Was begrenzt die Geschwindigkeit des Linearlagers? (Teil 1)

Von Danielle Collins | 28. Mai 2017

Hochgeschwindigkeitsbewegungen sind eine Voraussetzung für Anwendungen, bei denen der Durchsatz ein entscheidender Faktor ist, wie z. B. Verpackung und elektronische Montage. Diese Systeme verwenden typischerweise Linearmotoren oder stahlverstärkte Riemenantriebe in Verbindung mit umlaufenden Linearlagerführungen für gute Steifigkeit und hohe Belastbarkeit. Die für diese Anwendungen erforderlichen Geschwindigkeiten können jedoch eine Herausforderung für lineare Umlauflager darstellen, die typischerweise für maximale Geschwindigkeiten von 3 m/s (9,8 ft/s) ausgelegt sind.

Je nach Art der Linearführung und Hersteller kann ein Belastungsfaktor zwischen 2 und 4 empfohlen werden, wenn die maximale Geschwindigkeit 2 m/s (6,6 ft/s) überschreitet. Bei der Berechnung der Lagerlebensdauer wird die dynamische Belastbarkeit des Lagers durch den Belastungsfaktor dividiert. Dies geschieht, um Vibrationen und Stöße zu berücksichtigen, die bei hohen Geschwindigkeiten auftreten.

Linearkugellager mit Kugelumlauf verfügen über sehr gute Laufeigenschaften, mit Rollkontakt zwischen hochbearbeiteten Oberflächen und minimaler Reibung (bei ordnungsgemäßer Schmierung). Warum ist ihre Höchstgeschwindigkeit begrenzt?

Die Antwort hängt mit der Beschleunigung und dem zweiten Newtonschen Bewegungsgesetz zusammen: F = ma (Kraft = Masse x Beschleunigung).

Denken Sie daran, dass die Kugeln in linearen Umlauflagern ihre Richtung ändern, wenn sie sich von der tragenden Zone in die Umlaufzone bewegen. Dazu müssen sie abbremsen, während sie vom Umwälzmechanismus um die Endkappe herumgeführt werden. Diese Verzögerung erzeugt eine Kraft auf die Rezirkulationselemente – insbesondere auf die Endkappe des Lagerblocks. Je höher die Geschwindigkeit der Kugeln (bezogen auf die Geschwindigkeit des Lagerblocks), desto größer ist die Verzögerung und desto höher sind die Kräfte auf die Endkappe (zurück zu F = ma).

In einem linearen Umlauflager ändern die Kugeln ihre Richtung, während sie durch den Lagerblock wandern. Dadurch entstehen hohe Kräfte auf die Rezirkulationselemente und Endkappen. Bildnachweis: Schaeffler Gruppe Inc.

Wenn man das Prinzip der Rezirkulation versteht, sieht man dasEs gibt zwei Möglichkeiten, mit linearen Kugelumlauflagern höhere Geschwindigkeiten zu erreichen: Verwenden Sie eine Endkappe, die höheren Kräften standhält, oder reduzieren Sie die Masse der Kugeln.

Tatsächlich bieten die meisten Linearlagerhersteller Kugelumlauflager mit verstärktem Umlaufmechanismus, einschließlich Endkappen, an. Dies ist häufig die Konstruktion für Linearlager mit der Bezeichnung „Hochgeschwindigkeit“ mit Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 5 m/s (16,4 ft/s).

Einige Hersteller bieten auch Hochgeschwindigkeits-Linearumlauflager mit Kugelketten (auch als Kugeltrenner, Kugelabstandshalter oder Kugelkäfige bezeichnet) an, da sie den Kontakt zwischen den Kugeln verhindern, wodurch Reibung und Wärme weiter reduziert werden und sichergestellt wird, dass jede Kugel konstant mit Strom versorgt wird und ausreichende Schmierung.

Kugelketten sorgen dafür, dass jede Kugel eine konstante und ausreichende Schmierung erhält. Bildnachweis: THK

Die andere Alternative besteht darin, die Masse der Kugeln zu reduzieren und dadurch die Kräfte zu verringern, die während der Rezirkulation auf die Endkappen ausgeübt werden. Um dies zu erreichen, bieten einige Hersteller Linearlagerböcke mit Keramikkugeln an. Keramik wird verwendet, weil sie ein niedriges Masse-zu-Festigkeits-Verhältnis aufweist und gute Rolleigenschaften bei der Verwendung auf einer Stahloberfläche aufweist. Linearlager mit Keramikkugeln können Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s (32,8 ft/s) erreichen, ihre dynamische Belastbarkeit ist jedoch im Vergleich zu ähnlichen Lagern mit herkömmlichen Stahlkugeln um bis zu 30 Prozent reduziert.

Als nächstes betrachten wir Faktoren, die die Geschwindigkeit von Lineargleitlagern begrenzen.

Bildnachweis des Beitrags: Federal Highway Administration