Dehnungswellengetriebe

Querschnitt durch ein harmonisches Getriebe.

1. Eingangswelle
2. Wellengenerator
3. flexspline
4. circular spline
5. Ausgangswelle
6. Gehäuse

Die Theorie des Dehnungswellengetriebes basiert auf elastischer Dynamik und nutzt die Flexibilität von Metall. Der Mechanismus besteht aus drei grundlegenden Komponenten: einem Wellengenerator (2 / grün), einem flexiblen Spline (3 / rot) und einem kreisförmigen Spline (4 / blau). Komplexere Versionen haben ein viertes Bauteil, das normalerweise zur Verkürzung der Gesamtlänge oder zur Erhöhung der Untersetzung bei kleinerem Durchmesser verwendet wird, folgen aber immer noch den gleichen Grundprinzipien.

Der Wellengenerator besteht aus zwei separaten Teilen: einer elliptischen Scheibe, die als Wellengeneratorstecker bezeichnet wird, und einem äußeren Kugellager. Der elliptische Stopfen wird in das Lager eingesetzt, wodurch das Lager gezwungen wird, sich der elliptischen Form anzupassen, aber immer noch eine Drehung des Stopfens innerhalb des äußeren Lagers ermöglicht wird.

Der Flexspline hat die Form einer flachen Schale. Die Seiten des Keils sind sehr dünn, aber der Boden ist relativ starr. Dies führt dazu, dass die Wände am offenen Ende aufgrund der dünnen Wand sehr flexibel sind, während die geschlossene Seite recht starr ist und fest (z. B. an einer Welle) befestigt werden kann. Die Zähne sind radial um die Außenseite des flexiblen Keils angeordnet. Der Flexspline sitzt fest auf dem Wellengenerator, so dass sich der Flexspline beim Drehen des Wellengeneratorsteckers in die Form einer rotierenden Ellipse verformt und nicht über den äußeren elliptischen Ring des Kugellagers rutscht. Das Kugellager lässt den Flexspline unabhängig von der Welle des Wellengenerators rotieren.

Der kreisförmige Spline ist ein starrer kreisförmiger Ring mit Zähnen auf der Innenseite. Der Flexspline und der Wellengenerator befinden sich im Inneren des kreisförmigen Splines, wobei die Zähne des Flexsplines und des kreisförmigen Splines ineinandergreifen. Da der Flexspline zu einer elliptischen Form verformt ist, greifen seine Zähne nur in zwei Bereichen auf gegenüberliegenden Seiten des Flexsplines (auf der Hauptachse der Ellipse) in die Zähne des kreisförmigen Splines ein.

Angenommen, der Wellengenerator ist die Eingangsrotation. Während sich der Wellengenerator-Stecker dreht, ändern die Zähne des Flexsplines, die mit denen des kreisförmigen Splines ineinandergreifen, langsam ihre Position. Die Hauptachse der Ellipse des Flexsplines dreht sich mit dem Wellengenerator, so dass sich die Punkte, an denen die Zähne ineinandergreifen, mit der gleichen Geschwindigkeit um den Mittelpunkt drehen wie die Welle des Wellengenerators. Der Schlüssel zur Konstruktion des Zahnradgetriebes liegt darin, dass der Flexspline weniger Zähne hat (oft z. B. zwei weniger) als der kreisförmige Spline. Das bedeutet, dass sich die flexible Welle bei jeder vollen Umdrehung des Wellengenerators im Vergleich zur kreisförmigen Welle um einen kleinen Betrag (in diesem Beispiel zwei Zähne) zurückdrehen muss. Die Rotationswirkung des Wellengenerators führt also zu einer viel langsameren Drehung des Flexsplines in die entgegengesetzte Richtung.

Für ein Dehnungswellengetriebe kann das Untersetzungsverhältnis aus der Anzahl der Zähne jedes Zahnrads berechnet werden:

Untersetzungsverhältnis = Zähne der Flexspline – Zähne der Rundspline Zähne der Flexspline {\displaystyle {\text{Untersetzungsverhältnis}}={\frac {\text{Zähne der Flexspline}}-{\text{Zähne der Rundspline}}{\text{Zähne der Flexspline}}}}

Wenn zum Beispiel 202 Zähne auf der kreisförmigen Spline und 200 auf der flexiblen Spline vorhanden sind, ist das Reduktionsverhältnis (200 – 202)/200 = -0.01

Damit dreht sich die Flex-Spline mit 1/100 der Geschwindigkeit des Wellengeneratorsteckers und in entgegengesetzter Richtung. Unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse werden durch Veränderung der Zähnezahl eingestellt. Dies kann entweder durch Änderung des Durchmessers des Getriebes oder durch Änderung der Größe der einzelnen Zähne erreicht werden, wobei Größe und Gewicht des Getriebes beibehalten werden. Der Bereich der möglichen Übersetzungsverhältnisse wird durch die Grenzen der Zahngröße für eine bestimmte Konfiguration begrenzt.