DerPEEK-Zykloidenreduziererist ein Zykloiden-Windradgetriebe mit PEEK-Verbundwerkstoff als Kerngetriebekomponente. Es vereint die hohe Tragfähigkeit des Zykloidengetriebes mit dem geringen Gewicht von PEEK. Im Folgenden werden Konstruktionsprinzip, Materialvorteile, Leistungsparameter und Anwendungsszenarien erläutert:
1. Strukturprinzip
Das PEEK-Zykloidengetriebe verfügt über eine einstufige Zykloiden-Zykloidenrad-Getriebestruktur: bestehend aus einer exzentrischen Eingangswelle, zwei PEEK-Zykloidenrädern mit einer Phasendifferenz von 180°, einem Stiftradgehäuse aus Stahl und einem Ausgangsmechanismus. Wenn sich die Eingangswelle dreht, treibt die Exzenterhülse das Zykloidenrad an und erzeugt eine Planetenbewegung. Das Zahnprofil des Zykloidenrads greift in die Stiftzähne am Stiftradgehäuse ein und überträgt Bewegung und Kraft über die Ausgangswelle. Die Kerninnovation liegt in der Verwendung von 40 % kohlefaserverstärktem PEEK-Spritzguss für das Zykloidenrad und der PEEK-Metall-Verbundstruktur für den Stiftradstift, wodurch ein geringes Gewicht und Selbstschmierung der Getriebekomponenten erreicht werden.
2. Materialvorteile
Leichtbauweise: Die Dichte des PEEK-Zykloidenreduzierers beträgt nur 1,45 g/cm³, wodurch das Gewicht im Vergleich zu Zykloidenrädern aus Stahl um 50–60 % und das Gesamtgewicht um mehr als 35 % reduziert wird. Besonders geeignet für Robotergelenke mit empfindlichen Belastungsanforderungen;
Zähigkeit: Die Oberflächenhärte des PEEK-Materials erreicht die Rockwell-Härte R120. In Kombination mit der Kohlefaserverstärkung beträgt die Verschleißrate der Zahnoberfläche nur 1/5 der von Stahl. Es kann auch bei hohen Temperaturen langfristig ohne Schmierung betrieben werden.
Temperaturanpassungsfähigkeit: Der PEEK-Zykloidenreduzierer kann in einem weiten Temperaturbereich von -50℃bis 200℃, mit einer Wärmeverformungstemperatur von bis zu 343℃, die den Anforderungen industrieller Umgebungen mit hohen Temperaturen gerecht werden.
3. Kernleistungsparameter
Untersetzungsverhältnis: 8:1 bis 100:1 (einstufig), unterstützt zweistufige Reihenschaltung, um höhere Untersetzungsverhältnisse zu erreichen
Nenndrehmoment: 10 bis 200 N・m (entsprechende Modelle BX-25 bis BX-100)
Übertragungsgenauigkeit: Rücklaufspiel≤3 Bogenminuten, Übertragungseffizienz psssst 95 % (unter Nennbedingungen)
Lebensdauerindex: Ermüdungslebensdauer unter Nennlast > 8000 Stunden, Stoßbelastbarkeit ist das 3-fache des Nenndrehmoments
4. Typische Anwendungsszenarien
Humanoide Robotergelenke: Kann an Motoren von 50 W bis 5 kW angepasst werden. Durch die Verbundstruktur aus internem und externem Schaft kann das Gewicht um 33 % reduziert und die Drehmomentdichte um 50 % erhöht werden. Geeignet für komplexe Bewegungsszenarien wie Finger- und Kniegelenke, die sowohl Kraft als auch Flexibilität erfordern.
Zusatzkomponenten für Industrieroboter: Bei leicht belasteten Handgelenken von Industrierobotern oder zusätzlichen Ausführungsmodulen, die häufiges Starten und Stoppen sowie flexibles Drehen erfordern, kann die Verwendung von Zykloidenreduzierern aus PEEK das Gewicht nicht zum Kern gehörender Getriebeteile reduzieren und aufgrund ihrer Ermüdungsbeständigkeit die wartungsbedingten Ausfallzeiten verringern.
V. Anwendung von Materialien für Schlüsselkomponenten
Spiralkegelrad: Das Spiralkegelrad ist die zentrale Getriebekomponente des PEEK-Spiralkegelradgetriebes. Durch die Verwendung von PEEK oder kohlefaserverstärktem PEEK zur Herstellung des Spiralkegelrads lässt sich das Gewicht deutlich reduzieren, ohne die Übertragungsgenauigkeit zu beeinträchtigen. Laut öffentlich zugänglichen Informationen verfügt das von Komei Innovation vorgestellte leichte PEEK-Spiralkegelradgetriebe über ein Spiralkegelrad, das durch Materialinnovation die Schlagfestigkeit des Getriebes bei einem Gewicht von 1,62 kg um 200 % erhöht und so den hohen Belastungsanforderungen humanoider Roboter gerecht wird. Gleichzeitig trägt die Ermüdungsbeständigkeit von PEEK dazu bei, die Lebensdauer des Spiralkegelrads unter hochfrequenten und wechselnden Belastungsbedingungen zu verlängern.
Stiftzähne: Die Stiftzähne berühren direkt die Zahnoberfläche des Spiralkegelrads und erfordern eine hohe Verschleißfestigkeit. Stiftzähne aus PEEK-basiertem Verbundwerkstoff oder PEEK-beschichtete Metallstiftzähne können den niedrigen Reibungskoeffizienten von PEEK nutzen, um Reibung und Verschleiß an der Zahnoberfläche zu reduzieren. Dies kann den Schmierbedarf verringern oder einfachere Schmiersysteme ermöglichen. Darüber hinaus kann die elastische Eigenschaft die Auswirkungen des Eingriffs abfedern und so Betriebsgeräusche reduzieren.
Stütz- und Dichtungskomponenten: Enddeckel, Stützring und weitere Strukturkomponenten des Getriebes bestehen aus PEEK-Material, wodurch das Gewicht nicht getrieberelevanter Kernteile reduziert und eine Gesamtleichtbauweise erreicht wird. Die aus PEEK gefertigten Dichtungen verhindern dank ihrer Hochtemperaturbeständigkeit und chemischen Korrosionsbeständigkeit das Austreten von Schmieröl im Getriebe und widerstehen der Erosion in rauen Umgebungen. Sie eignen sich für Unterwasser-, Hochtemperatur- und andere Spezialszenarien in Roboteranwendungen.
Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen PEEK-Spiralkegelradgetrieben
Hervorragendes Leichtgewicht: Die Dichte von PEEK beträgt ca. 1,32 g/cm³ und ist damit deutlich geringer als bei üblicherweise verwendeten Metallen. Durch die Verwendung von PEEK zur Herstellung einiger Teile kann das Gewicht des Reduzierstücks deutlich reduziert, die Belastung der Robotergelenke verringert und die Bewegungsflexibilität sowie die Energieeffizienz verbessert werden. Dies ist insbesondere für humanoide Roboter mit hohem Freiheitsgrad und langer Batterielebensdauer von großer Bedeutung.
Optimierte Geräuschkontrolle: Aufgrund der gewissen Elastizität und Selbstschmierungseigenschaft von PEEK kann das PEEK-Zykloidengetriebe die durch das Ineinandergreifen von Spiralkegelrad und Stiftrad erzeugten Vibrationen wirksam puffern und so den Lärm reduzieren und den Einsatz von Robotern in geräuschempfindlichen Szenarien wie Laboren und medizinischen Umgebungen erleichtern.
Verbesserte Anpassungsfähigkeit an Umweltbedingungen: PEEK verfügt über eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit und ist in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar. In komplexen Szenarien, in denen herkömmliche Metallgetriebe aufgrund hoher Temperaturen und chemischer Korrosionsrisiken ausfallgefährdet sind, können Getriebe auf Basis von PEEK-Komponenten über einen längeren Zeitraum stabil betrieben werden.
Hauptanwendungsszenarien
Gelenke humanoider Roboter: Das einstufige Untersetzungsverhältnis des Spiralkegelgetriebes aus PEEK kann 87 erreichen, das zweistufige sogar über 3000. Das zykloide PEEK-Getriebe zeichnet sich durch hohe Belastbarkeit und Präzision aus. Die leichte PEEK-Version eignet sich für Gelenke wie Taille, Hüfte und die unteren Gliedmaßen humanoider Roboter, die sowohl Kraft als auch Gewichtssensibilität erfordern. Laut einer Studie von Guoxin Securities kann durch den Einsatz des entsprechenden Getriebes für die Gelenke der unteren Gliedmaßen das Gewicht um 18 % reduziert und die Steuerungsgenauigkeit um etwa das Dreifache verbessert werden.
Spezialroboter: Beim Einsatz in Spezialrobotern, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt und der Tiefseeforschung, können durch das geringe Gewicht die Transport- und Energiekosten gesenkt werden und die hervorragende Umweltverträglichkeit kann den zuverlässigen Betrieb des Reduzierstücks bei komplexen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen sowie der Anwesenheit von chemisch korrosiven Substanzen gewährleisten.
