Linearlager Präzisionslager sorgen für schnelle Produktionserlöse

Präzisionslager benötigen sehr wenig Wartung und bieten Gerätemerkmale, die eine geringe Geräuschentwicklung und ausgedehnte Langlebigkeit auch bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten garantieren. Diese besonderen Leistungsmerkmale können ein solches Lager zwar um etwa 10% teurer machen, zahlen sich aber in Form längerer Haltbarkeit mehrfach aus.

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Heutige Antriebssysteme müssen härtere Herausforderungen bewältigen als jemals zuvor. Förderbänder sowie Verpackungs- Sortierungs- und sonstige Positionierungsanlagen arbeiten nicht selten im 24-Stunden-Betrieb, und das an sieben Tagen in der Woche. Angesichts der steigenden Nachfrage nach kürzeren Lieferzeiten schrauben Produktionsunternehmen die Geschwindigkeit ihrer Anlagen zudem immer höher. Aus diesen veränderten Einsatzbedingungen ergibt sich eine Reihe von Problemen: Die Ausrüstung verschleißt schneller, verliert ihre Positioniergenauigkeit und kann in vielen Fabriken, Lagerhäusern sowie Verteilungszentren eine höhere Lärmbelastung bedeuten – mit den bekannten negativen Auswirkungen für das Produktionspersonal.

In den meisten Branchen beklagen die Verantwortlichen außerdem einen Mangel an qualifizierten Ingenieuren sowie Wartungstechnikern, um die Anlagen angemessen zu betreuen und instandzuhalten. Infolgedessen sehen sich die Entwickler mit vielfältigen Herausforderungen konfrontiert, wenn es darum geht, robuste, zuverlässige und geräuscharme Maschinen zu konstruieren, die den neuen Anforderungen an moderne Antriebssysteme gerecht werden.

Eine Möglichkeit, mit der Ingenieure die genannten Vorgaben umsetzen, ist der Einsatz von Komponenten, die im Bereich der Antriebstechnik unter der Bezeichnung „Präzisionslager“ bekannt sind. Obwohl kein Lagertyp explizit das Etikett „Präzision“ trägt, benötigen einige Lager sehr wenig Wartung und bieten Gerätemerkmale, die eine geringe Geräuschentwicklung und ausgedehnte Langlebigkeit auch bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten garantieren. Diese besonderen Leistungsmerkmale können ein solches Lager zwar um etwa 10% teurer machen, zahlen sich aber in Form längerer Haltbarkeit mehrfach aus. Je nach Bauart eines Präzisionslagers kann dessen Lebensdauer achtmal so lang sein, wie das von Standardlagern.

Coskun Mutlu, Produktspezialist für Linearlager und -führungen bei Thomson Neff in Wolfschlugen, betont „Die Langlebigkeit der Präzisionslager ist das Resultat der Qualität und Genauigkeit des Systems. Zum System zählen zum einen die Welle und zum anderen das Linearkugellager. Je besser die Qualität der einzelnen Komponenten, umso wahrscheinlicher ist das Erreichen der therotisch ermittelten Lebensdauer. Mit mehr als 60 Jahren Erfahrung bietet Thomson unter diesem Aspekt einer der qualitativ hochwertigsten Systemkomponenten an, wie die Thomson 60 Case Welle und Thomson Präzisions-Linearkugellager.“

Geräte für den Materialtransport, wie zum Beispiel Förderbänder, verwenden normalerweise Kugellager, wenngleich einige Anwendungen konisch oder zylindrisch geformte Lagerelemente nutzen. Ganz gleich ob in der Präzisions- oder Standardausführung, besteht ein Kugellager aus einem inneren und äußeren Ring, Kugeln als Wälzkörper sowie einem Käfig oder Abstandhalter. Hinzu kommen verschiedene Gehäuse- und Dichtungsvarianten. Einer der Faktoren, der ein Lager zum Präzisionslager machen, bezieht sich auf die eingehaltenen Toleranzen innerhalb der Fertigungsprozesse. Enge Toleranzen resultieren in einem hochwertigeren Produkt – einem Produkt, das höheren Verstellgeschwindigkeiten und Belastungen standhält sowie weitere funktionale Anforderungen erfüllt.

Geräuschentwicklung

Ein Produktionswerk, Lagerhaus oder Verteilungszentrum ist naturgemäß eine geräuschintensive Umgebung. Seit einigen Jahren ist die Geräuschbelastung jedoch ein großes Problem geworden – schon die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit weniger Positionierungssysteme kann den Geräuschpegel auf ein solches Maß bringen, dass die Kommunikation stark einschränkt und die Gesundheit der Mitarbeiter gefährdet. Daher ist die Geräuschdämmung ein wichtiges Kriterium bei der Anschaffung neuer Ausrüstung.

Durch die Auswahl des geeigneten Lagers lässt sich das Problem der Geräuschentwicklung minimieren. Lager sind prinzipbedingt keine geräuschlosen Bauteile, neuere Bauformen verfügen jedoch über Merkmale, die zu einer geringeren Geräuschentwicklung beitragen. Lager, die zur Kategorie der Präzisionslager gehören, können mit Geschwindigkeiten von normalerweise 1,5 bis 3 m/s arbeiten, und sie schließen zumeist ein Blockieren oder Rattern der Lager aus.

In der Regel weisen diese mit hoher Genauigkeit gefertigten Lagertypen einen Reibungskoeffizienten von 0,001 bis 0,002 auf. Ein niedriger Reibungskoeffizient reduziert darüber hinaus den Stick-Slip-Effekt – ein weiterer zu berücksichtigender Faktor bei der Auswahl von Präzisionslagern.

Um die Geräuschentwicklung zu begrenzen, verfügen Präzisionslager in der Regel über kleinere Kugeln. Je kleiner die Kugeln, desto kleiner ist die Berührungsfläche und der Raum zwischen den Kugeln, was beides zu einem geringeren Rattern und damit zu mehr Laufruhe beiträgt. Darüber hinaus wird ein Großteil der Metallkomponenten, die nicht direkt der Lastaufnahme dienen, vermehrt durch Kunststoffbauteile wie Delrin ersetzt (Polyoxymethylen). Ein Bereich, in dem Kunststoffe verwendet werden, ist die Kugelrückführung der Lager, da die Kugeln dort keine Last aufnehmen müssen und die Kunststoffe zur Geräuschminderung beitragen können. Die wichtigsten Stahlkomponenten dieser Lager sind die Welle, die einzelnen Kugeln und die Lagerplatte.

Bei Fördersystemen muss nicht unbedingt jede Rolle mit einem Präzisionslager ausgestattet sein, um die Geräuschentwicklung zu reduzieren oder die Lebensdauer zu erhöhen. Förderband-Hersteller verwenden daher häufig nur an einem Viertel bis zu einem Drittel der Rollen Präzisionslager. Diese Strategie lässt sich auch an der vorhandenen Ausrüstung umsetzen, indem alte verschlissene Rollen durch solche mit hochwertigeren Lagern ersetzt werden.

Für Einsatzbereiche, bei denen es auf eine hohe Geschwindigkeit ankommt, unterstützen Präzisionslager deutlich höhere Beschleunigungsanforderungen als die Standardausführungen. Einige Präzisionslager erlauben Beschleunigungsraten von bis zu 150 m/s².

Dauerbetrieb

Einige Lager sind mit Doppel-Laufbahnplatten ausgestattet. Im Vergleich zu Produkten mit einer einzigen Laufbahn reduziert sich damit die Gesamtzahl der Platten. Die beiden Platten tragen gemeinsam die Last, wodurch die Auswirkungen leichter Ungenauigkeiten der Gehäusebohrungen auf die Traglast minimiert werden. Darüber hinaus verlängert diese Bauform die Lebensdauer des Lagers. So erreichen die doppelten Laufbahnplatten in den Thomson-Lagern vom Typ „Super Smart“ beispielsweise eine Lager-Laufleistung, die achtmal so hoch ist, wie die eines Standardlagers.

Die korrekte Ausrichtung aller Komponenten, sowohl im Lagergehäuse als auch im Gerät, ist entscheidend für die Lebensdauer, Geräuschentwicklung und Traglast eines Lagers, Lager in Präzisionsausführung zeichnen sich durch enge Fertigungstoleranzen aus, die einen Ausrichtungsfehler ausschließen und das Spiel der Komponenten reduzieren. Lagerkomponenten aus gehärtetem Stahl verhalten sich unter Last wie elastische Körper. Das heißt, sie verformen sich, wenn die lasttragenden Wälzkörper über sie hinwegrollen. Im Laufe der Zeit kann eine Materialermüdung einsetzen, die schließlich zum Versagen des Lagers führt. Die Toleranzen in Präzisionslagern sollten deutlich höher sein, als in anderen Lagern, da dies die Toleranzberechnung erleichtert.

Für Lager, die in Systemen installiert sind, gelten höhere Ausrichtungsanforderungen. Solche Lager müssen häufig dynamische oder statische Ausrichtungsfehler kompensieren, beispielsweise infolge einer verzogenen Laufwelle an einem Förderband. Ein Rattern der Lager ist in der Regel ein erstes Anzeichen für eine fehlerhafte Ausrichtung. Einige Lagertypen, wie zum Beispiel Pendelrollenlager können ein gewisses Maß an „Flattern“ ausgleichen, während sie dennoch die volle Systemlast tragen. Darüber hinaus weisen die Grundträger vieler Maschinen signifikante Torsions-Ausrichtungsfehler auf.

Aber auch für diese Herausforderungen bieten einige Lager-Ausstattungsmerkmale geeignete Lösungen. Über präzisionsgehärtete Außenringe findet das Lager seine optimale Position unter Last, wodurch der Verschleiß verringert und die Lebensdauer erhöht wird.

Die Selbstausrichtungseigenschaften von Präzisionslinearlagern können die Fluchtungsfehler ausgleichen, die aus unrunden oder nicht fluchtenden Gehäusebohrungen, Unebenheiten der Montageflächen, mangelhafter Systemmontage oder einer Verformung unter Last entstehen.

Hier sind drei Arten von Fluchtungsfehlern zu nennen:

• Kippen, Winkelausschlag der Welle oder nicht fluchtende Gehäusebohrungen

• Rollen oder verteilte Last auf den Laufbahnen

• Gieren oder Schrägstellung zwischen Laufbahnen und Welle

Die Hersteller können mit hoher Genauigkeit vorausbestimmen, wie lange ein Lager in einer bestimmten Anwendung halten wird. Für Gerätehersteller ist dies ein unschätzbarer Vorteil, speziell wenn sie für ihre Produkte eine lange Lebensdauer und Garantieleistung gewähren.

Ein Thomson-Kunde in den USA, R.A. Pearson, produziert Verpackungsmaschinen. Eine dieser Maschinen setzt Kartons für den Verkauf von Getränkeflaschen in Kühlautomaten zusammen. Die Anlage klappt die Seitenteile hoch und fügt alles mit Klebebändern zusammen, bis der Karton einsatzfertig ist. R.A. Pearson hat die Maschine so konstruiert, dass sie besonders in den ersten zwei oder drei Jahren gegen Ausfälle gesichert ist. Das Unternehmen gibt dazu sogar eine Garantie aus. Dennoch traten bei einer der Maschinen in einer Kundenanlage zahlreiche Störungen auf, sodass die Servicetechniker immer wieder Reparaturen durchführen mussten. Wie sich herausstellte, hatten die Lager wiederholt versagt. Man tauschte daher die Lager gegen die Super-Smart-Lager von Thomson inklusive 60-Case-Welle aus. Seitdem ist keine weitere Störung aufgetreten.

Wartung

Die Wartung ist in Verbindung mit Antriebseinheiten ein heikles Thema. In der Regel findet sie schlicht nicht statt. In Fabriken, Lagerhäusern und Verteilungszentren werden die Anlagen nur selten angehalten. Einmal installiert und in Betrieb genommen, laufen die Komponenten so lange, bis sie ausfallen. Die meisten Lagerdefekte sind auf unsachgemäßen Einbau, fehlende Schmierung oder eindringenden Schmutz zurückzuführen. Die fehlende Schmierung ist vermutlich das häufigste Problem. Einige Anwender lehnen die Schmierung der Lager grundsätzlich ab. Das gilt zum Beispiel im Bereich der medizinischen Fabrikation. Hersteller medizinischer Produkte schließen aus hygienischen Gründen den Faktor Schmierung bei der Gerätekonstruktion aus. Wenngleich Lager zwar auch ohne Schmierung laufen können, wird dies nicht empfohlen. Unter derart schwierigen Anforderungen ist die Verwendung von Präzisionslinearlagern daher die clevere Wahl.

Während Präzisionslager den Vorteil einer höheren Verschleißfestigkeit bieten, sind Schmierung und der Schutz vor Verunreinigung weitere Elemente der Gleichung. Die meisten Präzisionslager verfügen über eine Schmierbohrung oder einen Lagerblock für Öl.

Eine ordnungsgemäße Schmierung reduziert zudem die Verunreinigungsgefahr. Viele Präzisionslinearlager bieten ein gut durchdachtes Dichtungskonzept. Beim Super Smart ist ein Zweilippen-Abstreifer in das Lager integriert. Eine Lippe verhindert das Austreten des Schmiermittels, während die andere als Abstreifer gegen Verunreinigungen fungiert. Darüber hinaus erhält jeder von Thomson ausgelieferte Lagerblock eine Buna-N-Kautschukdichtung.

Wenn jedoch eine Nachschmierung betriebsbedingt kaum möglich ist, sollte Schmierfett verwendet werden, da es längerer Schmierintervalle als Öl ermöglicht.

Darüber hinaus wirkt Fett eher geräuschdämpfend. Für Anwendungen mit hohen Verstellgeschwindigkeiten wird dagegen Öl als Schmiermittel empfohlen. Bei hohen auftretenden Lasten und niedrigen Geschwindigkeiten, zwischen 1 und 1,5 m/s, wird üblicherweise Fett verwendet.

Eine sachgemäße Montage kann den Wartungsaufwand deutlich senken. Kunden, die ihre Lager selbst austauschen, sollten insbesondere auf feste Verbindungen, eine exakte Ausrichtung und die Vermeidung von Vibrationen achten. Alle Lagerhersteller stellen ihren Kunden Anleitungen und Empfehlungen zur Verfügung, die unbedingt eingehalten werden sollten, um einen korrekten Sitz der Welle sowie eine ausreichende Befestigung und Ausrichtung der Bauteile sicherzustellen.

Alternativ kann der Lagerhersteller bereits zu Beginn des Gerätedesigns hinzugezogen werden. Lagerhersteller achten in der Regel auf Parameter wie Last, Geschwindigkeit und Langlebigkeit sowie weitere kritische Faktoren des Systemdesigns. Außerdem können sie die Anwender häufig bei der Auswahl von Antriebssystemen und sonstigen Komponenten unterstützen. Einige von ihnen verfügen über Erfahrungen zu sämtlichen Komponenten der Achsteuerung, was einen enormen Vorteil darstellen kann. Indem der Hersteller eingebunden wird, können geringere Toleranzen und ein geringeres Spiel zwischen den Bauteilen erreicht werden, was sich letztlich in mehr Genauigkeit und Zuverlässigkeit des gesamten Systems niederschlägt.

Grundsätzlich lässt sich konstatieren, dass Präzisionslager Vorteile für jeden Einsatzzweck bieten. Daher hält dieser Lagertypus vermehrt in den Bereichen der Medizin- und Halbleitertechnik Einzug – besonders in den Handhabungsanlagen. Je kleiner die Halbleiter-Bauteile werden, umso wichtiger wird eine genaue Positionierung. Und selbst in Standardanwendungen wählen immer mehr OEMs Präzisionslager, da sie zum Beispiel längere Garantiezeiten oder eine klarere Abgrenzung vom Wettbewerb ermöglichen. (ud)

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