In linearen Systemen werden Spiel und Hysterese oft als dasselbe Phänomen bezeichnet. Obwohl beide zum Totgang beitragen, unterscheiden sich ihre Ursachen und Funktionsweisen.
Backlash: Der Feind linearer Systeme

Spiel entsteht durch Spiel zwischen zusammenpassenden Teilen. Bei Umkehr der Bewegungsrichtung entsteht dadurch ein Totbereich. Im Totbereich findet keine Bewegung statt, bis der Abstand zwischen den zusammenpassenden Teilen aufgehoben ist.

Zu den Komponenten, die typischerweise Spiel aufweisen, gehören Kugelumlaufspindeln, Leitspindeln, Riemen- und Riemenscheibensysteme sowie Zahnräder. Bei Umlauflagern kann durch Vorspannung das Spiel zwischen Kugeln (oder Rollen) und Laufbahnen reduziert oder eliminiert werden. Einige Systeme ohne Umlauflager nutzen alternative Methoden wie Federn oder speziell entwickelte Leitspindelmuttern, um das Spiel zu reduzieren oder zu eliminieren.

Oder ist es das?

Obwohl Spiel allgemein 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. Spielreduzierende Verfahren erhöhen zudem zwangsläufig Reibung und Verschleiß. Wenn ein gewisses Spiel in der Anwendung toleriert werden kann, sind die verfügbaren Komponenten günstiger, leichter verfügbar und haben in vielen Fällen eine längere Lebensdauer. In Zahnrädern und Getrieben ist ein gewisses Spiel notwendig, damit die Zahnräder ineinander greifen können, ohne die Zähne zu überlasten und die Reibung zu erhöhen.
Was ist Hysterese?

Hysterese wird am häufigsten mit magnetischen Systemen in Verbindung gebracht und manifestiert sich in Elektromotoren als Hystereseverlust. Vereinfacht ausgedrückt ist Hysterese die Beziehung zwischen der Reaktion eines Materials auf eine anfängliche Belastung (oder Magnetisierungskraft) und der Erholung des Materials nach Wegfall der Belastung (oder Magnetisierungskraft). Wird beispielsweise Eisen durch ein äußeres Feld magnetisiert, hinkt die Magnetisierung des Eisens der Magnetisierungskraft hinterher. Nach Wegfall der Magnetisierungskraft behält das Eisen einen gewissen Magnetismus. Anders ausgedrückt: Das Eisen kehrt erst dann vollständig in seinen nichtmagnetisierten Zustand zurück, wenn eine entgegengesetzte Magnetisierungskraft wirkt.

In mechanischen Systemen hängt die Hysterese mit der Elastizität eines Materials zusammen. Wenn sich beispielsweise Stahlkugeln in einer Kugelmutter von der nichttragenden in die tragende Zone bewegen, 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 in die nichttragende Zone der Mutter zurückkehren. Diese anhaltende, mikroskopische Verformung ist auf Hysterese zurückzuführen.

Hysterese beeinflusst auch das Verhalten von Antriebswellen in mechanischen Systemen. Wirkt ein Drehmoment (eine Torsionskraft) auf eine Welle, entsteht eine innere Spannung und die Welle verändert ihre Form. Diese Formänderung wird als Dehnung (bei Torsionsbelastung als Torsionsdehnung) bezeichnet. Bei vollkommen elastischen Materialien ist die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung linear. Allerdings sind nur wenige Materialien vollkommen elastisch, und ihre Inelastizität führt zu einer nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Dieses nichtlineare Verhalten bei zunehmenden und abnehmenden Kräften wird als Hysterese bezeichnet.
Wann ist die Hysterese in linearen Systemen von Bedeutung?

Bei allen mechanischen Tischen außer den präzisesten hat die Hysterese einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Positioniergenauigkeit und Wiederholbarkeit, und in den meisten Fällen übertreffen die Auswirkungen des Spiels die der Hysterese deutlich. Bei Piezoaktoren, die zur Bewegungserzeugung auf Materialdehnung angewiesen sind, kann jedoch eine Hysterese von 10 bis 15 Prozent der gewünschten Bewegung auftreten. Der Betrieb von Piezoaktoren in einem geschlossenen Regelkreis kann Hystereseeffekte reduzieren oder eliminieren.