Leicht und leistungsfähig

Durch die Entwicklung leichter schmiermittelfreier Zahnradgetriebe kleiner und mittlerer Leistung unter Verwendung von Leichtmetallen und Beschichtungen sollen Abmessung, Gewicht und Kosten reduziert werden. Dargestellt wird die Entwicklung am Beispiel des spielfreien Harmonic Drive Getriebes, das im Auftrage der NASA für Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde und wegen der hohen Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit auch in der Robotertechnik (Gelenke, Schwenkachsen) Anwendung findet. Es besteht aus drei konzentrisch aufgebauten Bauteilen: ein starrer zylindrischer Ring mit Innenverzahnung - CS; eine zylindrische Buchse mit Außenverzahnung - FS und eine elliptische Scheibe mit zentrischer Nabe und aufgezogenem Dünnringkugellager - WG. Der Einsatz von Leichtmetallen führt zu einer Verringerung des Massenträgheitsmomentes und damit zu möglichen Geschwindigkeitserhöhungen und Energieeinsparungen. Es wurden GGG80, TiAl6V4, 40NiCrMo6, Dispal S230 (Al-Legierung) und als Vergleichsmaterial 100Cr6 eingesetzt. Als verschleißreduzierende und reibungsmindernde Schichten wurden metallfreie (a-C:H) oder metallhaltige (a-C:H:Me) Kohlenstoffschichten mit oder ohne Stützschichten (Plasmanitrierung, Eloxieren) aufgebracht und am Stift-Scheibe-Tribometer geprüft. Die Muster mit CrN + a-C:H:W- und CrN + a-C:H-Beschichtungen lieferten die besten Ergebnisse. Zusätzliche chemisch-Nickelschichten oder Plasmanitrierungen des Grundwerkstoffs bringen keine weiteren Verbesserungen des Schichtsystems. Für die Prüfung realer Getriebe wurde eine a-C:H-Funktionsschicht mit einer CrN-Stützschicht hergestellt. Bei dem Muster aus der Al-Legierung lagen die Steifigkeitswerte und die Übertragungsgenauigkeit weit außerhalb der Toleranz. Am vielversprechendsten ist die Variante mit Titan (CS und WG aus TiAl6V4) und der genannten Beschichtung, die nur 64 % des Standardgetriebes wiegt. Aussichtsreich ist auch eine Variante mit einem Verbundguss (CS Verzahnung aus Stahl, CS Flanschbereich aus Aluminiumguss und WG aus Aluminium) oder dem teilweisen Einsatz von hochfestem Aluminium (Teile von WG). Die Getriebe werden in Industrieprojekten für Montageroboter erprobt.