Die Vorteile der Verwendung eines Cyclone-Getriebes

Die Verwendung eines Zykloidgetriebes zum Antrieb einer Eingangswelle ist eine sehr effektive Methode zur Drehzahlreduzierung einer Maschine. Dies geschieht durch Verringerung der Drehzahl der Eingangswelle um ein vordefiniertes Verhältnis. Es ermöglicht sehr hohe Übersetzungsverhältnisse bei relativ kleinen Baugrößen.

Übersetzungsverhältnis

Ob Sie nun ein Schiffsantriebssystem oder eine Pumpe für die Öl- und Gasindustrie bauen – Zykloidgetriebe bieten deutliche Vorteile. Im Vergleich zu anderen Getriebetypen sind sie kürzer und weisen eine höhere Drehmomentdichte auf. Zudem bieten sie die beste Gewichts- und Positioniergenauigkeit.
Der Grundaufbau eines Zykloidgetriebes ähnelt dem eines Planetengetriebes. Der Hauptunterschied liegt im Profil der Zahnradverzahnung.
Zykloidgetriebe weisen einen geringeren Zahnflankenverschleiß und eine niedrigere Hertzsche Kontaktspannung auf. Zudem zeichnen sie sich durch geringere Reibung und Torsionssteifigkeit aus. Diese Vorteile machen sie ideal für Anwendungen mit hohen Belastungen oder Hochgeschwindigkeitsantrieben. Sie eignen sich auch gut für hohe Übersetzungsverhältnisse.
In einem Zykloidgetriebe treibt die Eingangswelle ein Exzenterlager an, während die Ausgangswelle die Zykloidscheibe antreibt. Die Zykloidscheibe rotiert um einen festen Ring, und die Stifte des Hohlrads greifen in die Bohrungen der Scheibe ein. Durch die Stifte wird dann die Ausgangswelle angetrieben, während sich die Scheibe dreht.
Zykloidgetriebe eignen sich ideal für Anwendungen, die hohe Übersetzungsverhältnisse und geringe Reibung erfordern. Sie sind auch gut geeignet für Anwendungen, die eine hohe Torsionssteifigkeit und Stoßfestigkeit verlangen. Darüber hinaus eignen sie sich für Anwendungen, die eine kompakte Bauweise und geringes Zahnflankenspiel erfordern.
Das Übersetzungsverhältnis eines Zykloidgetriebes wird durch die Anzahl der Nocken auf der Zykloidscheibe bestimmt. Bei der Ausführung n=n der Zykloidscheibe bewegt sich pro Umdrehung der Eingangswelle ein Nocken.
Zykloidgetriebe können mit einem Übersetzungsverhältnis von 30:1 bis 300:1 gefertigt werden. Diese Getriebe eignen sich für anspruchsvolle Anwendungen, insbesondere in der Automatisierungsindustrie. Sie bieten höchste Positioniergenauigkeit und minimales Zahnflankenspiel. Allerdings erfordern sie spezielle Fertigungsprozesse und nicht standardisierte Eigenschaften.

Druckkraft

Im Vergleich zu herkömmlichen Getrieben zeichnet sich das Zykloidgetriebe durch eine einzigartige Kinematik aus. Es verfügt über ein Exzenterlager in einem rotierenden Rahmen, das die Zykloidscheibe antreibt. Es ist charakteristisch für geringes Zahnflankenspiel und hohe Torsionssteifigkeit, was eine Verzahnung ermöglicht.
In dieser Studie wurden die Auswirkungen von Konstruktionsparametern untersucht, um die optimale Auslegung eines Zykloidgetriebes zu entwickeln. Drei Hauptkomponenten wurden betrachtet: die Zykloidscheibe, der Außenring und die Eingangswelle. Anhand dieser Komponenten wurden die bewegungsbedingten dynamischen Kräfte analysiert, aus denen sich Spannungen und Dehnungen berechnen lassen. Die Eingriffsfrequenz wurde mithilfe einer Formel berechnet, die einen Korrekturfaktor für das rotierende Bezugssystem des Außenrings berücksichtigt.
Zur Bewertung der Zykloidenscheibe wurde eine dreidimensionale Finite-Elemente-Analyse (FEA) durchgeführt. Dabei wurden die Auswirkungen der Lochgröße auf die in der Scheibe induzierten Spannungen untersucht. Die Studie befasste sich außerdem mit dem Drehmomentwelligkeitsprofil eines Zykloidenantriebs.
Die Autoren dieser Studie untersuchten auch die Zahnflankenspielverteilung im Abtriebsmechanismus unter Berücksichtigung von Bearbeitungsabweichungen sowie Struktur und Geometrie des Abtriebsmechanismus. Darüber hinaus wurde die relative Effizienz eines Zykloidgetriebes analysiert, basierend auf einem einteiligen Zykloidgetriebe mit einem Zahn Unterschied.
Den Autoren dieser Studie gelang es, die Kontaktspannung der Zykloidenscheibe abzuleiten, die mithilfe der materialabhängigen Kontaktsteifigkeit berechnet wird. Dies ermöglicht die genaue Bestimmung der Kontaktspannungen in einem Zykloidengetriebe.
Es ist wichtig, die für die Berechnung der Tragfähigkeit erforderlichen Verhältnisse zu kennen. Diese kann mithilfe der Formel f = k (S x R) berechnet werden, wobei S das Volumen des Bauteils, R die Masse, k die Kontaktsteifigkeit und f der Kraftvektor ist.

Drehrichtung

Im Gegensatz zum herkömmlichen Hohlradgetriebe mit nur einer Drehachse besitzt das Zykloidgetriebe drei parallele Drehachsen in einer Ebene. Es zeichnet sich durch hohe Torsionssteifigkeit und Stoßfestigkeit aus, gewährleistet eine konstante Winkelgeschwindigkeit und findet Anwendung in Hochgeschwindigkeitsgetrieben.
Ein Zykloidgetriebe besteht aus einer Eingangswelle, einem Antriebselement und einer Zykloidscheibe. Die Scheibe dreht sich in die eine Richtung, die Eingangswelle in die entgegengesetzte. Die Eingangswelle ist exzentrisch im Antriebselement gelagert. Die Zykloidscheibe kämmt mit dem Hohlradgehäuse, und ihre Drehbewegung wird auf die Ausgangswelle übertragen.
Zur Berechnung der Drehrichtung eines Zykloidgetriebes muss die Zykloide die korrekte Winkelausrichtung aufweisen und ihre Mittellinie mit der Mitte der Abtriebsbohrung fluchten. Die kürzeste Länge der Zykloide entspricht dem Radius des Bolzenkreises. Der größte Radius der Zykloide entspricht dem Außendurchmesser des Lagers.
Ein einstufiges Getriebe bietet nur wenig Platz, daher benötigt man ein mehrstufiges Getriebe, um den Platz optimal zu nutzen. Aus diesem Grund sind Zykloidengetriebe üblicherweise mit einer verkürzten Zykloide konstruiert.
Zur Berechnung des effizientesten Zahnprofils für ein Zykloidengetriebe wurde ein neues Verfahren entwickelt. Dieses Verfahren nutzt ein mathematisches Modell, das die Drehrichtung der Zykloide und einige weitere geometrische Parameter berücksichtigt. Mithilfe einer abschnittsweise definierten Funktion, die mit der Verteilung des Eingriffswinkels zusammenhängt, wird das effizienteste Profil der Zykloide ermittelt. Dieses wird anschließend mit dem theoretischen Profil überlagert. Das neue Verfahren ist deutlich flexibler als das herkömmliche und kann sich an veränderliche Trends des Zykloidenprofils anpassen.

Design

Es wurden verschiedene Bauarten von Zykloidgetrieben entwickelt. Diese Getriebe zeichnen sich durch ein hohes Untersetzungsverhältnis in einer Stufe aus und werden hauptsächlich in schweren Maschinen eingesetzt. Sie bieten eine gute Torsionssteifigkeit und Stoßfestigkeit, neigen jedoch bei hohen Drehzahlen zu Vibrationen. Zahlreiche Studien wurden durchgeführt, um eine Lösung für dieses Problem zu finden.
Ein Zykloidgetriebe wird durch Berechnung des Untersetzungsverhältnisses eines Mechanismus ausgelegt. Dieses Verhältnis ergibt sich aus der Größe der Eingangsdrehzahl. Diese wird dann mit dem Untersetzungsverhältnis des Zahnradprofils multipliziert.
Der wichtigste Faktor bei der Konstruktion eines Zykloidgetriebes ist die Lastverteilung über die Zahnradbreite. Durch die Berücksichtigung dieses Kriteriums lässt sich die Schwingungsamplitude reduzieren. Dies gewährleistet den einwandfreien Betrieb des Getriebes. Um optimale Eingriffsbedingungen zu erzielen, muss das Trochoidenprofil am Umfang der Zykloidscheibe präzise definiert sein.
Eine der gebräuchlichsten Formen von Zykloidgetrieben ist die Kreisbogenverzahnung. Dies ist die heute am häufigsten verwendete Verzahnungsart.
Eine weitere Zahnradform ist das Hypozykloidenzahnrad. Bei dieser Form muss der Durchmesser des Wälzkreises der Hälfte des Durchmessers des Grundkreises entsprechen. Ein weiterer Sonderfall ist das Punktzahnrad. Diese Form wird auch als Uhrzahnrad bezeichnet.
Damit dieses Zahnradprofil funktioniert, muss der erste Kontaktpunkt am Rand der Wälzscheibe fixiert bleiben. Dadurch entsteht die Hypozykloidenkurve. Die Kurve wird von diesem ersten Kontaktpunkt aus beschrieben.
Zur Untersuchung dieses Zahnradprofils verwendeten die Autoren eine dreidimensionale Finite-Elemente-Analyse. Sie nutzten das mathematische Modell der Zahnradfertigung, das kinematische Parameter, Berechnungen des Abtriebsmoments und Bearbeitungsschritte umfasste. Die resultierende Konstruktion beseitigte das Zahnflankenspiel.

Größenbestimmung und Auswahl

Die Wahl des richtigen Getriebes kann komplex sein. Viele Faktoren müssen berücksichtigt werden. Sie müssen die Art der Anwendung, die benötigte Drehzahl, die Last und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes bestimmen. Mit diesen Informationen finden Sie die optimale Lösung für Ihre Bedürfnisse.
Als Erstes müssen Sie die richtige Größe ermitteln. Es gibt verschiedene Berechnungsprogramme, die Ihnen dabei helfen, das optimale Getriebe für Ihre Anwendung zu finden. Sie können beispielsweise mit der Zeichnung eines Zykloidgetriebes beginnen, um das Bauteil zu konstruieren.
Bei der Dimensionierung ist es wichtig, die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Stoßbelastungen, Umgebungsbedingungen und Umgebungstemperaturen können den Verschleiß der Zahnräder erhöhen. Die Temperatur hat zudem einen signifikanten Einfluss auf die Viskosität von Schmierstoffen und Dichtungsmaterialien.
Sie müssen auch die Eingangs- und Ausgangsdrehzahl berücksichtigen. Die Eingangsdrehzahl beeinflusst nämlich die Berechnung des Getriebeübersetzungsverhältnisses. Wird die zulässige Eingangsdrehzahl überschritten, können die Dichtungen beschädigt werden und es kann zu vorzeitigem Verschleiß der Wellenlager kommen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Dimensionierung ist der Betriebsfaktor. Dieser Faktor bestimmt das maximale Drehmoment, das das Getriebe aufnehmen kann. Der Betriebsfaktor kann bis zu 1,4 betragen, was für die meisten industriellen Anwendungen ausreichend ist. Hohe Stoß- und Schlagbelastungen erfordern jedoch höhere Betriebsfaktoren. Werden diese Faktoren nicht berücksichtigt, kann dies zu Wellenbrüchen und Lagerschäden führen.
Die Art des Abtriebs ist ebenfalls wichtig. Sie müssen entscheiden, ob Sie eine Hohlbohrung mit oder ohne Passfeder benötigen und ob ein Abtriebsflansch erforderlich ist. Bei einer Hohlbohrung ohne Passfeder ist ein Dichtungsmaterial zu wählen, das den höheren Temperaturen standhält.

Bearbeitet von CX am 07.06.2023