Gleitlager als Rolle – Geht das so einfach?

Lars Butenschön | 5. Februar 2019

Auf den ersten Blick klingen die Vorteile von Gleitlagern auch für den Gebrauch als Rollen sehr attraktiv. Sie beanspruchen deutlich weniger Bauraum als Kugellager, sind je nach Ausführung schmiermittelfrei und unanfälliger gegen Staub und Reinigungsmittel. Aus Kunststoff gefertigt sind diese sogar korrosionsfrei und in der Regel auch günstiger und leichter. Doch wie so oft, steckt der Teufel im Detail. Wir wollen uns einmal anschauen, was genau der Unterschied zwischen der Funktion als Gleitlager und als Rolle ist und welche großen und kleinen Stolpersteine hier lauern.

Der Hauptunterschied – Was dreht sich wo…und mit wem?

Versuchen wir zunächst zu definieren, was wir in diesem Post unter einer Rolle verstehen. Ein Gleitlager wird üblicherweise so verbaut, dass es fest in einer Aufnahmebohrung verpresst wird. In diesem fest sitzenden Lager dreht sich dann eine Welle. Wir sprechen von einer Rolle, wenn sich das Gleitlager um die starre Welle – die dann Achse heißt, da sie kein Drehmoment überträgt –  herum bewegt. Am Außendurchmesser wird dann fleißig herum gerollt. Zum Beispiel auf einer Führungsschiene, Kulissenführung oder irgendwelchen anderen Oberflächen. Eine weitere Möglichkeit, die mir in der Praxis begegnet ist, ist eine Mischform aus beidem. Das Gleitlager soll dann nicht nur „innen“ um die Achse gleiten, sondern auch „außen“. Dies ist allerdings das am wenigsten wünschenswerte Szenario.

Rollen statt Gleiten? Oder Rollen und Gleiten?

Stellen wir uns also ein typisches Rollen-szenario vor. Eine mit Rollen gelagerte Schiebetür an einem Schrank. An der Türe sind Rollen befestigt, die wiederum in Schienen rollen. Im Detail betrachtet haben wir also kleine starre Achsen, auf denen sich die Rollen drehen. Wünschenswert: Wenn die Türe geschoben wird, drehen sich die Rollen um die Achse. Alles ist gut. Anders sähe die Sache aus, wenn die Rolle nicht abrollt sondern stehen bleibt und stattdessen über die Schiene rutscht. Die Türe würde schwergängig, da der Widerstand höher wäre. Schließlich ruht das Gewicht der Tür auf der sehr kleinen Kontaktfläche zwischen Rolle und Schiene und rutscht auf dieser herum. Ohne an dieser Stelle tief in physikalische Grundlagen zu Rollen und Rollreibung abzudriften gibt es einige hilfreiche Tips zur Auslegung von einteiligen Rollen aus Kunststoff:

• Wählen Sie einen möglichst großen Außendurchmesser, bei gleichzeitig möglichst kleinem Innendurchmesser
• Erhöhen Sie die Reibung zwischen Außendurchmesser und Rollfläche.
• Verwenden Sie Rollen mit Elastomer-Bandage  (zB. TPE)

Die Wahl des richtigen Werkstoffs

Während ein Gleitlager darauf ausgelegt ist, eine durch die Welle aufgebrachte Last zu tragen und bei Bewegung mit möglichst geringer Reibung möglichst wenig Wärme entstehen zu lassen… sieht das Ganze bei einer Rollenanwendung schon ein wenig anders aus. Da das Lager nicht „bequem“ in einer Aufnahmebohrung sitzt, die im besten Fall am halben Lagerumfang stützt, steht bei einer Rolle nur der Auflagepunkt auf der Rollenbahn zur Verfügung. Die resultierende Flächenpressung am Außendurchmesser: hoch. Und dabei ist es fast egal, aus welchem Material die Rolle ist. Die sogenannte „Hertzsche Pressung“ zwingt hier so ziemlich jeden Werkstoff unterschiedlich stark in die Knie. Das Resultat: Abplattung. Die Abhilfe: Verstärkungsfasern im Kunststoff.

Walken – Und warum es an dieser Stelle weder mit Sport noch Schauspielern zu tun hat

Doch damit nicht genug. Zusätzlich zur Abplattung gesellt sich noch ein weiterer Aspekt: Querkräfte im Material selbst. Durch die Drehung des Kunststoffrades um die starre Achse herum, kommt es zu einem mechanischen Effekt, den man relativ bildlich mit dem Ausrollen von Keksteig vergleichen kann. Stellen Sie sich das Rad entrollt als flache Materialschicht wie einen Teig vor. Und die Achse wie ein Nudelholz. Rollt man nun das Nudelholz über den Teig, wird dieser nicht nur platt, sondern er schiebt sich ein wenig vor dem Nudelholz her. (Gut so: Dadurch wird die Teigfläche größer und man bekommt mehr Kekse aus der selben Menge Teig. Je mehr Kekse, desto besser.) Bei Autoreifen – und bei igus wird dieser Effekt „Walken“ genannt. Für den Kunststoff stellt diese Form der Belastung jedoch eine Herausforderung dar. Vor allem, wenn dieser auch noch durch Festschmierstoffe in seiner Fähigkeit Querkräfte aufzunehmen, eingeschränkt ist. Es gilt also, eine gute Mischung aus Festschmierstoffen (Schließlich soll das Rad am Innendurchmesser leicht und verschleißarm drehen) und Verstärkungsfasern zu finden, um die Lasten aufzunehmen.

Probieren geht über Studieren

Die Praxis zeigt, dass Rollen – unabhängig davon, ob sie aus Gleitlagerwerkstoffen oder anderen Materialien hergestellt werden – keine exakte Wissenschaft sind. Sowohl bei der Formgestaltung, als auch bei der Materialauswahl sind Erfahrungen basierend auf realen Anwendungsszenarien und umfangreichen Tests nicht nur hilfreich, sondern entscheidend. Es ist daher ratsam, sich von entsprechend spezialisierten Herstellern beraten zu lassen. Und noch besser: Mit entsprechenden Mustern selbst testen. Beides – Beratung und entsprechende Muster – erhalten Sie natürlich bei igus. Ein bisschen Werbung muss sein :).

Haben Sie schon Erfahrungen mit Rollen aus Kunststoff oder gar Gleitlagerwerkstoffen gemacht? Ich freue mich auf Ihre Kommentare!