CNC-gefräst vs. 3D-gedruckt: Zykloidengetriebe (19:1) – Design, Montage & Leistungsvergleich

In diesem Artikel betrachten wir meine aktualisierte Zykloidengetriebe-Version (19:1 Untersetzung) aus dem vorherigen Video und vergleichen die Leistung bei CNC-gefrästen vs. 3D-gedruckten Teilen. Ich erkläre Design & Montage und teste Genauigkeit & Belastbarkeit mit NEMA-17 und NEMA-23 Schrittmotoren.

Video ansehen oder schriftliches Tutorial unten lesen.

Zykloidengetriebe – Kurzbeschreibung

Im vorherigen Video bereits detailliert erklärt – empfehle ich bei Unkenntnis. Kurz: Zykloidengetriebe = kompakte, robuste Untersetzung mit sehr hoher Ratio. Fünf Hauptkomponenten: Hochgeschwindigkeits-Eingangswelle, Exzenterlager, zwei Zykloidenscheiben, Ringzahnrad mit Stiften/Rollen, Niedriggeschwindigkeits-Ausgangswelle mit Stiften/Rollen.

Eingangswelle treibt Exzenterlager → Scheiben laufen exzentrisch an Ringzahnrad-Innenumfang. Exzentrische Bewegung lässt Zykloidenzähne mit Ringzahnrad-Rollen eingreifen → Rückwärtsrotation bei reduzierter Geschwindigkeit. Ratio = Ringzahnrad-Stifte.

Vorheriges 3D-gedrucktes Prototyp: 15:1, 115 mm Durchmesser.

Dieser Build: Höhere Ratio, kompakter. Statt Kugellager als Rollen → Buchsen mit kleinerem Durchmesser. Rollendurchmesser ist entscheidend: Zusammen mit Stiftezahl definiert er Getriebegröße. Sehen wir uns den Designprozess an.

Design des Zykloidengetriebes

Rollendurchmesser: 8 mm (verfügbare Buchsen). Gewünschte Ratio 19:1 → Ringgehäuse benötigt 20 Rollen. Skizze: 20 Rollen à 8 mm im Kreis.

Daraus: minimaler Teilkreisdurchmesser des Ringzahnrads. Dieser Wert + Exzentrizität (kleiner als halber Rollendurchmesser) = vier Hauptparameter für Zykloidenscheiben-Profil.

Profil = Epitrochoide (Variante der Zykloide: Punkt rollt auf Kreisumfang, Abstand vom Mittelpunkt). Parametrische Gleichungen (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 = 19:1
N = 20
Rr = 8/2 = 4
R = 66/2 = 33
E = 1
x = (33*cos(t))-(4*cos(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))-(1*cos(20*t))
y = (-33*sin(t))+(4*sin(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))+(1*sin(20*t))

In SOLIDWORKS mit „Equation Driven Curve“ eingeben (t: 0 bis 2π, leicht kleiner für Spalt → Spline schließen). Profil extrudieren, Bohrungen für Exzenterlager & Ausgangsstifte. Ausgangsloch-Durchmesser = Stift-Durchmesser + 2×Exzentrizität = 8 + 2×1 = 10 mm.

Nun Bau & Test: CNC-gefräst vs. 3D-gedruckt.

3D-Modell & STL-Download

• STEP-Datei von Thangs herunterladen / im Browser erkunden
• STL-Dateien für 3D-Druck: Download
• SOLIDWORKS-Dateien: Download
• Zeichnungen (für CNC-Fertigung): Download

CNC-Teile bestellen

Bei PCBWay bestellt (neben PCB auch CNC, 3D-Druck, Blech, Spritzguss). Einfach: 3D-Modell hochladen, Material wählen (fast alle verfügbar). Meiste Teile Aluminium, Zykloidenscheiben Edelstahl (stärker).

Oberflächen: eloxiert, gebürstet, lackiert etc., Rauheit & Toleranz wählbar. Für engere Toleranzen Zeichnungen mit spezifischen Toleranzen beigefügt.

Mehrere Teile in einer Anfrage zusammenfassbar. Lieferung pünktlich, gut verpackt, jedes Teil einzeln geschützt.

Befriedigend, selbst entworfene Teile in Metall gefertigt zu sehen. Teile exakt wie Design. PCBWay besuchen für mehr Infos.

3D-gedruckte Version: Selbst gedruckt (PLA). Wichtig: „Loch-Horizontale Expansion“ im Slicer (Löcher meist kleiner → kompensieren). Ich: Loch-Expansion 0,07, Horizontale Expansion 0,02 mm. Testdrucke für optimale Werte nötig.

Montage der Zykloidengetriebe

Alle Teile bereit. Erst CNC-Version, dann 3D-Druck.

Komponentenliste

• 6 mm Stahlstifte L=30 mm ×20; L=22 mm ×6 – Amazon / AliExpress
• 8 mm Buchsen L=20 mm ×20; L=15 mm ×6 – Amazon / AliExpress
• Kugellager 35×47×7 6807-2RS ×2 – Amazon / AliExpress
• Kugellager 17×26×5 6803ZZ ×2 – Amazon / AliExpress
• Gewindeeinsätze – Amazon / AliExpress
• M3/M4 Schrauben (Baumarkt) – vollständige Liste folgt

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Wellenkupplung auf NEMA-17 (2 mm Abstand zur Motorvorderplatte, 2 Gewindestifte). Grundplatte mit 4 M3-Schrauben am Motor.

Größtes Teil: Ringzahnrad-Rollengehäuse. 20 Rollen (Buchsen 8 mm, 20 mm lang – 20 mm nicht lieferbar → 2×10 mm Buchsen). Stifte 6 mm, 30 mm lang. Bohrungen im Gehäuseboden = Presspassung für Stifte → Kraft nötig.

Ringzahnrad-Gehäuse auf Grundplatte. Erst Distanzring für Ausgangsrollen einsetzen.

Exzenterwelle auf NEMA-17-Kupplung. Vorher: zwei Lager (17×26×5) in Exzenterwelle pressen (Presspassung → Kraft nötig). Das ist das Exzenterlager.

Zwei Zykloidenscheiben auf Exzenterlager (auch Presspassung, Kraft nötig). Noch enger, da Scheiben versehentlich pulverbeschichtet bestellt → mehr Material, Toleranz nicht stimmt. Distanzring zwischen Scheiben für Halt, falls Sitz lockert.

Gesamt in Gehäuse einsetzen oder scheibenweise. Passung Scheiben–Ringzahnrad-Rollen entscheidend für Leistung. Ich wollte minimalen Rückschlag → so straff wie möglich. Problem: Scheibe passte nicht. Ursachen: Kein Freiraum/Offset am Profil (parametrische Gleichung), Pulverbeschichtung (größer), Buchsen leicht >8 mm.

Lösung: Neue Scheiben bestellen, aber erst Versuch: Material an Scheibenprofil per Dremel abtragen. Nach Schleifen passte die Scheibe. Nicht ideal, aber testbar.

Wichtig: Zwei Scheiben 180° versetzt einbauen. Bohrung in Scheiben als Markierung: eine Scheibe umklappen, Bohrungen ausrichten.

Motor starten → Zykloidenscheiben laufen exzentrisch, entgegengesetzt zur Eingangswelle, 19× langsamer.

Exzentrische Bewegung → Ausgangswelle über 6 Löcher in Scheiben. Ausgangswelle: 6 Stifte (6 mm, 22 mm) mit Presspassung einsetzen (Kraft). 8 mm Buchsen (15 mm, nicht lieferbar → 10 mm + Unterlegscheiben). Im Video eine statt zwei Scheiben – Links zu korrekten Maßen.

Vor Ausgangswelle: Distanzring & Lager (stützt Ein- & Ausgangswelle). Ausgangswelle in Scheibenlöcher einsetzen. Weitere Distanzring & 35 mm-Innenlager auf Ausgangswelle. Gehäusedeckel aufsetzen, 6 M6-Schrauben (45 mm) anziehen. Fertig – CNC-Version sieht toll aus.

3D-gedruckte Version: Gleicher Ablauf. Zusatz: Gewindeeinsätze in Ausgangswelle für Anbauteile.

Tests

Beide Getriebe bereit. Hinweis: CNC-Version deutlich schwerer.

Drehmoment

Beide nebeneinander, Kraftmessung bei 10 cm Hebel.

Beide: ~45 N bei 10 cm → ~450 Ncm. CNC-Version etwas höhere & konsistentere Werte.

NEMA-17 Nenn-Drehmoment: 28 Ncm → ~16-fache Steigerung. Wirkungsgrad ~85 % (ideal 19×).

NEMA-23 Test: Getriebe für beide Motoren ausgelegt, aber Tausch erfordert Arbeit (kompaktes Design). Grundplatte tauschen (NEMA-23 Lochbild), andere Wellenkupplung (größere Motorwelle). Nur diese zwei Teile tauschen, Rest wieder montieren.

Bei 3D-Druck-Version beim Zerlegen: Zykloidenscheiben zeigen bereits Verschleiß – einseitig stärker (Unterseite beim Druck, erste Schichten extrudieren mehr Filament).

Beide mit stärksten verfügbaren NEMA-23. 10 cm Hebel reichte nicht: bei 25 % Motorleistung schon 130 N (Kraftmesser Max. 200 N). Längerer Hebel nötig.

Kiefernholz-Stab (50 cm): brach bei ~50 N. Sperrholz-Stab: Messung bei 50 cm möglich. ~60 N → ~3000 Ncm (30 Nm). Sperrholz biegt sich stark.

Bei 20 cm: ~170 N → ~34 Nm. NEMA-23 Nenn-Drehmoment 2,1 Nm → wieder ~16× Steigerung, ~85 % Wirkungsgrad.

3D-Druck-Version mit NEMA-23: nur ~65 N bei 20 cm → ~13 Nm (deutlich weniger vs. 34 Nm CNC). 3D-Druck hält Kräften nicht stand – selbst Gewindeeinsatz versagte.

Rückschlag

Wiederholgenauigkeit beide gut. Unter Last: Rückschlag vorhanden.

CNC: ~4 mm Spiel bei ~12 cm (Kraft beidseitig). 3D-Druck: ~7 mm bei ~15 cm.

Ursache: Buchsenmaße ungenau + manuelles Schleifen der Scheiben (Pulverbeschichtung). Rückschlag inkonsistent – manche Positionen mehr Spiel.

Fazit

Deutlich bessere Ergebnisse möglich mit präziseren Buchsen & korrekt gefertigten Scheibenprofilen (korrekter Freiraum).

3D-Druck-Präzision verbesserbar durch Horizontale-Expansion-Experimente. Bessere Haltbarkeit durch breitere Scheiben & größere Kontaktfläche.

Ich werde diesen Getriebetyp in zukünftigen Robotik-Projekten einsetzen.

Viel Spaß & Erfolg – Fragen in den Kommentaren!