Wählen Sie den idealen 3D-gedruckten Antrieb für Ihr nächstes Robotikprojekt

In diesem Vergleich erfahren wir, was besser ist:ein 3D-gedruckter Zykloidenantrieb, ein Planetengetriebe oder ein Riemenantrieb. Wir werden sie in mehreren Kategorien vergleichen, ihren Wirkungsgrad oder ihr Drehmoment messen, ihre Genauigkeit oder ihr Spiel messen und sehen, wie langlebig sie sind. Außerdem vergleichen wir sie im Hinblick auf Kosten, Größe, Gewicht und wie einfach sie herzustellen sind. 

Sie können sich das folgende Video ansehen oder das untenstehende schriftliche Tutorial lesen.

Übersicht

Warum dieser Vergleich? Nun, das Hauptziel wird darin bestehen, herauszufinden, welcher Antrieb oder Geschwindigkeitsreduzierer die bessere Wahl für ein Robotergelenk wäre. In der folgenden Zeit werde ich einige Roboterarme entwerfen und herstellen, sodass ich und letztendlich Sie anhand dieser Vergleichsergebnisse entscheiden können, welcher Antrieb oder Geschwindigkeitsreduzierer für Ihr Roboterarmdesign am besten geeignet ist. 

Ich habe bereits spezielle Videos auf meinem Kanal, in denen ausführlich erklärt wird, was ein Zykloidenantrieb und ein Planetengetriebe sind und wie sie funktionieren und wie man sie konstruiert. Ich würde daher empfehlen, sich diese Videos anzusehen, um weitere Einzelheiten zu erfahren. 

Hier in diesem Vergleichsartikel werfen wir nur einen Blick auf die wichtigsten Eingabeparameter, die das Design der Treiber definieren. 

Design

Zykloidantrieb

Ich beginne mit dem Zykloidenantrieb. Bei der Konstruktion eines Zykloidenantriebs sind die wichtigsten Eingabeparameter natürlich das Untersetzungsverhältnis, das wir erreichen wollen, und die Art oder Größe der Rollen, die wir verwenden werden.

Für diesen Aufbau habe ich mich für die Verwendung von Buchsen mit 6 mm Innen- und 10 mm Außendurchmesser als Rollen entschieden.

Diese Buchsen sind viel glatter als die Buchsen, die ich in meinen vorherigen Bauten verwendet habe, mit einem Außendurchmesser von 8 mm, daher wollte ich sehen, ob ich damit eine bessere Leistung des Zykloidenantriebs erzielen kann. Allerdings haben diese 10-mm-Buchsen ihren Preis, da die Rollengröße direkt die Größe der Zykloidenscheiben und des gesamten Antriebs bestimmt. 

Jetzt zeige ich Ihnen, wie ich den Zykloidenantrieb ganz einfach mit Onshape entworfen habe, das auch der Sponsor dieses Videos ist. Onshape ist ein professionelles CAD- und PDM-System und bietet Ingenieuren und ihren Unternehmen jetzt bis zu 6 Monate kostenlos die professionelle Version an.

Mit Hilfe der benutzerdefinierten Cycloidal Drive FeatureScripts-Bibliothek in Onshape lässt sich die Zykloidenscheibe ganz einfach generieren.

Wir müssen nur unsere Parameter eingeben. Die Zähnezahl der Scheibe, die Exzentrizität und die Durchmesser der Rollen oder Stifte, sowohl der äußeren Stifte oder Zahnkranzrollen als auch der inneren Stifte oder der Abtriebswellenrollen. Während wir diese Werte eingeben, werden das 3D-Modell sowie die anderen Parameter aktualisiert, die wir im Auge behalten und später bei Bedarf korrigieren sollten. Der Kreisdurchmesser ist die Gesamtabmessung der Scheibe und das Ziel besteht darin, gemäß unseren festen Eingabeparametern, der Anzahl der Stifte und deren Abmessungen so klein wie möglich zu sein. 

Die Zykloidenscheibe ist der wichtigste Teil des Antriebs und die übrigen Teile sind um sie herum konstruiert.

Natürlich gibt es noch viele andere Eingabeparameter, die zum Gesamtdesign des Antriebs beitragen, wie zum Beispiel der Motortyp, wie wir die Eingangswelle antreiben möchten, welche Art von Lagern wir zur Verfügung haben, die Anwendung des Getriebes selbst und so weiter.

Planetengetriebe

Werfen wir nun einen Blick auf das Planetengetriebe. Dies ist eigentlich das gleiche Design wie in meinem vorherigen Video, in dem ich ausführlich erkläre, wie man ein Planetengetriebe konstruiert. Es handelt sich um ein zweistufiges Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 4:1 auf jeder Stufe, was einem Gesamtverhältnis von 16:1 entspricht.

Für eine bessere Leistung verwende ich hier anstelle von Buchsen Kugellager für die Planetenräder. Jedes Planetenrad ist mit zwei Kugellagern ausgestattet, sodass wir das Zahnrad leicht arretieren und die auftretenden Axialkräfte aufnehmen können, da die Zahnräder schrägverzahnt sind.

Riemenantrieb

Schauen wir uns als nächstes den Riemenantrieb an. Auch hier möchten wir das gleiche Untersetzungsverhältnis von 16:1 und können dies problemlos in zwei Stufen mit einem Verhältnis von 4:1 erreichen.

Ich habe mich für die Verwendung eines GT2-Riemens entschieden, weil es der beliebteste und verfügbare Riemen ist und eine hervorragende Leistung in Bezug auf das Spiel bietet. Fast alle 3D-Drucker verwenden diese Art von Riemen. Ich habe zwei 226-mm-GT2-Gürtel mit geschlossener Schlaufe und einer Breite von 10 mm.

Damit diese Riemen funktionieren, benötigen wir nun geeignete GT2-Riemenscheiben. Auch hier können wir mithilfe einer benutzerdefinierten FeatureScript-Bibliothek in Onshape problemlos die GT2-Riemenscheiben generieren.

Hier müssen wir nur den Typ des GT2-Riemens auswählen, ob 3M oder 2M, oder 3 oder 2 mm Teilung, und die Anzahl der Zähne eingeben, die die Riemenscheibe haben soll. 

Ich habe die Antriebsriemenscheiben auf 20 Zähne und die Abtriebsriemenscheiben auf 80 Zähne eingestellt. Die Ausgangsriemenscheibe der ersten Stufe mit 80 Zähnen ist die Eingangsriemenscheibe mit 20 Zähnen für die zweite Stufe und sitzt auf zwei Kugellagern.

Der Schaft dafür ist ein 6-mm-3D-gedruckter Schaft mit einer M4-Schraube, die ihn durchdringt, um ihn stärker zu machen. Die Abtriebsriemenscheibe der zweiten Stufe ist mit zwei Kugellagern gelagert, eines an der Motoreingangswelle und das andere am Gehäuse.

3D-Modelle

Sehen und erkunden Sie die 3D-Modelle:

Zykloidenantrieb:https://bit.ly/3RsTa6g

Riemenantrieb:https://bit.ly/3DZGIb7

Planetengetriebe:https://bit.ly/3XGtTsZ

Dieser Abschnitt befindet sich noch im Aufbau. Die STL-Dateien sind in Kürze verfügbar.

3D-Druck

Zum Drucken aller Teile habe ich den Creality K2 Plus 3D-Drucker verwendet. Beim 3D-Druck ist es wichtig, die Funktion „Horizontale Erweiterung“ zu verwenden. Im neuen Creality Print Slicer heißt sie jetzt „X-Y-Konturkompensation“ und „X-Y-Lochkompensation“.

Wenn wir diese Einstellungen auf der Standardeinstellung belassen, werden die Druckabmessungen wahrscheinlich nicht genau die gleichen sein wie im CAD-Modell, und das liegt an der Ausdehnung des Filaments beim 3D-Druck. Die Löcher fallen meist kleiner und die Konturen größer aus.

Die entscheidende Frage ist nun, welche Werte für diese beiden Einstellungen verwendet werden sollen, da sie sich direkt auf die Präzision oder Leistung der von uns hergestellten Laufwerke auswirken. Ich habe tatsächlich für jedes Teil unterschiedliche Werte verwendet, abhängig vom Zweck des Teils.

Beim 3D-Druck der Zykloidenscheiben habe ich beispielsweise Werte von 0,12 mm für die X-Y-Lochkompensation und –0,15 mm für die Kontur verwendet. Auf diese Weise erhielt ich die Löcher für die Abtriebsrollen in der richtigen Größe sowie die Kontur der Scheibe, die kleiner sein musste, um in die Hohlradrollen zu passen.

Ich habe eine Liste aller Werte erstellt, die ich für jedes Teil verwendet habe. Liste der horizontalen Ausdehnungs- oder X-Y-Kompensationswerte:

Teil Konturkompensation Lochkompensation Zykloidantrieb Zykloidenscheibe-0,15 mm
-0,20 mm für lockerere Passform 0,10 mm
0,15 mm für lockereren Sitz. Exzentrisches Lager 0,07 mm 0,03 Wellenkupplung 0,07 mm 0 mmPlanetengetriebe Zahnkranz/Gehäuse0mm
-0,10 mm für lockereren Sitz 0,05 mm Planetenräder 0 mm
-0,05 mm für lockereren Sitz 0,05 mm Träger / Abtrieb 0,07 mm – um besser zum Abtriebslager zu passen 0,05 mmRiemenantrieb GT2-Riemenscheiben:0,05 mm, 0,05 mm

Sie können diese Werte beim 3D-Drucken ausprobieren, je nach 3D-Drucker benötigen Sie jedoch möglicherweise andere Werte. Sie können diese Werte nur richtig ermitteln, indem Sie einige Testdrucke mit unterschiedlichen Werten durchführen. Wie sich die Anpassung dieser Werte auf die Leistung der Laufwerke auswirkt, werden Sie später in den Vergleichstests sehen.

Vielen Dank übrigens an Creality, dass sie mir diesen hervorragenden 3D-Drucker zur Verfügung gestellt haben. Der Creality K2 Plus ist tatsächlich einer der besten 3D-Drucker, die ich je verwendet habe. Schauen Sie sich meinen ausführlichen Testbericht zum Creality K2 Plus an. Schauen Sie es sich auch an: Creality USA Store ; Creality EU-Store ; Amazon.

Montage der Laufwerke

Also gut, hier sind alle 3D-gedruckten Teile und andere Komponenten, die für den Zusammenbau der drei Untersetzungsgetriebe benötigt werden.

Wie wir sehen können, besteht der Riemenantrieb aus den wenigsten Teilen, für den Zykloidenantrieb hingegen benötigen wir deutlich mehr Bauteile wie die Stifte und die Buchsen. Das Planetengetriebe liegt übrigens irgendwo in der Mitte.

Stückliste

Hier ist eine vollständige Liste aller Komponenten, die für diese Antriebe benötigt werden, wie Buchsen, Riemen, Lager sowie Schrauben und Muttern.

Komponente Menge Links kaufen Zykloidantrieb Stifte D-6 mm, L-30 mm 16Amazon |AliExpress Stifte D-6 mm, L-24 mm/25 mm6Amazon |AliExpress Buchsen ID6mm OD10mm L16mm oder 2xL8mm22Amazon |AliExpress Kugellager 35x47x7 68071Amazon  | AliExpress Kugellager 17x26x5mm 68033Amazon | AliExpress Kugellager 12x21x5mm 68011Amazon  | AliExpress M3x10mm versenkt
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M3x8mm
M3x16mm versenkt
M3x25mm Senkkopf4
4
2
2Amazon  | AliExpress Andere M3 MadenschraubenAmazon  | AliExpress M3 / M4 MutternAmazon  | AliExpress

Jetzt werde ich Sie schnell durch den Montageprozess dieser Laufwerke führen.

Riemenantriebsbaugruppe

Um den Riemenantrieb zusammenzubauen, müssen wir zunächst die endgültige Abtriebsriemenscheibe durch das Kugellager am Gehäuse einsetzen.

Dann müssen wir das Kugellager in der Ausgangsriemenscheibe installieren, wo die erste Eingangsriemenscheibe hingehört. Diese Eingangsriemenscheibe muss zuerst am Schrittmotor befestigt werden. Zu diesem Zweck habe ich zwei Schlitze zum Einsetzen von M3-Muttern gemacht, und dann können wir die Riemenscheibe mit M3-Madenschrauben fest befestigen.

Die Riemenscheibe sollte 2 mm über dem Schrittmotor bleiben. 

Bevor wir den Stepper einsetzen, müssen wir die beiden Riemen einlegen.

Anschließend können wir den Stepper mit einigen M3-Schrauben am Gehäuse befestigen. Da ich den Antrieb so kompakt wie möglich gestalten wollte, war das Befestigen dieser Schrauben nur mit einer schmalen Zange möglich.

Überhaupt nicht praktisch, aber das Ziel war es auch, so robust wie möglich zu sein, um die beste Leistung herauszuholen. 

Als nächstes können wir die Zwischenriemenscheibe einsetzen und die beiden Riemen darum wickeln. Diese Riemenscheibe nimmt zwei Kugellager mit einem kleinen Distanzring dazwischen auf.

Dann können wir die Welle für die Riemenscheibe einsetzen. Es handelt sich um eine 3D-gedruckte hohle 6-mm-Welle, die mit einer M4-Schraube verstärkt wird.

Hier können wir beispielsweise stattdessen nur eine M6-Schraube verwenden, aber auf diese Weise hätten wir eine nicht so feste Verbindung, da der Außendurchmesser der M6-Schrauben etwa 5,8 mm beträgt und wir mit der 3D-gedruckten Welle genau 6 mm oder 5,95 mm erreichen können, um perfekt durch die Lager zu passen.  

An der Unterseite müssen wir einen Distanzring einsetzen, auf dem das Kugellager sitzt.

Dann können wir die Riemen spannen und die Welle vollständig durch die Lager und in die andere Seite des Gehäuses einführen. Dann können wir die M4-Schraube hindurchstecken und alles mit einer M4-Mutter befestigen. Und fertig, der Riemenantrieb ist fertig, er funktioniert.

Die Riemen sind ziemlich straff, aber für eine bessere Kontrolle und Leistung sollten wir ihnen Spanner hinzufügen. Ich habe die Riemenspanner mit Hilfe eines Kugellagers mit 13 mm Außendurchmesser hergestellt, das mit einigen M3-Schrauben und Muttern an einer kleinen Halterung befestigt ist.

Wir können diese Halterung gegen den Riemen drücken, um ihn zu spannen, und dann die Schraube festziehen. Es ist ein ziemlich einfacher Mechanismus, der genau richtig funktioniert. 

Zuletzt können wir die Abdeckung des Antriebs mit einigen M3-Schrauben und Muttern befestigen und Gewindeeinsätze an der Abtriebswelle anbringen, um daran Dinge zu befestigen.

Das ist alles, der Riemenantrieb ist fertig und beim Versuch, die Abtriebswelle von Hand zu bewegen, fühlt es sich auf den ersten Blick so an, als gäbe es überhaupt kein Spiel.

Zykloidantrieb

Werfen wir nun einen Blick auf den Aufbau des Zykloidenantriebs. Wie bereits erwähnt, habe ich bereits detaillierte Videos zum Bau eines Zykloidenantriebs und eines Planetengetriebes, daher möchte ich hier nur ein paar Worte dazu sagen. 

Beim Zusammenbau des Zykloidenantriebs stieß ich auf das Problem, dass ich die zweite Scheibe nicht einsetzen konnte, obwohl ich alle Regeln befolgte, sie um 180 Grad phasenverschoben platzierte und alle Abmessungen noch einmal überprüfte.

Dann wurde mir klar, dass das Problem das Untersetzungsverhältnis war. Ein Zykloidenantrieb muss eine ungerade Zahl für die Übersetzung haben, um ordnungsgemäß zu funktionieren. In meinen vorherigen Videos habe ich bereits drei verschiedene Designs von Zykloidenantrieben erstellt, deren Untersetzungsverhältnis jedoch zufällig eine ungerade Zahl war, sodass ich die Tatsache übersehen habe, dass man eine ungerade Anzahl von Zähnen oder Lappen auf den Scheiben haben muss, um einen Zykloidenantrieb zu erstellen, der ordnungsgemäß mit zwei Zykloidenscheiben funktioniert.

Sie können die vorherigen Designartikel unten einsehen.

• Was ist ein Zykloidentreiber? Design, 3D-Druck und Tests
• CNC-bearbeiteter vs. 3D-gedruckter Zykloidenantrieb – Entwerfen und Testen
• Harmonic vs Cycloidal Drive – Drehmoment-, Spiel- und Verschleißtest

Da das Untersetzungsverhältnis ungerade ist, musste ich die Anzahl der Zähne auf 15 und die Anzahl der Hohlradrollen auf 16 ändern und das Gehäuse und die Scheiben neu drucken.

Jetzt konnte ich die beiden Zykloidenscheiben richtig installieren und den gesamten Zusammenbau fertigstellen.

Spieltest

Also gut, hier habe ich die drei Laufwerke fertig und jetzt können wir uns die Vergleichstests ansehen.

Ich beginne mit dem Testen der Genauigkeit bzw. des Spiels.

Planetengetriebe

Hier ist zuerst das Planetengetriebe. Hier teste ich die Wiederholbarkeit und es zeigt gute Ergebnisse. Die Stange rastet bei einem Abstand von 20 cm innerhalb von 1/100 mm wieder ein.

Aber wenn man eine Kraft darauf ausübt, macht sich das Spiel natürlich bemerkbar. Die Stange bewegt sich bei diesem Abstand einige mm nach oben und unten. Beim Bewegen mit der Hand fühlt es sich an, als gäbe es ein freies Spiel am Abtrieb ohne Widerstand. 

Um das Spiel in seiner typischen Einheit, Bogenminuten, auszudrücken, müssen wir Folgendes tun. Wir sollten die Verschiebung in beide Richtungen messen und dabei eine Last von etwa 1–2 % des Nenndrehmoments des Getriebes anwenden.

Beim Testen des Drehmoments des Getriebes habe ich einen maximalen Messwert von etwa 32 N bei einem Abstand von 10 cm erhalten. Ich schätze also, dass wir zum Testen des Spiels eine Last von etwa 0,5 N aufbringen sollten, aber lassen Sie uns 2 N bei einem Abstand von 20 cm erreichen. Mit dieser Belastung habe ich eine Verschiebung von etwa 2,9 mm in die eine Richtung und 0,75 mm in die andere Richtung erhalten. 

Um diese Messungen in der Spieleinheit Bogenminuten auszudrücken, können wir zunächst den Verschiebungswinkel Alpha berechnen.

Wir machen das mit Hilfe einer einfachen Trigonometrie und der Winkel beträgt etwa 1 Grad. Eine Bogenminute ist 1/60 Grad. Das Spiel dieses 3D-gedruckten Planetengetriebes beträgt also etwa 60 Bogenminuten.  

Bitte teilen Sie mir in den Kommentaren mit, ob Sie wissen, ob dies der richtige Weg ist, um Messungen durchzuführen und das Spiel zu berechnen. Auch wenn es nicht 100 % korrekt ist, verwenden wir die gleiche Methode, um das Spiel für jeden Antrieb auszudrücken, damit wir am Ende vergleichbare Ergebnisse erhalten.

Wie ich bereits erwähnt habe, sollte das Getriebe unterschiedliche Ergebnisse liefern, je nachdem, wie eng oder locker der Zahneingriff ist. Und hier ist eine Bestätigung dafür. Im ersten Test wurde das Hohlrad des Getriebes mit einer horizontalen Ausdehnung von –0,15 mm und die Planetenräder mit –0,05 mm gedruckt.

Jetzt habe ich den Zahnkranz durch eine horizontale Ausdehnung von 0 mm ersetzt, was für einen festeren Sitz sorgte. Jetzt zeigte das Getriebe ein Spiel von etwa 50 Bogenminuten.

Das sind etwa 15 % bessere Ergebnisse und man konnte sogar mit der Hand spüren, dass das Getriebe jetzt weniger Spiel hat. 

Um das Spiel noch weiter zu verbessern, habe ich die Planetenräder auch mit einer horizontalen Ausdehnung von 0 mm gedruckt und wieder bessere Ergebnisse erzielt, etwa 30 Bogenminuten.

Daher haben wir das Spiel des Getriebes von ursprünglich 60 Bogenminuten auf 30 Bogenminuten verbessert.

Bitte beachten Sie jedoch, dass ich im Designprozess selbst beim Generieren der Zahnräder mit dem benutzerdefinierten FeatureScript in Onshape den Zahnrädern ein Spiel oder einen Versatz von 0,1 mm hinzugefügt habe.

Deshalb kann ich sie alle mit einer horizontalen Ausdehnung von 0 mm drucken und sie trotzdem richtig zusammenbauen und gute Ergebnisse erzielen. Das heißt, wir können das Spiel noch weiter erhöhen und diesen 0,1-mm-Versatz beim Erzeugen der Zahnräder entfernen. Ich glaube jedoch, dass wir, wenn wir das tun, die Zahnräder überhaupt nicht zusammenbauen können, oder vielleicht können wir sie zusammenbauen, aber sie werden an Effizienz verlieren oder sogar völlig blockieren. Wir werden dieses Verhalten gleich beim Effizienz- oder Drehmomenttest sehen.

Zykloidantrieb

Werfen wir nun jedoch einen Blick auf das Spielverhalten der Zykloidenscheibe.  Hinsichtlich der Wiederholbarkeit zeigte es schlechtere Ergebnisse. Der Balken kehrte an verschiedenen Stellen innerhalb von 1/10 mm zurück.

Für das Spiel habe ich einen Wert von rund 60 Bogenminuten errechnet. Das ist dasselbe wie im schlimmsten Fall beim Planetengetriebe. Allerdings fühlte es sich beim Bewegen von Hand nicht so an, als gäbe es ein freies Spiel, aber es gab sofort einen gewissen Widerstand.

Für diesen Test wurden die Zykloidenscheiben mit einer horizontalen Ausdehnung von –0,15 mm gedruckt und waren beim Zusammenbau tatsächlich ziemlich fest. Deshalb habe ich versucht, sie mit einer horizontalen Ausdehnung von –0,2 mm und einer Lochausdehnung von +0,2 mm zu drucken, da die Präzision der 6 Ausgabelöcher in der Zykloidenscheibe auch zur Leistung des Laufwerks beiträgt.

Bei einem lockereren Sitz der Scheiben waren die Ergebnisse viel schlechter, etwa 150 Bogenminuten, und es gab ein freies Spiel der Welle, wenn man sie von Hand bewegte.

Riemenantrieb

Ok, als nächstes werfen wir einen Blick auf die Leistung des Riemenantriebs. Die Wiederholgenauigkeit scheint mit 1/100 mm bei einem Abstand von 20 cm recht gut zu sein. Aber wir können auch feststellen, dass es so etwas wie ein Überschwingen gibt. Der Balken steigt auf 0,04 mm und erreicht wieder 0,03.

Beim Testen des Spiels habe ich einen Wert von etwa 45 Bogenminuten errechnet.

Das ist ein gutes Ergebnis im Vergleich zu den anderen beiden Antrieben, aber ich habe hier mit dem Riemenantrieb auch die Möglichkeit, die Spannung des Riemens zu kontrollieren und damit vielleicht das Spiel zu verbessern.

Ich habe den Riemen etwas stärker gespannt, und jetzt wurde das Spiel auf etwa 25 Bogenminuten reduziert.

Somit lieferte der Riemenantrieb von den drei Antrieben die besten Ergebnisse in Bezug auf das Spiel.

Drehmoment-/Effizienztest

Zykloidantrieb

Ok, jetzt vergleichen wir ihren Wirkungsgrad oder ihr Drehmoment. Ich beginne mit dem Zykloidenantrieb. Bei einem Abstand von 10 cm habe ich einen Messwert von etwa 16 N erhalten, was einem Drehmoment von etwa 160 Ncm entspricht.

Verglichen mit dem Drehmoment, das der Schrittmotor ohne Antrieb zeigte, etwa 18 Ncm, ist das eine Drehmomentsteigerung um etwa das Neunfache.

Das ist ein geringer Wirkungsgrad des Antriebs von knapp 60 %. Das Untersetzungsverhältnis dieses Antriebs beträgt 15:1, und unter idealen Bedingungen sollten wir eine 15-fache Drehmomentsteigerung erreichen, aber wir haben davon etwa 60 % erreicht. Das liegt daran, dass ich vermute, dass im Antrieb viel Reibung oder ein hoher Widerstand herrscht, da die Zykloidenscheiben ziemlich fest sitzen. 

Wenn wir das mit den Zykloidenscheiben vergleichen, die eine lockerere Passform hatten, erhielt ich einen Messwert von etwa 18 N oder 180 Ncm.

Das entspricht einer um 10 % besseren Effizienz, ist aber immer noch nicht großartig, nur etwa 66 % Effizienz. Darüber hinaus war das Spiel mit den lockereren Zykloidenscheiben enorm und für Präzisionsarbeiten völlig unbrauchbar.

Planetengetriebe

Werfen wir nun einen Blick auf den Wirkungsgrad des Planetengetriebes. Bei einem Abstand von 10 cm habe ich einen Messwert von etwa 36 N erhalten, was einem Drehmoment von etwa 350 Ncm entspricht.

Ich war von diesen Ergebnissen etwas überrascht, denn verglichen mit dem Drehmoment, das der Schrittmotor ohne Antrieb zeigte, in diesem Fall etwa 23 Ncm, ist das eine Drehmomentsteigerung um etwa das 15-fache. Dieses Getriebe hat ein Untersetzungsverhältnis von 16:1, was einem Wirkungsgrad von etwa 90 bis 95 % entspricht. Allerdings wurde dieser Test mit Zahnrädern mit lockerer Passung durchgeführt, bei denen beim Bewegen von Hand ein kleines Spiel der Welle auftrat. 

Aber hier sind die beiden anderen Fälle, die ich getestet habe, bei denen die Zahnräder enger ineinandergreifen.

Mit einem 3D-gedruckten Hohlrad mit 0 mm horizontaler Ausdehnung habe ich ein Drehmoment von etwa 310 Ncm erreicht, das entspricht einem Wirkungsgrad von etwa 84 %.

Und mit noch engerem Sitz der Zahnräder, wobei alle Planetenräder 3D-gedruckt sind und eine horizontale Ausdehnung von 0 mm aufweisen, ergibt sich ein Drehmoment von etwa 290 Ncm, was einem Wirkungsgrad von 78 % entspricht. Dennoch ein sehr gutes Ergebnis für ein 3D-gedrucktes Getriebe.

Riemenantrieb

Werfen wir zum Schluss noch einen Blick auf die Effizienz des Riemenantriebs.

Bei diesem ersten Test mit etwas lockereren Riemen erhielt ich einen Messwert von etwa 260 Ncm, was einem Wirkungsgrad von etwa 70 % entspricht, da dieser Stepper ohne Antrieb ein Drehmoment von etwa 23 Ncm hatte.  In diesem Fall bestand das Problem jedoch darin, dass der Riemen an der kleineren Eingangsriemenscheibe der zweiten Stufe und nicht am Schrittmotor selbst hüpfte.

Bei besserer Riemenspannung betrug das Ausgangsdrehmoment etwa 360 Ncm, das entspricht einem Wirkungsgrad von etwa 95 bis 97 %.

Das ist wirklich beeindruckend. Der Riemenantrieb erwies sich als der effizienteste Antrieb und schnitt im Hinblick auf das Spiel am besten ab.

Aber bevor wir eine Schlussfolgerung ziehen, welches 3D-gedruckte Laufwerk das beste ist, werfen wir einen Blick auf einige weitere Vergleiche.

Haltbarkeitstest

Ich habe versucht, einen Haltbarkeitstest durchzuführen, indem ich die Laufwerke über einen längeren Zeitraum mit etwas Gewicht laufen ließ.

Ich habe einige Gleichstrommotoren als Gewicht verwendet und die Antriebe mit einer plötzlichen Änderung der Drehrichtung rotieren lassen, um sie stärker zu belasten. 

Nach ca. 2 Stunden fiel der Zykloidenantrieb aus. Es konnte die Last nicht mehr bewegen. Der Riemenantrieb und das Planetengetriebe arbeiteten weitere 8 Stunden lang mit den gleichen Bewegungen, und sie funktionierten einwandfrei. Nach diesem Haltbarkeitstest habe ich noch einmal ihr Spiel getestet. 

Der Zykloidenantrieb verlor völlig seine Präzision. Bei einem Abstand von 20 cm gab es etwa 10 mm Spiel.

Das Planetengetriebe führte außerdem zu Spiel an der Abtriebswelle, das zuvor nicht vorhanden war. Für diesen Haltbarkeitstest habe ich die Zahnräder mit der engsten Passform verwendet. In der Spieleinheit stieg sie von etwa 30 Bogenminuten vor dem Test auf 60 Bogenminuten nach dem Test. 

Und der Riemenantrieb zeigte nach dem Haltbarkeitstest ein Spiel von etwa 35 Bogenminuten, und vor dem Test betrug das Spiel etwa 25 Bogenminuten. 

Ich habe die Laufwerke geöffnet, um zu sehen, was im Inneren vor sich ging und was die Präzisionsreduzierung verursacht.

Beim Zykloidenantrieb kam es zu erheblichen Verschleißspuren an den Zykloidenscheiben. Sowohl am Zykloidenscheibenprofil als auch an den Ausgangslöchern der Scheiben. Da sich die PLA-Scheiben also verformten, verringerten sie die Präzision des Laufwerks erheblich. 

Am Planetengetriebe konnte ich keinen großen Verschleiß oder Verformungen feststellen.

Es gibt wahrscheinlich einige sehr kleine Verformungen oder Abnutzungserscheinungen, vielleicht die Abnutzung der Nähte, Blasen, die beim 3D-Druck entstehen. Sobald also die Nähte abgenutzt sind, erhöht sich das Spiel.

Wenn wir die Zahnräder vielleicht mit noch kleineren Toleranzen drucken oder sie zu Beginn enger passen lassen, auch wenn dies auf Kosten der Effizienz geht, erhalten sie nach dem anfänglichen Verschleiß die richtige Effizienz und Präzision. 

Was den Riemenantrieb betrifft, können wir einen Verschleiß auf der Rückseite des Riemens feststellen, wo das Spannrollenlager auf den Riemen drückt.

Dieses Problem lässt sich leicht lösen, indem man ein geeignetes 10-mm-Zwischenrad verwendet. Außerdem können wir die Riemen auch nach längerem Gebrauch immer stärker spannen, um die Präzision zu verbessern. Bei den anderen beiden Antrieben können wir an der Präzision nichts verbessern. Wir können ihnen kein Material hinzufügen, oder wir können nichts spannen.

In Anbetracht all dieser Punkte erwies sich der Riemenantrieb als der leistungsstärkste.

Und nicht nur das, es übertrifft auch die anderen beiden Laufwerke in Bezug auf Gewicht, Kosten und einfache Herstellung.

Andere Vergleiche

Das Gesamtgewicht des Riemenantriebs inklusive Schrittmotor betrug rund 550g, das Planetengetriebe rund 600g und der Zykloidenantrieb rund 710g. Wenn wir diese Antriebe als Robotergelenke verwenden, ist das Gewicht natürlich sehr wichtig.

Von der Größe her ist der Zykloidenantrieb definitiv der kompakteste Antrieb, während das Planetengetriebe und der Riemenantrieb in gewisser Weise ähnlich sind, jedoch etwas anders aufgebaut sind. 

Dagegen ist der Zykloidenantrieb am aufwendigsten bzw. am schwierigsten zu montieren, gefolgt vom Planetengetriebe und dem Riementrieb als am einfachsten zu montieren. Das liegt daran, dass der Riemenantrieb außer den 3D-gedruckten Teilen tatsächlich die wenigsten Komponenten enthält.

Dies wirkt sich auch direkt auf die Kosten für den Bau des Antriebs aus. Dieser Zykloidenantrieb, den ich für dieses Video baue, besteht außer den 3D-Druckerteilen, Stiften, Buchsen und Lagern aus den meisten Komponenten und kostet etwa 28 US-Dollar (ohne die 3D-gedruckten Teile). Dann haben wir das Planetengetriebe, das etwa 23 US-Dollar kostet, und schließlich die Riemenantriebe, die nur ein Viertel oder ein Drittel davon, also etwa 7,5 US-Dollar, kosten.

Schlussfolgerung

Also, was ist mein endgültiges Urteil? Was ist besser:ein 3D-gedruckter Zykloidenantrieb, ein Planetengetriebe oder ein Riemenantrieb?

Nun, ich würde den Zykloidenantrieb auf jeden Fall meiden, da die einzige Kategorie, die besser als die anderen Antriebe war, in der Größe oder Kompaktheit lag. 

Andererseits zeigten das Planetengetriebe und der Riemenantrieb eine sehr ähnliche Leistung, aber wenn ich aus allen Tests, die ich durchgeführt habe, einen Gewinner auswählen muss, dann muss es der Riemenantrieb sein. Es schnitt in jeder Kategorie am besten ab:Präzision, Effizienz und Haltbarkeit, außerdem war es am einfachsten und kostengünstigsten zu bauen.

Allerdings werde ich diesen Test hier nicht belassen, sondern tatsächlich weitere Testvergleiche zwischen dem Planetengetriebe und dem Riemenantrieb in realen Szenarien durchführen oder ich werde zwei Roboterarme bauen, einen mit Planetengetrieben und den anderen mit Riemenantrieb, und dann werden wir sehen, wie sie sich in der realen Situation verhalten.