DE4232316C1 - Verfahren zum Herstellen von Ringen für Zahnräder mit Innen- und Außenverzahnung sowie Verwendung eines solchen Integralringes zur Herstellung von innen- oder außenverzahnten Zahnrädern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Ringen für Zahnräder mit Innen- oder Außenverzahnung sowie die Verwendung eines solchen Integralrings zur Herstellung von innen- oder außenverzahnten Zahnrädern.

Roboter, insbesondere Industrieroboter, sind, um eine gute Positioniergenauigkeit zu erreichen, sehr steif gebaut. Da in der Regel konventionelle Werkstoffe, wie Stahl oder Grauguß, eingesetzt werden, ergeben sich hierdurch hohe Massen und schlechte Beschleunigungswerte, was auf die hohen Massen der Antriebe und hier speziell der Getriebe zurückzuführen ist. Getriebe, welche bei solchen Anlässen häufig zum Einsatz kommen, sind solche der Firma Harmonic Drive, welche im folgenden als Harmonic-Drive-Getriebe bezeichnet werden.

Harmonic-Drive-Getriebe der Baureihe HDUC bestehen im wesentlichen aus drei Bauteilen oder Baugruppen, nämlich einem sogenannten "Wave Generator" (WG), einem sogenannten "Flexible Spline" (FS) und einem "Circular Spline" (CS).

Hierbei weist der "Wave Generator" die Form einer elliptischen Scheibe mit zerbrechlicher Nabe und einem außen angeordneten Spezialkugellager auf. Der "Flexible Spline" ist eine zylindrische Stahlbüchse mit Außenverzahnung und weist am Boden einen Flansch auf. Der "Circular Spline" ist ein Ring mit Innenverzahnung. Alle drei Bauteile sind aus Eisenlegierungen gefertigt.

Der elliptische "Wave-Generator" verformt als angetriebenes Teil über sein Kugellager den außenverzahnten "Flexible Spline". In den einander gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse sind hierbei ständig etwa 20% aller Zähne im Eingriff mit dem innenverzahnten "Circular Spline", welcher lediglich zwei Zähne mehr als der "Flexible Spline" hat. Durch Drehen des "Wave Generators" wird der Zahneingriff mit dem innenverzahnten "Circular Spline" entsprechend der großen Ellipsenachse verlagert. Dadurch vollzieht sich nach einer halben Umdrehung des "Wave Generators" bereits eine Relativbewegung zwischen dem "Flexible Spline" und dem vorzugsweise am Gehäuse befestigten "Circular Spline" um einen Zahn oder nach einer ganzen Umdrehung um zwei Zähne.

Wenn der "Circular Spline" fixiert ist, dreht sich der "Flexible Spline" entgegengesetzt zum "Wave Generator". Somit dient der "Wave Generator" als antriebsseitiges Bauteil, während der "Circular Spline" zur Befestigung und Abstützung am Gehäuse und der "Flexible Spline" als antriebsseitiges Bauteil verwendet sind.

Eine Massenaufteilung für zwei untersuchte Harmonic-Drive- Getriebe ist der nachstehenden Tabelle 1 zu entnehmen.

Tabelle 1

Wie der Tabelle 1 zu entnehmen ist, trägt der "Circular Spline" mit einem Massenanteil von etwa 50% am stärksten zur Gesamtmasse der Getriebe bei.

Im Zahneingriffsbereich des "Circular Spline" ergibt sich aus der Umfangslast und der Zahngeometrie eine radial nach außen wirkende Kraftkomponente, welche eine Aufweitung des Metallrings bewirkt. Der "Circular Spline" muß daher eine sehr hohe Verformungssteifigkeit aufweisen, damit auch unter hohen Momentbelastungen bzw. kurzzeitigen Überlastungen des Getriebes in keinem Fall ein Zahnüberspringen zwischen dem "Flexible Spline" und dem "Circular Spline" auftreten kann. Hieraus ergibt sich daher kein reiner Biegelastfall, sondern eine Gesamtbelastung, die insbesondere starke Schublasten aufweist. Insofern ist der bisher verwendete, isotrope Werkstoff Metall prinzipiell für diese Belastungsart sehr gut geeignet.

Zur Einleitung der Kräfte bzw. Momente wird eine Flansch-Befestigung benutzt, d. h. im Außenring des "Circular Spline" sind auf einer Kreislinie Befestigungsbohrungen angeordnet. Hierbei garantiert der bisher verwendete Werkstoff Metall eine genügend große Lochleibungsfestigkeit dieser Bohrungen. Außerdem ist bei der Ausführung des Gesamtgetriebes aus Metall ein etwa gleicher Wärmeausdehnungskoeffizient gewährleistet, so daß ein Klemmen bei erhöhten Betriebstemperaturen nicht zu befürchten ist.

Nachteilig bei den herkömmlichen Harmonic-Drive-Getrieben ist die zu hohe Masse. Wenn nämlich ein solches Getriebe in einem Gelenkantrieb eines Roboters verwendet wird, führt dies insbesondere bei Robotern mit langen Armen zu hohen Drehmomenten in denjenigen Antrieben, die näher bei der Basis liegen. Um eine ausreichende Positioniergenauigkeit zu erreichen, müssen daher Struktur und Antriebe sehr steif ausgelegt werden, was wiederum hohe Massen zur Folge hat. Dies wiederum hat zur Folge, daß die Masse, die transportiert werden kann, klein gegenüber der Roboter-Gesamtmasse ist, und auch nur geringe Beschleunigungen erreicht werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen von Ringen für Zahnräder mit Innen- oder Außenverzahnung zu schaffen, durch welche die Masse solcher Zahnräder und damit die Masse von aus solchen Zahnrädern gebildeten Getrieben ganz entscheidend verringert wird, ohne daß dadurch Funktionalität, Leistung und Belastbarkeit solcher Getriebe in irgendeiner Weise negativ beeinflußt werden.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zum Herstellen von Ringen für Zahnräder mit Innen- oder Außenverzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der Ansprüche 4 und 5. Ferner können zur Herstellung von innenverzahnten Zahnrädern Ringe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 entsprechend den Ansprüchen 6 und 8 verwendet werden.

Gemäß der Erfindung wird zur Behebung der eingangs anhand von in herkömmlicher Weise ausgeführten Harmonic-Drive-Getrieben aufgetretenen Schwierigkeiten das bisher bei diesen Getrieben verwendete Metall in geeigneter Weise, nämlich beanspruchungsgerecht, durch Faserverbindwerkstoffe, vorzugsweise aus Hochmodulfasern, insbesondere durch kohlestoffaser- verstärkte Kunststoffe (CFK) ersetzt. Hierzu kann beispielsweise bei einem Harmonic-Drive-Getriebe der Bauart HDUC der ursprüngliche "Circular Spline" auf einen Metallring mit einer sehr geringen Wandstärke reduziert werden, welcher nur noch die Innenverzahnung trägt. Die in einem solchen Getriebe auftretenden Belastungen werden dann von einer "Wicklung aus kohlestoffaser-verstärkten Kunststoffen" übernommen.

Durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen kann ohne eine Verschlechterung der Leistungsdaten, wie beispielsweise des maximalen Drehmoments oder des Temperatur-Einsatzbereiches, eine Massenreduktion bei Getrieben, beispielsweise bei Harmonic-Drive-Getrieben um etwa 30% erreicht werden. Bei Verwendung von Getrieben, welche in einem beachtlichen Maße aus gemäß der Erfindung hergestellten Zahnrädern aufgebaut sind, können diese in vorteilhafter Weise bei Robotern eingesetzt werden, bei welchem beispielsweise die Durchbiegung eines relativ langen Roboterarms aufgrund des Eigengewichts und insbesondere aufgrund des reduzierten Gewichts des am Armende angebrachten Getriebes beträchtlich verringert ist.

Bei Robotern, an deren langen Arme Gelenkantriebe mit Getrieben angebracht sind, die aus gemäß der Erfindung hergestellten Zahnrädern gebildet sind, können somit im Vergleich zu den bisherigen verwendeten Rotobotergelenkantrieben in Relation zu deren Gesamtgewicht erheblich größere Massen transportiert bzw. beachtlich höhere Beschleunigungen realisiert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Gegenüberstellung einer Ausführung eines herkömmlichen "Circular Spline" eines Harmonic-Drive-Getriebes und verschiedener Fertigungsvarianten von zum Teil nach den Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten "Circular Splines" von Harmonic- Drive-Getrieben,

Fig. 2A eine schematische Wiedergabe des Verlaufs eines Rovings in einem gemäß der Erfindung hergestellten Integralring für ein "Circular Spline" eines Harmonic-Drive-Getriebes,

Fig. 2B eine zum Teil aufgeschnittene, schematische Darstellung eines Teils einer rotierenden Fertigungsvorrichtung zum Herstellen von Integralringen gemäß Fig. 2A,

Fig. 3 in einem Diagramm den Kurvenverlauf von Belastungsversuchen mit verschiedenen Prüfringen, und

Fig. 4 ein der Fig. 3 entsprechendes Diagramm von Kurvenverläufen von Belastungsversuchen verschiedener gebohrter Prüfringe.

Ganz allgemein kann festgestellt werden, daß die hohen spezifischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen (FVW) nur dann in vollem Umfang genutzt werden können, wenn es gelingt, die an sich anisotropen Eigenschaften durch eine entsprechende Verarbeitung bzw. Gestaltung eines Bauteils optimal zu nutzen. Da es sich beispielsweise bei den einzelnen Bauteilen eines Harmonic-Drive-Getriebes nicht um ein reines Biegeproblem handelt, führt ein nur unidirektional (UD) gewickelter Ring, selbst bei Verwendung von hochmoduligen Kohlenstoffasern nur zu unzureichenden Verformungssteifigkeiten, wie beispielsweise aus den Graphen bzw. der Fig. 3 zu entnehmen ist, worauf später noch im einzelnen eingegangen wird.

Durch die erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Bauweise geschaffen, bei welcher ein entsprechender Schubverband mit einer auf die lokale Tangentenrichtung eines Rings beispielsweise eines "Circular Spline" bezogenen Faserorientierung von ±45° in eine solche unidirektionale Wicklung integriert ist. Ein solcher "Integralring" hat zugleich den Vorteil, daß er eine sehr hohe Lochleibungsfestigkeit der Krafteinleitungsbohrungen aufweist, welche wesentlich höher liegt als bei einem rein unidirektional gewickelten Ring. Außerdem ergibt sich auf einem Laminataufbau beruhende, gemischte Faserorientierung und aufgrund der spezifischen Wärmeausdehnungseigenschaften der Kohlenstoff-Faser in Verbindung mit der Polymer-Matrix einen Gesamtwärme-Ausdehnungskoeffizienten, welche in etwa dem von Eisenlegierungen entspricht. Außerdem können Schwierigkeiten aufgrund von Wärmeausdehnungen innerhalb der Betriebsgrenzen des Getriebes vermieden werden.

In Fig. 1 sind verschiedene Ausführungsformen und Fertigungsvarianten eines "Circular Spline" für ein Harmonic-Drive-Getriebe wiedergegeben, wobei in Fig. 1 die Innenverzahnung nicht eingezeichnet ist. In der nachstehenden Aufstellung sind stichwortartig der Aufbau und die Ausführung der verschiedenen Versionen A bis E3 beschrieben, während anschließend auf die nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fertigungsvarianten eingegangen ist.

Die Version A entspricht der herkömmlichen Ausführung in Form eines Serienprodukts eines "Circular Spline" eines Harmonic- Drive-Getriebes aus Eisenlegierungen. Hierbei ist der gesamte Ring 1 einschließlich der in Fig. 1 nicht dargestellten Innenverzahnung aus einer Eisenlegierung oder Grauguß hergestellt. Durch die in der Version A eingetragene, ausgezogene Linie ist die Mittellinie einer der am Umfang des "Circular Spline" gleichmäßig verteilten Bohrungen angedeutet.

Die Version B gibt einen unidirektional in Umfangsrichtung gewickelten "Circular Spline" aus Faserverbundwerkstoffen wieder, wobei die Wicklung auf einem dünnwandigen Ring 2 aufgebracht ist. Analog zu der Version A ist auch bei der Version B durch den ausgezogenen waagrechten Strich die Mittellinie einer der gleichmäßig am Umfang dieses "Circular Spline" verteilten Bohrungen angedeutet.

Für eine Serienfertigung können im übrigen Wicklungen mehrerer "Circular Splines" in einem Arbeitsgang hergestellt werden, indem sie zentrisch nebeneinander aufgespannt werden.

Bei der Version C ist ein unidirektional in Umfangsrichtung gewickelter "Circular Spline" aus Faserverbundwerkstoffen dargestellt, wobei ein dünnwandiger Ring 3 aus Metall eine Einheit mit zwei seitlichen zusätzlichen Schubstegen 3a und 3b bildet. Durch die beiden zusätzlichen Schubstege ist eine Erleichterung bei der Fertigung erreicht, da ein Abgleiten des Rovings an den beiden Seiten verhindert ist. Gleichzeitig werden an den beiden seitlichen Schubstegen 3a und 3b auftretende Schubspannungen ohne Schwierigkeit aufgenommen.

Bei der Version D sind Schubstege 4 aus Gewebeschlauch aus kohlenstoffaser-verstärkten Kunststoffen mit einer Faserorientierung von ±45° in einer Anzahl Lagen auf einen dünnwandigen Ring 2 gewickelt und mit diesem fest verbunden. Hierbei ist der Gewebeschlauch 4 bei der Version D so in Umfangsrichtung auf den in einer schematisch angedeuteten Fertigungseinrichtung 10 gehalterten Ring 2 so aufgewickelt, daß der Gewebeschlauch auf beiden Seiten über die spätere Außenfläche eines "Circular Spline" vorsteht. Durch diese Art der Wicklung eines Gewebeschlauchs aus kohlenstoffaser-verstärktem Kunststoff ist gleichzeitig eine seitliche Quervernetzung des Faserverbundringes erreicht. Hierbei ist das Gewebe des Gewebeschlauchs so flexibel, daß es sich bei dem Wickelvorgang der U-förmigen, nutartigen Vertiefung in der Fertigungsvorrichtung 10 hinsichtlich der Form ohne Schwierigkeit anpaßt. Nachdem in der beschriebenen Weise eine Anzahl Lagen des Gewebeschlauchs, wobei in Fig. 1 bei der Version D der Deutlichkeit halber nur zwei Lagen angedeutet sind, aufgebracht sind, wird der zwischen den seitlichen Stegen verbleibende freie Innenraum mit einer unidirektional aufgebrachten Wicklung gefüllt, wodurch infolge der Fadenspannung auch noch für eine gute Laminatanpressung an die aus dem Gewebeschlauch 4 gebildeten Seitenflanken gesorgt ist.

Bei der Version E1 sind Schubstege 5 aus Kohlenfasergewebe getrennt hergestellt worden, und zusammen mit einer unidirektional aufgebrachten Wicklung wiederum mit einem dünnwandigen Ring 2 verklebt. Hierbei können die ringförmigen Schubstege 5 auf verschiedene Weisen gefertigt werden. Beispielsweise können die ringförmigen Schubstege 5 aus Kohlenfasergewebe ausgeschnitten werden, und je nach der gewünschten Breite werden dann unterschiedlich viele Lagen miteinander verbunden, wodurch ein entsprechendes Laminat geschaffen ist. Nachteilig bei dieser Fertigungsmethode ist, daß die Ringe nachbearbeitet werden müssen.

Bei der Herstellung der ringförmigen Schubstege kann jedoch auch umgekehrt verfahren werden, indem zuerst kohlenstoffaser- verstärkte Kunststoffplatten aus Geweben oder Prepregs laminiert werden und die Schubstege 5 erst nach dem Aushärten ausgeschnitten werden.

Nachteilig bei beiden Methoden ist, daß der entstehende Verschnitt beträchtlich ist. Außerdem entsteht aufgrund der sich nur stufenweise ändernden Faserorientierung der Einzelzuschnitte ein nur quasi-isotroper Verbundwerkstoff.

Bei einer anderen Methode wird ein Kohlefaser-Schlauch solange bandförmig in dem gewünschten Radius abgelegt und dadurch laminiert, bis die gewünschte Breite der Schubstege 5 erreicht ist. Bei dieser Methode fällt dann kein Verschnitt an. Jedoch können hiermit nicht beliebig enge Radien realisiert werden, da der Schlauch sonst Falten wirft.

Bei der Version E2 handelt es sich um einen integralen "Circular Spline", der in einem Filament-Winding-Verfahren hergestellt worden ist, wie nachstehend noch im einzelnen ausführlich beschrieben wird.

Bei der Version E3 handelt es sich um einen Verbund aus mehreren aus Fig. 1 nicht ersichtlichen Ringen 6, die entsprechend den Versionen D, E1 oder E2 hergestellt sind, anschließend ausgehärtet und dann miteinander verklebt wurden. Diese Version ist hinsichtlich der Lochleibungseigenschaften und aufgrund der symmetrischen Anordnung der Ringe 6 für bestimmte Anwendungsfälle zu bevorzugen.

Bei der Version E2 ist beispielsweise der "Circular Spline" eines Harmonic-Drive-Getriebes durch einen Integralring gebildet, welcher aus einem dünnwandigen Metallring 2 mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Innenverzahnung und einer unidirektional aufgebrachten Wicklung mit zwei seitlichen Schubstegen gebildet ist. Mit Hilfe eines automatisierten Fertigungsablaufs ist somit ein struktureller Aufbau eines "Circular Spline" aus Faserverbundwerkstoffen geschaffen, der die im Hinblick auf Verformungssteifigkeit optimalen Anteile aus einem Schubverband mit einer Faserorientierung von ±45° und aus einem Biegeverband mit einer Faserorientierung von 0° enthält.

Aus Fig. 2A ist der prinzipielle Fertigungsablauf zu ersehen. Hierbei wird zur Erzielung eines ±45°-Verbundes der eigentliche Innendurchmesser r_i des fertigen Integralrings bzw. eines "Circular Spline" durch entsprechende Ausdrehungen verringert. Hierbei kann, wenn zur automatisierten Endlosverarbeitung das "Filament-Winding-Verfahren" benutzt wird, der Kohlefaser-Roving vom kleinen Innendurchmesser, welcher in Fig. 2A kleiner als der eingetragene Innendurchmesser r_i ist, über den großen Außendurchmesser der Fertigungsvorrichtung geführt werden, wobei dieser große Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser r_a des fertigen Integralrings ist. Der Roving bildet dann an den seitlichen Flanken mit einem mittleren Soll-Durchmesser r_m den geforderten Winkel von 45° zu einer gedachten, lokalen Umfangstangente, allerdings nur unter der Voraussetzung, daß die beiden Durchmesser der Vorrichtung das richtige Verhältnis zueinander haben.

Durch eine zyklische Versetzung in Drehrichtung und durch eine Richtungsumkehr eines nicht näher dargestellten Fadensupports wird, wie bei Rohrwickel-Vorgängen üblich, eine gleichmäßige Schubwand von ±45° auf beiden Flankenseiten des Integralringes erzeugt. Wie aus der schematischen Darstellung der Version E2 in Fig. 1 zu ersehen ist, füllt sich mit zunehmendem Wickelfortschritt der Nutengrund zwischen zwei seitlichen Stützscheiben 101 aufgrund des kleineren Durchmessers schneller als die Außenbereiche, wodurch sich ebenfalls wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, bei der Version E2 eine Art parabolischer Belegungsquerschnitt ergibt. Ferner bekommt der Fadenverlauf zunehmend sowohl eine Querkomponente als auch immer beim Seitenwechsel eine Umfangskomponente, was einerseits eine Querversteifung bzw. -vernetzung und andererseits eine Verstärkung in der Umfangsrichtung, d. h. eine Verstärkung hinsichtlich einer Biegung mit einer zusätzlichen Verdichtung des Laminats infolge der Fadenspannung zur Folge hat. Nach einer Aushärtung wird eine vorzugsweise teilbar ausgeführte Form, was prinzipiell der schematischen Darstellung der Fig. 2B zu entnehmen ist, entfernt und anschließend wird die äußere Fadenumlenkung auf den Außendurchmesser r_a des fertigen Integralrings abgedreht und der Kern auf den Innendurchmesser r_i des Integralrings ausgedreht.

Zur Optimierung der Fertigung im Hinblick auf eine Serienherstellung können Wickelkerne 102 und die ihnen zugeordneten Stützscheiben 101 in einer aus Fig. 2B ersichtlichen Weise in segmentierter Form nebeneinander und einer entsprechend bemessenen Trägerwelle 103 angeordnet und mittels einer entsprechenden Halterungsvorrichtung aneinandergepreßt werden, wobei die Halterungsvorrichtung in Fig. 2B eine entsprechend bemessene Anpreßscheibe 105 aufweisen kann, welche mittels einer auf ein Gewinde der Trägerwelle 103 aufgebrachten Mutter 106 unter Zwischenschaltung einer Beilagscheibe 107 die einzelnen Stützscheiben 101 und den dazwischen angeordneten Wickelkern 102 aneinanderpreßt. Mit einer derart ausgeführten Vorrichtung können dann eine Anzahl Integralringe (siehe Fig. 2A) in einem Durchgang automatisch gefertigt werden.

Um eine ausreichende Momentenübertragung zwischen einem Metallring 2 mit Innenverzahnung und dem aus Faserverbundwerkstoff hergestellten Ring bzw. Integralring zu gewährleisten, müssen diese beiden Teile gut miteinander verbunden sein. Hierzu bieten sich verschiedene Möglichkeiten an, die miteinander nahezu beliebig kombinierbar sind.

Beispielsweise kann die Oberfläche des Metallrings durch Sandstrahlen oder Kugelstrahlen strukturiert sein, so daß dadurch ein Mikro-Formschluß entsteht. Ferner können die beiden Teile durch Verkleben fest miteinander verbunden werden. Ferner kann durch eine geometrische Strukturierung der Kontaktfläche zwischen den beiden Bauteilen, beispielsweise durch eine Facettierung über deren Umfang ein Formschluß erreicht werden. In Abhängigkeit von der angewandten Fertigungsmethode kann der Ring aus Faserverbund-Werkstoff gegebenenfalls auch direkt auf einem strukturierten, dünnwandigen Zahnring aufgebracht werden (siehe die Versionen D und E1 bis E3). In diesem Fall kann dann eine nachträgliche Fügung entfallen. Darüber hinaus kann vor einem Fügen der Metallring auch stark abgekühlt werden. In diesem Fall müssen dann die Fertigungstoleranzen so gewählt werden, daß beim Erwärmen eine Reibschluß-Verbindung entsteht, so daß der fertige "Circular Spline" bei Raumtemperatur innere Spannungen aufweist. Zusätzlich kann auch noch eine Verklebung vorgesehen werden, obwohl dies meistens nicht unbedingt notwendig sein dürfte.

In Fig. 3 sind die Ergebnisse von Belastungsversuchen an verschiedenen "Circular Spline"-Prüfringen ohne Innenverzahnung wiedergegeben. Hierbei sind auf der Abszisse des Diagramms der Traversenweg in mm und auf der Ordinate die Belastung in kN aufgetragen. In Fig. 3 ist der mit bezeichnete Kurvenverlauf bei einem ungebohrten Prüfling aus Stahl analog der Versin A in Fig. 1 erreicht. Der mit bezeichnete Kurvenverlauf wurde mit einem Stahlring mit einer unidirektionalen kohlenstoffaser-verstärkten Wicklung gemäß der Version (B oder C) erreicht. Der mit bezeichnete Kurvenverlauf wurde mit einem Integralring aus kohlenstoffaser-verstärktem Kunststoff gemäß der Version E2 (mit Metallring) erreicht. Der mit bezeichnete Kurvenverlauf wurde mit einem rein unidirektional gewickelten Ring aus kohlenstoffaser-verstärktem Kunststoff erreicht (Version B), während der mit bezeichnete Kurvenverlauf mit einem rein unidirektional gewickelten Ring aus glasfaser-verstärktem Kunststoff (Version B) erhalten wurde.

Für die Zugversuche, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, wurden Restringe (ohne Verzahnung) nach den verschiedenen Methoden hergestellt und in einer Zugmaschine störungsfrei geprüft. Wie aus dem Diagramm deutlich zu ersehen ist, handelt es sich um eine schubdominierte Belastung. Die Stärke der beiden seitlichen Schubstege bei der Integrallösung gemäß der Version E2 betrug bei einer Gesamtbreite des Rings von 20 mm jeweils nur 0,5 mm. Trotz des nur geringen Volumenanteils der Schubstege 4 ergeben sich bei höheren Belastungen deutlich geringere Verformungen als bei einer reinen unidirektionalen Wicklung, was bei der Ausführung mit Metallstegen (Version C und Kurvenverlauf ) noch deutlicher zum Vorschein kommt. Mit einem optimierten Strukturaufbau, d. h. bei einem Wechsel zwischen Diagonal- und Längsbewehrung ist somit durchaus die Steifigkeit des reinen Metallrings (Version A in Fig. 1 und Kurvenverlauf ) erreichbar.

Außerdem ergibt der angestrebte Mischaufbau eine wesentlich günstigere Lochleibungsfestigkeit, was im Hinblick auf die Krafteinteilung von Wichtigkeit ist. Insbesondere ist vor allem eine bessere Gleichförmigkeit des Materials und damit im Vergleich zu einer reinen unidirektionalen Wicklung ein günstigerer Wärmeausdehnungskoeffizient erzielt. Hierdurch kann dann auch ein Klemmen des Getriebes bei höheren Betriebstemperaturen mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Allerdings ist die Geometrie eines "Circular Spline" hinsichtlich der erforderlichen Bohrungen jeweils auf den isotropen Werkstoff Metall abzustimmen. Aus Kompatibilitätsgründen wurde bei den Ausführungen aus Faserverbundwerkstoffen auf eine geänderte Geometrie verzichtet, obwohl mit einer dem Faserverbundwerkstoff angepaßten Gestalt noch bessere Eigenschaften erzielt werden dürften.

In Fig. 4 ist ein der Fig. 3 entsprechendes Diagramm wiedergegeben, wobei die Ergebnisse von Belastungsversuchen verschiedener, allerdings gebohrter "Circulat-Spline"-Prüfringe (ebenfalls wieder ohne Verzahnung) aufgetragen sind. Zum Vergleich wurde zusätzlich noch der ungebohrte Stahlring eingezeichnet (Kurvenverlauf aus Fig. 1).

Aus der nachstehenden Tabelle II ist zu ersehen, daß, je nach der Art des Aufbaus des Rings eines "Circular Spline", mehr oder weniger Masse eingespart werden kann.

Tabelle II

Wie aus Tabelle I zu ersehen ist, ist bei einem Harmonic- Drive-Getriebe der sogenannte "Wave-Generator" ein weiteres Bauteil mit einem relativ hohen Massenanteil. Bei Ausführung dieses Bauteils "Wave-Generator" beispielsweise nach den Versionen D und E1 bis E3 ließe sich etwa bis zu 50% an Masse einsparen. Selbst bei der kleinen Baugröße des Harmonic- Drive-Getriebes der Bauart HDUC 32 IH würde dies einer Ersparnis von 15% der Getriebe-Gesamtmasse entsprechen. Dies hat dann noch einen weiteren Vorteil zur Folge. Bedingt durch die hohen Übersetzungen ist nämlich bei Roboterantrieben der Einfluß des Massenträgheitsmoments des Getriebeeingangs (mit Motorwelle) auf das Beschleunigungsverhalten eines Gelenkes nicht unbeträchtlich. Da Harmonic-Drive-Getriebe im Vergleich zu anderen Getrieben, beispielsweise Cyclo-Getrieben, ein relativ hohes Trägheitsmoment am Eingang haben, wirkt sich eine Massenreduzierung des Wave-Generators hierauf sehr positiv aus.

Außerdem kann die erfindungsgemäße Methode einer Massenreduktion auch auf Getriebe, wie beispielsweise AKIM-Getriebe angewendet werden, die dem Harmonic-Drive-Getriebe sehr ähnlich sind. Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren zur integrierten Wicklung von unidirektional gewickelten Ringen mit Schubbewehrung kann darüber hinaus überall dort eingesetzt werden, wo derartige Ringe aus Faserverbundwerkstoffen benötigt werden, also bei Belastungsfällen, die von Schubverformungen dominiert werden.

Zur Herstellung von außenverzahnten Zahnrädern werden dünne außenverzahnte Metallringe erwärmt, auf Ringe aus Faserverbundwerkstoffen aufgebracht und anschließend wieder auf Raumtemperatur abgekühlt, wodurch eine gute Reibverbindung zwischen dem Metallring dem FVW-Ring erreicht ist. (Bei der Erwärmung des dünnwandigen, außenverzahnten Metallrings darf natürlich die Temperaturgrenze des Faserverbundwerkstoffs auf keinen Fall überschritten werden!)

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen von Ringen für Zahnräder mit Innen- oder Außenverzahnung, dadurch gekennzeichnet, daß Gewebeschläuche aus Faserverbundwerkstoffen mit einer Faserorientierung von ±45° zur Aufnahme der Schublast in einer Anzahl Lagen in Umfangsrichtung auf den Boden und an den Seitenflanken einer U-förmigen, nutartigen Vertiefung einer rotierenden Fertigungsvorrichtung aufgebracht werden, und daß der verbliebene Freiraum im Inneren der aufgebrachten Gewebeschlauch-Lagen mit einem unidirektional gewickelten Roving zur Aufnahme der Biegelast gefüllt wird, wodurch nach dem Aushärten ein Integralring gebildet ist.

2. Verfahren zum Herstellen von Ringen für Zahnräder mit Innen- oder Außenverzahnung, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Wickelverfahrens zur automatisierbaren Endlosverarbeitung eines harzgetränkten Faserrovings vom kleinen Innendurchmesser einer U-förmigen, nutartigen Vertiefung einer rotierenden Fertigungsvorrichtung zu deren großen Außendurchmesser geführt wird, wodurch bei entsprechender Wahl des Durchmesser-Verhältnisses an den Seitenflanken jeweils ein 45°-Winkel zu einer gedachten, lokalen Umfangstangente sowie durch zyklische Versetzung in Drehrichtung und einer Drehrichtungsumkehr eines Fadensupports eine gleichmäßige Schubwandung von ±45°-Faserorientierung auf beiden Flankenseiten gebildet wird, wobei im Verlauf des Wickelfortschritts in den verbliebenen Freiraum der Fadenlauf zunehmend sowohl eine Querkomponente als auch bei jedem Seitenwechsel eine Komponente in Umfangsrichtung enthält.

3. Verfahren zum Herstellen von Ringen für Zahnräder mit Innen- oder Außenverzahnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei dünnwandige, als Schubstege (5) dienende Ringe aus Gewebelaminaten mit einer Faserorientierung ±45° zur Aufnahme der Schublast aus kohlenstoffaser-verstärkten Kunststoffen oder aus Kunststoffen mit anderen Verstärkungsfasern nach dem Aushärten mit einer unidirektionalen, zwischen den ringförmigen Schubstegen (5) aufgebrachten Wicklung zur Aufnahme der Biegelast verklebt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundwerkstoffe aus Hochmodulfasern gebildet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochmodulfasern Kohlenstoffasern verwendet werden.

6. Verwendung eines Integralrings nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung von innenverzahnten Zahnrädern, indem ein solcher Integralring mit einer strukturierten, äußeren Umfangsfläche eines dünnwandigen Ringes mit Innenverzahnung fest verbunden wird.

7. Verwendung eines Integralrings nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung von innen- oder außenverzahnten Zahnrädern, indem ein solcher Integralring mit einem dünnwandigen Metallring mit Innen- oder Außenverzahnung verklebt wird.

8. Verfahren zur Herstellung von innenverzahnten Zahnrädern unter Verwendung eines Integralrings nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem Fügen ein Metallring mit Innenverzahnung stark abgekühlt wird, in einen solchen Integralring eingesetzt und anschließend auf Umgebungstemperatur erwärmt wird, wodurch dann infolge der hierdurch bedingten Ausdehnung des Metallrings eine Reibschluß-Verbindung zwischen dem innenverzahnten Metallring und dem Integralring geschaffen wird.