Was ist der Unterschied zwischen Umkehrspiel und Hysterese in linearen Systemen?

Ihre Ursachen und Funktionsweisen.

Backlash: Der Feind der linearen Systeme

Spiel wird durch das Spiel zwischen den Gegenstücken verursacht, das bei der Umkehrung der Bewegungsrichtung eine Totzone einführt. In der Totzone findet keine Bewegung statt, bis das Spiel zwischen den sich berührenden Teilen beseitigt ist.

Zu den Komponenten, bei denen typischerweise Spiel auftritt, gehören Kugelumlaufspindeln, Gewindespindeln, Riemen- und Riemenscheibensysteme und Getriebe. Bei Lagerumlaufsystemen kann das Spiel durch das Aufbringen einer Vorspannung verringert oder beseitigt werden, indem das Spiel zwischen den Kugeln (oder Rollen) und den Laufbahnen beseitigt wird. Einige nicht-umlaufende Systeme verwenden alternative Methoden, wie Federn oder speziell konstruierte Spindelmuttern, um das Spiel zu verringern oder zu beseitigen.

Oder doch nicht?

Obwohl das Spiel im Allgemeinen als negative Eigenschaft mechanischer Systeme angesehen wird, ist es nicht immer nachteilig. Erstens ist die Herstellung völlig spielfreier Komponenten teuer und in den meisten Fällen nicht praktikabel. Und spielreduzierende Methoden erhöhen unweigerlich Reibung und Verschleiß. Wenn ein gewisses Spiel in der Anwendung toleriert werden kann, sind die verfügbaren Komponenten kostengünstiger, leichter verfügbar und haben in vielen Fällen eine längere Lebensdauer. Bei Zahnrädern und Getrieben ist ein gewisses Spiel erforderlich, damit die Zahnräder ineinandergreifen können, ohne die Zähne zu überlasten und die Reibung zu erhöhen.

Was ist Hysterese?

Hysterese wird am häufigsten mit magnetischen Systemen in Verbindung gebracht und äußert sich bei Elektromotoren als Hystereseverlust. Einfach ausgedrückt, ist Hysterese die Beziehung zwischen der Reaktion eines Materials auf eine anfängliche Belastung (oder Magnetisierungskraft) und der Erholung des Materials, wenn die Belastung (oder Magnetisierungskraft) entfernt wird. Wenn zum Beispiel Eisen durch ein äußeres Feld magnetisiert wird, hinkt die Magnetisierung des Eisens der Magnetisierungskraft hinterher. Wenn die magnetisierende Kraft entfernt wird, behält das Eisen eine gewisse Menge an Magnetismus bei. Mit anderen Worten, das Eisen kehrt nicht vollständig in seinen unmagnetisierten Zustand zurück, solange keine entgegengesetzte magnetisierende Kraft einwirkt.

In mechanischen Systemen hängt die Hysterese mit der Elastizität eines Materials zusammen. Wenn sich beispielsweise Stahlkugeln in einer Kugelmutter von der unbelasteten Zone in die belastete Zone bewegen, nehmen die Kräfte, denen sie ausgesetzt sind, zu, wodurch sie sich leicht verformen. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des Stahls kehren die Kugeln jedoch nicht vollständig in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn sie sich wieder in die nicht tragende Zone der Mutter bewegen. Diese anhaltende, mikroskopische Verformung ist auf die Hysterese zurückzuführen.

Hysterese beeinflusst auch das Verhalten von Antriebswellen in mechanischen Systemen. Wenn ein Drehmoment (eine Torsionskraft) auf eine Welle ausgeübt wird, erzeugt es eine innere Spannung und bewirkt, dass die Welle ihre Form verändert. Diese Formveränderung wird als Dehnung bezeichnet (oder als Torsionsdehnung im Falle einer Torsionsbelastung). Bei vollkommen elastischen Materialien ist das Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung linear. Aber nur wenige Materialien sind vollkommen elastisch, und die Unelastizität der Materialien führt zu einer nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Dieses nichtlineare Verhalten bei zunehmenden und abnehmenden Kräften wird als Hysterese bezeichnet.

Wann ist Hysterese in linearen Systemen von Bedeutung?

Mit Ausnahme der präzisesten mechanischen Tische hat die Hysterese nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Positionier- und Wiederholgenauigkeit, und in den meisten Fällen übertreffen die Auswirkungen des Umkehrspiels die der Hysterese bei weitem. Bei Piezoaktoren, die zur Erzeugung der Bewegung auf die Materialdehnung angewiesen sind, kann die Hysterese jedoch 10 bis 15 Prozent der befohlenen Bewegung betragen. Der Betrieb von Piezoaktoren in einem geschlossenen Regelkreis kann Hystereseeffekte reduzieren oder eliminieren.