Linearführungen: das Praxishandbuch von der Auswahl bis zur Wartung

Eine Profilschienenführung besteht aus zwei Teilen: der Schiene mit gehärteten Laufbahnen und dem Führungswagen, in dem Wälzkörper zwischen Wagen und Schiene umlaufen. Ob diese Wälzkörper Kugeln oder Rollen sind, ist die erste Weiche, aber der Aufbau bleibt gleich. Alle Profilschienenführungen teilen dieselben gehärteten Laufbahnen, umlaufende Wälzkörper, dieselben Genauigkeits- und Vorspannungsklassen und den Bedarf an regelmäßiger Schmierung.

Ein Führungswagen trägt dabei Lasten aus mehreren Richtungen sowie die Roll-, Nick- und Giermomente einer Achse, und das bei enger, definierter Toleranz. Deshalb sind Profilschienenführungen die Basis von Portalen, Schlitten, Werkzeugmaschinen und Handling-Achsen. Der Preis dieser Präzision ist eine saubere Auslegung und eine saubere Montage; beides entscheidet mehr über das Ergebnis als der Katalogwert allein.

Eine Achse auszulegen heißt, eine Kette von Entscheidungen zu treffen, die aufeinander aufbauen, in dieser Reihenfolge:

Die Grundentscheidung fällt zwischen Kugelschienenführung und Rollenschienenführung, und sie hängt an einer einzigen Frage: Bestimmt die Steifigkeit die Funktion, oder tun es Tragfähigkeit, Geschwindigkeit und Preis? Der Unterschied steckt in der Kontaktart. Kugeln berühren die Laufbahn im Punktkontakt, zylindrische Rollen im Linienkontakt. Aus diesem einen Punkt folgt der Rest.

Die Kugelschienenführung ist der Standard im Maschinenbau. Ihr Punktkontakt läuft leicht, verträgt hohe Geschwindigkeiten und verzeiht kleine Fehler in der Anbaufläche. Die Rollenschienenführung nimmt bei gleicher Baugröße mehr Last auf und ist deutlich steifer, verlangt dafür aber präzisere Anbauflächen und liegt in einer höheren Preisklasse. Den vollständigen Vergleich nach Tragfähigkeit, Steifigkeit, Geschwindigkeit und Montageaufwand finden Sie unter Kugel- oder Rollenschienenführung.

Für den Großteil der Anwendungen ist die Kugelführung die richtige und wirtschaftlichere Wahl. Zur Rolle greifen Sie, wenn die Steifigkeit die Prozessqualität bestimmt, etwa in der Zerspanung, beim Schleifen oder bei hohen Schnitt- und Prozesskräften. Bei Bosch Rexroth heißen die Kugelschienenführungen BSHP, die Rollenschienenführungen RSHP.

Der Wechsel von Kugel auf Rolle ist keine kleine Variante, sondern eine bewusste Entscheidung für mehr Steifigkeit gegen höheren Preis und höhere Montageanforderungen. Prüfen Sie vor dem Wechsel auch Bauhöhe und Anschlussmaße, denn Kugel- und Rollensysteme sind nicht ohne Weiteres maßgleich austauschbar. Steifigkeit lässt sich zudem in Grenzen über die Vorspannung erhöhen, ohne gleich die Bauart zu wechseln.

Die Auslegung folgt einer festen Reihenfolge, in der jeder Schritt auf dem vorherigen aufbaut. In der Kurzfassung sind es vier Schritte.

Die Baugröße wählen Sie über zwei Kennwerte, beide nach DIN ISO 14728-1. Die dynamische Tragzahl C beschreibt die Last, unter der die Führung eine definierte nominelle Lebensdauer erreicht, und dimensioniert sie gegen Verschleiß. Die statische Tragzahl C0 beschreibt die Grenzlast, ab der eine bleibende Verformung an der Kontaktstelle entsteht, und sichert gegen Stillstands-, Stoß- und Notlasten. Prüfen Sie immer beide: C legt die Lebensdauer aus, C0 sichert gegen kurzzeitige Überlast.

Ein Fallstrick lauert beim Katalogvergleich. Die dynamische Tragzahl gilt nur für einen bestimmten Bezugsweg. Bosch Rexroth bezieht sie auf 100 km und schreibt sie als C100, viele Wettbewerber beziehen sie auf 50 km. Über den Faktor 1,26 liegt die 50-km-Zahl höher, ohne dass die Führung mehr trägt. Notieren Sie zu jeder Tragzahl den Bezugsweg und rechnen Sie Fremdkataloge auf denselben Weg um. Wie Sie fair vergleichen und die Baugröße Schritt für Schritt bestimmen, zeigt der Beitrag Linearführung auslegen.

Aus der Tragzahl folgt die Lebensdauer. Für Kugelführungen gilt L10 = (C / P)³ x Bezugsweg: Die Lebensdauer geht mit der dritten Potenz des Verhältnisses aus Tragzahl und Last ein, eine kleine Lastreserve zahlt sich also überproportional aus, eine kleine Überlast bestraft überproportional. Das durchgerechnete Beispiel und die Faktoren der realen Standzeit stehen unter Lebensdauer berechnen.

Als Ankerreihe je Baugröße dient die Bauform FNS (Flansch, normal, Standardhöhe), die im Maschinenbau meistverbaute Ausführung. Andere Bauformen weichen ab: lange Wagen bringen bei identischer Baugröße mehr Tragzahl, kurze Wagen weniger. Die folgenden Werte geben die Größenordnung je Baugröße vor.

Bevor Sie die Baugröße springen, drehen Sie an Bauform und Wagenanzahl. Ein langer Wagen holt bei gleicher Baugröße mehr Tragzahl heraus, ein zusätzlicher Wagen verteilt die Last und stützt Momente ab. Zwei Wagen je Schiene sind der Regelfall, zwei parallele Schienen der Regelfall für ebene Führungen. Vier Wagen, also zwei Schienen mit je zwei Wagen, sind die Standardkonfiguration für Portale, Schlitten und Tische. Eine einzelne Schiene trägt nur bei reiner Linearlast ohne Kippmoment.

Als grobe Orientierung für die Baugröße gilt: kleine Handling- und Prüfachsen fahren mit Größe 15 bis 20, der Maschinenbau-Kern liegt bei 25 bis 35, schwere Portale und Werkzeugmaschinen bei 45. Verfeinern Sie diesen Startwert immer über die berechneten Lasten und die geforderte Lebensdauer, nie umgekehrt. Für die Größen 55 und 65 gibt es bewusst keine Online-Konfiguration: Bei diesen Lasten gehören Momentenverteilung, Schienenverbindung und Anbaufläche in die Auslegung, die das PTS-Engineering übernimmt.

Ein Bosch Rexroth Führungswagen trägt seine komplette Konfiguration im Typenschlüssel, zum Beispiel KWD-025-FNS-C1-N-1. Die Kette besteht aus sechs Feldern: Familie, Baugröße, Bauform, Vorspannung, Genauigkeit und Dichtung. KWD ist der Kugelführungswagen des Systems BSHP, die zugehörige Schiene heißt KSA. Die drei Ziffern sind die Baugröße, die drei Buchstaben die Bauform, die restlichen Felder legen Vorspannung, Genauigkeit und Dichtung fest.

Lesen Sie die Kette von links nach rechts, dann haben Sie den Wagen vollständig beschrieben, ohne einen Katalog zu öffnen. Wie Sie jede Position im Detail entschlüsseln und die R16-Materialnummern einordnen, zeigt der Beitrag Rexroth Typenschlüssel.

Die drei Bauform-Buchstaben folgen einer festen Grammatik: Position eins ist die Anschraubart (F für Flansch, S für schmal), Position zwei die Wagenlänge (K kurz, N normal, L lang), Position drei die Bauhöhe (S Standard, H hoch, N niedrig). Ein langer Wagen trägt bei gleicher Baugröße mehr als ein normaler, ein Flanschwagen wird durch den Flansch verschraubt, ein schmaler Wagen von oben und baut kompakter. Online geführt werden acht Bauformen: die Flanschwagen FNS, FLS und FKS sowie die schmalen Wagen SNS, SLS, SKS, SNH und SLH.

Neben dem Typenschlüssel trägt jeder Wagen eine zehnstellige Materialnummer, meist mit R16 beginnend. Sie ist eindeutig je Ausführung, aber kein zweiter Typenschlüssel: Vorspannung, Genauigkeit und Dichtung lassen sich aus den Ziffern nicht ablesen. Der Nummernstamm gruppiert nur grob nach Bauform. Verlassen Sie sich für die Ausstattung immer auf den Typenschlüssel und prüfen Sie beim Bestellen die vollständige Materialnummer der konkreten Ausführung.

Die zugehörige Schiene ist die Kugelschiene KSA. Für die Paarung gelten drei Regeln: Die Baugröße von Wagen und Schiene muss identisch sein, die Genauigkeitsklasse muss übereinstimmen, und die Teilung der Schiene muss passen. Die Bauform des Wagens ist frei, jede Bauform läuft auf der Schiene gleicher Baugröße.

Vorspannung bedeutet, dass zwischen Wagen und Schiene kein Spiel mehr besteht, sondern eine definierte innere Kraft wirkt. Erreicht wird das über Kugeln mit leichtem Übermaß, die dauerhaft gegen beide Laufbahnen drücken. Die Führung läuft dadurch spielfrei, wird steifer und reagiert sofort auf einen Lastwechsel, ohne den toten Weg eines spielbehafteten Lagers. Rexroth staffelt die Vorspannung in vier Klassen von C0 (ohne Vorspannung) bis C3 (hoch).

Mehr Vorspannung ist aber kein kostenloser Gewinn: Mit der Steifigkeit steigen auch Verschiebekraft und Reibung, und eine zu hohe Vorspannung senkt die Lebensdauer. Rexroth nennt als Grenze, dass die Vorspannkraft ein Drittel der Lagerbelastung nicht überschreiten sollte. Wählen Sie also genau so viel Vorspannung, wie die Anwendung an Steifigkeit braucht, und nicht mehr. Treten Schwingungen auf, empfiehlt Rexroth mindestens Klasse C2. Welche Klasse zu welcher Anwendung passt, behandelt der Beitrag Vorspannung wählen.

C0 läuft ohne Vorspannung mit geringem Spiel (1 bis 10 µm) und ist die Wahl, wenn Leichtgängigkeit wichtiger ist als Steifigkeit oder wenn die Anbaufläche nicht perfekt eben ist. Spielfrei wird die Führung ab C1, dem pragmatischen Standard: spürbar steifer als C0, aber noch tolerant gegenüber kleinen Montageungenauigkeiten. C2 und C3 gehören in steife, präzise Maschinen, deren Anschraubflächen die höhere Vorspannung auch aufnehmen können.

Die Genauigkeitsklasse begrenzt die Toleranz von Höhenmaß und Parallellauf zwischen Wagen und Schiene. Sie fasst mehrere Einzeltoleranzen zusammen: die Höhentoleranz und die Höhendifferenz zwischen mehreren Wagen, die Breitentoleranz und die Breitendifferenz sowie die Laufparallelität über den Verfahrweg. Rexroth staffelt sie von N über H, P, XP und SP bis UP; von N nach UP werden alle Toleranzen enger, der Preis steigt, die Auswahl wird kleiner. Zur Orientierung: Ein Wagen der Klasse N darf in der Höhe um ±100 µm abweichen, ein Wagen der Klasse UP nur um ±5 µm.

N ist dabei nicht ungenau, sondern die Standardklasse für den allgemeinen Maschinenbau; die hohen Klassen sind für Mess- und Bearbeitungsaufgaben reserviert, bei denen wenige Mikrometer zählen. Vorspannung und Genauigkeit sind zudem nicht frei kombinierbar: Auf Schienen der Klasse N bleibt es bei C0 oder C1, weil deren größere Toleranzen unter höherer Vorspannung Zwangsspannungen erzeugen würden, und die hohe Vorspannung C3 setzt eine der engen Genauigkeitsklassen voraus. In der Praxis dominieren die einfachen Klassen: C1 ist die meistbestellte Vorspannung, N die meistbestellte Genauigkeitsklasse. Die vollständige Toleranztabelle und die zulässigen Kombinationen stehen unter Genauigkeitsklassen.

Die Schiene kommt auf Maß. Ihre Laufbahnen sind gehärtet, ein Trennschnitt mit Flex oder Bandsäge bringt Wärme ein, verzieht das Profil und beschädigt die Laufbahn; der gekühlte Zuschnitt liefert dagegen eine maßhaltige, montagefertige Schiene. PTS längt Schienen im eigenen Haus aus bevorrateten 4000-mm-Stangen ab, einteilig bis 4000 mm. Wird die Achse länger, wird sie aus mehreren Schienen gestoßen, und das legt das PTS-Engineering aus, damit Lochbild und Stoß über alle Segmente stimmen.

Beim Zuschnitt zählt der Randabstand T1, der Abstand vom Schienenende zur ersten Bohrung. Er muss innerhalb der Grenzen der Baugröße liegen, damit das Lochbild aufgeht und das Schienenende sauber verschraubt ist. Die Teilung, also der Lochabstand, ist an die Baureihe gebunden: Weil dieselbe Baugröße je nach R-Nummern-Serie eine andere Teilung tragen kann, entscheidet bei einer Nachbestellung die Materialnummer, die Baugröße allein reicht nicht.

Die Länge folgt aus Bohrungsanzahl, Teilung und Randabständen: L = (nB - 1) x T + T1 + T2. Für einen symmetrischen Zuschnitt gilt L = nB x T - 4 mm, dann verteilen sich die Randabstände gleichmäßig. Baugröße 25 mit Teilung 60 mm und sieben Bohrungen ergibt so 416 mm, die bei PTS meistbestellte Länge dieser Baugröße. Die Längenformel und die Randabstände je Baugröße stehen im Detail unter Zuschnitt und Randabstand T1.

Eine Linearführung ist nur so genau wie ihre Montage. Die Montagefläche muss sauber, gratfrei und eben sein, bevor die Schiene aufgesetzt wird, denn Späne oder Grat unter der Schiene erzeugen genau die Abweichung, die Sie später an der Messuhr sehen. Eine Schiene dient als Referenz und wird an eine feste Anschlagkante gepresst und fixiert; die zweite, parallele Schiene wird auf die erste ausgerichtet, nicht auf eine eigene Kante. So überträgt sich die Geradheit der Referenzschiene auf die gesamte Achse.

Festgezogen wird von der Mitte nach außen, mit dem richtigen Anzugsmoment. Maßgeblich sind Schraubengröße und Festigkeitsklasse, nicht das Gefühl im Handgelenk: Zu wenig Moment, und die Schiene wandert unter Last; zu viel, und Sie ziehen sie krumm in die Montagefläche. Bei Stoßbelastung oder Schwingungen sichern Sie die Schrauben zusätzlich. Die geprüften Anzugsmomente je Baugröße und die Schritt-für-Schritt-Reihenfolge stehen unter Montage.

Ein Detail entscheidet über heile Wagen: Der Führungswagen darf nicht von der Schiene laufen, sonst fallen die Wälzkörper heraus. Rexroth liefert die Wagen deshalb auf einer Kunststoff-Montagehilfe, die die Kugeln im Wagen hält, und erst beim Aufschieben wird der Wagen auf die Schiene übergeben. Zum Abziehen setzen Sie ihn wieder auf eine gleich hohe Montagehilfe.

Über die reale Lebensdauer entscheidet am Ende die Schmierung, nicht die Nennlast im Datenblatt. Der Schmierfilm trennt die Wälzkörper von der Laufbahn und schützt vor Korrosion; Trockenlauf und Verschmutzung sind die zwei häufigsten Ausfallursachen, deshalb gehören Dichtungen und Abstreifer genauso zur Strategie wie das Fett. Üblich sind Wälzlagerfette auf Lithiumseifenbasis, entscheidend ist aber die Herstellerfreigabe: Rexroth nennt zum Beispiel Fette nach DIN 51825 K2K und schließt Fette mit Festschmierstoffanteil wie Graphit oder MoS2 ausdrücklich aus.

In den meisten Anwendungen wird mit Fett geschmiert, weil es im Wagen bleibt, zusätzlich gegen Schmutz abdichtet und keine Zuführung braucht; Öl kommt bei hohen Geschwindigkeiten, hohen Temperaturen oder vorhandener Zentralschmierung zum Einsatz. Erhöhtes Laufgeräusch, ein steigender Verfahrwiderstand oder trockene, blanke Laufbahnen sind Anzeichen für Mangelschmierung und ein Signal, das Nachschmierintervall zu prüfen.

Ein festes Nachschmierintervall lässt sich nicht pauschal nennen, es hängt von Last, Geschwindigkeit, Hub, Einbaulage und Umgebung ab; den Basiswert liefert der Herstellerkatalog. Moderne Rexroth Kugelschienen erreichen bis zu 20.000 km ohne Nachschmieren. Wie stark Last und Hub die Lebensdauer und damit das Intervall treiben, zeigt die Lebensdauerberechnung; welches Fett wann und wie eingebracht wird, steht unter Schmierung.