Konstruktionsanleitung für Zykloidgetriebe

So funktioniert ein Zykloidgetriebe

Ein Zykloidgetriebe macht in einer einzigen Stufe aus einer schnellen Eingangsdrehung eine langsame, kräftige Abtriebsdrehung. Der Motor dreht einen Exzenter. Dieser lässt eine gezahnte Scheibe in einem Ring aus feststehenden Bolzen taumeln. Da die Scheibe einen Zahn weniger hat, als Bolzen vorhanden sind, rollt sie bei jeder Motorumdrehung um genau einen Zahn zurück.

Abtriebsbolzen greifen durch Löcher in der Scheibe und übernehmen ihre langsame Drehung. Ergebnis: Untersetzung = Anzahl der Ringbolzen − 1, und der Abtrieb dreht entgegen dem Motor. Mit 21 Bolzen erhältst du 20:1.

Untersetzung, Bolzen und Exzentrizität wählen

Die Untersetzung bestimmt die Anzahl der Bolzen. Mehr Bolzen brauchen einen größeren Bolzenkreis, damit zwischen benachbarten Bolzen mindestens 1 mm Abstand bleibt.

Die Exzentrizität formt die Zähne. Sie muss unter dem Bolzenkreisradius geteilt durch die Bolzenzahl bleiben, sonst faltet sich das Scheibenprofil. Ziele auf 60–90 % dieser Grenze: zu wenig ergibt flache Zähne, die überspringen können, zu viel spitze Zähne. Dicke Bolzen schärfen die Zähne ebenfalls; Torque warnt dich, wenn ein Bolzen der Unterschnittgrenze zu nahe kommt.

Ein größerer Bolzenkreis ist der wirksamste Weg zu mehr Drehmoment: Die Bolzenkräfte sinken mit dem Radius.

Den Motor anpassen

Abtriebsmoment ≈ Motormoment × Untersetzung × Wirkungsgrad. Nutze das Drehmoment unter Last, nicht das Haltemoment. Abtriebsdrehzahl = Motordrehzahl ÷ Untersetzung.

Schrittmotoren passen zu niedrigen Drehzahlen und hohen Untersetzungen. Gleichstrom- und BLDC-Motoren drehen schnell, daher ist ein Kugellager auf dem Exzenter unverzichtbar: Ein gedrucktes Gleitlager überhitzt bei hoher Drehzahl. Die Festigkeitsprüfung zeigt das als fehlschlagendes Exzenterlager.

Werkstoffe, Druck und Spiel

PETG ist ein guter Standard. Nylon und Nylon-CF widerstehen Verschleiß und Stößen am besten; PLA ist steif, aber spröde und wird bei Wärme weich. Drucke Scheiben, Exzenter und Abtrieb massiv (100 % Füllung oder viele Wände): Die Festigkeitsprüfung setzt massive Teile voraus.

Das Druckspiel ist der Spalt zwischen beweglichen Teilen. Beginne mit 0,2 mm. Sitzt der Exzenter zu stramm auf der Welle oder klemmen die Scheiben, erhöhe um 0,05 mm; hat das Getriebe zu viel Spiel, verringere es. Den Exzenter zuerst zu drucken ist ein schneller Passungstest.

Lager und Kleinteile

Zylinderstifte aus Stahl (ISO 8734) sind günstig und weit stärker als gedruckte Bolzen – verwende sie für Ring- und Abtriebsbolzen, wo immer möglich. Ein Rillenkugellager auf jedem Exzenter senkt Reibung und Verschleiß enorm; ein optionales Lager im Deckel stützt den Abtrieb.

Die Stückliste im Designer nennt jeden Stift, jedes Lager und jede Schraube mit Größe und Anzahl.

Montage

1. Exzenter probeweise auf die Motorwelle stecken.
2. Gehäuse an den Motor schrauben; die Schraubenköpfe sitzen in Senkungen.
3. Ringbolzen ins Gehäuse pressen.
4. Exzenter auf die Welle schieben und die Exzenterlager aufsetzen.
5. Scheiben einlegen; bei zwei Scheiben die zweite drehen, bis sie eingreift.
6. Abtrieb einsetzen, sodass seine Bolzen durch die Scheibenlöcher greifen.
7. Deckel aufsetzen und die Montageschrauben gleichmäßig anziehen.
8. Leicht fetten und von Hand drehen: Es sollte ruhig laufen.

Die Festigkeitsprüfung verstehen

Für dein Motormoment schätzt Torque die Kontaktspannung zwischen Bolzen und Scheiben, die Biegung der Ring- und Abtriebsbolzen, die Last auf dem Exzenterlager sowie die Torsion von Motorwelle, Wellenverbindung und Abtrieb.

Jede Prüfung erhält einen Sicherheitsfaktor: wie oft die aktuelle Last das Teil tragen kann. Grün erfüllt dein Ziel, Gelb hält, liegt aber unter dem Ziel, Rot wird wahrscheinlich brechen. Das Nennmoment ist das Abtriebsmoment, bei dem das schwächste Teil dein Ziel erreicht. Es sind Auslegungsschätzungen nach gängigen Formeln; teste ein gedrucktes Getriebe immer, bevor du dich darauf verlässt.

Export ins CAD

STL-Dateien sind bereit zum Slicen. STEP-Dateien behalten echte Kreise und lassen sich in Fusion 360, SolidWorks, Onshape oder FreeCAD weiterbearbeiten. Das Fusion-360-Skript baut die ganze Baugruppe als bearbeitbare Komponenten nach: In Fusion unter Dienstprogramme › Skripte und Add-Ins den Ordner mit dem Skript hinzufügen und auf Ausführen klicken.

Das komplette Paket enthält alles, dazu die Stückliste und eine README mit diesen Schritten.

Mehrstufige Stirnradgetriebe

Ein mehrstufiges Stirnradgetriebe reiht Stufen aneinander: Ein kleines Ritzel treibt ein großes Rad, und dieses Rad ist mit dem nächsten Ritzel verbunden (ein Stufenrad). Die Untersetzungen multiplizieren sich: drei Stufen mit 3:1 ergeben 27:1. Jedes Stufenrad dreht auf einer festen Stahlachse.

Torque erzeugt Evolventenzahnräder mit automatischer Profilverschiebung für kleine Ritzel, damit die Zähne nicht unterschnitten sind. Das Druckspiel wird zum Flankenspiel. Größere Module und breitere Zähne tragen mehr Drehmoment; die Festigkeitsprüfung zeigt die schwächste Stufe.

Planetengetriebe

Eine Planetenstufe hat in der Mitte ein Sonnenrad, drei bis sechs Planeten auf einem Träger und ein Hohlrad mit Innenverzahnung. Der Motor dreht die Sonne, das Hohlrad sitzt fest im Gehäuse, und der Träger dreht sich langsam: die Untersetzung ist 1 + Hohlradzähne / Sonnenzähne, typisch 3:1 bis 10:1. Gestapelte Stufen multiplizieren sich, zwei 5:1-Stufen ergeben 25:1 auf einer Achse.

Alle Planeten teilen sich die Last, deshalb sind Planetengetriebe kompakt und stark. Die Planeten müssen gleichmäßig verteilt sein, also muss Sonne + Hohlrad durch die Planetenzahl teilbar sein; Torque prüft das und dreht jeden Planeten in der exportierten Baugruppe in seine Eingriffslage. Jeder Planet läuft auf einem Bolzen, der von Trägerplatte und Haltering gehalten wird, am besten mit einem kleinen Kugellager.

Split-Ring-Antriebe für extreme Untersetzungen

Ein Split-Ring- (Wolfrom-)Antrieb nutzt lange Planeten, die zwei Hohlräder kämmen: ein festes und ein Abtriebs-Hohlrad mit einigen Zähnen weniger. Jede Trägerumdrehung verschiebt das Abtriebs-Hohlrad nur um die Zähnedifferenz, so erreicht eine Stufe 50:1 bis 1000:1: Untersetzung = (1 + festes Hohlrad / Sonne) / (1 − festes Hohlrad / Abtriebs-Hohlrad).

Das Abtriebs-Hohlrad ist profilverschoben, damit beide Hohlräder dieselben Planeten kämmen. Der Preis der riesigen Untersetzung ist der Wirkungsgrad: viel Leistung zirkuliert zwischen den Hohlrädern, rechne mit 30–60 % bei gedruckten Rädern. Dafür ist der Antrieb schwer rückwärts zu treiben, was bei Robotergelenken oder Winden oft erwünscht ist.

Schneckengetriebe

Eine Schnecke ist eine Schraube auf der Motorwelle. Jede Umdrehung schiebt das Rad pro Gewindegang um einen Zahn weiter; die Übersetzung ist also Radzähne / Gangzahl, typisch 10:1 bis 80:1 in einer Stufe, mit dem Abtrieb im 90°-Winkel zum Motor. Torque entwirft eine Evolventenschnecke und ein Schrägstirnrad mit gleichem Steigungswinkel: Beide werden als verdrehte Extrusionen flach gedruckt und greifen ohne Kollision ineinander.

Die Zähne gleiten statt zu rollen, daher ist der Wirkungsgrad niedriger als bei Stirnrädern: etwa 30–45 % mit einem Gang, bis 70–80 % mit vier. Liegt der Steigungswinkel unter dem Reibwinkel, ist das Getriebe selbsthemmend: Die Last kann den Motor nicht drehen, praktisch für Hubwerke und Winden. Gleiten erzeugt Wärme, deshalb prüft Torque, ob das Gehäuse sie abführen kann. Fette die Schnecke gut.

Welches Getriebe soll ich wählen?

Nimm das Zykloidgetriebe für das meiste Drehmoment auf kleinstem Raum, für koaxialen Abtrieb und Stoßlasten wie in Robotergelenken. Nimm das mehrstufige Stirnradgetriebe für die einfachsten Teile, jede Untersetzung in 1 bis 4 Stufen und einen Abtrieb neben dem Motor. Nimm ein Planetengetriebe für koaxiale Untersetzungen von 3:1 bis 1000:1: gestapelte Stufen für guten Wirkungsgrad, einen Split-Ring für extreme Untersetzungen in einer kompakten Stufe. Wähle ein Schneckengetriebe für einen Abtrieb im rechten Winkel, 10:1 bis 80:1 in einer leisen Stufe und eine Last, die sich bei stehendem Motor selbst halten soll.