Definition Was ist ein Linearlager?

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Linearlager sind Lager zur reibungsarmen Führung einer geradlinigen (translatorischen) Bewegung eines Elements entlang einer zylindrischen Welle oder Schiene. Wie sind Linearlager aufgebaut und wie lassen sie sich einteilen? Welche Unterschiede gibt es hinsichtlich der verschiedenen Lagertypen?

Aufgrund ihrer Längsbewegung unterscheiden sich Linearlager – umgangssprachlich aus Kugelbuchse genannt – von rotatorisch arbeitenden Wälzlagern. Aus Konstruktionssicht lassen sich die in der Industrie eingesetzten Lager im Allgemeinen in Gleitlager, Wälzlager, Radiallager, Axiallager und Linearlager klassifizieren:

• Gleitlager gehören zu den einfachsten Lagertypen. Sie haben eine zylindrische Bauform und keine beweglichen Teile. Gleitlager werden zumeist für Maschinen mit einer Welle oder Achse eingesetzt, die sich relativ zum Lagergehäuse dreht oder verschiebt.

• Wälzlager sind konstruktiv hingegen weitaus komplexer und dienen zur Aufnahme höherer Belastungen. Solche Lager verfügen über sogenannte Wälzkörper bestehend aus Kugeln oder Zylindern, die zwischen einem stationären und einem sich drehenden Laufring angeordnet sind. Die relative Bewegung der Laufringe ermöglicht die Bewegung der Wälzkörper mit geringer Reibung und somit geringem Verschleiß.

• Radiallager sind eine Untergruppe der Wälzlager und nehmen, wie der Name schon sagt, radiale Kräfte auf, die senkrecht zu einer Wellenachse wirken. Einige Bauformen können zudem auch axiale Kräfte aufnehmen.

• Axiallager nehmen die Belastungen parallel zur Lagerachse auf und sind so konstruiert, dass sie Kräften standhalten können, die in der gleichen Richtung (also axial) wie die Welle bzw. die Achse wirken.

• Linearlager dienen zur reibungsarmen Führung einer translatorischen Bewegung. Die beiden Laufbahnen von Linearlagern sind hierzu parallel zueinander angeordnet. Im Zwischenraum zwischen den Laufbahnen befinden sich die Wälzkörper (Kugeln oder Rollen). Die Übertragung der Kraft über den Wälzkontakt erfolgt wie bei einem Wälzlager. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch im Umlauf der Wälzkörper, deren Nach- bzw. Rückführung durch eine lineare Bewegung erreicht wird.

Definition

Was ist ein Wälzlager?

Wie können Linearlager unterteilt werden?

Linearlager lassen sich unterteilen in

• Linearkugellager,

• Linearrollenlager und

• Lineargleitlager.

Die Lager unterscheiden sich in diesem Zusammenhang vor allem in ihrer Bauform und den verwendeten Wälzkörpern. Gewissermaßen aus dem Rahmen fällt hierbei das Lineargleitlager, weil es keine Wälzkörper wie Kugeln oder Rollen verwendet, sondern eine Gleitfläche besitzt.

Wie sind Lineargleitlager aufgebaut?

Lineargleitlager bestehen aus einem Gehäuse, in dem sich Gleitflächen aus reibungsarmen Werkstoffen wie z. B. PTFE oder Hochleistungspolymeren befinden. Anstelle einer Welle läuft ein Schaft oder eine Führungsstange durch das Lager. Die Gleitflächen sind so angeordnet, dass sie den Schaft oder die Führungsstange umschließen und eine lineare Führung ermöglichen. Im Gegensatz zu den anderen Linearlagern gibt es somit keinen Umlauf von Wälzkörpern, sondern eine reine Gleitbewegung.

Lineargleitlager benötigen im Vergleich zu Linearkugel- und Linearrollenlager weniger Wartung, haben aber eine höhere Reibung. Lineargleitlager werden daher bevorzugt in Anwendungen eingesetzt, in denen eine präzise linear Bewegung mit wenig Wartungsaufwand für Lager erwünscht ist. Solche Lineargleitlager sind daher beispielsweise in verschiedensten Maschinen zu finden wie etwa Bohrmaschinen und einfache Fräsmaschinen, aber auch in unterschiedlichen Handlingsystemen, in Hubtischen und Hebevorrichtungen, in der Transport- und Fördertechnik, als Linearführungskomponenten in 3D-Druckern, als einbaufertige Komponenten für Etikettiermaschinen, in Assistenzroboter in der Medizintechnik, etc.

Wie sind Linearkugellager aufgebaut?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kugellagern verfügen Linearkugellager über einen axialen Kugelumlauf. Statt eines Außenrings haben moderne Linearkugellager mehrere Laufbahnen am Außendurchmesser des Lagers, auf denen die Kugeln als Wälzkörper im Linearlager abrollen. Die Laufbahnplatten des Lagers sitzen in einem Gehäuse, das gleichzeitig als Kugelkäfig und Kugelrückführung dient. Statt auf einem Innenring laufen die Kugeln innen direkt auf einer Welle aus Präzisionsstahl.

Wie funktionieren Linearkugellager?

Beim axialen Kugelumlauf im Linearkugellager wird jeweils immer nur die innere, tragende Kugelreihe belastet. Die nicht belastete bzw. entlastete äußere Kugelreihe bewegt sich entgegen der Lagerbewegungsrichtung durch eine Kugelumlenkung und die Kugelrückführung zurück zur zweiten Kugelumlenkung zum Anfang der Lastzone.

Ein wichtiges Merkmal von Linearkugellagern ist somit das Umlenkungssystem, das die Kugeln in einem geschlossenen Kreislauf führt. Wenn die Kugeln das Ende der Laufbahn erreichen, werden sie durch das Umlenkungssystem an den Anfang der Laufbahn zurückgeführt, sodass sie kontinuierlich zirkulieren können.

Da bei Linearsystemen ohne Hubbegrenzung zwischen den lasttragenden Kugeln und der Welle eine Art Punktkontakt besteht, ermöglichen Linearkugellager eine äußerst reibungsarme Linearführung. Die Traglast eines Linearkugellagers hängt dabei immer von der Anzahl der tragenden Kugelreihen ab.

Eine wesentliches Unterscheidungskriterium bei Linearkugellagern besteht zudem in der Differenzierung zwischen geraden und angeflanschten Ausführungen:

• Ein gerades Linearkugellager besteht aus einer einzelnen Lagerbuchse mit Kugeln, die eine Welle umgeben. Die Lager werden direkt in ein Gehäuse eingebaut und mit einem Sicherungsring oder einer Anschlagplatte montiert. Gerade Linearkugellager dienen häufiger als Ersatz für traditionelle Kugellager in Anwendungen, in denen sehr hohe Präzision und Genauigkeit erforderlich sind.

• Angeflanschte Linearkugellager weisen an beiden Lagerenden Flansche auf, zwischen denen die Lagerbuchse mit den Kugeln montiert ist. Die Flansche ermöglichen es, das Lager an zwei gegenüberliegenden Flächen zu befestigen, um eine geführte Linearbewegung der Welle relativ zu den befestigten Flanschen zu realisieren (In-Line-Bewegung des Lagers).
  Geflanschte Linearkugellager sind robuster und damit langlebiger als gerade Linearkugellager, die allerdings einfacher aufgebaut sind als angeflanschte Ausführungen.

Wo werden Linearkugellager eingesetzt?

Linearkugellager finden in der Praxis insbesondere immer dort Anwendung, wo eine hochgenaue lineare Führung benötigt wird. Hier einige Beispiele:

• In Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren ermöglichen Linearkugellager eine präzise Positionierung von Werkzeugen sowie Werkstücken und gewährleisten eine genaue Bewegung von Werkzeugschlitten entlang der Linearachsen.

• In Druckmaschinen sorgen derartige Lager für eine exakte Führung der Druckwerke und Papierbahnen.

• In Handlingsystemen und in der Robotik sind Linearkugellager unverzichtbar für die präzise lineare Bewegung zum Beispiel von Greifern, Förderbändern oder anderen Komponenten.

• In Koordinatenmessmaschinen und weiteren Prüfanlagen gewährleisten Linearkugellager eine hochgenaue Positionierung von Messköpfen und ähnlichen Prüfeinrichtungen.

Wie sind Linearrollenlager aufgebaut?

Linearrollenlager funktionieren ähnlich wie Linearkugellager, haben aber anstelle der Kugeln zylindrische Rollen als Wälzkörper. Wie Linearkugellager setzen sich Linearrollenlager aus einer Führungsschiene, den Wälzkörpern, einem Läufer und einem Käfig als Rollenhalter zusammen.

Die Führungsschiene definiert die Bahn für die lineare Bewegung. Der Läufer, auch als Wagen bezeichnet, bewegt sich entlang der Führungsschiene und hat spezielle Nuten oder Laufbahnen, in denen die Rollen laufen. Die zwischen der Führungsschiene und dem Läufer platzierten Wälzkörper bestehen aus zylindrischen Rollen. Aufgrund der größeren Kontaktfläche im Vergleich zu Kugeln, ermöglichen die zylindrischen Rollen eine bessere Lastverteilung. Daher können Linearrollenlager bei gleicher Größe wie Linearkugellager oftmals höher Lasten bewältigen. Aufgrund der hohen Steifigkeit sind Linearrollenlager zudem sehr robust und daher ideal für hochpräzise Industrieanwendungen, z. B. in Werkzeugmaschinen, Bearbeitungszentren, in der Automatisierungstechnik (z. B. Roboter oder Fertigungsstraßen), in der Halbleiter- und Elektronikfertigung, in der Druckindustrie und Papierverarbeitung, in Linearführungen von Förderbändern oder aber auch in verschiedensten Geräten der Medizintechnik, um nur wenige Beispiele zu nennen.

Welche Faktoren beeinflussen die Auswahl von Linearlagern in der Praxis?

Bei der Auswahl von Linearlagern sind einige wichtige Aspekte zur berücksichtigen, die im Wesentlichen durch das jeweils gewünschte Einsatzgebiet bestimmt werden, hierzu gehören die Belastung, der Verfahrweg, die erforderliche Genauigkeit, der Bauraum, die Geschwindigkeit, die Umgebungsbedingungen sowie die Lebensdauer.

• Belastung – Die maximale Belastung, die auf ein Lager in einer konkreten Anwendung einwirken, müssen bekannt sein. Hierzu zählen sowohl Druck-, Zug- und Querkräfte als auch die Drehmomente.

• Verfahrweg – Der benötigte Verfahrweg bestimmt, ob sich ein Lager mit unbegrenztem Verfahrweg eignet oder aber bestimmte Hubgrenzen berücksichtigt werden müssen.

• Präzision – Die geforderte Positioniergenauigkeit und Steifigkeit eines Systems beeinflussen die Wahl der Lagerart, also ob sich eher ein Linearkugel- oder Linearrollenlager eignet.

• Bauraum – Der für eine Lösung vorhandene Bauraum begrenzt die Auswahl an Lagergrößen und Lagerbauformen.

• Geschwindigkeit – Sind für eine Anwendung hohe Verfahrgeschwindigkeiten erforderlich, müssen möglicherweise Linearlager mit optimierter Kugelumlenkung eingesetzt werden.

• Umgebungsbedingungen – Wie bei vielen anderen Komponenten, spielen auch bei Linearlagern die Umgebungsbedingungen eine entscheidende Rolle für deren Auslegung. So können bspw. Temperaturen, Schmutz, Feuchtigkeit oder besonders aggressive Umgebungen den Einsatz spezieller Materialien für die Linearlager wie z. B. Edelstahl oder spezifische Abdichtungen notwendig machen.

• Wirtschaftlichkeit – Die Einsatzgebiete von Linearlagern bestimmen außerdem deren Haltbarkeit und damit letztendlich die Wirtschaftlichkeit einer konkreten Lösung. Daher ist bei der Auswahl eines Lagers für eine spezifische Anwendung immer auch dessen voraussichtliche Lebensdauer im Betrieb zu berücksichtigen.

Anbieter von Linearlagern (Auszug):

• Braun Wälzlager

• Eriks

• Ewillix

• Exxellin

• Findling Wälzlager

• Ha-Co

• Harhues & Teufert

• HC-Maschinentechnik

• Igus

• LSC

• Misumi

• MPS Micro Precision System

• NSK

• Rodriguez

• Rollon

• Saint-Gobin

• SDK Kugellager

• THM

• THK

Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen

Ewellix, Wikipedia, Misumi, LSC Linear Service Center, Braun Wälzlager, Eriks, Firgelli Automations, GGB, Developmentscout, Igus, Igus, THA, Lishui Yongrun, Braun Wälzlager

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