Konstrukteure und Ingenieure versuchen üblicherweise, Reibung in Linearbewegungssystemen zu vermeiden oder zu minimieren. Obwohl Reibung nicht immer schlecht ist – in manchen Anwendungen kann sie dämpfend wirken und die Servoabstimmung verbessern – erhöht sie bei Linearbewegungssystemen den Kraftaufwand zum Bewegen einer Last, erzeugt Wärme, erhöht den Verschleiß und verkürzt die Lebensdauer.
Linearbewegungssysteme erfahren Reibung aus verschiedenen Quellen, die teilweise durch Design und ordnungsgemäße Wartung gemindert werden kann. Hier betrachten wir Faktoren, die zur Reibung in Linearbewegungssystemen beitragen, und diskutieren Möglichkeiten zur Reibungsreduzierung durch Komponentenauswahl und Systemdesign.

Gleit- vs. Rollkontakt
Eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Reibungsreduzierung in Linearbewegungssystemen ist der Einsatz von Komponenten mit Roll- statt Gleitkontakt. Beispielsweise weisen Leitspindeln und Gleitlagerführungen – die auf Gleitbewegungen basieren – aufgrund der größeren Kontaktfläche zwischen den tragenden Oberflächen naturgemäß eine höhere Reibung auf als Wälzkörper.
Bei Gleitlagern ist zudem die Differenz zwischen statischer (Anlauf-) und dynamischer (kinetischer) Reibung größer, was zu einem sogenannten Stick-Slip-Effekt führt. Stick-Slip kann dazu führen, dass ein System zu Beginn der Bewegung seine Zielposition überschreitet, da der Übergang von (höherer) statischer zu (geringerer) dynamischer Reibung stattfindet.
Laufbahngeometrie

Obwohl Wälzlager deutlich weniger Reibung aufweisen als Gleitlager, sind sie nicht völlig reibungslos. Verschiedene Faktoren – viele davon konstruktionsbedingt – tragen zur Reibung in Wälzlagern bei. Ein Faktor ist die Laufbahngeometrie, also die Art und Fläche des Kontakts zwischen Wälzkörper und Laufbahn.
Wälzlager verwenden typischerweise eine von zwei Laufbahngeometrien: die Zweipunkt-Kreisbogengeometrie oder die Vierpunkt-Gotikbogengeometrie (es gibt jedoch einige Variationen dieser beiden Konstruktionen). Für Anwendungen mit geringer Reibung wird üblicherweise die Zweipunkt-Kreisbogengeometrie bevorzugt, da sie weniger Schlupf und damit geringere Reibung aufweist als die Vierpunkt-Gotikbogengeometrie.

Umluft

Bei Kugelumlauflagern schwankt die Anzahl der lasttragenden Elemente kontinuierlich, wenn die Wälzkörper in die Lastzone ein- und austreten. Dies führt zu Reibungskraftschwankungen, die sich nachteilig auf hochempfindliche Anwendungen wie Mikrobearbeitung und Messtechnik auswirken können. Um diese Reibungsschwankungen zu reduzieren, haben Hersteller von Linearführungen (und Kugelumlaufspindeln) erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen in die Optimierung der Umlaufkomponenten und -prozesse investiert. Lager höherer Genauigkeitsklassen weisen im Allgemeinen gleichmäßigere und gleichmäßigere Reibungsprofile auf.

Vorspannung

Durch die Vorspannung wird das Spiel zwischen Lager und Führung (oder Mutter und Schraube) durch Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den Komponenten eliminiert. Dies verleiht dem Lager eine höhere Steifigkeit und reduziert die Durchbiegung, führt aber auch zu höherer Reibung. Daher ist es ratsam, die niedrigste Vorspannung zu wählen, die die erforderliche Steifigkeit und Genauigkeit gewährleistet.

Dichtungen

Von allen Konstruktions- und Betriebsmerkmalen von Linearführungen und -spindeln ist der Einsatz von Dichtungen oft derjenige, der die größte Reibung verursacht. Linearlager mit Kugeln oder Rollen (egal ob umlaufend oder nicht) benötigen in den meisten Anwendungen Dichtungen, um die Schmierung zu gewährleisten und Verunreinigungen fernzuhalten. In stark verschmutzten Umgebungen sind in der Regel sowohl seitliche (laterale) Dichtungen als auch Enddichtungen erforderlich.
Hersteller bieten eine Vielzahl von Dichtungsmaterialien und -typen an – von Dichtungen mit geringem Spiel bis hin zu Dichtungen mit beidseitigem, vollflächigem Kontaktprofil. Die effektivsten Dichtungen sind natürlich diejenigen, die den größten Kontakt mit der Führung oder dem Gewinde haben. Mehr Kontakt bedeutet jedoch mehr Reibung. Wie bei der Vorspannung sollten Sie auch bei der Abdichtung die für Anwendung und Umgebung geeigneten Optionen wählen, aber übertreiben Sie es nicht.

Schmierung

Eine der wichtigsten Funktionen der Schmierung besteht darin, die Reibung zwischen rollenden oder gleitenden Elementen zu verringern. Zu viel Schmierung oder ein Schmierstoff mit hoher Viskosität kann die Reibung jedoch sogar erhöhen. Daher ist es wichtig, die Anweisungen des Herstellers zu befolgen und sowohl die richtige Art als auch die richtige Menge Schmierstoff zu verwenden.

Radiallager

Radiallager sind in nahezu allen Linearbewegungssystemen vorhanden und lagern rotierende Komponenten wie Kugel- oder Gewindespindeln oder die Riemenscheiben in Riemenantriebssystemen. Obwohl sie im Vergleich zu einer Linearführung oder Spindel relativ klein sind, verursachen diese Radiallager auch Reibung, die bei der Systemkonstruktion und -dimensionierung berücksichtigt werden sollte.