Linearlagertechnik Rollen Sie noch oder gleiten Sie schon?

Redakteur: Karl-Ullrich Höltkemeier

Der Markt für Linearlagertechnik bietet eine große Produktvielfalt. Die Produkte basieren auf zwei gänzlich unterschiedlichen technischen Prinzipen – der Roll- und der Gleitreibung. Um die optimale Lösung zu finden, lohnt es sich die jeweiligen Vor- und Nachteile genau unter die Lupe zu nehmen.

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Die höhere Kontaktfläche bei Gleitlagern verteilt die Kraft und lässt den Einsatz ungehärteter Gegenlaufpartner zu.
Die höhere Kontaktfläche bei Gleitlagern verteilt die Kraft und lässt den Einsatz ungehärteter Gegenlaufpartner zu.
(Bild: igus)

Wer schnell fahren und beschleunigen will, sollte sich einen Benziner kaufen. Wer vor allem ein sparsames Fahrzeug mit viel Kraft und Drehmoment möchte, einen Dieselmotor wählen. So lautete lange Jahre die Faustregel für Autokäufer. Die Entwicklung moderner Motoren hat dieses Bild seit einigen Jahren zwar nachhaltig verändert, aber das Bewusstsein wandelt sich nur langsam. Eine Gemeinsamkeit allerdings bleibt: Egal für welches Motorkonzept man sich entscheidet, von A nach B kommt man mit beiden Varianten.

Ähnliches gilt für lineare Bewegungen in der Automation und im Maschinenbau. Ob gleitende oder rollende Linearlager, beide Konzepte verfolgen ein gemeinsames Ziel: die schnelle geradlinige Bewegung von Maschinenkomponenten von einer Stelle zur anderen. Der Unterschied besteht darin, ob gleitende oder rollende Elemente die Kräfte übertragen. Und genau wie bei der Wahl zwischen Otto- und Dieselmotor, ist es eine Frage des Einsatzzwecks beziehungsweise der genauen Bedingungen, welche Lösung am Besten geeignet ist.

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Wälzlagerung

Linearsysteme die auf Wälzlagern basieren, nutzen Kugeln oder Rollen als Wälzkörper zur Verringerung der Reibung zwischen den Elementen der Führung. Damit bieten sie eine sehr geringe Reibung durch die relativ kleine Kontaktfläche der Wälzkörper mit Welle und Lager. Da alle Teile in der Regel aus Metall bestehen, verfügen diese Linearlösungen immer über eine zusätzliche Schmierung mit Fett oder Ölen, die die Reibung weiter vermindert, vor Korrosion schützt und vor allem ein „Fressen“ der Komponenten verhindert.

Das Kugelumlaufprinzip sorgt dafür, dass alle Kugeln gleichmäßig belastet werden und sich die eingebrachte Schmierstoffmenge im Kugelkäfig gleichmäßig verteilen kann. Sehr oft ist eine Nach- oder Permanentschmierung erforderlich. Auf Wälzkörpern basierende Linearlager sind leichtgängig und hochdynamisch. Sie zeichnen sich zudem durch hohe Präzision und Steifigkeit aus.

Gleitlagerung

Gleitlagerbasierte Linearsysteme nutzen zur Verringerung der Reibung eine Gleitfläche aus entsprechenden optimierten Werkstoffen (Bronze, Teflon oder tribo-optimierte Kunststoffe). Je nach Konzept kann diese auf der Führung oder dem geführten Teil aufgebracht sein, als Gleitfolie zwischen den Komponenten fungieren oder aus Vollmaterial bestehen.

Die Schmierung kann bei Systemen mit tribo-optimierten Kunststoffen durch im Gleitmaterial inkorporierte Festschmierstoffe erfolgen. Dadurch sind diese gleitenden Lösungen im Trockenlauf – ohne Öl oder Fett – einsetzbar. Die deutlich größere Kontaktfläche im Vergleich zu Wälzlagern ermöglicht hohe statische Belastungen und Stöße auf die Gleitführung. Aufgrund der großen Auflageflächen bei Gleitlagern verringert sich die spezifische Flächenpressung [N/mm2] auf die Schiene oder Welle drastisch. Dies erlaubt eine deutlich breitere Auswahlpalette von Materialien als Gegenlaufpartner.

Die Gleitlagerung kann auf gehärteten Stahlwellen genauso eingesetzt werden wie auf Aluminium-, Kohlefaser- oder weichen VA-Edelstahlwellen. Im Gegensatz zur Wälzführung muss man jedoch mit höheren Reibwerten und geringerer Präzision rechnen. Durch die unterschiedlichen Bauformen ergeben sich jeweils Vor- und Nachteile der Systeme.

Lagerspiel

Hier punkten Wälzführungen aktuell noch am meisten. Laut Herstellerangaben liegt das Lagerspiel, das durch präzise Fertigung und die aufgebrachte Vorspannung erreicht wird, bei 0,01 mm bis 0,003 mm. Gleitführungen müssen, damit sie keine unerwünschte Bremswirkung erzeugen, ein Mindestspiel haben. Das klassische Polymer-Gleitlager kann mit 0,02 mm Lagerspiel aufwarten.

Bei einfachen Versionen und größeren Durchmessern müssen gegebenenfalls auch 0,15 mm Lagerspiel akzeptiert werden. Damit ist der Einsatz von Gleitlagern in hochpräzisen Anwendungen nicht uneingeschränkt zu empfehlen. In Bereichen die weniger Präzision benötigen, können andere spezifische Eigenschaften des Gleitlagers den Ausschlag für eine solche Lösung geben.

Gewicht

Ein klarer Vorteil für die Lineargleitführungen. Die Kombination von Aluminiumprofilen als Gegenlaufpartner und Kunststoff als Gleitmaterial macht sie zu den Leichtgewichten unter den Führungen. Der Vorteil ist klar: Je weniger Masse beschleunigt werden muss, desto weniger Energie wird benötigt.

Gerade in Greifern und anderen Handlingkomponenten ist eine verringerte Massenträgheit gefordert, um den Output beziehungsweise die Taktzahlen zu erhöhen. Auch bei Anwendungen in mobilen Geräten ist das niedrige Gesamtgewicht entscheidend.

Geschwindigkeit und Beschleunigung

Die Dynamik eines Systems hängt nicht nur vom Eigengewicht des Lagers ab. Die Konstruktion des Linearlagers muss vor allem hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen gewachsen sein. So geben Hersteller von Wälzlagerungen meist eine maximale Geschwindigkeit von 5 m/s an. Grund ist die Massenträgheit der Wälzkörper. Gleitlagerlösungen erreichen in der Praxis Geschwindigkeiten von über 20 m/s, kombiniert mit extremen Beschleunigungen. Bei großem Gewicht werden allerdings eher Wälzlager eingesetzt. Hier hindert die entstehende Reibwärme den effektiven Einsatz der Kunststoff-Linearführung.

Hublängen

Aufwendiges Verzapfen, Vermessen und Ausrichten ist bei Wälzführungen unverzichtbar, möchte man den Kugeln ein sauberes Rollen von einer auf die andere Schiene ermöglichen. Um beste Performance zu erreichen, erfordern Kugelführungen zudem eine Mindesthublänge, damit alle Kugeln zum Einsatz kommen und die Umwälzung des Schmiermittels erfolgen kann.

Diese Tatsache muss bei Gleitführungen nicht berücksichtigt werden. Mehr als eine angebrachte Fase an den Enden ist nicht erforderlich, wenn man die Schienen hintereinanderlegt. Dann gleitet der Schlitten problemlos über die Kanten der Stoßstelle.

Schmutz und Staub

Bei Gleitführungen können Schmutzpartikel nicht mit Schmierstoffen verkleben, sondern werden durch das Gleitelement von der Schiene oder Welle geschoben. Auch Kugelführungen können durch moderne Abstreifer und Dichtungen ein hohes Maß an Schmutzunempfindlichkeit erreichen, sind dennoch immer auf die einwandfreie Funktion der empfindlichen Dichtelemente und eine aufwendige Wartung angewiesen.

Geräuschentwicklung

Bei Kunststoffgleitlagern bleibt der db-Wert bei jeder Geschwindigkeit gleich. Außerdem gehören zu den Materialeigenschaften von Kunststofflösungen dämpfende und entkoppelnde Eigenschaften. Die Einführung der Kugelkette – dabei wirken Kunststoffelemente als Abstandshalter zwischen den einzelnen Kugeln – hat die Geräusche der abrollenden Kugeln zwar gedämpft, an den leisen Lauf der Kunststoffgleitführung kommen sie aber nicht heran.

Geräuscharmut ist besonders für Anwendungen im Medizinbereich, Laborgerätebau, Möbelbau, Automobil oder Freizeitbereich ausschlaggebend.

Kosten

Die Kosten einer Linearführung sind relativ und abhängig vom Hersteller. Ein Marktvergleich zeigt aber, dass Kunststofflinearführungen deutlich unter dem Preis von Wälzführungen liegen. Das liegt an den Fertigungsverfahren. Spritzgegossene Gleitelemente in Zinkdruckgussgehäusen oder komplett gespritzte Kunststofflagerungen sind kosteneffektiv.

Stranggepresste beschichtete Aluminiumschienen sind in der Herstellung günstiger als mehrfach gepresste, geschliffene und abschließend gehärtete Profilschienen aus Stahl oder Edelstahl (durch den Punktkontakt beim Wälzlager können ausschließlich gehärtete Stähle als Führung zum Einsatz kommen).

Fazit

Sowohl rollende als auch gleitende Linearsysteme sind aus der Industrie nicht wegzudenken. Produkte beider Bereiche haben ihre spezifischen Anwendungen, in denen sie oft nicht 1 zu 1 tauschbar sind. Die Hersteller arbeiten allerdings mit Hochdruck an neuen Lösungen, die die Einsatzmöglichkeiten ihrer Linearsysteme erweitern.

Als Spezialist für kunststoffbasierte Linearlager der „drylin“-Familie investiert auch die Firma igus mit der eigenen Materialforschung und zahllosen Tests im eigenen Labor in innovative Lösungen, die die bisherigen Leistungsgrenzen der Kunststoffe verschieben. Vor allem die Weiterentwicklung der tribologisch optimierten Polymere bietet dafür Potenzial.

Mehr Präzision, eine Senkung der Reibwerte und die anwendungsspezifische Verbesserung der Materialeigenschaften sind nur einige der Ziele, die die Kunststoffspezialisten anstreben. Der Vergleich mit den verschiedenen Motorarten zeigt, dass man das Potenzial einer Technologie nie unterschätzen darf: Denn auch wenn nach wie vor die meisten Autorennen von Fahrzeugen mit Benzinmotoren gewonnen werden, haben Dieselfahrzeuge ihre Leistungsfähigkeit spätestens durch ihre zahlreichen Siege bei den 24 Stunden von Le Mans unter Beweis gestellt. (hö)

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