Kugelbuchsen, die alternativ auch als „Kugelbüchsen“ oder „Linearkugellager“ bezeichnet werden, sind ein wichtiges Produkt in der Lineartechnik. Dieser Beitrag behandelt die verschiedenen Varianten von Kugelbuchsen sowie ihre Eigenschaften, gibt euch aber zuvor grundlegende Informationen hinsichtlich ihrer Geschichte, ihrer Merkmale und ihres Aufbaus.
Geschichte
Kugelbuchsen gelten als das älteste Produkt mit Wälzkörperumlauf aus dem Bereich Lineartechnik und somit als das erste, das unter den Begriff „Linearführung“ gefasst werden konnte. Die Anfänge der Kugelbuchsen lassen sich im Ersten Weltkrieg datieren. Damals wurden sie entwickelt, um die Klappen der Leitwerke von Militärmaschinen der USA zu bewegen, die auf Drahtseilen liefen. Die ersten Kugelbuchsen, wie man sie in heutiger Form kennt, wurden dann jedoch erst einige Dekaden später, nämlich in den 1940er Jahren, entwickelt. Heutzutage sind Kugelbuchsen nach DIN ISO 10285 und DIN ISO 14728 genormt.
Merkmale und Aufbau
Bei Kugelbuchsen lassen sich zwei grundsätzliche Bauarten unterscheiden: Standard- und Super-Kugelbuchsen.
Standard-Kugelbuchsen bestehen aus einem Metall-Außenzylinder, Kugeln als Wälzkörpern, die von einem Käfig geführt werden, sowie optional Dichtungen.
Der Aufbau der Super-Kugelbuchsen ähnelt im Allgemeinen dem der Standardversion; ihre Wälzkörper sind ebenfalls Kugeln und auch hier können, wenn erforderlich, Dichtungen eingesetzt werden. Anders als Standard-Kugelbuchsen besitzen sie jedoch einen Kunststoff-Körper, in den die Laufbahnen, die aus Stahl bestehen, eingelegt sind.
Tragfähigkeit
Im Vergleich zu Linearführungen und Nutwellenführungen weisen Kugelbuchsen eine deutlich geringere Tragfähigkeit auf. Die Wälzkörper laufen auf einer Welle und besitzen einen minimalen Punktkontakt zur Welle, weshalb es für Kugelbuchsen nicht möglich ist, relativ schwere Lasten aufzunehmen. Mehr Informationen zum Thema Tragzahlen sind hier auf lineartechniklernen.de zu finden.
Dazu variiert die Tragfähigkeit von Kugelbuchsen je nach Anordnung der Laufbahnen bzw. Anzahl von Umläufen. Dabei gilt: je mehr Umläufe und je größer der Durchmesser der Kugelbuchse, desto höher ist die Tragfähigkeit. Mit Blick auf geschlossene und einstellbare Kugelbuchsen wird, abhängig davon, wie die Kraft auf die Wälzkörperreihe trifft, von einem „gerichteten“ oder „ungerichteten Einbau“ gesprochen. Wenn eine Kugelbuchse gerichtet eingebaut wird, werden die Kugelumläufe so ausgerichtet, dass sich die Kraft optimal auf die Umläufe verteilt, sodass die maximale Tragfähigkeit erreicht werden kann; zugleich erhöht sich die nominelle Lebensdauer. Die Tragzahlen aus den Datentabellen erhöhen sich um einen Faktor, der in Abhängigkeit von der Anzahl der Kugelumläufe im Katalog angegeben ist. Beim ungerichteten Einbau wird die Lage der Kugelumläufe bei der Montage nicht weiter berücksichtigt. Die in den Datentabellen angegebenen Tragzahlen sind die Minimalwerte, die für die ungünstigste Lage der Kugelumläufe bei ungerichtetem Einbau gelten.
Der Katalogwert C bezieht sich auf den ungerichteten Einbau, die maximale Tragzahl Cmax auf den gerichteten Einbau.
Bei offenen Kugelbuchsen ist ein gerichteter bzw. ungerichteter Einbau nicht möglich. Hier wird zwischen der Belastung in Radial- bzw. in Gegenradialrichtung unterschieden. Wenn die Kugeln in Zugrichtung belastet werden, ist die Tragzahl schließlich geringer, da die Kugelbuchsen dazu neigen, aufzubiegen.
Schmierstoffbedarf
Durch den Punktkontakt benötigen Kugelbuchsen wenig Schmierstoff. Zwar verlieren sie im laufenden Betrieb Fett, da es sich dabei jedoch lediglich um geringe Mengen handelt und Kugelbuchsen in keinen hochdynamischen Einsatzgebieten verwendet werden, ist dies in der Praxis kein ausschlaggebender Faktor. Aufgrund dieses geringen Schmierstoffbedarfs sind Kugelbuchsen in vielen Anwendungen nach der Erstbefettung wartungsfrei. Es ist eher eine Ausnahme als Regel, dass Kugelbuchsen im Außenkörper eine Schmierbohrung zur Nachbefettung besitzen. Außerdem hängt der Schmierstoffbedarf selbstverständlich von der einzelnen Anwendung ab.
Reibwert
Die minimale Kontaktfläche aufgrund des Punktkontakts führt außerdem – im Vergleich zu Kugelgewindetrieben und Linearführungen – zu einem noch geringeren Reibwert zwischen Wälzkörpern und Laufbahn. Kugelbuchsenführungen gelten als sehr leichtgängig.
Umlenkarten
Es gibt mit der tangentialen und radialen Umlenkung zwei verschiedene Umlenkarten für Kugelbuchsen. Die heute zumeist verwendete Art ist die tangentiale Umlenkung: Die belasteten Kugeln werden in den Käfig geführt, bevor sie anschließend unbelastet und ohne Kontakt zur Welle rückgeführt werden. Die tangentiale Umlenkung ist die kompakte Bauart.
Als Alternative lässt sich die radiale Umlenkung nennen, bei der es eine Vielzahl von Kugelumläufen gibt, die – wie bei einer Schienenführung – in einer Endkappe in eine Rücklaufbohrung im Mutternkörper oberhalb der Laufbahnen zurückgeführt werden. Zwar können mit dieser Umlenkungsart höhere Tragzahlen als mit der tangentialen Umlenkung erreicht werden, doch wegen zu hoher Kosten wird diese radiale Umlenkung in heutigen Kugelbuchsen nicht mehr eingesetzt. Insbesondere seit Entwicklung der relativ preisgünstigen Profilschienenführungen rentiert sich ihre Herstellung nicht mehr, weshalb die radiale Umlenkung inzwischen auch kaum mehr auf dem Markt zu finden ist.
Die tangentiale Umlenkung (links) kommt heute sowohl in Standard- als auch Super-Kugelbuchsen zum Einsatz, während die radiale Umlenkung (rechts) in neuen Produkten nicht mehr zu finden ist.
Einsatzgebiete
Kugelbuchsen eignen sich für Anwendungen, bei denen wenig Last bewegt wird und keine hohen Genauigkeiten eingehalten werden müssen. Als typische Anwendungsbereiche lassen sich Büro- und Verpackungsmaschinen nennen, aber auch in der Medizintechnik kommen sie üblicherweise zum Einsatz.
Kugelbuchsen der Marke SNR
Da sich die Produkte einzelner Hersteller voneinander unterscheiden, wird im Folgenden schwerpunktmäßig und auszugsweise auf ein paar Produkte der Marke SNR eingegangen.
Standard-Kugelbuchsen in ISO-Abmessung sind hierbei als Einzel-, oder Tandemausführung in geschlossener, einstellbarer und offener Bauform konzipiert. Superkugelbuchsen gibt es nur in Einzelausführung in offener und geschlossener Bauform. Daneben sind zylindrische Standard-Einzel-Kugelbuchsen in JIS-Abmessung und geschlossener Ausführung erhältlich. Gleiches gilt auch für Kugelhülsen, einer weiteren Bauform der Kugelbuchsen. Kugelbuchsen können ebenfalls in Lineareinheiten integriert sein, die es in Einzel-, Tandem- und Quattro-Bauform gibt und sowohl mit Standard- als auch Super-Kugelbuchsen kombinierbar sind. Diese sind in offener, einstellbarer und geschlossener Form sowie in einigen anderen Ausführungen verfügbar. Für Kugelbuchsen steht zudem Zubehör verschiedener Art zur Verfügung, dazu zählen unter anderem Wellen und Klemmelemente. Detailliertere Informationen zu den Produkten der Marke SNR sind hier zu finden.
Wenn ihr euch fragt, welche Berechnungen für Kugelbuchsen erforderlich sind oder wie ihre Montage funktioniert, könnt ihr einen Blick auf die anderen Beiträge auf lineartechniklernen.de werfen.
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