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Welche Faktoren tragen zur Reibung in linearen Bewegungssystemen bei?

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Kontaktart, Rückführung, Vorspannung, Dichtungen, Schmierung und Radiallager.

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Konstrukteure und Ingenieure versuchen in der Regel, Reibung in linearen Antriebssystemen zu vermeiden oder abzuschwächen. Obwohl Reibung nicht immer schlecht ist - in einigen Anwendungen kann sie einen Dämpfungseffekt haben und zur Verbesserung der Servoabstimmung beitragen - erhöht sie bei linearen Bewegungssystemen den Kraftaufwand für die Bewegung einer Last, erzeugt Wärme, erhöht den Verschleiß und verkürzt die Lebensdauer.

Die Reibung in linearen Bewegungssystemen hat verschiedene Ursachen, von denen einige durch Konstruktion und ordnungsgemäße Wartung gemindert werden können. Im Folgenden betrachten wir die Faktoren, die zur Reibung in linearen Bewegungssystemen beitragen, und erörtern Möglichkeiten zur Verringerung der Reibung durch die Auswahl von Komponenten und das Systemdesign.

Gleitender vs. rollender Kontakt

Eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Verringerung der Reibung in linearen Bewegungssystemen ist die Verwendung von Komponenten mit Roll- und nicht mit Gleitkontakt. So weisen beispielsweise Gewindetriebe und Gleitlagerführungen - die auf einer gleitenden Bewegung beruhen - naturgemäß eine höhere Reibung auf als rollende Elemente, da die Kontaktfläche zwischen den lasttragenden Oberflächen größer ist.

Bei Lagern mit gleitendem Kontakt besteht außerdem ein größerer Unterschied zwischen statischer (Anlauf-) und dynamischer (kinetischer) Reibung, was zu einem Effekt führt, der als Stick-Slip oder Haftreibung bekannt ist. Stick-Slip kann dazu führen, dass ein System zu Beginn der Bewegung über seine Zielposition hinausschießt, was auf den Übergang von (höherer) statischer Reibung zu (geringerer) dynamischer Reibung zurückzuführen ist.

Laufbahngeometrie

Obwohl Wälzlager eine viel geringere Reibung aufweisen als Gleitlager, sind sie nicht völlig reibungsfrei. Zur Reibung in einem Wälzlager tragen eine Reihe von Faktoren bei, von denen viele mit der Lagerkonstruktion zusammenhängen. Ein Faktor ist die Laufbahngeometrie, d. h. die Art und Fläche des Kontakts zwischen dem Wälzkörper und der Laufbahn.

Wälzlager verwenden in der Regel eine von zwei Laufbahngeometrien: die Zweipunkt-Kreisbogengeometrie oder die Vierpunkt-Gotikbogengeometrie (obwohl es auch einige Variationen dieser beiden Konstruktionen gibt). Bei Anwendungen mit geringer Reibung wird in der Regel die Zweipunkt-Kreisbogengeometrie bevorzugt, da sie einen geringeren Differentialschlupf und damit eine geringere Reibung aufweist als die Vierpunkt-Gothic-Bogenkonstruktion.

Rezirkulation

Bei Kugel- und Rollenlagern mit Kugelumlauf schwankt die Anzahl der lasttragenden Elemente ständig, wenn die Wälzkörper in die Lastzone ein- und aus ihr auslaufen. Dies führt zu Schwankungen der Reibungskraft, die bei hochsensiblen Anwendungen wie der Mikrobearbeitung und Messtechnik nachteilig sein können. Um diese Reibungsschwankungen zu reduzieren, haben die Hersteller von Kugelumlaufführungen (und Kugelgewindetrieben) erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen in die Optimierung der Umlaufkomponenten und des Verfahrens gesteckt. Im Allgemeinen haben Lager in höheren Genauigkeitsklassen glattere, gleichmäßigere Reibungsprofile.

Vorspannung

Die Vorspannung beseitigt das Spiel zwischen Lager und Führung (oder Mutter und Spindel), indem die Kontaktfläche zwischen den Komponenten vergrößert wird. Dies verleiht dem Lager eine höhere Steifigkeit und verringert die Durchbiegung, führt aber auch zu einer höheren Reibung. Aus diesem Grund ist es ratsam, die niedrigste Vorspannung zu verwenden, die die erforderliche Steifigkeit und Genauigkeit gewährleisten kann.

Dichtungen

Von allen Konstruktions- und Betriebsmerkmalen von Linearführungen und -spindeln ist der Einsatz von Dichtungen oft das reibungsintensivste. In den meisten Anwendungen benötigen Linearlager, die mit Kugeln oder Rollen arbeiten (ob mit oder ohne Kugelumlauf), Dichtungen, um die Schmierung zu gewährleisten und Verunreinigungen fernzuhalten. Und in stark verschmutzten Umgebungen sind in der Regel sowohl seitliche als auch Enddichtungen erforderlich.

Zwar bieten die Hersteller eine Vielzahl von Dichtungsmaterialien und -typen an - von Dichtungen mit geringem Spiel bis hin zu solchen mit beidseitigem Vollkontaktprofil -, doch die effektivsten Dichtungen sind natürlich diejenigen, die den meisten Kontakt mit der Führung oder dem Schneckenbauteil haben. Mehr Kontakt bedeutet aber auch mehr Reibung. Wie bei der Vorspannung sollten Sie auch bei der Dichtung die Optionen nutzen, die für die Anwendung und die Umgebung geeignet sind, aber übertreiben Sie es nicht.

Schmierung

Eine der wichtigsten Funktionen der Schmierung ist die Verringerung der Reibung zwischen Roll- oder Gleitelementen. Wird jedoch zu viel geschmiert oder ein Schmiermittel mit hoher Viskosität verwendet, kann sich die Reibung sogar erhöhen. Daher ist es wichtig, die Anweisungen des Herstellers zu befolgen und sowohl die richtige Art als auch die richtige Menge des Schmierstoffs zu verwenden.

Radiallager

Radiallager sind in praktisch allen linearen Bewegungssystemen vorhanden und stützen rotierende Komponenten wie Kugel- oder Leitspindelwellen oder die Riemenscheiben in Riemenantriebssystemen. Obwohl sie im Vergleich zu einer Linearführung oder Spindel relativ klein sind, verursachen auch diese Radiallager Reibung, die bei der Systemauslegung und -dimensionierung berücksichtigt werden sollte.