Präzisions-Kunststoffgetriebe bei hohe Temperaturen einsetzen

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Die Leistungsfähigkeit der Getriebe, vor allem das übertragbare Drehmoment, hängt stark von der Steifigkeit der Bauteile Circular Spline und Wave Generator ab. Der übliche Weg Glas- oder andere Fasern in die Matrix einzubetten, um den E-Modul des Werkstoffs zu erhöhen, führt zu verstärkter Abrasivität und damit erhöhtem Zahnverschleiß am Gleitpartner. Zudem liegt die Glasübergangstemperatur gängiger Getriebewerkstoffe in einem Bereich, der bei den vorgesehenen Einsatztemperaturen von bis zu 150 °C eine deutliche Erweichung und damit einen Leistungsabfall bewirken würde. Beim Flexspline (FS) gilt es zudem eine Balance zwischen der Abriebfestigkeit der Zähne und der Elastizität des Topfes zu finden.

Bei geeigneter Werkstoffauswahl mindestens vergleichbare Lebensdauer

Die Lösung für den Circular Spline (CS) und den Wave Generator (WG): Hochleistungs-Plastwerkstoffe, die ohne Verstärkungsstoffe die geforderten hohen Steifigkeiten erreichen und damit die Drehmomentkapazität der Getriebe steigern. Hochtemperatur-Thermoplaste halten zudem den E-Modul über den gesamten Einsatztemperaturbereich konstant. Natürlich ist das mögliche Werkstoffspektrum beim WG breiter als beim CS, bei dem als Anforderung zur Steifigkeit auch die optimale Gleitfähigkeit bei minimalem Verschleiß hinzu kommt. Für den FS wurden einige wenige Materialien identifiziert, die auch bei hohen Temperaturen dauerhaft die erforderliche Flexibilität erreichen. Bei 100 000 Stellzyklen um je 180° vor und zurück sowie bei einer Untersetzung von 70:1 durchläuft der FS immerhin 7 Millionen Biegewechsel – häufig mit einer Biegewechselfrequenz im Bereich von 100 Hz.

Abgerundet wird die Anpassung durch Hochtemperaturfett in den Kugellagern der Rollen des WG – die Verzahnung der Getriebe selbst kann unter verschiedenen Betriebsbedingungen sogar trocken betrieben werden.

Versuche bei Raumtemperatur wiesen an Beispielgetrieben nach, dass die Lebensdauer jene von Getrieben aus Standardwerkstoffen übertreffen kann – vorausgesetzt die geeigneten Materialien für die Bauteile wurden ausgewählt und die Geometrie, insbesondere des FS, optimiert. Weitere Versuche zur Validierung der Ergebnisse laufen.

Harmonic Drive Kunststoffgetriebe kombinieren einen einfachen Aufbau und kostengünstige Fertigungsverfahren mit hoher Präzision, einem kompakten Bauraum und geringem Gewicht. Bisher wurden kundenspezifische Getriebe mit Außendurchmessern von 10 bis 68 mm und Nenndrehmomenten von 35 mNm bis 6 Nm realisiert. In nur einer Stufe sind Untersetzungen bis 400:1 verwirklicht worden. Der Einsatz von Hochtemperaturwerkstoffen erschließt zahlreiche neue Anwendungen mit den Vorteilen des Harmonic Drive Prinzips bei geringen Kosten.

Dr. Frank Pöhlau ist Geschäftsführer der Harmonic Drive Polymer GmbH

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Link: Wie das Harmonic Drive Polymer Getriebe funktioniert

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