In diesem Artikel werden wir uns mit der Verwendung von Linear Lagern in Mechanismen befassen, die eine präzise Führung und Positionierung in einer einzigen Richtung, sei es linear oder rotierend, gewährleisten. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, eine ausreichende Steifigkeit in allen anderen Richtungen zu gewährleisten, um den Mechanismus effektiv zu führen. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf der Untersuchung der Unterschiede zwischen Kreuzrollen Linearführungen und Kugelumlaufführungen und der Bestimmung der Umstände, unter denen sich die eine gegenüber der anderen als vorteilhaft erweist.
Zunächst einmal: Was ist ein Kreuzrollenführung und was ist ein Kugelumlaufführung?
Ein Kreuzrollenführung besteht hauptsächlich aus zwei Schienenpaaren mit einem Rollenkäfig zwischen den Schienen (siehe nächstes Bild). Die Rollen sind so ausgerichtet, dass das Lager in allen anderen Richtungen steif ist.
Ein Kugelumlaufführung besteht aus einer Schiene und 2 Umlenkeinheiten, die die Kugeln des Lagers führen (siehe Bild). Durch die Rückführung der Kugeln kann der Hub eines Kugelumlaufführung theoretisch unendlich sein.
Wenn zwei verschiedene Lagertypen miteinander verglichen werden sollen, müssen die wichtigsten Eigenschaften eines Lagers bekannt sein. Da PM-Lager hauptsächlich für hochpräzise Führungen und Positionierungen eingesetzt werden, sind die folgenden Eigenschaften wichtig:
Hub, Geschwindigkeit und Beschleunigung
Bewegungswiderstand
Genauigkeit und Wiederholbarkeit
Steifigkeit
Belastbarkeit
Hub, Geschwindigkeit und Beschleunigung sind je nach Anwendung unterschiedlich. Sowohl Kreuzrollenführungen als auch Kugelumlaufführungen können für Hochgeschwindigkeits- und Hochbeschleunigungsanwendungen eingesetzt werden. Wenn ein großer Hub erforderlich ist, sind Kugelumlaufführungen gegenüber Kreuzrollenführungen vorzuziehen, da Kreuzrollenführungen einen begrenzten Hub haben.
Wenn kleine oder mittlere Hübe benötigt werden, können diese sowohl durch ein Kreuzrollenführung als auch durch ein Kugelumlaufführung abgedeckt werden. In der Vergangenheit waren mittlere Hübe mit Kreuzrollenführungen schwer zu realisieren. Durch die Entwicklung von Linearführungen mit auslaufende Käfige können jedoch auch größere Hübe realisiert werden. PM bietet Linearführungssätze mit einer Standardhublänge an, die Sätze können auf dieser Seite ausgewählt werden.
Da Kreuzrollenführungen hauptsächlich für hochpräzise Führungen und Positionierungen eingesetzt werden, ist der Bewegungswiderstand des Lagers ein kritischer Faktor. Dies ist ein kritischer Faktor, da ein höherer Widerstand im Allgemeinen zu einer geringeren Genauigkeit und Wiederholbarkeit führt. Der Widerstand eines Kontaktlagers hängt von mehreren Faktoren ab. Zunächst einmal führt die in den Lagern vorhandene Reibung zu einem Widerstand. Die Berührung von Oberflächen mit einer relativen Geschwindigkeit zueinander verursacht also einen Widerstand während der Bewegung. Dies ist jedoch nicht der einzige Faktor, der den Widerstand in einem Kontaktlager verursacht.
Um Steifigkeit in einem Kontaktlager zu erzeugen, muss das Linear Lager vorgespannt werden oder es muss eine bestimmte äußere Kraft auf das Lager ausgeübt werden. Diese (Vorspannungs-)Kraft verursacht kleine lokale (elastische) Verformungen im Lager selbst aufgrund der Hertz'schen Kontakte. Wenn sich das Lager bewegt, bewegen sich auch die Orte dieser kleinen Verformungen. Die Bewegung dieser Verformungen kostet Energie und verursacht daher einen Widerstand im Lager. Ein weiterer Faktor, der den Bewegungswiderstand in einem Kontaktlager verursacht, ist die Schmierung. Die Schmierung dient dazu, die Lebensdauer eines Lagers zu verlängern. Die Viskosität des Schmierstoffs verursacht jedoch im Allgemeinen einen Widerstand im Lager. Weitere Informationen über den Einsatz von Schmierung in Linearführungen finden Sie hier.
In Bezug auf den Bewegungswiderstand ist das Kreuzrollenführung dem Kugelumlaufführung deutlich besser. Das liegt daran, dass die Kugeln die meiste Zeit in Kontakt miteinander sind. Im Kugelumlaufkanal wird diese Reibung noch verstärkt, da die Kugeln ein gewisses Spiel haben. Da sie ein gewisses Spiel in der Rinne haben, entsteht Reibung zwischen den Kugeln und der Rinne (siehe nächstes Bild). Das durch diese Reibung verursachte Verlustverhältnis kann mit Formel berechnet werden. Dies ist bei linearen Kreuzrollenführung nicht der Fall. Bei linearen Kreuzrollenführungen verursacht nur der Käfig Reibung mit den Rollen und den Schienen, was jedoch einen relativ geringen Widerstand verursacht.
Linearführungen sind einer der wichtigsten Faktoren für eine hochpräzise Führung und Positionierung. Sowohl lineare Kreuzrollenführungen als auch lineare Kugelumlaufführungen haben eine gute Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Wenn es auf höchste Genauigkeit und Wiederholbarkeit ankommt, sind lineare Kreuzrollenführungen den Kugel- oder Rollenumlaufführungen vorzuziehen.
Bei Kugelumlaufführungen werden die Kugeln vorgespannt, wenn sie mit der Laufbahn in Berührung kommen. Bei der Kugelumlaufführung werden die Kugeln nicht vorgespannt. Die Be- und Entlastung der Kugeln führt zu Ungenauigkeiten in der dynamischen und stationären Genauigkeit. Bei Kreuzrollenlagern findet diese Be- und Entlastung der Rollen nicht statt und führt daher zu einer höheren dynamischen und stationären Genauigkeit (siehe Abbildung unter). Das Kreuzrollen Linearlager hat auch eine bessere Wiederholgenauigkeit als ein Kugelumlauflager. Das liegt daran, dass die Reibung in einem Kreuzrollenlager geringer ist, fast reibungsfrei. Dies führt zu einer besseren Wiederholgenauigkeit.
In hochpräzisen mechatronischen Positioniersystemen ist die Steifigkeit von großer Bedeutung. Eine hohe Steifigkeit führt zu einer geringeren Verformung, wenn Kräfte auf das System einwirken. Dies ist für die Genauigkeit des Systems von Vorteil. Darüber hinaus spielt die Steifigkeit eine entscheidende Rolle für das dynamische Systemverhalten. Eine höhere Steifigkeit führt zu höheren Eigenfrequenzen des Positioniersystems. Mit höheren Eigenfrequenzen kann eine höhere Regelbandbreite genutzt werden. Dies kann sich positiv auf die Gesamtleistung des Systems auswirken.
Die Steifigkeit von Kontaktlagern wird durch die Kontakte der Kugeln oder Rollen mit der Laufbahn erzeugt. Die Kontaktfläche eines Schiene-Rolle-Schiene-Kontakts ist viel größer als die eines Schiene-Kugel-Schiene-Kontakts.
Die Kontaktfläche ist ein entscheidender Faktor für die Steifigkeit eines Hertz'schen Kontakts. Daher ist die Steifigkeit eines Schienen-Rollen-Schienen-Kontakts bei gleicher Belastung höher als die Steifigkeit eines Schienen-Kugel-Schienen-Kontakts (siehe Abbildung). Daher ist die Steifigkeit eines linearen Kreuzrollenlagers der Steifigkeit einer Kugelumlaufbahn überlegen.
Die Tragfähigkeit ist ein wichtiger Parameter für ein Linearführung. Bei den meisten Anwendungen ist der verfügbare Platz begrenzt. Daher ist es von Vorteil, wenn ein kleineres Lager gewählt werden kann, das dennoch eine ausreichende Tragfähigkeit aufweist.
Die Tragfähigkeit eines Lagers hängt mit der Spannung zusammen, die im Lager auftritt, wenn eine Last auf das Lager einwirkt. Die Spannungskonzentration, die bei einem Kontakt Schiene-Kugel-Schiene auftritt, ist intensiver als bei einem Kontakt Schiene-Rolle-Schiene (siehe Abbildung). Daraus ergibt sich, dass ein Schiene-Rolle-Schiene-Kontakt eine höhere Tragfähigkeit hat als ein Schiene-Kugel-Schiene-Kontakt.
Daher hat ein Kreuzrollenführung eine höhere Tragfähigkeit als ein Kugelumlaufführung.
