In linearen Systemen werden Spiel und Hysterese häufig als dasselbe Phänomen bezeichnet. Obwohl sie beide zum Bewegungsverlust beitragen, sind ihre Ursachen und Wirkungsweisen unterschiedlich.
Backlash: Der Feind linearer Systeme

Spiel wird durch Spiel oder Spiel zwischen zusammenpassenden Teilen verursacht, was zu einer Totzone führt, wenn die Fahrtrichtung umgekehrt wird. Im Totbereich erfolgt keine Bewegung, bis der Abstand zwischen den zusammenpassenden Teilen beseitigt ist.

Zu den Komponenten, bei denen typischerweise Spiel auftritt, gehören Kugelumlaufspindeln, Leitspindeln, Riemen- und Riemenscheibensysteme sowie Zahnräder. Bei Umlauflagersystemen kann durch die Anwendung einer Vorspannung das Spiel reduziert oder beseitigt werden, indem der Spielraum zwischen den Kugeln (oder Rollen) und den Laufbahnen beseitigt wird. Einige nicht rezirkulierende Systeme verwenden alternative Methoden wie Federn oder speziell entwickelte Leitspindelmuttern, um das Spiel zu reduzieren oder zu eliminieren.

Oder doch?

Obwohl Spiel im Allgemeinen als negative Eigenschaft mechanischer Systeme angesehen wird, ist es nicht immer schädlich. Erstens ist die Herstellung völlig spielfreier Komponenten teuer und in den meisten Fällen unpraktisch. Und spielreduzierende Methoden erhöhen zwangsläufig die Reibung und den Verschleiß. Wenn bei der Anwendung ein gewisses Spiel toleriert werden kann, sind die verfügbaren Komponenten kostengünstiger, leichter verfügbar und weisen in vielen Fällen eine längere Lebensdauer auf. Bei Zahnrädern und Getrieben ist ein gewisses Spiel erforderlich, damit die Zahnräder kämmen können, ohne dass die Zahnradzähne übermäßig beansprucht werden und die Reibung zunimmt.
Was ist Hysterese?

Hysterese tritt am häufigsten bei magnetischen Systemen auf und manifestiert 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, sobald die Belastung (oder Magnetisierungskraft) entfernt wird. Wenn beispielsweise Eisen durch ein äußeres Feld magnetisiert wird, hinkt die Magnetisierung des Eisens der Magnetisierungskraft hinterher. Wenn die Magnetisierungskraft entfernt wird, behält das Eisen einen gewissen Magnetismus. Mit anderen Worten: Das Eisen kehrt nicht vollständig in seinen nichtmagnetisierten Zustand zurück, es sei denn, es wird eine entgegengesetzte Magnetisierungskraft ausgeübt.

In mechanischen Systemen hängt die Hysterese mit der Elastizität eines Materials zusammen. Wenn sich beispielsweise Stahlkugeln in einer Kugelmutter von der nicht tragenden Zone in die tragende Zone bewegen, nehmen die Kräfte zu, denen sie ausgesetzt sind, was dazu führt, dass sie sich leicht verformen. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des Stahls kehren die Kugeln jedoch nicht vollständig in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn sie in den nicht tragenden Bereich der Mutter zurückwandern. 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 ändert. Diese Formänderung wird als Dehnung (bzw. Torsionsdehnung bei Torsionsbelastung) bezeichnet. In vollkommen elastischen Materialien ist der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung linear. Aber nur wenige Materialien sind vollkommen elastisch, und die Unelastizität von Materialien führt zu einer nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Dieses nichtlineare Verhalten bei zunehmenden und abnehmenden Kräften wird als Hysterese bezeichnet.
Wann spielt die Hysterese in linearen Systemen eine Rolle?

Bei allen außer den hochpräzisen mechanischen Tischen hat die Hysterese einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Positionierungsgenauigkeit und Wiederholbarkeit, und in den meisten Fällen übertreffen die Auswirkungen des Spiels die der Hysterese bei weitem. Allerdings kann es bei Piezoaktoren, die zur Erzeugung einer Bewegung auf Materialbeanspruchung angewiesen sind, zu einer Hysterese von 10 bis 15 Prozent der befohlenen Bewegung kommen. Der Betrieb von Piezoaktoren in einem geschlossenen Regelkreis kann Hystereseeffekte reduzieren oder eliminieren.