CNC-gefertigte vs. 3D-gedruckte Zykloidengetriebe: Design, Montage & Leistungstest

In diesem Artikel schauen wir uns meine aktualisierte Version des Zykloidengetriebes (19:1 Übersetzung) aus dem vorherigen Video an und vergleichen die Leistung bei CNC-gefertigten vs. 3D-gedruckten Teilen.

Ich erkläre Design & Montage, teste Genauigkeit & Tragfähigkeit mit NEMA17 und NEMA23 Schrittmotoren.

Video ansehen oder schriftliche Anleitung unten lesen.

Zykloidengetriebe Überblick

Vorheriges Video erklärte Zykloidengetriebe detailliert – empfehle ich bei Unkenntnis. Kurz: Einzigartiges Getriebe/Reduzierer mit sehr hoher Übersetzung bei kompakt-robustem Design.

5 Hauptkomponenten: Hochgeschwindigkeits-Eingangswelle, Exzenterlager, zwei Zykloidenscheiben, Ringgehäuse mit Stiften/Rollen, langsame Abtriebswelle mit Stiften/Rollen.

Eingangswelle treibt Exzenterlager → treibt zwei Scheiben entlang Innenumfang Ringgehäuse. Exzentrische Bewegung lässt Zykloidenscheibenzähne mit Ringrollen so eingreifen, dass Rückwärtsdrehung bei reduzierter Geschwindigkeit entsteht. Übersetzung hängt von Stiftanzahl im Ring ab.

Details im Vorvideo + 3D-Druck-Prototyp (15:1, 115 mm Ø).

Diesmal: Höhere Übersetzung, kompakter. Statt Kugellager als Rollen → Buchsen mit kleinerem Durchmesser.

Rollendurchmesser ist entscheidend: Zusammen mit Stiftanzahl definiert er Getriebegröße. Designprozess erklärt das.

Zykloidengetriebe Design

Rollendurchmesser: 8 mm (verfügbare Buchsen). Gewünschte Übersetzung 19:1 → Ringgehäuse braucht 20 Rollen. Skizze: 20 Rollen à 8 mm auf Kreis.

Daraus: Minimaler Teilkreisdurchmesser Ring. Mit Exzentrizität (kleiner als halber Rollendurchmesser) → 4 Hauptparameter für Zykloidenscheiben-Form.

Zykloidenscheiben-Profil = Zykloide (Kurve eines Punkts, der ohne Schlupf auf Gerader rollt) bzw. Epitrochoide (Punkt rollt auf Kreisumfang, Abstand vom Mittelpunkt).

Parametrische Gleichungen (Omar Younis, SOLIDWORKS Education Blog):

Gleichungen nach Omar Younis
N - Rollenanzahl
Rr - Rollenradius
R - Rollen-Teilkreisradius
PCD - Teilkreisdurchmesser
E - Exzentrizität (Versatz Eingangswelle zu Zykloidenscheibe)
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: Equation Driven Curve Tool → zwei parametrische Gleichungen eingeben. Parameter entsprechend einsetzen. „t“ von 0 bis 2π (leicht kleiner, damit Kurve generiert wird – kleiner Spalt, per Spline schließen). Profil extrudieren, Bohrungen für Exzenterlager & Abtriebsstifte. Bohrungsdurchmesser = Stiftroller-Ø + 2× Exzentrizität = 8 + 2×1 = 10 mm.

Jetzt Bau & Test: CNC vs. 3D-Druck.

3D-Modell & STL Download

3D-Modell (STEP) & Browser-Ansicht auf Thangs:

STEP-Datei Download auf Thangs.

STL-Dateien für 3D-Druck hier:

SOLIDWORKS-Dateien hier:

Zeichnungen (für CNC-Fertigung genutzt):

CNC-Teile bestellen

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

Oberflächen: Eloxiert, gebürstet, Lackierung etc., Rauheit, Toleranz wählbar. Für engere Toleranzen als Standard: Zeichnungen mit spezifischen Toleranzen mitgeliefert.

Mehrere Teile in einer Bestellung, je Teil Angebot. Lieferung termingerecht, einzeln gut verpackt. Zufriedenstellend, eigenes Design in Metall gefertigt. Teile top, exakt wie Design. PCBWay Services checken.

3D-Druck-Version: Selbst gedruckt (PLA). Wichtig: Hole Horizontal Expansion im Slicer. 3D-Druck-Löcher meist kleiner → Kompensation für Genauigkeit. Ich: Hole Expansion 0,07, Horizontal Expansion 0,02 mm. Testdrucke für optimale Werte.

Zykloidengetriebe montieren

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

Komponentenliste für ein Getriebe:

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

Hinweis: Affiliate-Links.

Wellenkupplung auf NEMA17: 2 mm Abstand zur Motorfrontplatte, 2 Madenschrauben. Grundplatte an Schrittmotor: 4× M3.

Größtes Teil: Ringgehäuse mit Rollen. Buchsen 8 mm Ø, 20 mm lang (bestellt: 2× 10 mm). Stifte 6 mm Ø, 30 mm lang. Bohrungen im Gehäuseboden: Presspassung → Kraft nötig. 20 Rollen = 19:1.

Ringgehäuse auf Grundplatte. Zuerst Distanzring für Abtriebsrollen.

Exzenterwelle auf NEMA17-Kupplung. Zuvor: Zwei Lager 17/26 mm in Exzenterwelle. Presspassung (Toleranzen so gesetzt) → Kraft nötig. Zusammenbau = Exzenterlager.

Zwei Zykloidenscheiben auf Exzenterlager. Auch Presspassung → Kraft. Pulverbeschichtung (versehentlich bestellt) → mehr Material, Toleranz nicht passend. Distanzring zwischen Scheiben für Haltefall bei Lockerung.

Gesamt in Gehäuse einsetzen (oder scheibenweise). Passung Scheiben/Ringrollen entscheidend für Leistung. Ich wollte minimales Spiel → Scheibe passte nicht rein. Ursachen: Kein Freiraum/Offset im Profil (parametrische Gleichung), Pulverbeschichtung, Buchsen leicht >8 mm.

Lösung: Neue Scheiben bestellen, aber erst manuell Material abtragen (Dremel). Nach Schleifen passte Scheibe. Nicht ideal, aber testbar.

Zwei Scheiben 180° versetzt einbauen. Loch in Scheiben zur Positionierung: Eine Scheibe umdrehen, Löcher fluchten. Einbau → Motor an → Zykloidenscheiben rotieren exzentrisch, gegensinnig zur Eingangswelle, 19× langsamer.

Exzentrische Bewegung → Abtriebswelle über 6 Löcher in Scheiben. Abtriebswelle: 6 Stifte (6 mm Ø, 22 mm) für Buchsen. Bohrungen Presspassung → Kraft. Stifte sichern, 8 mm Buchsen drauf (15 mm, notfalls 10 mm + Unterlegscheiben). Links zu korrekten Maßen in Liste.

Vor Abtriebswelle: Distanzring + Lager (trägt Ein- & Ausgangswelle). Abtriebswelle in Scheibenlöcher stecken. Oben: Distanzring + Lager 35 mm Innendurchmesser. Gehäusedeckel drauf, 6× M6×45 verschrauben. Fertig – CNC-Version sieht super aus.

3D-Druck-Version: Gleicher Ablauf. Zusatz: Gewindeeinsätze in Abtriebswelle für Anbauteile.

Tests

Hinweis: CNC-Version deutlich schwerer als 3D-Druck.

Drehmoment

Kraftmessung bei 10 cm Hebelarm. Beide ~45 N bei 10 cm → ~450 Ncm Drehmoment. CNC etwas höher & konstanter.

NEMA17 Nenn-Drehmoment 28 Ncm → ~16-fache Steigerung. Wirkungsgrad ~85 % (theoretisch 19× bei 19:1).

NEMA23 Test: Getriebe für NEMA17 & NEMA23 ausgelegt. Tausch erfordert Arbeit: Teile zerlegen, Grundplatte für NEMA23-Lochbild tauschen, andere Wellenkupplung (größere Welle). Im Wesentlichen diese zwei Teile tauschen.

3D-Druck-Version auch auf NEMA23 umgebaut. Beim Zerlegen: Zykloidenscheiben zeigen bereits Verschleiß – stärker auf einer Seite (Druckbett-Seite, erste Layer extrudieren mehr).

Beide Getriebe mit größten NEMA23 (maximale Belastung). 10 cm Hebel: Bei ~25 % Motorleistung schon 130 N bei 10 cm (Kraftmesser Max 200 N) → längerer Hebel nötig. Kiefernholz-Stab (50 cm) brach bei ~50 N. Sperrholz-Stab → Messung bei 50 cm: ~60 N → 3000 Ncm = 30 Nm. Beeindruckend! Sperrholz biegt sich stark.

Bei 20 cm Hebel: ~170 N → 34 Nm. NEMA23 Nenn-Drehmoment 2,1 Nm → wieder ~16× Steigerung, ~85 % Wirkungsgrad.

3D-Druck-Version mit NEMA23: ~65 N bei 20 cm → ~13 Nm. Deutlich weniger als CNC (34 Nm). 3D-Druck hält Kräften starker NEMA23 nicht stand. Selbst Gewindeeinsätze versagten.

Rückschlag (Backlash)

Wiederholgenauigkeit gut (beide). Unter Last: Backlash vorhanden. CNC: ~4 mm Spiel bei ~12 cm Hebel (Kraft beidseitig). 3D-Druck: ~7 mm bei ~15 cm.

Ursache: Buchsen ungenau, manuelles Schleifen der Scheiben (Pulverbeschichtung). Inkonsistenter Backlash: manche Wellenpositionen mehr Spiel.

Fazit

Bessere Ergebnisse mit präziseren Buchsen & korrekt gefertigten Scheibenprofilen (mit Freiraum).

3D-Druck-Precision verbesserbar: Horizontal Expansion beim Druck experimentieren, Scheiben breiter designen für größere Kontaktfläche/bessere Haltbarkeit.

Ich werde diese Zykloidengetriebe-Art in zukünftigen Robotik-Projekten einsetzen.

Hoffe, Tutorial gefiel und was Neues gelernt. Fragen in Kommentaren.