Wie hoch ist der Reibungskoeffizient in einem linearen Wellensystem?

Eine lineare Welle hat keinen unabhängigen Reibungskoeffizienten. Reibung wird durch das gesamte Kontaktsystem erzeugt: Wellenoberfläche, Linearlager oder Gleitbuchse, Wälzkörper, Dichtungen, Schmiermittel, Spiel, Last, Ausrichtung, Geschwindigkeit und Temperatur.

Wenn eine gehärtete Linearwelle mit einer Kugelumlaufbuchse verwendet wird, rollen die Kugeln zwischen der Welle und den Lagerlaufbahnen. Unter normalen Betriebsbedingungen beträgt ein repräsentativer Reibungskoeffizient ungefähr0,001–0,003. Dieser Katalogbereich umfasst jedoch nicht alle Widerstandsquellen in einer installierten Maschine.

Warum die Welle allein keinen festen Reibungskoeffizienten hat

Die gleiche lineare Welle kann abhängig von der entlang ihr bewegten Komponente sehr unterschiedliche Reibung erzeugen.

Beispielsweise kann eine Welle aus gehärtetem Stahl verwendet werden mit:

• Eine lineare Kugelumlaufbuchse
• Ein Polymer-Gleitlager
• Ein Gleitlager aus Bronze oder Verbundwerkstoff
• Eine Filz- oder Elastomerdichtung
• Ein maßgeschneiderter Schiebewagen

Jede Anordnung verfügt über einen anderen Kontaktmechanismus. Eine Kugelbuchse erzeugt hauptsächlich Rollwiderstand, während eine Gleitbuchse Gleitreibung über eine größere Kontaktfläche erzeugt.

Daher lautet die richtige technische Frage nicht:

Es ist:

Repräsentative Reibungswerte nach Führungstyp

Der Bereich von 0,001 bis 0,003 sollte als repräsentativer Wert für eine Linearkugelbüchse betrachtet werden – kein garantierter Wert für jede Linearwellenbaugruppe.

Ein bestimmter Katalog kann seinen Koeffizienten unter folgenden Bedingungen definieren:

• Normales Radialspiel
• Keine zusätzliche Vorspannung
• Ein bestimmter Prozentsatz der dynamischen Tragzahl
• Öl- oder Fettschmierung
• Keine äußere Kontamination
• Korrekte Wellentoleranz und Ausrichtung

So berechnen Sie den Reibungswiderstand eines Linearlagers

Für eine erste Berechnung lässt sich der benötigte Schub abschätzen mit:

Diese Gleichung trennt zwei verschiedene Widerstandsquellen:

• Beladungsabhängiger Rollwiderstand:ungefähr proportional zur aufgebrachten Radiallast
• Dichtungs- und Schmierstoffbeständigkeit:kann auch dann erheblich bleiben, wenn die externe Last gering ist

Berechnungsbeispiel

Angenommen, ein Schlitten verwendet Linearkugelbüchsen mit:

• Gesamtradiallast W = 1.000 N
• Geschätzter dynamischer Reibungskoeffizient μ = 0,002
• Kombinierter Dichtungs- und Hilfswiderstand f = 4 N

In diesem Beispiel beträgt der berechnete Rollwiderstand nur 2 N, während der Dichtungs- und Hilfswiderstand 4 N beisteuert. Dies zeigt, warum der Reibungskoeffizient allein den Motorschub für ein leicht belastetes abgedichtetes System unterschätzen kann.

Die Auswahl des Achsantriebs sollte außerdem Folgendes umfassen:

• Beschleunigungskraft
• Prozesskraft
• Widerstand der Kabelkette
• Effizienz von Kugelumlaufspindeln, Riemen oder Getrieben
• Schwerkraft auf einer vertikalen oder geneigten Achse
• Eine angemessene Sicherheitsmarge

Statische Reibung und dynamische Reibung sind unterschiedlich

Die Haftreibung bestimmt die Kraft, die erforderlich ist, um eine Bewegung in Gang zu setzen. Die dynamische Reibung beschreibt den Widerstand, nachdem sich der Schlitten bereits bewegt hat.

Bei einem ordnungsgemäß eingebauten Wälzlinearlager ist der Unterschied zwischen Anlauf- und Laufwiderstand normalerweise gering. Dies ist einer der Gründe dafür, dass lineare Kugelbüchsen eine gleichmäßige Bewegung bei niedriger Geschwindigkeit ohne das ausgeprägte Stick-Slip-Verhalten ermöglichen, das bei einigen Gleitführungen auftritt.

Die Losbrechkraft kann jedoch aus folgenden Gründen noch zunehmen:

• Kontaktdichtungen, die schon seit längerem stillstehen
• Hochviskoses oder Tieftemperaturfett
• Zu viel Schmiermittel im Lager
• Korrosion an der Welle
• Verschmutzung unter der Dichtlippe
• Falsche Lagerkompression im Gehäuse
• Wellenfehlausrichtung oder Montagespannung

Bei Positionierungsanwendungen sollten sowohl die Losbrechkraft als auch die Dauerlaufkraft gemessen werden. Ein Schlitten kann einen akzeptablen Laufwiderstand haben, erfordert aber nach einer langen Verweildauer immer noch übermäßige Kraft zum Anfahren.

Wie sich die Oberflächenbeschaffenheit der Welle auf die Reibung auswirkt

Die Wellenoberfläche ist die Laufbahn für eine lineare Kugelbüchse und die Gleitfläche für eine Gleitbüchse. Die Oberflächenqualität beeinflusst daher die Beständigkeit, den Dichtungsverschleiß, die Schmierstoffretention, die Geräuschentwicklung und die Lebensdauer.

Ein rauer Schaft kann:

• Erhöhen Sie den Dichtungswiderstand
• Beschädigen Sie die Kontaktfläche der Kugel oder der Buchse
• Schmiermittel aus der Kontaktzone entfernen
• Beschleunigen Sie den Verschleiß
• Erzeugen Sie einen inkonsistenten Laufwiderstand

Allerdings ist „je glatter, desto besser“ keine vollständige Regel. Die Oberfläche muss außerdem die richtige Geometrie, Härte, Textur und Schmiermittelverträglichkeit aufweisen. Durch ein ungeeignetes Polierverfahren kann sich der Wellendurchmesser verändern oder eine Oberfläche entstehen, die nicht den erforderlichen Schmierfilm behält.

Abhängig von der Wellenspezifikation können DLY-Linearwellen eine Oberflächenrauheit aufweisenRa 0,4–0,8 μm. Die endgültige Anforderung sollte zum gewählten Lagertyp und zur Anwendung passen und nicht allein aufgrund der Rauheit ausgewählt werden.

Die Härte beeinflusst hauptsächlich den Verschleiß und die langfristige Reibungsstabilität

Eine gehärtete Oberfläche führt nicht automatisch zu einem festen niedrigen Reibungskoeffizienten. Seine Hauptaufgabe besteht darin, Eindrücken, Ermüdung durch Rollkontakt, Kratzern und Verschleiß zu widerstehen.

Wenn die Wellenoberfläche für eine Linearkugelbüchse zu weich ist, kann es bei wiederholtem Kugelkontakt zur Bildung von Rillen kommen. Das Lager kann sich zunächst leichtgängig bewegen, entwickelt jedoch mit zunehmender Beschädigung der Laufbahn einen höheren Widerstand, Vibrationen, Geräusche und Spiel.

DLY-Linearwellen verwenden üblicherweise GCr15-Lagerstahl oder C45-Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Je nach Material, Durchmesser und Produktionsanforderung können geeignete Konfigurationen eine gehärtete Schicht von ca0,6–3,5 mm.

Material, Härte, Einsatztiefe, Durchmessertoleranz, Geradheit und Oberflächenbeschaffenheit müssen gemeinsam bewertet werden. Eine harte, aber gebogene oder falsch dimensionierte Welle bietet keinen geringen und stabilen Laufwiderstand.

Für einen vollständigen Inspektionsprozess lesen SieSo stellen Sie die Qualität einer Linearwelle sicher.

Durch Schmierung kann der gemessene Widerstand sowohl verringert als auch erhöht werden

Durch die richtige Schmierung werden Metallkontakte, Verschleiß, Korrosion und Wälzkontaktbelastungen reduziert. Dies ist für die Gewährleistung einer zuverlässigen Lebensdauer der meisten Linearkugelbüchsen unerlässlich.

Allerdings tragen auch die Viskosität und Menge des Schmiermittels zum Bewegungswiderstand bei.

Eine reibungsarme Anwendung erfordert nicht unbedingt den Ausbau der Dichtungen oder den Trockenbetrieb des Lagers. Dies kann den kurzfristigen Luftwiderstand verringern und gleichzeitig das Eindringen von Verunreinigungen ermöglichen und die Lebensdauer verkürzen.

Spiel, Vorspannung und Gehäusepassung beeinflussen die Reibung

Die radiale Beziehung zwischen Welle und Kugelbüchse beeinflusst Spiel, Steifigkeit und Widerstand.

Ein normaler Laufspiel sorgt im Allgemeinen für einen geringeren Widerstand und eine einfachere Installation. Ein verringertes Spiel kann die Führung verbessern und die radiale Bewegung begrenzen, erfordert jedoch eine strengere Kontrolle des Wellendurchmessers, der Gehäusebohrung, der Geradheit und der Ausrichtung.

Übermäßiges Übermaß oder ein falsch dimensioniertes Gehäuse können die Außenhülse des Lagers verformen und die Kugelkreise um die Welle herum zusammendrücken. Zu den Symptomen können gehören:

• Hohe Laufkraft direkt nach der Montage
• Ungleichmäßiger Widerstand während der Wellendrehung oder Schlittenbewegung
• Lagerheizung
• Verkürzte Ermüdungslebensdauer
• Beschädigung des Kugelkäfigs

Auch das direkte Drücken einer Stellschraube gegen die Außenseite einer Standard-Kugelbüchse kann zu einer Verformung führen. Die Gehäusetoleranz und die axiale Sicherungsmethode sollten den Installationsanweisungen des ausgewählten Lagerherstellers entsprechen.

Eine Fehlausrichtung verursacht oft mehr Widerstand als der Katalogkoeffizient

Ein Reibungskoeffizient setzt voraus, dass Welle und Lager mit geeigneter Geometrie arbeiten. In einer realen Maschine können Ausrichtungsfehler zu seitlichen Belastungen und Momenten führen, die nicht im Grundkoeffizienten enthalten sind.

Häufige Ursachen sind:

• Zwei parallele Wellen in unterschiedlichen Achsabständen eingebaut
• Wellenstützen in verschiedenen Höhen montiert
• Verbogene oder unzureichend abgestützte Wellen
• Eine Schlittenplatte, die sich beim Anziehen der Schrauben verdreht
• Lagergehäuse, die nicht koaxial sind
• Eine außermittige äußere Last erzeugt ein großes Moment
• Zu geringer Abstand zwischen zwei Buchsen, die eine Momentlast aufnehmen

Momentenbelastungen sollten bei Kugelbüchsen generell durch mehrere Lager mit ausreichendem Abstand aufgenommen werden. Es ist nicht zu erwarten, dass eine einzelne kurze Buchse einen großen Winkelfehler korrigiert oder ein unkontrolliertes Kippmoment erzeugt.

Ein System, das sich vor dem endgültigen Anziehen frei bewegen lässt, aber nach dem Festziehen aller Schrauben blockiert, weist normalerweise ein Installations- oder Strukturproblem auf – nicht einen ungewöhnlich hohen Reibungskoeffizienten des Wellenmaterials.

Die Geradheit und Durchbiegung der Welle beeinflussen den Laufwiderstand

Eine lange Welle kann im Durchmesser maßhaltig sein, sich aber dennoch unter ihrem Eigengewicht, der Schlittenlast oder einer versetzten Prozesskraft verbiegen.

Wenn sich die Welle biegt, muss das Lager einer gekrümmten Bahn folgen oder Winkelfehler ausgleichen. Dies kann den Widerstand an bestimmten Stellen entlang des Hubs erhöhen.

Abhängig von der Wellengröße und der Produktionskonfiguration können DLY-Linearwellen eine Geradheit von bis zu erreichen≤5 μm pro 100 mm. Die installierte Durchbiegung hängt jedoch auch ab von:

• Wellendurchmesser
• Nicht unterstützte Spanne
• Zustand der Endunterstützung
• Wagenlast und -position
• Voll- oder Hohlwellenkonstruktion
• Ob eine unterstützte Schachtschiene verwendet wird

Wenn die Durchbiegung das Hauptproblem darstellt, kann eine Vergrößerung des Wellendurchmessers, eine Verringerung der Spannweite, das Hinzufügen einer kontinuierlichen Unterstützung oder der Wechsel zu einer Profillinearführung wirksamer sein als ein Wechsel des Schmiermittels.

Lastrichtung und Lagerausrichtung sind wichtig

Die Belastbarkeit einer Linearkugelbüchse kann sich je nach Ausrichtung ihrer Kugelreihen relativ zur aufgebrachten Last ändern. Auch die innere Lastverteilung hat Einfluss auf Reibung und Lebensdauer.

Bestätigen Sie beim Einbau einer offenen oder verstellbaren Buchse Folgendes:

• Der Ort des offenen Abschnitts
• Die Richtung der primären Radiallast
• Die vom Lagerhersteller empfohlene Ausrichtung
• Die Einstell- und Klemmmethode des Gehäuses

Eine falsche Ausrichtung kann die Belastung auf einen ungünstigen Teil des Lagers konzentrieren, was zu höherer lokaler Spannung und ungleichmäßiger Bewegung führt, selbst wenn die gesamte radiale Belastung akzeptabel erscheint.

Wie Geschwindigkeit und Temperatur die Reibung verändern

Der Reibungskoeffizient ist vom Start bis zur Höchstgeschwindigkeit nicht immer konstant.

Bei niedrigen Temperaturen wird das Fett zähflüssiger und die Losbrechkraft kann zunehmen. Wenn sich das Lager erwärmt, kann der Widerstand abnehmen. Bei hoher Geschwindigkeit können aufgewirbeltes Schmiermittel, Dichtungen und Umlaufkugeln mehr Wärme erzeugen.

Die Temperatur kann sich auch auf Folgendes auswirken:

• Wellen- und Gehäuseabmessungen
• Radialspiel
• Dichtungshärte und Kontaktkraft
• Fettkonsistenz und Ölviskosität
• Korrosion und Schmierstofflebensdauer

Bei Maschinen, die in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden, testen Sie den Schlitten nach einem Kaltstart und erneut bei stabiler Betriebstemperatur. Eine einzelne Kraftmessung bei Raumtemperatur stellt möglicherweise nicht die anspruchsvollste Bedingung dar.

So messen Sie die Reibung an einer zusammengebauten Linearwelle

Der nützlichste Wert für die Motorauswahl ist häufig der gemessene Widerstand des gesamten Schlittens und nicht ein theoretischer Koeffizient für eine Komponente.

Grundlegender Zugkrafttest

1. Trennen Sie den Motor, die Kugelumlaufspindel, den Riemen oder den Zylinder, damit sich der Führungsschlitten unabhängig bewegen kann.
2. Stellen Sie sicher, dass sich die Wellen, Lager, Dichtungen und Schmiermittel in ihrem normalen zusammengebauten Zustand befinden.
3. Bringen Sie einen Kraftmesser in Fahrtrichtung an.
4. Erhöhen Sie die Kraft langsam und notieren Sie die Losbrechkraft.
5. Bewegen Sie den Schlitten mit gleichmäßig niedriger Geschwindigkeit und notieren Sie die Laufkraft.
6. Wiederholen Sie den Test in beide Richtungen und an mehreren Stellen entlang des Hubs.
7. Wiederholen Sie den Vorgang unter repräsentativen Last- und Temperaturbedingungen.

Wenn die Radiallast W bekannt ist und der konstante Dichtungswiderstand separat geschätzt oder gemessen werden kann, kann ein effektiver Koeffizient wie folgt angenähert werden:

Dieser berechnete Wert gilt nur für die getestete Baugruppe und die getesteten Bedingungen. Es sollte nicht automatisch auf ein anderes Lager, eine andere Wellenoberfläche, eine andere Dichtung, ein anderes Schmiermittel, eine andere Last oder eine andere Temperatur übertragen werden.

Diagnose übermäßiger linearer Wellenreibung

So wählen Sie ein reibungsarmes Linearwellensystem aus

1. Wählen Sie zunächst den Lagertyp aus.Entscheiden Sie, ob die Anwendung eine rollende Kugelbuchse oder ein trockenlaufendes Gleitlager benötigt.
2. Definieren Sie die Radiallast und die Radialmomente.Berücksichtigen Sie bewegte Massen, Prozesskräfte, Beschleunigung und außermittige Belastung.
3. Bestätigen Sie Wellendurchmesser und Stützweite.Durch die Durchbiegung der Welle kann ein größerer Widerstand als der Nennkoeffizient erzeugt werden.
4. Passen Sie die Wellentoleranz und die Oberflächenbeschaffenheit an das Lager an.Wählen Sie die Wellenabmessungen nicht unabhängig von der Buchsenspezifikation.
5. Wählen Sie das Spiel bzw. die Vorspannung sorgfältig aus.Eine höhere Steifigkeit erhöht normalerweise die Empfindlichkeit gegenüber Herstellungs- und Ausrichtungsfehlern.
6. Berücksichtigen Sie den Dichtungswiderstand.Dies ist besonders wichtig bei kleinen Lagern und leicht belasteten Schlitten.
7. Wählen Sie die Schmierung entsprechend der Geschwindigkeit und Temperatur aus.Die niedrigste theoretische Reibung nützt nichts, wenn der Schmierstoff keinen ausreichenden Verschleißschutz bieten kann.
8. Design zur Ausrichtung.Sorgen Sie für präzise Wellenhalterungen, starre Lagergehäuse und ausreichend Lagerabstände.
9. Messen Sie den kompletten Wagen.Überprüfen Sie vor der endgültigen Motorauswahl die Losbrech- und Laufkraft.

DLY-LieferungenLinearwellenin verschiedenen Durchmessern, Längen, Materialien und Strukturen für die industrielle Automatisierung und Linearbewegungssysteme.

Abhängig von den Projektanforderungen können die verfügbaren Optionen GCr15- oder C45-Material, Voll- oder Hohlstrukturen, unterstützte Wellen, kundenspezifische Längen, Endenbearbeitung, Oberflächenbehandlung und Inspektionsanforderungen umfassen.

Vor dem Angebot erforderliche Informationen

Um eine Welle-Lager-Kombination mit geeigneter Reibung und Lebensdauer auszuwählen, stellen Sie Folgendes bereit:

• Erforderlicher Wellendurchmesser und -länge
• Massive, hohle oder unterstützte Wellenstruktur
• Lager- oder Buchsenmodell
• Anzahl und Abstand der Lager
• Radiallast und Momentlast
• Hub, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Arbeitszyklus
• Horizontale, vertikale oder geneigte Installation
• Erforderliches Spiel oder Vorspannung
• Betriebstemperatur und Verschmutzungsbedingungen
• Anforderungen an Schmierung und Dichtung
• Anforderungen an Oberflächenrauheit, Geradheit und Härte
• Endbearbeitungs- und Einbauzeichnung

Abschluss

Eine lineare Welle hat keinen universellen Reibungskoeffizienten. Der tatsächliche Wert bezieht sich auf die komplette Kombination aus Welle, Lager, Dichtung, Schmiermittel, Last und Einbau.

Für eine ordnungsgemäß geschmierte Linearkugelbüchse, die auf einer geeigneten Präzisionswelle läuft, liegt ein repräsentativer dynamischer Reibungskoeffizient bei etwa 0,001–0,003. Dies stellt einen nützlichen Ausgangspunkt dar, aber Dichtungswiderstand, Vorspannung, Fettviskosität, Ausrichtung, Wellendurchbiegung, Verschmutzung und Temperatur können einen größeren Einfluss auf den letztendlich erforderlichen Schub haben.

Berechnen Sie für die Motordimensionierung und Präzisionsanwendungen den anfänglichen Widerstand anhand der Daten des Lagerherstellers und messen Sie dann die Losbrech- und Laufkräfte des komplett montierten Schlittens.

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