Konstrukteure und Ingenieure versuchen üblicherweise, Reibung in Linearantriebssystemen zu vermeiden oder zu minimieren. Obwohl Reibung nicht immer negativ ist – in manchen Anwendungen kann sie dämpfend wirken und die Servoeinstellung verbessern –, erhöht sie bei Linearantriebssystemen den Kraftaufwand zum Bewegen einer Last, erzeugt Wärme, verstärkt den Verschleiß und verkürzt die Lebensdauer.
Lineare Bewegungssysteme sind Reibungsproblemen ausgesetzt, die durch verschiedene Faktoren verursacht werden. Einige dieser Probleme lassen sich durch Konstruktion und ordnungsgemäße Wartung verringern. In diesem Artikel betrachten wir die Reibungsursachen in linearen Bewegungssystemen und erörtern Möglichkeiten zur Reibungsreduzierung durch die Auswahl geeigneter Komponenten und die Systemauslegung.

Gleit- vs. Rollkontakt
Eine der wichtigsten Methoden zur Reduzierung der Reibung in Linearbewegungssystemen ist die Verwendung von Bauteilen mit Wälz- statt Gleitkontakt. Beispielsweise weisen Gewindespindeln und Gleitlagerführungen – die auf Gleitbewegung basieren – aufgrund der größeren Kontaktfläche zwischen den lasttragenden Oberflächen naturgemäß eine höhere Reibung auf als Wälzelemente.
Bei Gleitlagern ist der Unterschied zwischen statischer (Anlauf-) und dynamischer (kinetischer) Reibung größer, was zu einem als Stick-Slip oder Haftreibung bekannten Effekt führt. Stick-Slip kann dazu führen, dass ein System beim Anfahren seine Zielposition überschießt, da der Übergang von (höherer) statischer zu (niedrigerer) dynamischer Reibung erfolgt.
Rennbahngeometrie

Obwohl Wälzlager eine deutlich geringere Reibung als Gleitlager aufweisen, sind sie nicht völlig reibungsfrei. Zahlreiche Faktoren – viele davon konstruktionsbedingt – tragen zur Reibung in Wälzlagern bei. Ein Faktor ist die Geometrie der Laufbahn, also Art und Fläche des Kontakts zwischen Wälzkörper und Laufbahn.
Wälzlager verwenden typischerweise eine von zwei Laufbahngeometrien: die Zweipunkt-Kreisbogengeometrie oder die Vierpunkt-Gotikbogengeometrie (wobei es auch einige Variationen dieser beiden Designs gibt). Für Anwendungen mit geringer Reibung wird in der Regel die Zweipunkt-Kreisbogengeometrie bevorzugt, da sie weniger Differenzschlupf und somit eine geringere Reibung aufweist als die Vierpunkt-Gotikbogengeometrie.

Rezirkulation

Bei Kugel- und Rollenumlauflagern schwankt die Anzahl der lasttragenden Elemente kontinuierlich, da die Wälzkörper in den Lastbereich ein- und austreten. Dies führt zu Reibungskraftschwankungen, die sich nachteilig auf hochempfindliche Anwendungen wie die Mikrobearbeitung und Messtechnik auswirken können. Um diese Reibungsschwankungen zu reduzieren, haben Hersteller von Kugelumlauf-Linearführungen (und Kugelgewindetrieben) erhebliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit in die Optimierung der Umlaufkomponenten und -prozesse investiert. Im Allgemeinen weisen Lager höherer Genauigkeitsklassen gleichmäßigere und konsistentere Reibungsprofile auf.

Vorladen

Durch die Vorspannung wird das Spiel zwischen Lager und Führung (bzw. Mutter und Schraube) durch Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den Bauteilen beseitigt. Dies erhöht die Lagersteifigkeit und reduziert die Durchbiegung, führt aber auch zu höherer Reibung. Daher empfiehlt es sich, die niedrigste Vorspannung zu wählen, die die erforderliche Steifigkeit und Genauigkeit gewährleistet.

Siegel

Von allen Konstruktions- und Funktionsmerkmalen von Linearführungen und -spindeln trägt die Verwendung von Dichtungen oft am meisten zur Reibung bei. In den meisten Anwendungen benötigen Linearführungen mit Kugeln oder Rollen (ob mit oder ohne Umlauf) Dichtungen, um das Schmiermittel im Inneren zu halten und Verunreinigungen fernzuhalten. In stark verschmutzten Umgebungen sind in der Regel sowohl Seiten- als auch Enddichtungen erforderlich.
Hersteller bieten zwar eine Vielzahl von Dichtungsmaterialien und -typen an – von Dichtungen mit geringem Spiel bis hin zu solchen mit beidseitigem, vollflächigem Kontaktprofil –, doch die effektivsten Dichtungen sind natürlich diejenigen, die den größten Kontakt zum Führungs- oder Gewindebauteil herstellen. Mehr Kontakt bedeutet jedoch auch mehr Reibung. Wie bei der Vorspannung gilt auch bei der Abdichtung: Verwenden Sie die für die Anwendung und die Umgebung geeigneten Optionen, aber übertreiben Sie es nicht.

Schmierung

Eine der Hauptfunktionen von Schmierstoffen ist die Verringerung der Reibung zwischen rollenden oder gleitenden Elementen. Zu viel Schmierstoff 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 Linearführungssystemen vorhanden und stützen rotierende Bauteile wie Kugel- oder Gewindespindeln oder die Riemenscheiben in Riemenantrieben. Obwohl sie im Vergleich zu Linearführungen oder Gewindespindeln relativ klein sind, erzeugen auch diese Radiallager Reibung, die bei der Systemauslegung und -dimensionierung berücksichtigt werden muss.