So wählen Sie ein Harmonic-Drive-Getriebe aus: 9 wichtige Faktoren, die Sie kennen sollten

Hallo zusammen, ich bin Theodore Li, Technischer Direktor bei HONPINE.

In früheren Artikeln habe ich verschiedene Aspekte der Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes behandelt, darunter auch die Berechnung der Untersetzung. Die Auswahl des passenden Harmonic-Drive-Getriebes umfasst jedoch weit mehr als die Wahl einer Untersetzung oder den Vergleich von Drehmomentwerten.

Ein Harmonic-Drive-Getriebe besteht im Wesentlichen aus drei Kernkomponenten: Wellgenerator, Flexspline und Circular Spline. Ein zuverlässiger Auswahlprozess beginnt damit, das Getriebe auf die Anwendung und die Lastdynamik abzustimmen. Anschließend werden Drehmomentkapazität, Lebensdauer, Einbaubedingungen, Positioniergenauigkeit und Betriebsbedingungen geprüft.

Bei der Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes sollten sich Ingenieure nicht allein auf das Drehmoment konzentrieren. Für die richtige Auswahl müssen Anwendungsszenario, Untersetzung, Eingangsdrehzahl, Drehmomentanforderungen, externe Lasten, Positioniergenauigkeit, Motorschnittstelle, Einbauraum und Betriebsumgebung bewertet werden.

Dieser Artikel erläutert die 9 wichtigsten Faktoren, die bei der Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes zu berücksichtigen sind, und stellt ein praxisorientiertes Auswahlverfahren für Roboter, servoangetriebene Rundtische, Robotergelenke und Automatisierungsanlagen vor.

Bevor Sie beginnen, sollten Sie sich einen wichtigen Grundsatz merken:

Ein Harmonic-Drive-Getriebe sollte nicht allein anhand des Nenndrehmoments ausgewählt werden. Stoßbelastungen, die Abstimmung der Trägheitsmomente und Kippmomente sind häufig die eigentlichen Ausfallursachen.

In vielen Fällen fällt ein Getriebe nicht aus, weil sein zulässiges Dauerdrehmoment überschritten wurde. Stattdessen wird der Ausfall durch übermäßige Stoßbelastungen, Kippmomente oder eine mangelhafte Abstimmung der Trägheitsmomente verursacht.

1. Anwendungsszenario festlegen

Die Anwendung bildet den Ausgangspunkt für die Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes. Sie wirkt sich unmittelbar auf den erforderlichen Sicherheitsfaktor, die Genauigkeitsklasse, die Schmierung, den Umweltschutz und die Lebensdauer aus.

Gelenke humanoider und kollaborativer Roboter

Diese Anwendungen umfassen typischerweise häufige Start-Stopp-Zyklen, Umkehrbewegungen, niedrige Drehzahlen und hohe dynamische Anforderungen. Üblicherweise sind geringes Verdrehspiel, eine leichte Bauweise und integrierte Stützlager erforderlich.

Häufig wird ein relativ hoher Sicherheitsfaktor von typischerweise 1,5 bis 2,0 empfohlen. Zu den wichtigsten Kriterien zählen die Ermüdungslebensdauer, Mikrovibrationen und die langfristige Stabilität des Verdrehspiels.

Drehtische für die Handhabung und Inspektion von Halbleiter-Wafern

Diese Anwendungen erfordern eine hohe Positioniergenauigkeit, eine geringe Partikelbildung, saubere Betriebsumgebungen und gleichmäßige Bewegungen bei niedriger Drehzahl.

Vorrang sollten geringes Verdrehspiel, geringe Drehmomentschwankungen sowie vakuum- oder reinraumgeeignete Schmierstoffe haben.

Servo-Indexiertische und Vorrichtungsdrehsysteme

Diese Anwendungen laufen üblicherweise im intermittierenden Betrieb und können Stoßbelastungen ausgesetzt sein. Daher müssen Spitzendrehmoment und Stoßdrehmoment sorgfältig überprüft werden.

Kardanische Aufhängungen und elektrooptische Nutzlasten

Diese Systeme arbeiten typischerweise mit niedrigen Drehzahlen und werden stark durch die Lastträgheit beeinflusst. Restbewegung und Reibmoment sind besonders wichtige Auswahlkriterien.

2. Geeignete Untersetzung auswählen

Zu den gängigen Untersetzungen von Harmonic-Drive-Getrieben zählen 50:1, 80:1, 100:1, 120:1 und 160:1. Einige Modelle sind auch mit Untersetzungen wie 30:1 oder 200:1 erhältlich.

Anders als bei einigen anderen Getriebesystemen lässt sich die Untersetzung eines Harmonic-Drive-Getriebes nicht beliebig wählen, da sie durch das Zahnprofil und die konstruktive Auslegung begrenzt ist.

Bei einer herkömmlichen Harmonic-Drive-Konstruktion, bei der der Wellgenerator den Eingang bildet, lässt sich die Untersetzung wie folgt berechnen:

Untersetzung = Anzahl der Zähne des Flexspline ÷ (Anzahl der Zähne des Circular Spline − Anzahl der Zähne des Flexspline)

Mit Abtriebsdrehzahl und Motordrehzahl beginnen

Die angestrebte Abtriebsdrehzahl und die Nenndrehzahl des Motors sollten zur Bestimmung einer ersten Untersetzung herangezogen werden.

Abstimmung der Trägheitsmomente berücksichtigen

Die auf die Motorwelle umgerechnete Lastträgheit nimmt mit zunehmender Untersetzung ab. Eine höhere Untersetzung kann daher die Abstimmung der Trägheitsmomente auf den Motor erleichtern.

Bei gleichem Abtriebsdrehmoment verringert eine höhere Untersetzung außerdem das erforderliche Eingangsdrehmoment. Darüber hinaus wird der auf die Motorseite umgerechnete Winkelfehler durch die Untersetzung reduziert.

Eine höhere Untersetzung hat jedoch auch Nachteile. Sie kann die maximal verfügbare Abtriebsdrehzahl verringern und das dynamische Ansprechverhalten des Systems beeinflussen.

Maximale Eingangsdrehzahl prüfen

Aufgrund von Einschränkungen des Wellgenerators und des flexiblen Lagers ist die zulässige Eingangsdrehzahl von Harmonic-Drive-Getrieben begrenzt.

Bei einigen Modellen mit höherer Untersetzung kann die zulässige maximale Eingangsdrehzahl niedriger sein. Die Motordrehzahl darf daher nicht isoliert betrachtet werden.

Wählen Sie nicht einfach die größtmögliche Untersetzung. Benötigt die Anwendung eine hohe Abtriebsdrehzahl, kann der Motor die maximal zulässige Eingangsdrehzahl des Harmonic-Drive-Getriebes überschreiten.

3. Eingangsdrehzahl prüfen

Die Eingangsdrehzahl bezeichnet die Drehzahl des Wellgenerators beziehungsweise die Drehzahl auf der Motorseite. Sie ist nicht mit der Abtriebsdrehzahl des Getriebes gleichzusetzen.

Produktkataloge geben üblicherweise zwei wichtige Werte an:

Zulässige Dauereingangsdrehzahl: die empfohlene Drehzahl für den langfristigen Dauerbetrieb unter Einhaltung der angegebenen Lebensdauer- und Temperaturgrenzwerte.

Maximale kurzzeitige Eingangsdrehzahl: die für kurze Zeit zulässige Höchstdrehzahl. Sie ist nicht für den Dauerbetrieb vorgesehen.

Temperaturanstieg berücksichtigen

Ein kontinuierlicher Betrieb mit hoher Drehzahl kann die Alterung des flexiblen Lagers und des Schmierstoffs beschleunigen. Ein übermäßiger Temperaturanstieg kann die Lebensdauer des Harmonic-Drive-Getriebes erheblich verkürzen.

Spitzendrehzahl nicht im Dauerbetrieb verwenden

Dies ist besonders bei Anwendungen mit Umkehrbewegungen wichtig, da wiederholtes Beschleunigen und Abbremsen erhebliche Wärme erzeugen kann.

Einfluss der Schmierung prüfen

Je nach Schmierverfahren gelten unterschiedliche Drehzahlgrenzen. Bei Fettschmierung liegt die Drehzahlgrenze im Allgemeinen niedriger als bei Ölschmierung. Für Reinraum- oder Vakuumumgebungen vorgesehene Spezialschmierstoffe können noch strengeren Einschränkungen unterliegen.

Motordrehzahl mit der Getriebegrenze abgleichen

Maximale Motordrehzahl ≤ maximal zulässige Eingangsdrehzahl des Harmonic-Drive-Getriebes.

4. Drehmomentanforderungen verstehen

Dauerdrehmoment, Spitzendrehmoment und Stoßdrehmoment sind grundverschiedene Kenngrößen und dürfen keinesfalls verwechselt werden. Dies ist einer der häufigsten Fehler bei der Auswahl von Harmonic-Drive-Getrieben.

Kontinuierliches Abtriebsdrehmoment (Tc)

Das kontinuierliche Abtriebsdrehmoment ist das Drehmoment, das das Getriebe unter festgelegten Bedingungen, etwa bei Nenndrehzahl am Eingang und standardisierter Umgebungstemperatur, dauerhaft übertragen kann und dabei die Anforderungen an die Nenndauerstandzeit erfüllt.

Es dient hauptsächlich zur Überprüfung stationärer Lasten, darunter kontinuierliche Drehbewegungen und dauerhaft anliegendes Lastdrehmoment.

Das tatsächliche stationäre Betriebsdrehmoment sollte mit ausreichender Sicherheitsreserve unter dem kontinuierlichen Abtriebsdrehmoment liegen.

Zu beachten ist, dass der Katalogwert für Tc üblicherweise unter standardisierten Prüfbedingungen angegeben wird. Hohe Temperaturen, Umkehrbewegungen und Reinraumbedingungen können eine Drehmomentreduzierung erforderlich machen.

Je nach Betriebsbedingungen kann ein typischer Reduktionsfaktor zwischen 0,7 und 0,9 liegen.

Spitzendrehmoment (Tp)

Das Spitzendrehmoment ist das maximal zulässige Abtriebsdrehmoment für einen kurzen Zeitraum, üblicherweise beim Beschleunigen oder Abbremsen.

Die zulässige Dauer kann je nach Hersteller und Produktreihe variieren. Das Spitzendrehmoment dient zur Bewertung dynamischer Betriebszustände und nicht des Dauerbetriebs.

Stoßdrehmoment

Das Stoßdrehmoment bezeichnet ein plötzlich auftretendes Drehmoment kurzer Dauer, das beispielsweise durch Notstopps, Kollisionen oder schnelle Laständerungen entsteht.

Ein Harmonic-Drive-Getriebe sollte nicht allein anhand seines Dauerdrehmoments ausgewählt werden. Bei Anwendungen mit hoher Dynamik muss auch die maximale Stoßbelastung bewertet werden, um Schäden am Flexspline, an den Zähnen oder an den internen Lagern zu vermeiden.

5. Radiallast, Axiallast und Kippmoment prüfen

Dies ist einer der wichtigsten Aspekte bei der Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes.

Die meisten Standard-Harmonic-Drive-Getriebe sind nicht dafür ausgelegt, große Radiallasten, Axiallasten oder Kippmomente direkt aufzunehmen.

Der interne Flexspline und das flexible Lager dienen in erster Linie der Drehmomentübertragung und sollten nicht als primäres Lagerungssystem für Lasten betrachtet werden.

Nur Harmonic-Drive-Getriebe mit integrierten Stützlagern, etwa mit Kreuzrollenlagern in bestimmten Aktuator- oder Robotergelenkkonstruktionen, verfügen in der Regel über spezifizierte zulässige Werte für Radiallast, Axiallast und Kippmoment.

Radiallast (Fr)

Eine Kraft, die senkrecht zur Achse der Abtriebswelle wirkt.

Axiallast (Fa)

Eine Druck- oder Zugkraft, die entlang der Achse der Abtriebswelle wirkt.

Kippmoment (M)

Ein Kippmoment entsteht, wenn der Schwerpunkt der Last gegenüber der Abtriebsachse versetzt ist.

Dies kommt insbesondere bei Roboterarmen mit exzentrischer Endlast häufig vor.

Bei der Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes für solche Anwendungen müssen die zulässigen Lasten und Momente sorgfältig anhand der Herstellerspezifikationen geprüft werden.

6. Genauigkeitsanforderungen bewerten

Verdrehspiel und Restbewegung werden häufig verwechselt, sind jedoch nicht dasselbe. Bei der Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes für Positionieranwendungen müssen beide berücksichtigt werden.

Was ist Verdrehspiel?

Verdrehspiel, auch Winkelspiel genannt, bezeichnet den Betrag der Abtriebsdrehung, der bei festgehaltenem Eingang auftritt, wenn die Bewegungsrichtung umgekehrt wird.

Harmonic-Drive-Getriebe sind für ihr äußerst geringes Verdrehspiel bekannt. Typische Spezifikationen liegen bei ≤1 arcmin oder ≤0,5 arcmin; hochpräzise Modelle erreichen Werte unter 0,3 arcmin.

Harmonic-Drive-Getriebe sind jedoch keine Systeme mit tatsächlich null Verdrehspiel.

Das geringe Verdrehspiel wird durch elastische Verformung und Vorspannung erreicht. Bei langem Betrieb oder nach Überlastungsereignissen kann sich das Verdrehspiel aufgrund von Ermüdung und Verschleiß allmählich vergrößern.

Was ist Restbewegung?

Die Restbewegung umfasst nicht nur das mechanische Verdrehspiel, sondern auch die Winkelverformung infolge der elastischen Nachgiebigkeit der Übertragungskomponenten.

Bei anliegendem Abtriebsdrehmoment können sich der Flexspline und andere elastische Komponenten verformen. Dadurch entsteht eine Winkelverzögerung zwischen Ein- und Abtrieb.

Wie lässt sich die passende Genauigkeitsklasse auswählen？

Für die allgemeine Kraftübertragung und den Transport mit konstanter Geschwindigkeit ist die Standardgenauigkeit üblicherweise ausreichend.

Für die optische Ausrichtung, elektrooptische Rundtische und die Halbleiterpositionierung sollte eine geringe Restbewegung Vorrang haben.

Eine wichtige Eigenschaft von Harmonic-Drive-Getrieben ist, dass sich die Restbewegung mit dem Abtriebsdrehmoment ändert. Ein höheres Drehmoment kann eine größere elastische Verformung und damit eine stärkere Restbewegung verursachen.

Dies ist eine grundlegende Eigenschaft von Harmonic-Drive-Systemen und unterscheidet sie deutlich von herkömmlichen Planetengetrieben.

7. Motorflansch und Wellenabmessungen überprüfen

Die Eingangsseite eines Harmonic-Drive-Getriebes ist mit dem Wellgenerator verbunden. Ein typischer Wellgenerator besteht aus einem flexiblen Lager und einem elliptischen Nocken, die präzise mit der Motorwelle verbunden werden müssen.

Gängige Verbindungsarten

Zu den gängigen Verbindungsarten zählen Gewindestifte, Passfederverbindungen und Klemmverbände.

Klemmverbände ermöglichen eine spielfreie Verbindung und werden bei Hochpräzisionsanwendungen und Robotergelenken häufig bevorzugt.

Checkliste zur Auswahl der Motorschnittstelle

Folgende Parameter sollten überprüft werden:

• Lochbild der Motorflanschbefestigung

• Zentrierdurchmesser

• Kompatibilität mit dem Eingangsflansch des Harmonic-Drive-Getriebes

• Durchmesser der Motorwelle

• Länge des Wellenüberstands

• Abmessungen der Passfedernut

• Toleranzen der Motorwelle

Passt der Motorflansch nicht zum Getriebe, kann ein Adapterflansch erforderlich sein.

Mangelnde Konzentrizität vermeiden

Auch die Toleranzen der Motorwelle sind wichtig. Übermäßige Toleranzen oder eine schlechte Konzentrizität können zu einer Fehlausrichtung des Wellgenerators führen und dadurch Vibrationen, Verschleiß und Übertragungsfehler verstärken.

Eine schlechte Konzentrizität zwischen Adapterflansch, Motorwelle und Wellgenerator kann zum vorzeitigen Ausfall des flexiblen Lagers führen.

Motorzeichnung an den Hersteller übermitteln

Es empfiehlt sich, dem Hersteller des Harmonic-Drive-Getriebes die Motorzeichnung zur Verfügung zu stellen, damit der Anschluss des Wellgenerators, die Nockenabmessungen und gegebenenfalls erforderliche Adapterkomponenten korrekt geprüft werden können.

8. Einbauraum berücksichtigen

Der Einbauraum ist ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Harmonic-Drive-Getriebes. Der verfügbare Außendurchmesser und die axiale Länge können die Auswahl verwendbarer Modelle unmittelbar einschränken.

Harmonic-Drive-Getriebe werden üblicherweise in standardisierten Baugrößenreihen angeboten, beispielsweise in den Baugrößen 14, 17, 20, 25 und 32.

Außendurchmesser prüfen

Der verfügbare Außendurchmesser bestimmt die maximal einbaubare Getriebegröße.

Bei vielen Konstruktionen von Robotergelenken ist der Gelenkdurchmesser streng begrenzt. Daher sollte zunächst anhand des verfügbaren Außendurchmessers die Auswahl möglicher Getriebebaureihen eingegrenzt werden.

Axiale Länge prüfen

Die axialen Abmessungen verschiedener Harmonic-Drive-Konstruktionen können sich auch bei ähnlichen Außendurchmessern erheblich unterscheiden.

Bauformen mit Becher, Topf und Hohlwelle bieten unterschiedliche Platzverhältnisse.

Baugröße und Drehmomentkapazität abwägen

Bei begrenztem Einbauraum kann ein kleineres Getriebe erforderlich sein; kleinere Baugrößen verfügen jedoch auch über eine geringere Drehmomentkapazität.

In manchen Fällen wird der verfügbare Einbauraum zum begrenzenden Faktor, sodass der Konstrukteur die Last reduzieren oder eine alternative Antriebslösung in Betracht ziehen muss.

9. Betriebstemperatur und Umgebungsbedingungen berücksichtigen

Betriebstemperatur und Umgebungsbedingungen wirken sich unmittelbar auf die Schmierleistung, die Lebensdauer und die langfristige Zuverlässigkeit aus.

Betriebstemperatur

Der zulässige Betriebstemperaturbereich konventioneller fettgeschmierter Harmonic-Drive-Getriebe hängt von den jeweiligen Produktspezifikationen und der Schmierstoffspezifikation ab.

Bei hohen Temperaturen kann Schmierfett weicher werden, wandern oder schneller altern.

Bei niedrigen Temperaturen steigt die Viskosität des Fetts, wodurch das Anlaufreibmoment deutlich zunehmen kann.

Für extreme Umgebungen können spezielle Hoch- oder Tieftemperaturschmierstoffe erforderlich sein.

Allgemeine Industrieumgebungen

Für Standardanwendungen in der Industrie kann ein grundlegender Staubschutz ausreichend sein.

Reinraum- und Halbleiteranwendungen

Möglicherweise sind partikelarme Schmierstoffe und silikonfreies Fett erforderlich.

Vakuumanwendungen

Spezielle vakuumgeeignete Schmierstoffe oder Feststoffschmierung können erforderlich sein. Auch Anforderungen an eine geringe Ausgasung sind zu berücksichtigen.

Feuchte oder korrosive Umgebungen

Oberflächenschutz, Dichtungsstrukturen und Korrosionsbeständigkeit sollten berücksichtigt werden, um Rost und Schäden an Komponenten wie dem Flexspline zu verhindern.

Staubige Umgebungen

Zusätzliche Abdichtungen können erforderlich sein, um das Eindringen von Partikeln in den Zahneingriffsbereich und den dadurch beschleunigten Verschleiß zu verhindern.

Schmier- und Wartungsanforderungen prüfen

Die Schmierung zählt zu den wichtigsten Faktoren, die die Lebensdauer eines Harmonic-Drive-Getriebes beeinflussen.

Bei der Auswahl sollte geklärt werden, ob das Getriebe werkseitig vorgeschmiert ist oder vom Anwender geschmiert werden muss. Auch das empfohlene Wartungsintervall sollte überprüft werden.

Im Allgemeinen sind Harmonic-Drive-Getriebe Präzisionskomponenten und nicht für häufige Demontage und Wartung vorgesehen.

Kurzantwort: So wählen Sie ein Harmonic-Drive-Getriebe aus

Legen Sie zunächst die Anwendung und die Lastbedingungen fest, um das passende Harmonic-Drive-Getriebe auszuwählen. Bewerten Sie anschließend Untersetzung, Eingangsdrehzahl, Dauer- und Spitzendrehmoment, externe Lasten, Genauigkeitsanforderungen, Motorschnittstelle, Einbauraum und Betriebsumgebung.

Entscheidend ist, die gesamten Betriebsbedingungen zu bewerten, statt ein Harmonic-Drive-Getriebe allein anhand des Nenndrehmoments auszuwählen.

Abschließende Gedanken

Bei der Auswahl des passenden Harmonic-Drive-Getriebes geht es nicht einfach darum, Drehmomentwerte zu vergleichen.

Ein zuverlässiger Auswahlprozess sollte bei der Anwendung und der Lastdynamik beginnen. Anschließend sind alle neun in diesem Artikel behandelten Schlüsselfaktoren systematisch zu bewerten.

Bei Hochleistungsanwendungen wie Robotergelenken, Halbleiteranlagen, Präzisionspositioniersystemen und servoangetriebenen Rundtischen kann das Übersehen auch nur eines dieser Faktoren die Positionierleistung, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems beeinträchtigen.

Das beste Harmonic-Drive-Getriebe ist nicht unbedingt das mit dem höchsten Nenndrehmoment oder der größten Untersetzung. Es ist dasjenige, das zu den tatsächlichen Betriebsbedingungen Ihres Systems passt.