In linearen Systemen werden Spiel und Hysterese oft als ein und dasselbe Phänomen bezeichnet. Obwohl beide zu Bewegungsverlusten beitragen, unterscheiden sich ihre Ursachen und Wirkungsweisen.
Gegenreaktion: Der Feind linearer Systeme

Spiel entsteht durch das Spiel zwischen den zusammenpassenden Teilen und führt zu einem Totraum, wenn die Drehrichtung umgekehrt wird. In diesem Totraum findet keine Bewegung statt, bis das Spiel zwischen den Teilen beseitigt ist.

Bauteile, die typischerweise Spiel aufweisen, sind Kugelgewindetriebe, Trapezgewindetriebe, Riemenscheiben und Zahnräder. In Kugelumlauflagern kann durch Vorspannung das Spiel reduziert oder beseitigt werden, indem der Spalt zwischen den Kugeln (bzw. Rollen) und den Laufbahnen verringert wird. Einige nicht-umlaufende Systeme verwenden alternative Methoden, wie z. B. Federn oder speziell konstruierte Trapezgewindemuttern, um das Spiel zu reduzieren oder zu beseitigen.

Oder etwa nicht?

Obwohl Zahnflankenspiel im Allgemeinen als negative Eigenschaft mechanischer Systeme gilt, ist es nicht immer nachteilig. Erstens ist die Herstellung vollständig spielfreier Bauteile teuer und in den meisten Fällen unpraktisch. Zweitens erhöhen Methoden zur Reduzierung des Zahnflankenspiels zwangsläufig Reibung und Verschleiß. Ist ein gewisses Zahnflankenspiel in der Anwendung tolerierbar, sind die verfügbaren Bauteile günstiger, leichter erhältlich und haben in vielen Fällen eine längere Lebensdauer. Bei Zahnrädern und Getrieben ist ein gewisses Zahnflankenspiel notwendig, damit die Zahnräder ineinandergreifen können, ohne die Zähne zu überbeanspruchen und die Reibung zu erhöhen.
Was ist Hysterese?

Hysterese tritt meist bei magnetischen Systemen auf und äußert sich in Elektromotoren als Hystereseverlust. Vereinfacht ausgedrückt beschreibt Hysterese das Verhältnis zwischen der Reaktion eines Materials auf eine anfängliche Belastung (oder Magnetisierungskraft) und seiner Erholung nach Entfernung der Belastung (oder Magnetisierungskraft). Wird beispielsweise Eisen durch ein externes Feld magnetisiert, hinkt die Magnetisierung der Magnetisierungskraft hinterher. Wird die Magnetisierungskraft entfernt, behält das Eisen einen Teil seiner Magnetisierung. Anders ausgedrückt: Das Eisen kehrt erst dann vollständig in seinen nichtmagnetisierten Zustand zurück, wenn eine entgegengesetzte Magnetisierungskraft angelegt wird.

In mechanischen Systemen hängt die Hysterese mit der Elastizität eines Materials zusammen. Bewegen sich beispielsweise Stahlkugeln in einer Kugelumlaufmutter von der lastfreien in die lasttragende Zone, erhöhen sich die auf sie wirkenden Kräfte, was zu einer leichten Verformung führt. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des Stahls kehren die Kugeln jedoch nicht vollständig in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn sie sich wieder in die lastfreie Zone der Mutter bewegen. Diese anhaltende, mikroskopische Verformung ist auf Hysterese zurückzuführen.

Hysterese beeinflusst auch das Verhalten von Antriebswellen in mechanischen Systemen. Wird ein Drehmoment (eine Torsionskraft) auf eine Welle ausgeübt, entsteht eine innere Spannung, die zu einer Formänderung der Welle führt. Diese Formänderung wird als Dehnung (bzw. Torsionsdehnung bei Torsionsbelastung) bezeichnet. In ideal elastischen Materialien ist der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung linear. Da jedoch nur wenige Materialien ideal elastisch sind, führt ihre Inelastizität zu einer nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Dieses nichtlineare Verhalten bei zunehmender und abnehmender Kraft wird als Hysterese bezeichnet.
Wann spielt Hysterese in linearen Systemen eine Rolle?

Bei allen mechanischen Positioniersystemen außer denen mit höchster Präzision hat die Hysterese einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Positioniergenauigkeit und Wiederholbarkeit. In den meisten Fällen überwiegen die Auswirkungen des Umkehrspiels die der Hysterese deutlich. Piezoaktoren hingegen, die die Bewegung durch Materialverformung erzeugen, können eine Hysterese von 10 bis 15 Prozent der Sollbewegung aufweisen. Der Betrieb von Piezoaktoren in einem geschlossenen Regelkreis kann die Hysterese reduzieren oder eliminieren.