Linearkugel- und Lineargleitlager im Vergleich

Gleiten oder Rollen?

| Redakteur: Silvano Böni

Gleiten versus Rollen: Drylin-Linearlager gleiten auf Hochleistungskunststoffen. Die höhere Kontaktfläche verteilt die Kraft und lässt den Einsatz ungehärteter Gegenlaufpartner zu. Durch die selbstschmierenden Eigenschaften der tribo-optimierten Kunststoffe kann zudem generell auf Öl und Fett in der Anwendung verzichtet werden.
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Gleiten versus Rollen: Drylin-Linearlager gleiten auf Hochleistungskunststoffen. Die höhere Kontaktfläche verteilt die Kraft und lässt den Einsatz ungehärteter Gegenlaufpartner zu. Durch die selbstschmierenden Eigenschaften der tribo-optimierten Kunststoffe kann zudem generell auf Öl und Fett in der Anwendung verzichtet werden. (Bild: Igus)

In der Lineartechnik wird wie bei allen Lagern grundsätzlich zwischen zwei Arten unterschieden: den Gleit- und den Wälzlagern. Letztere werden oft nach dem Hauptvertreter ihrer Gruppe, den Kugellagern, benannt und waren lange alternativlos. Spezielle Materialien machten die Gleitlager aber mittlerweile zur leistungsstärkeren Lager-Variante.

Historisch betrachtet sind Gleitlager die einfachste und älteste Form der Lagerung. Schon die alten Ägypter transportierten die Steinblöcke für ihre Pyramiden auf Schlitten, die über speziell gehärtete Transport­rampen und mit einer Schmierung aus Schlamm und Wasser gezogen wurden. Auflagenfläche sowie Schlitten und Seile als Führung für eine geradlinige, translative Bewegung. Dieses uralte Prinzip gilt im Grunde noch heute für die Werkzeugführung im modernen Maschinen- und Anlagenbau. Die grosse Kontaktfläche garantierte eine hohe statische Tragfähigkeit, bedeutete aber zugleich einen enormen Bewegungswiderstand, der nur durch einen massenhaften Einsatz menschlicher und tierischer Zugkraft überwunden werden konnte.

Mit der Industrialisierung gewannen Gleitlager und Wälzlager aus Metall zunehmend an Bedeutung. Die Entwicklung von Wälzlagern beruhte auf dem Bestreben, die Reibung und damit die notwendige Antriebskraft weiter zu verringern. Der Flächen- wurde zu einem Punktkontakt vermindert und es konnte eine reibungsarme Führung der Welle oder Achse erreicht werden. Durch die geringere Reibung konnte ebenfalls die Wärmeentwicklung reduziert werden. Auch der Verschleiss und der Bedarf an Schmiermitteln waren im Vergleich zu Gleitlagern geringer. Elementarer Bestandteil aller Wälzlager sind die sogenannten Wälzkörper. Die am häufigsten verwendete Bauart sind dabei Kugeln, die meist aus Stahl gefertigt werden. Bei Linearkugellagern werden die Wälzkörper in einer Kugelreihe in einem axialen Umlauf bewegt. Die Lastaufnahme erfolgt beim linearen Umlauf immer über die innere Kugelführungsreihe, während die äussere entgegen der Bewegung entlastet zurückgeführt wird, gilt die Regel, dass, je mehr Kugeln eingesetzt werden, sich die Belastbarkeit erhöht, damit aber auch Reibung und Verschleiss.

Der gegenseitige Kontakt der Kugeln erfordert eine permanente Schmierung der Kugellager. Sie sind deshalb wartungsanfällig und besonders empfindlich gegen Verschmutzung und Feuchtigkeit, weshalb sie häufig mit Deck- und Dichtscheiben ausgestattet werden. Der innere Aufbau aus Kugeln und Käfig verursacht ausserdem eine relativ hohe Anfälligkeit gegen externe Stösse und Schwingungen. Folglich ist ihr Lauf mitunter weder vibrations- noch geräuscharm. Auch die mögliche Laufgeschwindigkeit wird durch die Massenträgheit der Kugeln begrenzt. Insgesamt waren Kugellager aber eine bedeutende technische Neuerung, die solange alternativlos blieben, solange nicht spezielle Materialien die Gleitlager zur leistungsstärkeren Lager-Variante machten und die ursprünglichen Nachteile, Schmierstoff- und Wartungsbedarf, nicht zu einem Vorteil der Gleitlager modifiziert wurden.

Das Potenzial der Tribokunststoffe

Durch die Entwicklung von Hochleistungskunststoffen eröffneten sich auch im Bereich der Gleitlager neue Möglichkeiten. Tribologisch optimierte Materialcompounds erlauben inzwischen die Herstellung von Polymergleitlagern, die gänzlich ohne Schmierung auskommen. Gleitelemente und Gegenlaufpartner aus Tribokunststoffen weisen optimale Verschleiss- und Reibwerteigenschaften auf. Im Gegensatz zu Metalllagern, die korrosionsanfällig sind und deshalb gerade im Ausseneinsatz ständig geölt oder gefettet werden müssen, sind Kunststofflager universell verwendbar. Sie sind gegen Feuchtigkeit wie Hitze gleichermassen widerstandsfähig. Anlagen, wie beispielsweise Verpackungsmaschinen, die mit Polymergleitlagern ausgestattet sind, profitieren von der hohen Lebensdauer und der Verschleissfestigkeit der Kunststoffe. Kostspielige Stillstandszeiten durch Wartung oder Ausfall der Maschinen entfallen.

Kunststoff vs. Metall

Exemplarisch kann der technische Vorteil der Polymergleitlager (auch Gleitbuchsen genannt) gegenüber den Kugellagern (Kugelbuchsen) im Bereich der Linear- und Antriebstechnik nachgewiesen werden. Durch die grössere Kontaktfläche und geringere Flächenpressung können auch weichere Wellen- oder Achsenwerkstoffe (zum Beispiel Aluminium oder Kohlefaser) eingesetzt werden, was unter anderem eine weitere Gewichtsreduktion ermöglicht.

Weil kein mechanisches Abrollen harter Reibungspartner und keine Kollision der Wälzkörper erfolgt, erzeugt das Gleiten weit weniger Geräusche oder Vibrationen. Auch das Aneinanderreihen von Führungsschienen, um grössere Hublängen zu ermöglichen, ist mit Lineargleitlagern weitaus einfacher, weil die entstehenden Nuten von Gleitelementen weitaus besser überfahren werden können als von Kugeln. Ein wesentlicher, materialbedingter Nachteil aller Wälzlager besteht in der Begrenzung der zulässigen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Maximalwerte sind limitiert, gerade bei geringen Lasten. Polymere Gleitbuchsen warten hingegen mit hohen Beschleunigungen auf und erhöhen in vielen Anwendungen die Taktzahlen deutlich. Der wichtigste Trumpf besteht aber in der Lebensdauer. Lager aus Hochleistungspolymeren sind oftmals langlebiger als es ein herkömmliches Kugellager jemals sein kann. Darüber hinaus lässt diese sich durch Programme berechnen. In den letzten Jahren gab es auch grosse Fortschritte in puncto Präzision und Reibwerten. In Einsatzgebieten, in denen bisher auf Alternativen gesetzt wurde, werden bereits heute Kunststoffgleitlager eingesetzt und ersetzen dort herkömmliche Kugelbuchsen.

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Fazit

Die Linearlagertechnik hat bedeutende Fortschritte gemacht. Kugelbuchsen waren lange Zeit das Nonplusultra für lineare Antriebe. Doch reibungsarme Hochleistungskunststoffe haben einen neuen Standard in puncto Schmiermittel- und Wartungsfreiheit gesetzt. Gleitbuchsen sind anwendungsfreundlicher, betriebssicherer im Lauf und damit letztlich auch kostengünstiger. In der Auseinandersetzung «Gleiten versus Rollen» sind daher heute moderne Polymergleitlager die klaren Punktsieger. SMM

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