Der Konstrukteur 5/2022

ANTRIEBSTECHNIK MIT

ANTRIEBSTECHNIK MIT LEICHTIGKEIT IN BEWEGUNG Bis unter - 100 °C und nahezu kein Druck, sprich Ultrahochvakuum – das sind die Herausforderungen für Leichtbaugetriebe in extraterrestrischen Anwendungen, denen sich ein Getriebeentwickler gestellt hat. Mit Erfolg. Anwendung finden die Getriebe zum Beispiel in Sonnensegelantrieben von Satelliten oder in Roboterachsen im Außenbereich der ISS. PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Die Harmonic Drive SE beschäftigt sich traditionell sehr intensiv mit dem Thema „Gewichtsoptimierung von Wellgetrieben“ und daraus abgeleiteten Produkten. Ein sehr erfolgreiches Produkt des Unternehmens ist insbesondere in den Branchen Leichtbaurobotik, Medizintechnik und Luft- und Raumfahrt im Einsatz – die Leichtbaugetriebebaureihe CPL (abgeleitet durch compact, precise, light weight). Kernkonzept dieser Baureihe ist eine konsequente Bauteilgeometrie – und Materialoptimierung auf Basis von leistungsfähigen Finite-Elemente-Simulationsmodellen der Harmonic-Drive-Getriebe. Erreicht wurde eine Gewichtshalbierung unter Beibehaltung der anspruchsvollen Performance eines leistungsstarken spielfreien Präzisionsgetriebes. Die gewichtsbezogene Drehmomentkapazität wurde so von 293 Nm/ kg auf anspruchsvolle 586 Nm/kg erhöht. Dr. Matthias Mendel, Leiter Grundlagenforschung und CTO Vice President, Harmonic Drive SE, Limburg an der Lahn Vor allem im Kontext bewegter Strukturen werden heute so bei intelligenter Integration in das Gesamtsystem große Gewichtsvorteile zugunsten der Dynamik erreicht. Darüber hinaus wird durch Materialeinsparung im Gesamtsystem ebenfalls die Nachhaltigkeit solcher Produkte gefördert. Ein weiterer Anwendungsbereich, bei dem die Leichtbaugetriebe CPL zum Standard avancieren, ist die Luft- und insbesondere Raumfahrt. Dass jedes Gramm Gewichtsreduktion in einem entsprechenden System große Vorteile bringt, ist offensichtlich. Einen Einblick in die HDSE-Forschungsarbeit geben die Weiterentwicklungen der Leichtbaugetriebe der Baureihe CPL. KLEINE VERZAHNUNG AUF GROSSEM DURCHMESSER Neue Anforderungen im Luftfahrtbereich führten zu extremen Anforderungen, bei denen für rotatorische Bewegungen eine Untersetzung zwischen i = 350 und i = 400 gefordert und gleichzeitig keine Gewichtszunahme erlaubt war. Typischerweise wur- 22 DER KONSTRUKTEUR 2022/05 www.derkonstrukteur.de

ANTRIEBSTECHNIK den in solchen Anwendungen kompakte hydraulische Antriebssysteme eingesetzt. Ein Harmonic-Drive-Getriebe der Baureihe CPL, das das geforderte Drehmoment erreicht, ist die Baugröße 40 mit einem Teilkreisdurchmesser der Verzahnung von ca. 102 mm. Eine derartig kleine Verzahnung auf großem Durchmesser gab es bis dato aufgrund der Verfügbarkeit von hochpräzisen Werkzeugen und technologischer Grenzen bei der Verzahnungsherstellung nicht. Die maximale einstufige Untersetzung in dieser Baugröße betrug i = 160. Eine sehr anspruchsvolle neue Verzahnungs- und Werkzeugauslegung macht es nun möglich, technologisch sicher in einer Getriebestufe eine Untersetzung von i = 400 zu realisieren. Eine weitere Herausforderung war das Erreichen sehr hoher Überlastmomente im Bereich von etwa 1.700 Nm, ohne dass es DURCH MATERIALOPTIMIERUNG IM GETRIEBE WIRD DIE DYNAMIK SOWIE DIE NACHHALTIGKEIT DES GESAMTSYSTEMS ERHÖHT durch die sehr kleinen Zähne zu einem Überspringen, dem sogenannten Ratcheting, kommt. Tests haben die anspruchsvollen FEM-Simulationen hierzu bestätigt und letztlich die hohe Überlastfähigkeit nachgewiesen. Zur Realisierung dieser einstufigen, sehr hohen Untersetzung ist es nötig, die Zähnezahl des Flexsplines bei einem Teilkreisdurchmesser von ca. 102 mm auf 800 Zähne zu erhöhen. Das Verzahnungsmodul beträgt dabei ca. 0,13 mm und die Höhe eines Zahnes nur noch ca. 0,25 mm. Gleichzeitig ist es nötig, bei diesen sehr kleinen Zähnen, die spanend hergestellt werden, eine veränderliche Profilverschiebung über die Zahnbreite zu realisieren, damit die Zahneingriffsverhältnisse auch bei hohen Lasten sicher beherrscht werden können. GETRIEBEGEWICHT UM 50 % REDUZIERT In einem anspruchsvollen Forschungsprojekt mit dem European Space Research and Technology Center (ESA – ESTEC) und ande- GRUNDLAGENFORSCHUNG FÜR ZUKÜNFTIGE TECHNOLOGIEN Im Jahr 2021 hat die Harmonic Drive SE – parallel zu dem technisch hervorragend ausgestatteten Entwicklungszentrum – einen neuen Bereich etabliert: die Grundlagenforschung. Das Team aus langjährig erfahrenen Spezialisten aus aller Welt erforscht neue Technologien, Werkstoffe und Verfahren in enger Zusammenarbeit mit Technologieführern, Forschungseinrichtungen, Start-ups und auch unabhängigen Erfindern. Ziel ist die Generierung neuer Produkt- und Technologie-Ideen in engem Abgleich mit allgemeinen und spezifischen Markt- und Kundenanforderungen. Im Fokus stehen hierbei insbesondere Zukunftsbranchen wie die kollaborative Industrieautomation, Agrarautomation, Medizintechnik sowie Luft- und Raumfahrt. Bei allen Grundlagenforschungsaktivitäten wird großer Wert darauf gelegt, die globalen Zukunftsanforderungen an Nachhaltigkeit, regenerative Energienutzung und Umweltbewusstsein zu berücksichtigen. Auch die Herausforderung stabiler und innovativer Lieferketten im europäischen Umfeld wird seit Jahren bei der Harmonic Drive SE als strategisches Ziel verfolgt. Das Grundlagenforschungsteam startet mit Aktivitäten im Bereich neuer, moderner Werkstoffe und Fertigungsverfahren, mit neuen Getriebeprinzipien und Getriebestrukturen, mit hoch integrierten Produkten, Leistungssteigerungsanforderungen und integrierter Sensorik. www.derkonstrukteur.de DER KONSTRUKTEUR 2022/05 23