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Linearführung

Profilschienenführungen Teil 1: Grundlagen zum Konstruieren

| Autor: Stefanie Michel

Ebenso umfangreich wie die Anwendungsbereiche ist die Produktpalette der Linearführungen. Die Serie „Profilschienenführung als idealer Partner“ will dem Konstrukteur die Voraussetzungen liefern, die richtige Auswahl für seine Anwendung zu finden. Unterscheidungskriterien und Merkmale von Wälzführungen stehen im ersten Teil im Mittelpunkt.

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Profilschienenführungen: Wie findet der Konstrukteur die richtige Linearführung beziehungsweise Wälzführung für seine Anwendung?
Profilschienenführungen: Wie findet der Konstrukteur die richtige Linearführung beziehungsweise Wälzführung für seine Anwendung?
(Bild: Bosch Rexroth)

In Maschinen übernehmen die Linearführungen Führungsaufgaben unterschiedlicher Genauigkeit. Man unterscheidet dabei Wälz-, Gleit- und Magnetführungen, die auf einem unterschiedlichen Funktionsprinzip beruhen, und daher verschiedene Eigenschaften aufweisen. Bei Belastbarkeit, Geschwindigkeit oder Betriebssicherheit, schneiden Wälzführungen im Vergleich zu den anderen Führungen hervorragend ab. Im Gesamtvergleich aller Führungsvarianten sind sie zudem beim Preis-Leistungsverhältnis im Vorteil (Bild 1). So haben die Wälzführungen mehr und mehr die Gleitführungen verdrängt und stellen heute den Standard bei linearen Bewegungen dar.

Linearführungen mit oder ohne Wälzkörperumlauf

Die Funktion der Wälzführung basiert auf Wälzkörpern, die sich zwischen der feststehenden Führungsschiene und dem Führungswagen befinden, um die Belastung zu übertragen. Man unterscheidet zwischen Führungen mit und ohne Wälzkörperumlauf. Während Letztere zwar Bauraum sparen, aber wegen einer festen Anzahl Wälzkörper nur einen begrenzten Hubweg zurücklegen, ist der Hub bei Führungswagen mit Wälzkörperumlauf nur von der Schienenlänge begrenzt. Die Wälzkörper selbst werden nach der Lastübertragung über den Rücklauf immer wieder zurückgeführt. Als Wälzkörper können sowohl Kugeln als auch Rollen eingesetzt werden. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Geometrie weisen sie auch verschiedene Formen der Berührfläche auf, was sich wiederum in unterschiedlichen Eigenschaften widerspiegelt. Kugeln berühren eine Ebene nur in einer kleinen Kreisfläche; im Falle einer Linearführung eine Ellipse, da die Laufbahn die Form einer Rille besitzt. Trotzdem ist die Kontaktfläche relativ klein, die Flächenpressung dadurch entsprechend hoch. Um die Auflagefläche und damit die Lastverteilung zu vergrößern, setzt man Laufbahnen mit entsprechender Schmiegung ein. Sie sind bogenförmig und „schmiegen“ sich an die Kugeloberfläche, so dass sich Tragfähigkeit, Steifigkeit und letztendlich auch die Lebensdauer erhöhen.

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Profilschienenführung Teil 2: Auswahl der geeigneten Führung

Form des Kontakts entscheidet über die Tragfähigkeit

Im Gegensatz zu Kugeln sind die Kontaktflächen von Rollenwälzkörpern linienförmig und deutlich größer. Zudem verformen sie sich weniger stark. Dadurch ist es möglich, größere Kräfte zu übertragen oder, im Vergleich zu den Kugeln, kleinere Baugrößen bei gleicher Belastung zu nutzen. Rollen unterscheiden sich in ihrem Profil: logarithmisch oder zylindrisch. In ihrem elastischen Einfederungsverhalten (elastische Verformung) sind sie zwar vergleichbar, aber nur beim logarithmischen Profil wird die Kraft homogen auf der Laufbahn verteilt und somit die Lebensdauer erhöht (Bild 2).

Bei Kugelwälzkörpern wirkt sich auch die Laufbahngeometrie auf die Tragfähigkeit aus. Kreisbogenförmige Laufrillen bestehen aus zwei Laufbahnen mit Schmiegung. Sie weisen nur zwei Kontaktpunkte (je einen Kontaktpunkt an Führungsschiene und Führungswagen) mit der Kugel auf und bewegen einen Führungswagen über vier Laufbahnen (Bild 3). Dagegen entsteht bei der Gotikbogenlaufrille (spitzbogenartiges Profil der Laufbahnen) ein Vier-Punkt-Kontakt am Wälzkörper. Dies lässt eine kompaktere Bauweise zu, denn hier bewegt sich der Führungswagen über zwei Laufbahnen.

Vorspannung und Reibung: Wann und wie es besser läuft

Zum Erhöhen der Steifigkeit der Profilschienenführungen lassen sich die Führungswagen vorspannen, um elastische Verformungen des Wälzkörpers unter Belastung vorweg zu nehmen. Wälzkörper mit einem definierten Übermaß, also Kugeln mit eigentlich zu großem Durchmesser, müssen zwischen Führungsschiene und Führungswagen Platz finden, indem der Wagen elastisch aufgeweitet wird. Ein großes Übermaß bedingt folglich eine hohe Vorspannung und damit eine geringere Verformung sowie eine höhere Steifigkeit des Gesamtsystems (Bild 4). Die Höhe der Vorspannung gibt Rexroth in Abhängigkeit von der dynamischen Tragzahl C in bis zu vier Vorspannungsklassen (C0 bis C3) an: so benötigen besonders leichtgängige Führungssysteme mit geringen äußeren Einflüssen wenig bis keine Vorspannung, während für hochsteife, präzise Führungssysteme oft die höchste Vorspannung eingesetzt wird. Allerdings erhöht sich mit steigender Vorspannung ebenso die Belastung des Führungswagens, was sich negativ auf die Lebensdauer auswirkt.

Die Reibungskraft wird nicht nur von der Belastung sondern auch von den eingesetzten Dichtungen sowie dem Wälzkontakt beeinflusst. Sie ist das Produkt aus dem Reibungskoeffizienten und der Kraft senkrecht zur Kontaktfläche (Normalkraft). Abhängig von der Art der Wälzkörper (Kugel, Rolle) und den Kontaktverhältnissen (Zwei-Punkt- oder Vier-Punkt-Kontakt, Schmiegung) liegen die Reibungskoeffizienten bei den Linearführungen zwischen 0,0004 und 0,004. Doch diese Werte gelten nur für die reine Rollreibung, also ohne den Einfluss von Dichtungen.

Je nach Anwendung große Auswahl an Dichtungen

Dichtungen können je nach Ausführung einen großen Anteil an der Gesamtreibung haben. Sie sind aber unverzichtbar um das Eindringen von Schmutz oder Spänen in das System zu verhindern. Je nach Anwendung gibt es verschiedene Arten. Standardmäßig sind Frontdichtungen in Bewegungsrichtung angebracht. Da bei Linearlagern ein Schmierfilm vorliegt, ist der Verschleiß der Dichtungen gering. Längs der Führungswagen können auch Längsdichtungen vorgesehen werden. Sie wirken genau wie Wälzlager-Dichtungen, bei denen die Dichtungsinnenseite und die verschmutzte Außenseite voneinander getrennt sind. In Umgebungen mit starker Späne- oder Staubentwicklung können die Profilschienenführungen mit weiteren Zusatzdichtungen versehen werden, die zusätzlich die Stirnseiten der Führungswagen abdichten. Je höher die Dichtwirkung, desto höher ist allerdings auch der Verschiebewiderstand. Deshalb versucht Rexroth in seinen Produkten durch Geometrieoptimierung und mit speziellen Polymerwerkstoffen eine optimale Dichtwirkung bei geringstmöglichen Widerstand zu erreichen.

Richtig geschmiert: Schmierung trennt Wälzkörper von Linearführung

Ein weiteres wichtiges Merkmal bei Linearlagern ist die Schmierung. Um Reibung und Verschleiß zu minimieren sowie zur Vermeidung von Korrosion, trennt sie Wälzkörper und Laufbahn voneinander. So können die Dichtelemente ruckfrei gleiten und die Dichtungen selbst werden geschont. Zudem entscheidet auch der eingesetzte Schmierstoff neben den Betriebsbedingungen über die Lebensdauer von Linearlagern.

Bei Stillstand der Führung liegt Festkörperreibung (Grenzschmierung) zwischen Wälzkörper und Laufbahn vor. Erst eine zunehmende Geschwindigkeit sorgt dafür, dass die beiden Festkörper nach und nach durch den Schmierfilm voneinander getrennt werden. Bei geringer Verfahrgeschwindigkeit bildet sich ein dünner Schmierfilm, doch zum Teil besteht noch Kontakt zwischen den Wälzpartnern (Teilschmierung bei Mischreibung). Ab einer bestimmten Geschwindigkeit, nachdem sich der Schmierfilm vollständig entwickelt hat, entsteht Vollschmierung bei niedriger Reibung. Je höher die Viskosität des Schmierstoffes desto geringer ist die für den tragenden Schmierfilm erforderliche Geschwindigkeit. Weitere Hinweise zur Schmierung, wie Produktempfehlungen oder Schmierintervalle, können dem „Handbuch Lineartechnik“ entnommen werden.

Mit Wälzkörpern dynamische Anwendungen realisieren

Mit Hilfe von Wälzkörpern lassen sich über Profilschienenführungen linear Lasten bewegen und Prozesskräfte abstützen. Profilschienenführungen bestehen aus einer profilierten Führungsschiene und einem Führungswagen (Bild 5), der sich wiederum aus mehreren Einzelteilen zusammensetzt. Der Führungswagen besitzt einen Wälzkörperumlauf, der aus Vorlauf und Rücklauf besteht. Im Vorlauf übertragen die Wälzkörper die aufliegende Last auf die Schiene oder umgekehrt, während im Rücklauf die dann unbelasteten Wälzkörper wieder zurückgeführt werden.

Neben der geringen Rollreibung zeichnen sich Profilschienenführungen durch besonders hohe Genauigkeit aus. Jeder Hersteller teilt sie in verschiedene Genauigkeitsklassen ein, denen unterschiedliche Toleranzen zugeordnet sind, denn die geometrische Genauigkeit ist ein entscheidendes Fertigungs- und Auswahlkriterium in der Lineartechnik.

Dieser Beitrag erschien erstmals 2009 in der Fachzeitschrift „konstruktionspraxis“.

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt