Was ist eine Getriebestufe?

Getriebe übertragen und wandeln Drehmomente, Drehzahlen, Drehrichtungen und Kräfte. Das geschieht mithilfe von Konstruktionselementen wie Zahnräder, Wellen, Riemen, Stangen etc. Es gibt einstufige und mehrstufige Ausführungen. Mehrstufige Getriebe bestehen aus mindestens zwei Stufen. Die Getriebestufen sind hintereinandergeschaltet und verändern jeweils die Drehzahl und das Drehmoment.

Durch das Hinzufügen von weiteren Getriebestufen lassen sich höhere Übersetzungen realisieren. Mit jeder zusätzlichen Stufe erhöht sich jedoch die Anzahl an Komponenten im Getriebe. Das führt zu einem erhöhten Platzbedarf, einem höheren Gewicht und einem höheren Anschaffungspreis. Auch nimmt die Fehleranfälligkeit zu, denn mit jeder Stufe multiplizieren sich die Fehler (Stichwort Gaußsche Fehlerfortpflanzung).

Untersetzung oder Übersetzung?

Jede Getriebestufe ist durch ein bestimmtes Unter- bzw. Übersetzungsverhältnis charakterisiert. Dieses beschreibt das Verhältnis zwischen eingehender und ausgehender Drehzahl. Ist die Drehzahl am Antrieb größer als am Abtrieb (i > 1) spricht man von einer Untersetzung bzw. einer Übersetzung ins Langsame. Ist die Drehzahl am Antrieb kleiner als am Abtrieb (i < 1) spricht man von einer Übersetzung bzw. einer Übersetzung ins Schnelle.

Zykloidgetriebe und Wellgetriebe sind Untersetzungsgetriebe. Das heißt, sie reduzieren die Drehgeschwindigkeit des Motors und erhöhen gleichzeitig das Motordrehmoment. Drehzahl und Drehmoment verhalten sich dabei durch das Untersetzungsverhältnis umgekehrt proportional, wobei bei der Berechnung des Drehmoments der Wirkungsgrad noch eine große Rolle spielt.

Untersetzung (i > 1)

• Die Drehzahl am Abtrieb ist kleiner als am Antrieb
• Das Drehmoment am Abtrieb ist größer als am Antrieb
• Übersetzung ins Langsame

Übersetzung (i < 1)

• Die Drehzahl am Abtrieb ist größer als am Antrieb
• Das Drehmoment am Abtrieb ist kleiner als am Antrieb
• Übersetzung ins Schnelle

Ein hohes Abtriebsdrehmoment ist in vielen Anwendungen von Vorteil. Es ermöglicht die Übertragung größerer Kräfte, erleichtert das Handling schwerer Lasten und trägt zu einer hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Maschine bzw. des Roboters bei.

Einstufige und mehrstufige Zykloidgetriebe 

Es gibt sowohl einstufige als auch mehrstufige Zykloidgetriebe. Einstufige Zykloidgetriebe verfügen über innenliegende Exzenter. Sie realisieren Untersetzungen bis i = 200, sind spielfrei (weil sie keine Verzahnungsteile haben) und bieten sehr kleine Baugrößen. Jedoch sind sie in der Untersetzung limitiert. Weiterer Nachteil: Die großen Exzenter mit ihrer entsprechend hohen Massenträgheit drehen sich mit Motordrehzahl. Dadurch ist das Vibrationslevel relativ hoch und die Dauerfestigkeit gering.

Unsere Zykloidgetriebe haben außenliegende Exzenter. Das macht eine vorgeschaltete Stirnradstufe notwendig und führt zu einem zweistufigen Untersetzungsprinzip (Stirnradstufe und Exzenterstufe). Sie haben daher im Standard zwei Getriebestufen bei Vollwelle und drei bei Hohlwelle. Maximal kommen vier Getriebestufen zum Einsatz.

Zweistufiges Untersetzungsprinzip bietet eine Vielzahl an Vorteilen

Die Stirnradstufe überträgt die Drehbewegung des Antriebs- bzw. Servomotors auf die Exzenterwellen. Dabei reduziert sich die Drehzahl entsprechend des Untersetzungsverhältnisses von Eingangswelle zu Stirnrädern. Dank der reduzierten Drehzahl drehen sich die Exzenter langsamer und können kleiner ausfallen, was Vibrationen im Getriebe signifikant reduziert und damit die Dauerfestigkeit erhöht. Durch die Verzahnungsteile in der ersten Stufe ist zwar ein geringes Spiel gegeben, dieses fällt jedoch nicht ins Gewicht, da es in der Zykloidstufe untersetzt wird. Die Zykloidstufe ist vorgespannt und somit spielfrei. Durch die Anzahl an Stiften und der daraus resultierenden Untersetzung der Zykloidstufe lässt sich das Zahnflankenspiel in der ersten Stufe reduzieren.

Das zweistufige Untersetzungsprinzip reduziert nicht nur die Vibrationen sowie die Massenträgheit, sondern lässt auch größere Untersetzungen zu. Zudem führt es zu einem exzellenten Verhalten hinsichtlich Dynamik und Laufruhe sowie einer hohen Wiederhol- und Bahngenauigkeit. Auch wirtschaftlich hat das zweistufige Untersetzungsprinzip Vorteile. Da die Gesamtuntersetzung nur über die Stirnradstufe gesteuert werden kann, entfällt die Fertigung verschiedener teurer Getriebegehäuse.

Getriebestufen bei Zykloidgetrieben und Planetengetrieben

Aufgrund ihres Stufensprungs können Planetengetriebe in einer Stufe eine Übersetzung von maximal i = 10 realisieren. Vergleicht man die Abmessungen von Planetengetrieben und Zykloidgetrieben fällt auf, dass die Baulänge der Planetengetriebe mit größer werdenden Untersetzungen erheblich zunimmt. So erreichen mehrstufige Planetengetriebe deutlich größere Baulängen als Zykloidgetriebe mit identischer Untersetzung.

Die Vorteile unserer mehrstufigen Zykloidgetriebe mit außenliegenden Exzentern

• Sehr große Untersetzungen auf kleinem Bauraum
• Flexible Anpassung der verschiedenen Untersetzungen durch die erste Stufe
• Preisunabhängigkeit, da für die unterschiedlichen Untersetzungen keine verschiedenen Gehäuseteile gefertigt werden müssen
• Gleiche Baulänge bei unterschiedlichen Untersetzungen
• Reduziertes Vibrationslevel und höhere Dauerfestigkeit
• Die geringere Anzahl an Getriebestufen reduziert die Komplexität im Gesamtsystem und senkt die Fehleranfälligkeit auf ein Minimum
• Hohe Wirtschaftlichkeit dank serienfertigungskompatiblem Produktdesign
• Konstruktionsbedingt sind Zykloidgetriebe deutlich steifer und dabei kompakter (ca. 50 % kürzer) sowie leichter als mehrstufige Planetengetriebe

Wellgetriebe und Getriebestufen

Wellgetriebe sind immer einstufig. Selbst hohe Untersetzungen realisieren sie in einer einzigen Getriebestufe und sind dabei 100 % spielfrei. Eine Ergänzung um weitere Getriebestufen ist möglich (siehe Riemenantriebe oder Kegelradstufen für winklige Motor-Anbindung), allerdings geht dabei der entscheidende Vorteil der Spielfreiheit meist verloren. Eine Ausnahme bildet die Kombination aus Wellgetriebe und Zykloidgetriebe. Sie ist so gut wie spielfrei und ermöglicht hohe Untersetzungen bei maximaler Präzision. Um die Spielfreiheit zu behalten, empfehlen wir jedoch immer eine möglichst starre Verbindung zwischen Motorwelle und Getriebe-Eingang bzw. eine einteilige Lösung für Motor- und Getriebewelle.

Übersicht über die Getriebestufen unserer Präzisionsgetriebe

Zykloidgetriebe:

• 2-stufig i bis 320
• 3-stufig i bis 500
• 4-stufig i bis 7.000 und höher möglich

Wellgetriebe:

• 1-stufig i = 30-160
• Höhere Untersetzungen sind grundsätzlich möglich, allerdings ist dies in enger Abstimmung mit den Qualitätsanforderungen unserer IATF-Zertifizierung zu betrachten

Möchten Sie mehr über die Getriebestufen unserer Präzisionsgetriebe erfahren oder haben Sie Fragen zu einem konkreten Projekt? Nehmen Sie Kontakt mit unseren Experten auf.