Getriebe

Zykloid- und Planetengetriebe im Vergleich

| Redakteur: Ute Drescher

Da bei einem Zykloidgetriebe im Vergleich zu einem Planetengetriebe permanent rund viermal so viel Kontaktfläche zwischen Rollen bzw. Zähnen und Kurvenscheibe besteht, zeichnen sich die Zykloidgetriebe durch eine hohe Schockbelastbarkeit bis zum Fünffachen des Nennmoments aus.
Da bei einem Zykloidgetriebe im Vergleich zu einem Planetengetriebe permanent rund viermal so viel Kontaktfläche zwischen Rollen bzw. Zähnen und Kurvenscheibe besteht, zeichnen sich die Zykloidgetriebe durch eine hohe Schockbelastbarkeit bis zum Fünffachen des Nennmoments aus. (Bild: Nabtesco)

Bei Präzisionsgetrieben können Konstrukteure zwischen Zykloid- und Planetengetrieben wählen. Wir erklären die Vor- und Nachteile der Getriebe und zeigen Anwendungsbeispiele.

Getriebe kommen in unzähligen verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz. Das Angebot an unterschiedlichen Getriebetypen und Ausführungen der führenden Hersteller ist entsprechend breit. Bei Applikationen, die eine besonders hohe Präzision verlangen – sei es im Anlagenbau, in der Robotik, im Werkzeugmaschinenbau oder in der Medizintechnik – sind robuste Präzisionsgetriebe mit einer langen Lebensdauer gefragt. Mit Zykloid- und Planetengetrieben haben sich hier zwei unterschiedliche Bauarten etabliert. Konstrukteure stehen daher in vielen Fällen vor der Herausforderung, die jeweiligen Vor- und Nachteile dieser Getriebetypen zu erkennen und abzuwägen, um die optimale Untersetzungslösung zu erhalten.

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Bauweise und Vorteile der Planetengetriebe

Die Bauteile von Planetengetrieben bestehen im Wesentlichen aus drei grundlegenden Elementen:

  • Ein mittiges, sogenanntes Sonnenrad
  • Drei oder mehr Satelliten- beziehungsweise Planetenräder
  • Ein Hohlrad

In einem typischen Planetengetriebe überträgt das Sonnenrad die Bewegung zu den Satelliten. Diese rollen sich dann im statischen Hohlrad ab. Die Planetenräder sind am Planetenträger montiert, der die Drehzahl dann an die Abtriebswelle überträgt. „Mit Planetengetrieben sind in der Regel mit einer oder zwei Getriebestufen Untersetzungen von 3:1 bis 100:1 möglich“, erklärt Marcus Löw, Vertriebsleiter von Nabtesco Precision Europe. Indem man eine oder mehrere Vorstufen ergänzt, könne man die Gesamtuntersetzung weiter erhöhen.

Im Unterschied zu einfachen Untersetzungslösungen wie etwa Schneckengetrieben wirken bei Planetengetrieben geringere Kräfte auf die Zahnräder, da das Drehmoment stets auf mehrere Zahnräder verteilt wird. Außerdem bewirkt diese Verteilung einen geräuscharmen Lauf ohne Kraftflussunterbrechung. Zudem sind verschiedene Übersetzungsvarianten von Planetengetrieben möglich.

Bauweise der Zykloidgetriebe

Zykloidgetriebe dagegen setzen auf zweistufige Antriebskomponenten. Sie bestehen hauptsächlich aus vier Bauelementen:

  • Eine Antriebswelle
  • Zwei bis drei Exzenterwellen
  • Zwei Kurvenscheiben
  • Eine Abtriebswelle, die der Untersetzung entsprechend langsam läuft

Zunächst wird in einer ersten Stufe die Drehbewegung des Servomotors über die Eingangswelle auf die Stirnräder übertragen. Dabei reduziert sich die Drehzahl entsprechend des Untersetzungsverhältnisses von Eingangswelle zu Stirnrädern. Die Stirnräder sitzen auf Exzenterwellen, die jeweils über drei um 120° versetzte Exzenter verfügen. Die beiden Kurvenscheiben werden über ein Lager auf den Exzentern angetrieben. Die drei Exzenterwellen in der Abtriebs- und Antriebsseite sind jeweils gelagert.

An der Innenseite des Gehäuses ist ein Kurvenprofil entsprechend der Kurvenscheiben eingearbeitet. Dieses bildet die zweite Untersetzungsstufe. Das Kurvenprofil im Gehäuse besitzt eine Vertiefung mehr als die Kurvenscheiben. Bolzen, die zwischen den Kurvenscheiben und dem Kurvenprofil im Gehäuse angeordnet sind, übertragen die Drehbewegung wälzend an die Abtriebswelle. Wenn die Exzenterwellen eine volle Drehung durchlaufen, drehen sich die Kurvenscheiben außermittig um eine Teilung weiter. Dabei berühren alle Kurven der Kurvenscheibe die Bolzen und wälzen sich auf ihnen ab.

Vorteile von Zykloidgetrieben

Die für Zykloidgetriebe typische Kraftübertragung über Bolzen und Rollen sorgt für einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und ein extrem geringes Spiel des Getriebes.
Die für Zykloidgetriebe typische Kraftübertragung über Bolzen und Rollen sorgt für einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und ein extrem geringes Spiel des Getriebes. (Bilder: Nabtesco)

Auf dem gesamten Umfang des Kurvenprofils ist ein sogenannter Zahneingriff gewährleistet, da die beiden Kurvenscheiben auf den Exzentern um 180° zueinander verschoben sind. So lassen sich sehr hohe Drehmomente mit höchster Präzision und Laufruhe übertragen und aufgrund der beiden Untersetzungsstufen hohe Untersetzungsverhältnisse erzielen. Zykloidgetriebe erlauben Untersetzungen von 30:1 bis über 300:1 – ohne zusätzliche Vorstufen, wie sie bei Standard-Planetengetrieben nötig sind.

Wirkungsgrad und Lebensdauer von Zykloidgetrieben

„Die für Zykloidgetriebe typische Kraftübertragung über Bolzen und Rollen sorgt für einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und ein extrem geringes Spiel des Getriebes“, hebt Vertriebsleiter Löw die Hauptvorteile gegenüber Planetengetrieben hervor. „Darüber hinaus garantiert die rollende Reibung aller an der Kraftübertragung beteiligten Elemente ein sehr geringes Losbrechmoment.“ Das zweistufige Untersetzungsprinzip, das bei den RV-Getrieben von Nabtesco Verwendung findet, reduziert die Vibrationen sowie die Massenträgheit und lässt größere Untersetzungen zu. Der fast vollständige Kontakt innerhalb der Zykloiden-Bolzen-Konstruktion und die gleichmäßige Kraftverteilung innerhalb des Getriebes erlauben außerdem eine hohe Belastung bei geringem Spiel.

Durch diesen besonderen Aufbau erreichen die RV-Getriebe von Nabtesco eine hohe Wiederhol- und Bahngenauigkeit. Im Nulldurchgang der Hysterese liegt die Öffnung deutlich unter einer Winkelminute. Der symmetrische Aufbau und die Wälzlagerabstützung aller Wellen gewährleisten zudem ein konstantes Betriebsverhalten über die komplette Lebensdauer. Außerdem erlauben sie hohe Lastspitzen bis zum Fünffachen des Nenndrehmoments, wie sie beispielsweise bei „Not-Aus“-Situationen auftreten können.

Zykloid- oder Planetengetriebe?

In einem typischen Planetengetriebe überträgt das Sonnenrad die Bewegung zu den Satelliten, die sich dann im statischen Hohlrad abrollen. Mit Planetengetrieben sind in der Regel mit einer oder zwei Getriebestufen Untersetzungen von 3:1 bis 100:1 möglich.
In einem typischen Planetengetriebe überträgt das Sonnenrad die Bewegung zu den Satelliten, die sich dann im statischen Hohlrad abrollen. Mit Planetengetrieben sind in der Regel mit einer oder zwei Getriebestufen Untersetzungen von 3:1 bis 100:1 möglich. (Bilder: Nabtesco)

Wenn in der Konstruktion eine Entscheidung zwischen Zykloid- und Planetengetriebe ansteht, gelte es zunächst, die benötigte Präzision in der Anwendung zu betrachten: „Sind Spiel und Positioniergenauigkeit von wesentlicher Bedeutung, bieten Zykloidgetriebe die besseren Leistungsdaten“, erklärt Marcus Löw. „Zusammengefasst: Zykloidgetriebe weisen eine robustere Bauweise auf als Planetengetriebe und kommen daher auf eine höhere Lebensdauer. Auch über einen langen Zeitraum ist die Spielzunahme bei Zykloidgetrieben extrem gering.“ Konstruktionsbedingt sind sie deutlich steifer und dabei kompakter (ca. 50 % kürzer) sowie leichter als mehrstufige Planetengetriebe. Zudem bieten sie eine um 500 % höhere Überlastsicherheit.

Ein weiteres wichtiges Kriterium sei die geforderte Untersetzung. Bei Untersetzungen von 3:1 bis 100:1 böten Planetengetriebe eine hohe Drehmomentdichte. „Auch wenn es prinzipiell möglich ist, lassen sich bei Zykloidgetrieben dagegen bauartbedingt Untersetzungen unter 30:1 nur schwer ohne eine zusätzliche Vorstufe erzielen“, sagt Marcus Löw. „Liegen die geforderten Untersetzungen aber über 30:1, sind Zykloidgetriebe im Vorteil, da sie gegenüber den Planetengetrieben keine zusätzlichen Vorstufen benötigen.“

So findet man das optimale Getriebe

Vergleicht man die Abmessungen der beiden Getriebetypen, fällt auf, dass die Baulänge der Planetengetriebe mit größer werdenden Untersetzungen deutlich zunimmt. So erreichen mehrstufige Planetengetriebe deutlich größere Baulängen als Zykloidgetriebe mit identischer Untersetzung. Zykloidgetriebe dagegen haben bei kürzerer Baulänge einen etwas größeren Durchmesser.

Die Kombination aus unterschiedlichen Präzisions-, Baugrößen- und Untersetzungsanforderungen sorgt für eine große Bandbreite von Getrieben am Markt. Um das jeweils optimale Getriebe zu finden, ist es notwendig, alle Anforderungsparameter der einzelnen Arbeitszyklen hinsichtlich Lebensdauer und Not-Aus-Situationen zu betrachten. Daher muss ein besonderes Augenmerk den Spezifikationen der einzelnen Getriebe gelten. „Die Auslegung einer Applikation sollte grundsätzlich vom Getriebe ausgehen, um die bestmögliche wirtschaftliche Leistung zu erhalten“, rät Vertriebsleiter Löw. Dies erleichtere die Auslegung der gesamten Anwendung. „Die Einsatzgebiete beider Getriebearten überschneiden sich. Jedoch können Zykloidgetriebe Planetengetriebe in vielen Anwendungen ersetzen.“

Anwendertreff Industriegetriebe Das Getriebe ist als mechanische Komponente elementarer Bestandteil im Antriebsstrang. Wie man das richtige Getriebe auswählt und wie die Integration fehlerfrei funktioniert, zeigt unser Anwendertreff Industriegetriebe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Industriegetriebe

Zykloidgetriebe für unterschiedliche Anforderungen

Zykloidgetriebe kommen vor allem bei Applikationen zum Einsatz, bei denen schnelle und genaue Positionierbewegungen mit hohen Traglasten ohne Nachschwingen gefordert sind. Da dies in den verschiedensten Anwendungen und Maschinen der Fall sein kann, hat Getriebehersteller Nabtesco eine große Auswahl an Voll- und Hohlwellen-Getrieben im Portfolio. Optionale Vorschaltgetriebe ermöglichen zudem die rechtwinklige Montage von Motoren sowie auch größere Untersetzungen als die bereits werksseitig angebotenen von bis zu i = 300. Diese sind bei anderen Getrieben über mehrere Planetenstufen realisierbar.

Die Serie RV-E kombiniert die RV-Getriebe mit großen integrierten Schrägkugellagern. Sie dienen der Aufnahme äußerer Kräfte und Momente; eine zusätzliche externe Lagerung ist überflüssig. So entstehen Präzisionsgetriebe in kompakter Bauform mit extremer Steifigkeit und langem konstanten Betriebsverhalten. Die Baureihe RV-C zeichnet sich durch die gleichen Qualitätsmerkmale wie die RV-E-Serie aus. Zusätzlich verfügen die Getriebe jedoch über eine großzügig bemessene Hohlwelle, die es ermöglicht, Versorgungs- und Datenkabel, Leitungen oder Laser durch das Getriebe zu führen.

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