Harmonic-Reduziergetriebe oder Wellengetriebe finden breite Anwendung in kompakten Präzisionsantriebssystemen, die hohe Untersetzungsverhältnisse, geringes Zahnflankenspiel und hohe Drehmomentdichte erfordern. Sie sind insbesondere relevant für Robotergelenke, Halbleiteranlagen, Mechanismen in der Luft- und Raumfahrt sowie Präzisionspositioniersysteme. Typische Wellengetriebe erreichen hohe einstufige Untersetzungsverhältnisse, die je nach Ausführung oft von etwa 30:1 bis deutlich über 100:1 reichen.
Die scheinbare mechanische Einfachheit ist irreführend. Ein typisches Untersetzungsgetriebe enthält zwar nur drei primäre Übertragungselemente – die Flexkeilwelle, die Kreiskeilwelle und den Wellengenerator –, seine Leistungsfähigkeit hängt jedoch von der kontrollierten elastischen Verformung eines extrem dünnen Stahlbauteils ab. Materialbeschaffenheit, Wandstärke, Zahngeometrie, Wärmebehandlung, Zahnradbearbeitung, Lagergenauigkeit, Montage und Schmierung beeinflussen allesamt die Übertragungsgenauigkeit, Steifigkeit, den Wirkungsgrad, die Geräuschentwicklung und die Lebensdauer.
Funktionsweise eines Oberwellenreduzierers
Die Flexspline ist eine dünnwandige Stahlkappe mit Außenverzahnung nahe ihrem offenen Ende. Die kreisförmige Spline ist ein starrer Ring mit Innenverzahnung, während der Wellengenerator aus einer Präzisionskurve in Kombination mit einem flexiblen Dünnringlager besteht.
Beim Einsetzen des Wellengenerators in die Flexspline verformt sich deren offenes Ende elliptisch. Die Zähne der Flexspline greifen hauptsächlich um die Hauptachse in die kreisförmige Verzahnung ein. Da die beiden Zahnräder leicht unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen, bewirkt eine Umdrehung des Wellengenerators eine deutlich geringere relative Drehung des Abtriebselements, wodurch ein hohes Untersetzungsverhältnis erzielt wird.
Dieser Mechanismus erklärt die hohen Fertigungsanforderungen. Die Flexspline ist kein starres Zahnrad; sie wird im Betrieb kontinuierlich verformt. Wandgeometrie, Zahnfußgestaltung, Dauerfestigkeit und Wärmebehandlung beeinflussen daher sowohl den Zahneingriff als auch die Lebensdauer.
Warum in den Gelenken humanoider Roboter harmonische Getriebe eingesetzt werden
Humanoide Aktuatoren müssen ein hohes Gelenkdrehmoment erzeugen und gleichzeitig kompakt und leicht sein. Wellengetriebe sind hierfür attraktiv, da sie ein hohes Untersetzungsverhältnis in einem koaxialen und relativ kompakten Mechanismus bei gleichzeitig geringem Zahnflankenspiel ermöglichen.
Mögliche Anwendungsgebiete sind Handgelenk-, Ellbogen-, Schulter- und andere kompakte Drehgelenke. Es ist jedoch falsch anzunehmen, dass jedes Gelenk mit geringer Last ein Harmonic-Reducer-Getriebe benötigt. Je nach Ausgangsdrehmoment, Drehzahl, Stoßbelastung, Rückdrehfähigkeit und Bauraumbeschränkungen kommen auch Planeten-, Zykloid-, Quasi-Direktantriebs- und Linearantriebe zum Einsatz.
Mit dem Übergang von der Prototypenfertigung hin zu größeren Serien in der Produktion humanoider Roboter gewinnen die Fertigungskosten neben der Präzision zunehmend an Bedeutung. Formnahe Fertigung, automatisierte Zahnradherstellung und selektive Präzisionsbearbeitung sind daher immer wichtigere Alternativen zur kompletten Bearbeitung aller Bauteile aus dem Vollen.
Hauptkomponenten eines Oberschwingungsreduzierers
Flexspline
Die Flexspline ist im Allgemeinen das am schwierigsten herzustellende Bauteil. Sie besteht aus einer sehr dünnen zylindrischen Wand, Außenverzahnung, einer Membran und einer zentralen Nabe. Sie muss sich radial verformen und gleichzeitig torsionssteif genug bleiben, um das Drehmoment zu übertragen.
Das Material muss daher neben maximaler Härte vor allem Dauerfestigkeit, Zähigkeit und Dimensionsstabilität aufweisen. Spannungskonzentrationen treten häufig im Übergangsbereich zwischen Zylinderwand, Membran und Nabe auf, weshalb Radius und Wandstärke für die Dauerfestigkeit von Bedeutung sind.
Kreisförmiger Spline
Die kreisförmige Keilwelle ist starr und enthält ein Innenzahnrad. Zu den wichtigsten Herausforderungen bei der Fertigung gehören das Innenzahnprofil, die Teilungsgenauigkeit, der Rundlauf des Zahnrads und die Konzentrizität zwischen dem Innenzahnrad und den äußeren Befestigungs- oder Lagerbezugspunkten.
Je nach Modul, Durchmesser, Härte und Produktionsvolumen können die Verfahren Zahnradformen, Räumen, Schälen und Schleifen umfassen.
Wellengenerator
Der Wellengenerator besteht aus einer Präzisionskurve und einem flexiblen Lager. Sein Profil bestimmt die auf die Flexverzahnung wirkende Verformung und beeinflusst somit den Zahneingriff, die Lastverteilung und die Steifigkeit des Untersetzungsgetriebes.
Die Fertigungsgeometrie sollte dem tatsächlichen, konstruierten Nockenprofil entsprechen und nicht einfach eine perfekte mathematische Ellipse annehmen. Profilgenauigkeit, Symmetrie, Oberflächengüte, Lagerpassung und Rundlauf zur Eingangswelle sind allesamt wichtig.
Warum die Bearbeitung von Flexspline-Profilen so schwierig ist
Dünnwandgeometrie
Manche Flexsplines weisen je nach Reduzierstückgröße Wandstärken nahe oder unter 1 mm auf. Bei der Schruppbearbeitung kann der Rohling relativ steif sein, die Steifigkeit nimmt jedoch mit dem Materialabtrag drastisch ab.
Klemmkräfte, die zu Beginn des Prozesses unschädlich sind, können das fertige Bauteil verformen. Schnittkräfte können ebenfalls die Wandung durchbiegen und so zu Verjüngungen, Ovalität oder lokalen Dickenschwankungen führen.
Materialabtrag und Eigenspannung
Bei der Bearbeitung von Vollmaterial mit herkömmlichen Flexverzahnungen kann ein extrem hoher Materialabtrag erforderlich sein. Durch den Materialabtrag verteilen sich die Eigenspannungen im Rohling neu und können das Bauteil verformen.
Ein stabiler Prozess trennt daher die Grobbearbeitung von der Endbearbeitung und kann je nach Legierung eine Zwischenstabilisierung oder Wärmebehandlung beinhalten.
Gleichmäßige Wandstärke
Eine gleichmäßige Wandstärke ist besonders wichtig, da sich die Flexverzahnung vorhersagbar verformen muss. Eine Maßabweichung, die in einem starren Gehäuse unbedeutend wäre, kann zu einer ungleichmäßigen Steifigkeit der Flexverzahnung führen und dadurch den Zahneingriff sowie die lokale Spannung verändern.
Ziel ist es daher nicht einfach, eine minimale Wandstärke zu erreichen, sondern eine gleichmäßige Wandstärke über den gesamten Umfang und durch den Übergangsbereich zu gewährleisten.
Dünnwandige Werkstückspannung
Konventionelle Spannbacken können eine fertige Flexverzahnung leicht verformen. Weiche Spannbacken, Spreizdorne, kundenspezifische Dorne oder andere verteilte Spannmethoden können erforderlich sein, und die Spannstrategie ändert sich oft zwischen Schruppen, Schlichten und Zahnradbearbeitung.
Deshalb ist die Prozessplanung genauso wichtig wie die Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschinen.
Flexspline-Herstellungsprozess
Blanko- und Vorformlinge
Als Ausgangsmaterial können Stangen, Schmiedeteile, Rohre oder endformnahe Vorformlinge dienen. Die Bearbeitung von Vollmaterial ist für Prototypen flexibel, führt aber zu hohem Materialabfall, während Umform- oder endformnahe Bearbeitungsverfahren mit steigendem Produktionsvolumen attraktiver werden.
Grobes CNC-Drehen
Der Außendurchmesser, der Innenraum, die Membran und die Nabe werden zunächst grob bearbeitet, solange das Bauteil noch ausreichend steif ist. An kritischen Oberflächen wird üblicherweise Material für die spätere Endbearbeitung belassen.
In dieser Phase geht es darum, stabile Bezugspunkte zu schaffen und den größten Teil des überschüssigen Materials zu entfernen, ohne den endgültigen Dünnwandzustand zu früh herbeizuführen.
Wärmebehandlung und Stressmanagement
Die Wärmebehandlung ist entscheidend, da die Flexverzahnung Dauerfestigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen muss. Das genaue Verfahren hängt vom Material und der Konstruktion des Reduziergetriebes ab, daher gibt es kein universelles Härte- oder Wärmebehandlungsverfahren.
Durch die Wärmebehandlung kann sich der dünne Becher ebenfalls verformen. Bearbeitungszugabe und Nachbearbeitungsreihenfolge sollten daher zusammen mit dem Wärmebehandlungsprozess entwickelt werden.
Endbearbeitung dünnwandiger Wände
Nach dem Schruppen und der Hauptwärmebehandlung kann die Wand fertigbearbeitet werden. Geringe Schnittkräfte, scharfe Werkzeuge und eine sorgfältig verteilte Werkstückspannung tragen zur Reduzierung von Verformungen bei.
Die Messung muss außerdem mit kontrollierter Kontaktkraft durchgeführt werden, da ein Messgerät mit hoher Kraft das Bauteil verformen und zu irreführenden Ergebnissen führen kann.
Flexspline-Zahnbearbeitung
Wälzfräsen
Das Wälzfräsen ist ein wichtiges industrielles Verfahren zur Herstellung von Außenverzahnungen. Moderne Forschungsergebnisse zeigen, dass der axiale Vorschub des Wälzfräsers, der Einspannwinkelfehler, der Wälzfräserdurchmesser und die Zahnkronenstrategie die fertige Zahnoberfläche beeinflussen können.
Deshalb sollte das Wälzfräsen mit flexibler Spline-Spirale nicht einfach als „geringere Präzision als EDM“ beschrieben werden. Maschinengenauigkeit, Werkzeuggeometrie, Einrichtung, Zahnform und die anschließende Nachbearbeitung beeinflussen alle das Endergebnis.
Zahnradformung und Kraftschälen
Die Zahnformung kann für bestimmte Innen- und Außenzahnformen verwendet werden, während das Kraftschälen für Präzisions-Innenzahnräder immer attraktiver wird, da es eine wesentlich höhere Produktivität als die konventionelle Formung bietet.
Kreisförmige Keilwellen eignen sich je nach Durchmesser, Modul und Produktionsmenge besonders gut für diese Prozesse.
Drahterodieren
Das Drahterodieren eignet sich gut für Prototypen, gehärtete Werkstoffe und spezielle Zahngeometrien, da es nur sehr geringe Schnittkräfte einbringt. Es ermöglicht die Herstellung komplexer Profile ohne spezielle Verzahnungswerkzeuge und ist daher in der Entwicklungsphase attraktiv.
Zu den Nachteilen zählen die geringere Produktivität und die Notwendigkeit, die Umformschicht, die Oberflächenbeschaffenheit und die nachfolgende Nachbearbeitung zu berücksichtigen. Daher sollte es nicht als Standardlösung für jeden Prototyp angesehen werden.
Zahnradschleifen und Endbearbeitung
Je nach Material und Leistungsanforderung kann nach dem Härten ein Schleifen oder eine andere Nachbearbeitung der Zähne erforderlich sein. Ziel ist es, Profil, Teilung, Oberflächenrauheit und Abweichungen, die bei vorangegangenen Prozessen entstanden sind, zu kontrollieren.
Es ist technisch nicht sinnvoll zu sagen, dass „alle Zahnfehler von Harmonic-Reduziergetrieben unter 1 μm liegen müssen“. Die Genauigkeit von Zahnrädern setzt sich aus mehreren Parametern zusammen, darunter Profilabweichung, Teilungsabweichung, Rundlauf und Oberflächenbeschaffenheit.
Kreiswellenbearbeitung
Die kreisförmige Keilwelle erfährt keine großen elastischen Verformungen, aber ihr Innenzahnrad definiert die starre Seite des Eingriffssystems. Die innere Zahngeometrie muss daher genau auf die Montage- und Lagerbezugspunkte abgestimmt sein.
Ein typischer Fertigungsablauf kann das Drehen des Rohlings, die Bearbeitung der Befestigungselemente, die Herstellung der Innenverzahnung, die Wärmebehandlung und die abschließende Präzisionsbearbeitung umfassen.
Bezugspunktübertragungen sollten minimiert werden. Falls die innere Zahnradachse und der äußere Lagerdurchmesser konzentrisch sein müssen, sollte der Fertigungsprozess nach Möglichkeit eine gemeinsame Bezugsebene beibehalten.
CNC-Bearbeitung von Wellengeneratoren
Cam-Profil
Das Profil des Wellengenerators bestimmt, wie sich das flexible Lager und die Flexverzahnung während der Rotation verformen. Bereits geringe Profilabweichungen können den Zahnkontakt, die Drehmomentverteilung und die Lagerbelastung beeinflussen.
Die Profilprüfung ist daher sinnvoller als die alleinige Messung von Haupt- und Nebendurchmesser.
Lagerpassung und Oberflächenbeschaffenheit
Das flexible Lager muss ohne übermäßige Bewegung oder Behinderung in den Wellengenerator passen. Die Auswahl des passenden Lagers hängt von der Lagerkonstruktion, der Temperatur und der Montageart ab.
Die Kontaktfläche erfordert zudem eine kontrollierte Oberflächenbeschaffenheit, da Unebenheiten die dünne Lagerlaufbahn beeinträchtigen können. Für Hochleistungsanwendungen kann daher nach dem Drehen ein Präzisionsschleifverfahren erforderlich sein.
Wärmebehandlung im Harmonic Reducer
Die Wärmebehandlung beeinflusst mehr als nur die Zahnhärte. Die Flexverzahnung muss wiederholter elastischer Verformung standhalten, daher kann eine übermäßige Härte auf Kosten der Zähigkeit die Dauerfestigkeit verringern.
Je nach Legierung und Bauteil können die Verfahren Durchhärten, Aufkohlen, Nitrieren oder herstellerspezifische Behandlungen umfassen. Das richtige Verfahren sollte ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Verschleißfestigkeit, Dauerfestigkeit und Dimensionsstabilität gewährleisten.
Die Bearbeitung und Wärmebehandlung müssen daher als ein System geplant werden. Eine zu starke Bearbeitung vor der Wärmebehandlung birgt das Risiko von Verformungen, während eine zu starke Bearbeitung im Anschluss neue Eigenspannungen freisetzen kann.
Anforderungen, die wirklich zählen
Zahnprofil und Steigung
Die Geometrie von Flexspline- und Kreiskeilverzahnungen beeinflusst direkt Übertragungsfehler, Lastverteilung und Spiel. Moderne Wellenzahnräder verwenden häufig modifizierte oder proprietäre Zahnformen anstelle der einfachen herkömmlichen Evolventengeometrie.
Das vom Kunden vorgegebene Profil sollte daher als kontrollierte Konstruktionsdaten behandelt werden und nicht durch eine generische Zahnform ersetzt werden, die lediglich auf Modul und Zähnezahl basiert.
Konzentrizität und Rundlauf
Wellengenerator, Flexspline und Kreisspline teilen sich eine funktionale Übertragungsachse. Fehlausrichtungen verändern die Lastverteilung und können die Genauigkeit und Lebensdauer verringern.
Bei der Bearbeitung und Montage sollte daher ein Bezugssystem verwendet werden, das die gemeinsame Achse zwischen Zahnrad, Lager und Befestigungselementen beibehält.
Oberflächenfinish
Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst Verschleiß und Kontaktverhalten, insbesondere an Lagerflächen von Wellengeneratoren und an bearbeiteten Zahnradzähnen. Sie sollte funktionsbezogen und nicht nach einem universellen, extrem niedrigen Ra-Wert spezifiziert werden.
Materialien zur Reduzierung von Oberschwingungen
| Komponente | Hauptanforderung | Typische Materialrichtung |
|---|---|---|
| Flexspline | Dauerfestigkeit, Zähigkeit, kontrollierte Elastizität | Hochleistungs-Legierungsstahl |
| Zirkulärer Spline | Zahnfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Dimensionsstabilität | Legierter oder gehärteter Stahl |
| Wellengenerator-Nabe | Festigkeit, Dimensionsstabilität | Legierter Stahl |
| Flexibles Lager | Wälzkontakt-Ermüdungsbeständigkeit | Wälzlagerstahl |
| Gehäuse | Steifheit und geringe Masse | Aluminium oder Stahl |
| Ausgangsflansch | Stärke und geringer Auslauf | Aluminium, legierter Stahl oder Titan |
Es ist daher zu allgemein, zu behaupten, dass Flexkelines und flexible Lager generell aus 40Cr gefertigt werden. Für die jeweilige Anwendung sollten die genaue Werkstoffgüte, der Wärmebehandlungszustand und die Zertifizierung spezifiziert werden.
Schmierung und Montage
Ein perfekt gefertigtes Zahnradset kann dennoch schlecht funktionieren, wenn es falsch montiert oder geschmiert wird. Die Schmierung beeinflusst Reibung, Temperaturanstieg, Verschleiß, Geräuschentwicklung und Lebensdauer, insbesondere im Bereich des flexiblen Lagers, des Zahneingriffsbereichs und der inneren Oberfläche der Flexverzahnung.
Die Montage ist ebenfalls wichtig, da die drei Hauptkomponenten als Set aufeinander abgestimmt sein können. Die Maßgenauigkeit der Einzelteile bedeutet nicht zwangsläufig, dass verschiedene Flexsplines, Kreissplines und Wellengeneratoren ohne Leistungseinbußen kombiniert werden können.
Prüfung der Komponenten des Harmonischen-Reduzierers
Flexspline-Inspektion
Die Prüfung kann die Wanddickenverteilung, die Rundheit, das Zahnprofil, die Zahndicke, den Teilungsfehler und die Geometrie des Membranübergangs umfassen. Die Messkraft sollte so gesteuert werden, dass eine Verformung der dünnen Wand während der Prüfung vermieden wird.
Kreiswelleninspektion
Wichtige Merkmale sind die innere Zahngeometrie, die Teilung, der Rundlauf, die Zentrierdurchmesser und das Verhältnis zwischen Zahnradachse und Befestigungspunkten. Spezielle Messgeräte für die Zahnradvermessung können erforderlich sein.
Inspektion des Wellengenerators
Profilgeometrie, Rundlauf, Lagerpassungsflächen und Ausrichtung zum Eingangsbezugspunkt sollten geprüft werden. Ein Mikrometer allein reicht nicht aus, um das funktionale Nockenprofil vollständig zu charakterisieren.
Vollständige Reduziergetriebeprüfung
Systemtests können Übertragungsfehler, Spiel, Torsionssteifigkeit, Leerlaufdrehmoment, Wirkungsgrad, Temperaturanstieg, Geräuschentwicklung und Lebensdauer umfassen. Diese Tests sind notwendig, da die Einhaltung der Maße allein die Leistungsfähigkeit des Getriebes nicht gewährleistet.
Prototyp vs. Massenproduktion
Bei Prototypenmengen können CNC-Bearbeitung , EDM und flexible Prozesswege sinnvoll sein. Bei höheren Stückzahlen sind spezielle Wälzfräsverfahren, Schälverfahren, endkonturnahe Zuschnitte, automatisierte Wärmebehandlung und automatisierte Qualitätskontrolle wirtschaftlicher.
Insbesondere bei humanoiden Robotern wird die Großserienfertigung voraussichtlich den Einsatz von Umform- und endkonturnahen Verfahren mit anschließender selektiver Präzisionsbearbeitung erhöhen, anstatt jede Komponente vollständig aus einem Rohling zu fertigen.
Welche Teile von Harmonic-Reducern eignen sich für die CNC-Bearbeitung?
| Komponente | CNC-Bearbeitungsrolle |
|---|---|
| Flexspline-Rohling | Drehen und Vorbereitung von Dünnwand-Bezugspunkten |
| Wellengenerator-Kamera | Präzisionsdrehen und Vorschleifen |
| Rundkeilwellenrohling | Drehen und Bezugsbearbeitung |
| Ausgangsflansch | Dreh-, Fräs- und Lagerschnittstellen |
| Reduziergehäuse | Mehrachsbearbeitung |
| Motoradapter | Präzisionsbohrungen und Flanschausrichtung |
| Lagerunterstützung | Dreh- und Passbearbeitung |
| Prototyp-Zahnradkomponenten | Entwicklung und Fertigung |
| Prüfvorrichtungen | Präzise Lokalisierung und Messung |
Spezialisierte Zahnradbearbeitung, Zahnradschleifen, Wärmebehandlung und Lagerfertigung bleiben eigenständige Fertigungskapazitäten. Ein seriöser Lieferant sollte diese Prozesse von der allgemeinen CNC-Bearbeitung trennen.
DFM für Komponenten von Oberschwingungsreduzierern
Flexspline-Zeichnungen sollten die Stellen kennzeichnen, an denen die Wandstärke funktionell kritisch ist und wo während der Bearbeitung temporäres Stützmaterial verbleiben kann. Wellengenerator-Zeichnungen sollten das tatsächliche, konstruierte Profil und nicht nur die Haupt- und Nebendurchmesser definieren.
Die Bezugspunkte der Kreisverzahnung sollten mit den Schnittstellen von Lager und Gehäuse abgestimmt werden, während die Gehäuse der Reduziergetriebe so konstruiert sein sollten, dass die entsprechenden Bohrungen mit gängigen Aufspannvorrichtungen fertiggestellt werden können.
Toleranzen sollten sich auf Getriebe- und Montageelemente konzentrieren. Die Anwendung von Anforderungen im Mikrometerbereich auf nicht-funktionale Oberflächen erhöht die Bearbeitungs- und Prüfkosten, ohne die Getriebeleistung zu verbessern.
Präzisionsbearbeitung für Harmonic-Reducer
Eine vollständige Angebotsanfrage sollte das 3D-CAD-Modell, eine vollständig bemaßte Zeichnung, die genaue Materialgüte, die Wärmebehandlungsspezifikation, gegebenenfalls Zahnprofildaten, kritische Bezugspunkte, GD&T, die Oberflächenrauheit, die erwartete Menge und die Prüfanforderungen enthalten.
Bei Anwendungen mit humanoiden Robotern können Nenndrehmoment, Spitzendrehmoment, erwartete Geschwindigkeit und Gelenkposition dem Lieferanten ebenfalls helfen zu verstehen, welche Merkmale funktional wichtig sind.
Die Herstellung von Harmonic-Reduziergetrieben ist anspruchsvoll, da die Leistungsfähigkeit von kontrollierter elastischer Verformung und nicht allein von einer starren Zahnradgeometrie abhängt. Die flexible Verzahnung muss dünn, ermüdungsbeständig und maßgenau sein; die kreisförmige Verzahnung muss die präzise Innenverzahnung gewährleisten; und der Wellengenerator muss das korrekte Verformungsmuster erzeugen.
Die Präzisions-CNC-Bearbeitung ist besonders wertvoll für Flexspline-Rohlinge, Wellengeneratoren, Kreiswellen-Rohlinge, Abtriebsflansche, Lagerhalterungen und Aktuatorgehäuse. Eine DFM-Prüfung vor Produktionsbeginn kann Dünnwandverformungen, schwierige Bezugsverhältnisse, Anforderungen an die Zahnradfertigung und Wärmebehandlungszugaben vor der ersten Produktionscharge identifizieren.
