Luftlager sind Lager, bei denen Welle und Lagerbuchse durch einen dünnen Luftfilm getrennt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wälzlagern erlaubt diese Luftschicht eine nahezu reibungsfreie Bewegung, selbst bei hohen Geschwindigkeiten. Zusätzlich gleicht das Luftlager die durch die Fertigung entstandenen Abweichungen in den Oberflächen der Lagerbauteile um eine Größenordnung aus.
Das positive thermische Verhalten der Luftlager im Vergleich mit hydrostatischen bzw. hydrodynamischen Lagern ergibt sich durch die um ca. Faktor 1000 geringere Viskosität der Luft im Gegensatz zu Öl. Dazu kommt noch, dass Luft in nahezu jeder Umgebung vorhanden ist und das die aus den Luftlagern austretende Luft keinerlei Aufbereitung bedarf.
Funktionsprinzip: Statisches Luftlager Man unterscheidet zwischen zwei Lagerarten, dem statischen bzw. dem dynamischen Luftlager.
Das dynamische Luftlager baut den Luftfilm durch die Bewegung zwischen den Lagerpartnern selbst auf.
Beim statischen Luftlager wird Druckluft (0,4 MPa bis 1 MPa) über Drosseln in das Lager eingeleitet. Die Drosseln übernehmen die Aufgabe den Luftdruck im Luftspalt den sich im Betrieb ändernden Bedingungen anzupassen (Belastung, Verschiebung usw.). In der Luftlagerwelt sind unterschiedliche Drosselvorrichtungen bekannt. In der Praxis haben sich Blenden, lange Bohrungen sowie poröse Einsätze aus Graphit oder Metallpulver durchgesetzt.
Unbelastetes Luftlager
Druckverteilung im unbelasteten Luftlager
Belastetes Luftlager
Druckverteilung im belasteten Luftlager
Ist ein radiales Luftlager unbelastet so ist der Luftspalt überall gleich groß. Es bildet ein axialsymetrischer Druckverlauf im Lagerspalt aus. Alle Kräfte sind dabei im Gleichgewicht, es entsteht keine äußere Reaktionskraft.
Durch eine äußere Kraft, Moment oder Verschiebung bzw. Verkippung kann es im Betrieb zu einem axialen Versatz kommen. Dadurch verändert sich die Form des Luftspalts. Es entstehen Reaktionskräfte und Momente durch den nicht mehr axialsymmetrischen Druckverlauf im Luftspalt. Die geometrische Summe dieser Kräfte und Momente ergibt eine resultierende Kraft bzw. ein resultierendes Moment, welche der äußeren Belastung entgegentritt und das gesamte System in Ruhe hält.
Mögliche Belastungsvarianten (Kraft und Moment), einzeln oder in Kombination.
Luftlager finden Anwendung überall dort wo es:
- auf höchste Genauigkeit,
- sehr hohe Relativgeschwindigkeiten und Beschleunigungen,
- sehr hohe Wiederhol- und Positioniergenauigkeiten,
- sehr kurze Verfahrwege (im Nanometerbereich) sowie
- Reibungs- bzw. Slip-Stick-Freiheit
der Lagerung ankommt. Schon seit Jahrzehnten werden Luftlagerungen in Messmaschinen, Werkzeugmaschinen, in der Halbleiterindustrie und vielen anderen Bereichen eingesetzt.
Neue Perspektiven eröffnen sich im Zusammenspiel zwischen Luftlager-Technologie und Linearmotortechnik. Diese Kombination gibt dem Anwender beider Techniken die Möglichkeit eine berührungslos gelagerte und angetriebene Verfahreinheit zu gestallten, wie z.B. ein Maschinenschlitten ohne Festkörperkontakt zum Maschinenbett. Außerdem verfügt diese Einheit über ausgezeichnete regelungstechnische Eigenschaften. Nicht zu vergessen sind die sehr guten Dämpfungseigenschaften der Luftlager. Die sogenannte "Squeeze-Film" Dämpfung führt vor allem bei großen Schwingungsamplituden zu einem dynamischen Verhalten, welches dem der Wälzlager bzw. –Führungen deutlich überlegen ist.
Vorteile der Luftlager auf einen Blick:
- Hohe Relativgeschwindigkeiten
- Kein Öl zum Aufheben des Festkörperkontakts
- Sehr gute Dämpfungseigenschaften im Vergleich zu Wälzlagern bzw. Führungen
- Weicher und ruhiger Lauf, da keine bewegten Teile (Kugeln, Käfig) vorhanden sind
- Der Lauf der Luftlager ist nur indirekt von der Oberflächengüte abhängig
- Kein Verschleiß, da kein Festkörperkontakt
- Keine nennenswerte Reibung