Lineartechnik Auswahl der geeigneten Linearführung

Teil 1: Aufgabe und Funktion von Linearführungen, Lagerarten sowie mechanische Schlittenführungen.

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ERO-Führungen E.Rothweiler + Söhne GmbH

Um zwei Elemente linear zueinander zu bewegen werden sogenannte Linearführungen eingesetzt. Dabei soll die Reibung zwischen den Elementen möglichst gering sein, damit der Kraftaufwand für die Durchführung der Bewegung möglichst gering ist. Außerdem soll beispielsweise Verschleiß verhindert werden. Mithilfe von Linearführungen können Lasten entlang der linearen Achse transportiert und positioniert werden. Der Antrieb kann manuell, mit einem Spindel-, Zahnstangen- oder Zahnriemenantrieb und per Hydraulik oder Pneumatik erfolgen.

Eingesetzt werden Linearführungen in den verschiedensten Branchen, unter anderem in der Industrieautomation, in spanabtrennenden und spanlosen Bearbeitungsmaschinen, in Verpackungsmaschinen, in Messgeräten und in der Lebensmittelindustrie, aber auch in der Lasertechnik, der Luft- und Raumfahrttechnik, in Robotern, in der Halbleiter­industrie und in der Reinraumtechnik.

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Lagerarten: Wälz- oder Gleitlager

Um die Bewegung möglichst reibungs- und verschleißfrei zu ermöglichen nutzen Linearführungen Linearlager. Gleichzeitig müssen die Lager die Bewegungsfreiheitsgrade auf die Linearbewegung beschränken. Grundsätzlich werden Wälz- und Gleitlager unterschieden.

Bei Wälzlagern werden Wälzkörper zwischen den zueinander bewegten Teilen der Führung verwendet. Bei Bewegung der Führung rollen die Wälzkörper über den feststehenden Teil der Führung, in Verbindung mit der Schmierung können so sehr geringe Reibungskoeffizienten von bis zu 0,003 erzielt werden, geringere Reibwerte werden nur mit Luftlagern erzielt. Die Vorteile von Wälzlagern liegen in der hohen Präzision und der hohen Tragfähigkeit. Außerdem gibt es keine Anlaufreibung. Als Wälzkörper können Kugeln, Rollen oder Nadeln verwendet werden, wobei sich vor allem Reibungskoeffizienten, Tragfähigkeit und Baugröße unterscheiden.

Bei gleitgelagerten Führungen gleiten die relativ zueinander bewegten Teile aufeinander. Da nun Gleitreibung statt Rollreibung vorliegt sind die erzielbaren Reibungskoeffizienten etwas höher als bei Wälzlagern. Um den Reibwert dennoch möglichst gering zu halten werden speziell aufeinander abgestimmte Werkstoffe verwendet, wobei oft auch Beschichtungen zum Einsatz kommen. Mithilfe von Schmierung können Reibungskoeffizienten von minimal 0,04 bis 0,08 realisiert werden. Da die Schmierung hydrodynamisch erfolgt, das heißt der Schmierfilm bildet sich durch Bewegung, gibt es eine relativ hohe Anlaufreibung. Ein Vorteil der Gleitlagerung ist, dass die Schmierung nicht zwingend notwendig ist, jedoch in jedem Fall die Lebensdauer verlängert. Weitere Vorteile sind gute Notlaufeigenschaften bei Ausfall der Schmierung sowie eine gute Schwingungsdämpfung.

Beim Vergleich der beiden Lagerungsarten stellt man fest, dass Wälzlager geringere Reibungskoeffizienten ermöglichen, was einen besseren Wirkungsgrad zur Folge hat. Sie haben außerdem eine geringere bzw. keine Anlaufreibung, wodurch geringere Bewegungskräfte benötigt werden. Wälzlager sind präziser, mit ihnen kann Spielfreiheit erreicht werden. Zudem besitzen Wälzlager eine höhere Steifigkeit. Wälzlager mit Nadelrollen zeichnen sich zusätzlich durch eine sehr hohe Tragfähigkeit aus.

Gleitlager hingegen sind unempfindlicher gegen Stöße, Erschütterungen und Vibrationen und haben eine bessere Schwingungsdämpfung sowie gute Notlaufeigenschaften.

Mechanische Schlittenführungen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie die Lagerung in eine Schlittenführung integriert werden kann. Eine davon sind Schienenführungen. Dafür werden zwei Schienenpaare verwendet, die zwischen Innen- und Außenteil des Schlittens angebracht werden. Die Schienenpaare können durch Wälzkörper oder eine Gleitführung mit den genannten Vor- und Nachteilen gelagert sein. Die Wälzlagerung erfolgt in der Regel mit Kreuzrollen oder Nadelrollen, bei Nadelrollen haben die Schienen ein gegenläufiges MV-Profil. Für Gleitführungen werden ebenfalls MV-Schienen verwendet, wobei die Schienen in diesem Fall direkt aufeinander gleiten. Die Gleitflächen haben durch eine spezielle Beschichtung und die geeignete Auswahl der Werkstoffe optimierte Gleiteigenschaften. Gängig sind beispielsweise gehärtete V-Schienen und mit Teflon oder Kunststoff beschichtete M-Schienen (Typ TV).

Alternative: Schwalbenschwanz

Eine Alternative zu den Schienenführungen stellen Schwalbenschwanzführungen dar, die vom Profil her als Gleitführung ausgelegt sind. Innen- und Außenteil von Schwalbenschwanzführungen haben ein Schwalbenschwanzprofil, das die Gleitfläche der Führung darstellt. Mit einer Zustellleiste kann das Spiel zwischen Innen- und Außenteil eingestellt werden. Durch die große Auflagefläche haben Schwalbenschwanzführungen eine ausgesprochen hohe Tragfähigkeit.

Eine weitere Möglichkeit sind Profilschienenführungen mit Linearführungswagen, auch als Kugelumlaufschlitten bezeichnet. Auf dem Außenteil werden eine oder zwei Profilschienen montiert, auf denen je nach Belastung ein oder mehrere Führungswagen fahren. Das Innenteil wird auf den Führungswagen montiert und kann so relativ zum Außenteil bewegt werden. Die Führungswagen haben umlaufende Wälzkörper, sodass der Hub nicht durch die Anzahl der Wälzkörper begrenzt wird.

Durch die unterschiedliche Lagerungsart und Umsetzung der Lagerung ergeben sich folgende Eigenschaften. Die wälzgelagerten Varianten erzielen die niedrigsten Reibungskoeffizienten und die größten möglichen Verfahrgeschwindigkeiten. Dies gilt insbesondere für Kugelumlaufschlitten mit Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu zehn Meter pro Sekunde. Im Vergleich dazu sind bei Gleitführungen nur 15 Meter pro Minute möglich. Schwalbenschwanz- und Kugelumlaufschlitten zeichnen sich durch eine hohe Tragfähigkeit aus. Je nach Ausführung der Gleitfläche (Beschichtung) haben Schwalbenschwanz- genau wie TV-Führungen sehr gute Notlaufeigenschaften, gleiches gilt für die Schwingungsdämpfung. Schlitten mit wälzgelagerten Führungsschienen (Kreuzrollen, Nadelrollen) haben den Nachteil, dass der Hub durch die Anzahl der Wälzkörper begrenzt wird. Daher muss im Gegensatz zu den übrigen Varianten für eine Vergrößerung des Hubs auch das Innenteil des Schlittens entsprechend vergrößert werden.

Teil 2 erscheint in unserem Sonderheft Tipps und Tricks für Konstrukteure am 6. November 2017. Darin: Antriebsvarianten, Linearachsen, Abdichtung/Abdeckung sowie Beschichtung. (ud)

* Lukas Dieterle, Jeremias Fesenmeyer, Thomas Ketterer, Ero-Führungen, Löffingen/Unadingen

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