlichen Investitionen in Spritzgießformen vor allem auf Märkte mit großen Stückzahlen, in erster Linie natürlich die Automobilindustrie mit mannigfaltigen Einsatzmöglichkeiten im Interieur- und Komfortbereich sowie an der Karosserie. In der Medizintechnik bieten sich wegen der kompakten Abmessungen und des sehr niedrigen Gewichts Anwendungen z. B. in patientengetragenen Diagnosesystemen oder Dosierpumpen an, aber auch in chirurgischen Instrumenten. Neben Volumenanwendungen in der Feinmechanik (optische Systeme, Kameras, Justagevorrichtungen etc.) ermöglicht die kostengünstige Fertigung im Spritzguss erstmals auch den Einsatz von Harmonic Drive Präzisionsantrieben in der Haustechnik (Heizung, Klima, Fassaden) und sogar im Consumer-Bereich, etwa in Möbeln.
Maximale Integration
Bei Antrieben liegt der Nutzen für den Anwender oft in einer möglichst hohen Integration verschiedener mechatronischer Funktionen, vom Motor über das Getriebe bis hin zu Sensorik und Busanbindung. Gerade Kunststoff ermöglicht durch die Anwendung der Integralbauweise die Konzentration mannigfaltiger Funktionen auf engstem Raum zu günstigen Kosten. So wurden mit Harmonic Drive-Kunststoffgetrieben schon kundenspezifische Antriebe mit zusätzlichen Elementen, etwa einer Sicherheitskupplung, realisiert. Auch können Antriebe für eine optimale Montage gestaltet werden. Damit sind Polymere für komplexe kundenspezifische Antriebslösungen prädestiniert. Der Hersteller der Harmonic Drive Polymer-Antriebe bietet seinen Kunden das komplette Leistungsspektrum, von der Ausarbeitung eines Konzeptes, über die Auslegung leistungsfähiger Getriebe und die Entwicklung hochintegrierter Antriebsbaugruppen mit dem jeweils bestgeeigneten Motorprinzip (DC-Motor, EC Trommel- oder Flachmotor, Schrittmotor) bis hin zu Fertigung und Montage kompletter Antriebseinheiten sowie zur Lieferung aus einer Hand. Harmonic Drive-Antriebe aus Kunststoff ermöglichen den Einsatz dieser Präzisionsantriebe in Anwendungen, für die Harmonic Drive-Antriebe aus Stahl nicht in Frage kommen, und eröffnet darüber hinaus durch das extreme Integrationspotenzial völlig neue Möglichkeiten.
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