Harmonic Drive vs. Zykloidengetriebe: Drehmoment, Genauigkeit & Haltbarkeit im Vergleich

In diesem Artikel vergleichen wir einen 3D-gedruckten Harmonic Drive mit einem 3D-gedruckten Zykloidengetriebe. Beide Getriebe haben dieselbe Größe und Untersetzung von 25:1. Wir vergleichen Wirkungsgrad/Drehmoment, Genauigkeit/Rückschlag und Haltbarkeit.

Video ansehen oder schriftliches Tutorial unten lesen.

Ich erkläre Design und Montage beider Getriebe, gebe Tipps zum 3D-Druck, zeige typische Probleme und Verbesserungen aus meinen bisherigen Builds (dies ist bereits mein 4. Video zu diesen Getrieben – sie eignen sich gut für Robotik, und ich plane zukünftige Roboter-Projekte damit).

Funktionsprinzip – Kurzüberblick

Detaillierte Erklärungen zu Harmonic Drive und Zykloidengetriebe (Funktionsweise, Design) finden Sie in meinen dedizierten Videos.

Kurz: Beide sind kompakte, robuste Untersetzungen mit sehr hoher Ratio. Funktionsprinzip ähnlich: Eingangswelle treibt ein unregelmäßig geformtes Teil an – Wellengenerator (Harmonic Drive) bzw. Exzenterlager (Zykloidengetriebe). Mit weiteren einzigartigen Bauteilen erzeugen sie stark reduzierte Ausgangsdrehzahl in minimalem Bauraum.

Harmonic Drive: Ratio = halb so groß wie Flexspline-Zahnzahl. Für 25:1 → 50 Zähne Flexspline, 52 Zähne Circular Spline.

Zykloidengetriebe: Ratio = Ringzahnrad-Stifte minus 1. Für 25:1 → 26 Stifte im Ringzahnrad.

Design

Ziel: gleiche Größe, gleiche Ratio (25:1), so kompakt wie möglich.

Zykloidengetriebe-Design

Ausgangsbasis: Stift-Durchmesser für Ringzahnrad-Rollen. Ich hatte 6 mm Stifte, plante 8 mm Buchsen für ruhigeren Lauf. Skizze: 26 Rollen/Buchsen à 8 mm im Kreis.

Daraus ergibt sich minimaler Teilkreisdurchmesser des Ringzahnrads → Gehäusedurchmesser 95 mm (Platz für 26 Buchsen + Wandstärke für M4-Schrauben).

Für Zykloidenscheiben-Profil braucht man noch die Exzentrizität (kleiner als halber Stift-Durchmesser).

Profilgleichung (parametrisch, nach Omar Younis, SOLIDWORKS Education Blog):

Gleichungen nach Omar Younis
N - Rollenzahl
Rr - Rollenradius
R - Teilkreisradius
E - Exzentrizität
x = (R*cos(t))-(Rr*cos(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))-(E*cos(N*t))
y = (-R*sin(t))+(Rr*sin(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))+(E*sin(N*t))
Werte für dieses DIY-Zykloidengetriebe:
i = 25:1
N = 26
Rr = 6/2 = 3
R = 72/2 = 36
E = 0,75
x = (36*cos(t))-(3*cos(t+arctan(sin((1-26)*t)/((36/(0,75*26))-cos((1-26)*t)))))-(0,75*cos(26*t))
y = (-36*sin(t))+(3*sin(t+arctan(sin((1-26)*t)/((36/(0,75*26))-cos((1-26)*t)))))+(0,75*sin(26*t))

In SOLIDWORKS mit „Equation Driven Curve“ eingeben. Parameter „t“ von 0 bis 2π (leicht kleiner für Spalt, dann Spline schließen). Profil extrudieren, Bohrungen für Exzenterlager und Ausgangsstifte. Ausgangsloch-Durchmesser = Stift-Durchmesser + 2×Exzentrizität = 8 + 0,75×2 = 9,5 mm.

Zykloidenscheibe, Exzenterlager, Ringzahnrad-Rollen sind Kernbauteile; Rest drumherum. Design hängt ab von Motortyp, Eingangsantrieb, verfügbaren Lagern, Anwendungszweck.

Harmonic Drive-Design

Gleicher Außendurchmesser wie Zykloidengetriebe, aber Länge etwas größer für Flexspline.

Flexspline: Einzigartiges Bauteil – offenes Ende flexibel, Boden/Ausgang steif. Kürzerer Becher (um Länge anzupassen) funktioniert mit PLA nicht: Wände zu dünn, brechen bei erforderlicher Verformung.

Flexspline-Design: SOLIDWORKS Toolbox → Stirnrad 50 Zähne, Modul 1,5 (passt zu Zykloidengetriebe). Als separates Part speichern, dann modifizieren: Becherwand 1,25 mm, Gesamtlänge 30 mm.

Circular Spline: Gleiches Verfahren, internes Stirnrad 52 Zähne, dann an Gehäuse anpassen. 0,1 mm Spiel im Zahnrad für sicheres Eingreifen (3D-Druck ungenau).

Wellengenerator: Ellipse zeichnen – Hauptachse 3,2 mm größer als Flexspline-Innendurchmesser, Nebenachse 3,2 mm kleiner. Entlang Hauptachse je 3 Lager pro Seite für glattere Verformung. Kommerzielle Harmonic Drives nutzen spezielle flexible Kugellager (teuer, schwer beschaffbar).

Restliches Design um diese drei Kernkomponenten.

3D-Modell & STL-Download

3D-Modelle (SOLIDWORKS) und STL-Dateien zum Download:

• SOLIDWORKS-Dateien
• STL-Dateien

3D-Druck

Dimensionsgenauigkeit: Horizontale Expansion & Loch-Horizontale Expansion im Slicer. Standard → Außenmaße & Löcher kleiner. Ich: 0,02 mm / 0,04 mm. Testdrucke für eigenen Drucker nötig.

Manche Teile andere Werte: Flexspline & Zykloidenscheiben –0,01 bis –0,02 mm Horizontale Expansion (sicherer Freilauf).

Montage

Alle Teile bereit – Montage etwas zügiger als üblich, nur wichtige Aspekte.

Zykloidengetriebe-Montage

Komponentenliste:

• 6 mm Stahlstifte L=30 mm ×26; L=22 mm ×6 – Amazon / AliExpress
• 8 mm Buchsen L=20 mm ×26; L=15 mm ×6 – Amazon / AliExpress
• Kugellager 35×47×7 6807 ×2 – Amazon / AliExpress
• Kugellager 17×26×5 6803 ×2 – Amazon / AliExpress
• Kugellager 15×24×5 6802 ×2 – Amazon / AliExpress
• Gewindeeinsätze M4×5 mm – Amazon / AliExpress
• M3/M4 Schrauben & Muttern – Amazon / AliExpress
  (M3×8 – 8 Stk; M3×25 – 3 Stk; M4×10 – 4 Stk; M4×35 – 6 Stk)

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Kritisch: Zwei Zykloidenscheiben 180° versetzt einbauen. Kleine Bohrung in Scheiben als Markierung: Bohrungen 180° versetzt positionieren, oder Scheiben umklappen und Bohrungen ausrichten.

Zwei Scheiben + Ausgangswelle montiert.

Exzenterwelle auf NEMA-17-Wellenkupplung (3 M3-Schrauben). Bohrungen im Exzenterlager klein → Schrauben schneiden Gewinde für spielfreien Sitz. Nicht ideal, aber funktionsfähig.

Sub-Assembly in Gehäuse einsetzen → Zykloidengetriebe in Aktion. Läuft ruhig.

Deckel aufsetzen: Buchsen mit Stiften & 6 Befestigungslöchern ausrichten.

NEMA-17 mit Montagewinkel anbringen. Eingangskupplung & Winkel anpassbar für andere Motoren.

Fertig: Ausgang 25× langsamer als Eingang, entgegengesetzte Richtung. Laufruhe im Video sichtbar.

Harmonic Drive-Montage

Schneller – weniger Teile.

Komponentenliste:

• Kugellager 35×47×7 6807 ×1 – Amazon / AliExpress
• Kugellager 15×24×5 6802 ×1 – Amazon / AliExpress
• Kugellager 12×21×5 6802 ×1 – Amazon / AliExpress
• Gewindeeinsätze M4×5 mm – Amazon / AliExpress
• M3/M4 Schrauben & Muttern – Amazon / AliExpress
  (Schraubenliste folgt)

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Ausgangswelle an Flexspline befestigen, in Circular Spline einsetzen.

Wellengenerator: zwei Sektionen, mit 4 M3-Schrauben verbinden (beidseitige Lagerunterstützung).

Wellengenerator-Lager (6 mm ID, 13 mm AD) mit M3-Senkschrauben & M4-Unterlegscheiben fixieren (platzsparend).

Wellengenerator in Flexspline einsetzen (etwas zusammendrücken). Einfacher: erst Wellengenerator in Flexspline, dann beides in Circular Spline. Per Hand drehbar, aber Bewegung etwas ruckartig – Gründe folgen.

Schmierung auf Verzahnung → Lauf etwas besser.

Gehäuse: Rückdeckel mit 6 M4-Schrauben. Eingangskupplung (NEMA-17) anbringen, Motor mit Winkel befestigen. Fertig.

Ausgang 25× langsamer, entgegengesetzte Richtung – aber weniger ruhig als Zykloidengetriebe.

Fehlersuche

Gründe für ruckartigen Lauf:

1. Flexspline bereits gebrochen. Becherwand zu dünn für Verformung. Problem: Wand dünn UND Becher zu klein für elastische Verformung. Größerer Becher (wie in früherem Video) → bessere Elastizität. Hier: Größengleichheit erzwungen.
2. Anderes Filament, Wanddicke 3 Linien → wieder schneller Bruch.
3. Wellengenerator-Kontakt ungenügend. Oberstes Lager berührte Flexspline nicht, nur zwei andere. Modifikation: nur ein Lager → Lauf verbessert.
4. Innenfläche Flexspline unglatt. Durch dünne Wand & nur 1 Wandlinie hinter Zähnen beim Druck. Wanddicke auf 4 Linien (1,6 mm) erhöht → Oberfläche glatter, Lauf besser.
5. Z-Seam Alignment „User Specified“. Startpunkt jeder Bahn identisch → sichtbarer Buckel auf Oberfläche. Auf „Random“ gestellt → glattere Oberfläche, besserer Lauf.

Vergleich: Harmonic vs. Zykloidengetriebe

Rückschlag

Links Harmonic, rechts Zykloidengetriebe.

Wiederholgenauigkeit beide gut. Unter Last:

• Zykloidengetriebe: bei 15 cm ca. 6,5 mm Spiel (beide Richtungen).
• Harmonic Drive: gleiche Wiederholgenauigkeit, aber unter Last größerer Rückschlag: 8 mm bei 15 cm.

Bei ruhender Position & kleiner Krafteinwirkung: Harmonic Drive gefühlt besser (sofort Widerstand, fast kein Spiel). Zykloidengetriebe: ca. 2 mm freies Spiel bei 15 cm.

Bei größerer Krafteinwirkung: Zykloidengetriebe leicht besser (5,5 mm vs. 7 mm).

Drehmoment

Zykloidengetriebe erster Versuch: 22 N bei 15 mm – *knack*, Ausgangswelle brach. Neu gedruckt (weißes PLA, höherer Infill, höhere Temperatur).

Nächster Lauf: max. 32 N bei 15 cm → 4,8 Nm. NEMA-17 ohne Getriebe: ~0,3 Nm (2 N bei 15 cm) → 16-fache Steigerung. Wirkungsgrad ~65 % (ideal 25×).

Harmonic Drive: exakt gleich – 32 N bei 15 cm, 4,8 Nm, ~65 % Wirkungsgrad. Überraschung: Erwartet hatte ich geringeren Wirkungsgrad.

NEMA-17 am Limit (4,8 Nm) → NEMA-23 (3 Nm) durch Austausch Eingangswelle & Winkel.

Erster Test mit 15 cm Holzstab: brach bei 80 N (12 Nm). Stärkerer Sperrholzstab, Messung bei 50 cm: 30 N → 15 Nm (nur 5× Motor-Drehmoment). Nicht Motor am Limit, sondern Zykloidengetriebe sprang über. Innenansicht: Zykloidenscheiben im Exzenterlager-Bereich gebrochen.

Neue Scheiben: 4 Wandlinien, höherer Infill. Test: 43 N bei 0,5 m → ~4,4 kg / 21,5 Nm. Wieder Überspringen, massiver Rückschlag → Verformung der Zykloidenscheiben-Form. Maximales Drehmoment dieses Getriebes erreicht. 7-fache Steigerung – beeindruckend für so kleines 3D-gedrucktes Getriebe.

Harmonic Drive mit NEMA-23: sofortiger Ausfall. Keine Chance, solche Drehmomente zu stemmen – Flexspline-Wände zu dünn, PLA zu schwach.

Haltbarkeit: Zykloidengetriebe hält deutlich länger.

Hinweis: Wir sprechen von 3D-gedruckten Getrieben.

Fazit

Endgültiges Urteil: Was ist besser – 3D-gedruckter Harmonic Drive oder Zykloidengetriebe?

Die unbeliebteste Antwort: Es kommt darauf an. Basierend auf diesen Tests: Zykloidengetriebe. Höheres Drehmoment, zuverlässiger, langlebiger. Rückschlag verbesserbar durch präzisere Scheiben.

Harmonic Drive potenziell besser im Rückschlag, aber Flexspline-Haltbarkeit problematisch. NEMA-17-Lasten meisterte er wie das Zykloidengetriebe. Für mehr Haltbarkeit: größerer, längerer Flexspline → Einbußen bei Kompaktheit. Anderes Filament hilft: Letzter Flexspline (PLA) war über Nacht in einer Position plastisch verformt → am nächsten Tag noch ruckartigerer Lauf.

Teilen Sie Ihre Erfahrungen mit Harmonic & Zykloidengetrieben in den Kommentaren!

Viel Spaß beim Nachbauen – Fragen willkommen.