Bild 01: Schaeffler präsentiert innovative Präzisionsplanetengetriebe für die Robotik, Medizintechnik und Industrieautomation (Quelle: Schaeffler)
In den letzten einhundert Jahren wurden bei Zahnradgetrieben beträchtliche Fortschritte hinsichtlich übertragbarer Leistung und Präzision erzielt. Diese beruhen vor allem auf einer akribischen Weiterentwicklung der Zahngeometrien und -korrekturen, der Entwicklung von laufruhigen Hochverzahnungen (Bild 2), neuen Werkstoffen und Härteverfahren sowie auf Verbesserungen bei der präzisen Fertigung. Nicht zu vergessen sind die Fortschritte in der Wälzlagertechnik und die Erfindung bauraumsparender Lagerlösungen.
Diese Fortschritte machten den Einsatz von Planetengetrieben in Präzisions-Servo- und Positionierantrieben erst möglich. Verdrehspiele von 1 Winkelminute bis 5 Winkelminuten sind heute Stand der Technik. Eine weitere Reduzierung des Verdrehspiels ist aus fertigungstechnischen Gründen in der Regel nicht wirtschaftlich. In Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Positioniergenauigkeit bzw. noch geringerem Verdrehspiel <1 Winkelminute, wie etwa in Industrierobotern, wird dann häufig auf andere Getriebegattungen, zum Beispiel Zykloidgetriebe, gesetzt.
Das Zahnflankenspiel eliminieren, aber wie?
Im Bereich der Zahnradgetriebe sind vereinzelt Lösungen bekannt, die das Zahnflankenspiel tatsächlich „eliminieren“ können. Dazu zählen beispielsweise die elektrischen Verspannantriebe. Die meisten mechanischen Entwicklungen zielen darauf ab, das Spiel durch interne Vorspannung der Verzahnung zu eliminieren. Dies kann dadurch geschehen, indem man beispielsweise die Planetenräder durch geschickte Aussparungen radial elastisch und dennoch tangential steif gestaltet. Die Zahnräder laufen dann spielfrei, solange die Vorspannung durch einen Verschleiß nicht innerhalb der Gebrauchsdauer aufgezehrt wird. Auch für das Schneckengetriebe wurde eine Lösung realisiert, in dem das Schneckenrad axial zweiteilig ausgeführt ist und so einen in der Breite verstellbaren Zahn „simuliert“. Für Stirnradgetriebe ist eine ähnliche Möglichkeit des Spielausgleichs realisierbar. Dann werden auf der Antriebswelle zwei Stirnräder nebeneinander angeordnet, eines davon drehbar gelagert und mittels Federpaket gegen das andere Stirnrad vorgespannt. All diesen Lösungen gemein ist, dass die Antriebe nur scheinbar spielfrei sind. Das Flankenspiel ist tatsächlich an der rückseitigen Zahnflanke noch vorhan den, wird aber durch eine „hineinkonstruierte Feder“ überbrückt. Bei Last - bzw. Richtungswechseln ist die Drehsteifigkeit dieser Getriebe oberhalb des mittels Vorspannung überbrückten Spiels reduziert. Ein weiterer Nachteil: Jede Vorspannung verursacht Reibung und Wärme, erhöht den Verschleiß und verschlechtert den Wirkungsgrad.