Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

PTB > Struktur > Abteilung 5 > Forschungsnachrichten >
Vorrichtung zur Ermittlung von Reibkräften in miniaturisierten Wälzführungen

English Version

Forschungsnachrichten der Abteilung 5

Vorrichtung zur Ermittlung von Reibkräften in miniaturisierten Wälzführungen

Wälzlager zeigen oftmals aufgrund innerer Vorspannkräfte oder äußerer Lasten nichtlineare Zusammenhänge zwischen Reibkraft und Verschiebung. Für das hochpräzise Positionieren ist daher die genaue Kenntnis des Reibverhaltens für unterschiedliche äußere Lasten, Verschiebungen und Verschiebegeschwindigkeiten erforderlich. In der PTB wurde eine neuartige Vorrichtung entwickelt, die es gestattet, Kraft-Verschiebungskurven von miniaturisierten Wälzführungen aufzunehmen, siehe Abb. 1. Die Antriebskraft von bis zu 100 mN wird durch einen elektromagnetischen Antrieb definiert erzeugt. Die Verschiebungen von bis zu 3 mm werden in hoher Auflösung durch ein Interferometer ermittelt. Verschiebung des Schlittens, Wirkungslinie der Antriebskraft bzw. Kraftmessung und Messung der Schlittenverschiebung liegen auf einer Achse, siehe Bild 2. Diese Achse verläuft durch den Schwerpunkt des Lagerschlittens und das virtuelle Zentrum der inneren Lagerreibkräfte. Dadurch wird der Abbe-Fehler minimiert und es treten nur uniaxiale Kräfte auf.


Bild 1: Foto Versuchsaufbau zur Reibkraftermittlung	Bild 2: Foto Mikrolinearlager und Antrieb; Verschiebung: Messachse der Verschiebung und Wirkungslinie der Kraft kollinear (rote Linie)

Mit dieser Vorrichtung kann der Schlitten eines Linearlagers in zwei unterschiedlichen Betriebsarten axial bewegt werden: In der Betriebsart Positionieren wird das Wegsignal als Rückkopplung für eine Positioniersteuerung genutzt, sodass nahezu beliebige zeitliche Verschiebungskurven verfahren werden können. In der Betriebsart Kraftvorgabe kann der Schlitten mit nahezu beliebigen zeitlichen Kraftverläufen beaufschlagt werden. Ergebnisse der Messung sind jeweils die zeitlichen Verläufe von Kraft und Verschiebung.

Typische Verläufe von Reibkraft und Verschiebung im Positionierbetrieb sind in Bild 3 und Bild 4 dargestellt. Die Messungen wurden an einem in der PTB entwickelten Mikrolinearlager durchgeführt, das 4 Rubinkugeln mit einem Durchmesser von 200 µm besitzt, die auf Hartmetallflächen abrollen. Bei großen Verschiebungen zeigen die jeweils übereinander liegenden zwei Perioden einen höchst reproduzierbaren, welligen Reibkraft-Verlauf. Dieses Verhalten weist auf den großen Einfluss der Topographie der Kontaktflächen hin.
Mit kleiner werdender Verschiebungsamplitude verschwinden die lokalen Maxima und die Energieverluste werden kleiner, siehe Bild 4. Schließlich kann der Zusammenhang bei Verschiebungen von weniger als einem Mikrometer durch einfache Modelle dargestellt werden. Im Lager findet dann keine reine Rollbewegung der Kugeln mehr statt. Dieses Verhalten ermöglicht den Einsatz solcher Lager auch als Sicherheitskupplungen in Messeinrichtungen [2].

Mit der Kenntnis des Reibverhaltens kann das Linearlager bei kleinen Verschiebungen mittels einfacher PI-Regelung mit Nanometerauflösung positioniert werden. Die Kenntnis des Verlaufes der Reibkräfte bei größeren Verschiebungen hilft bei der Entwicklung von Regelalgorithmen zum Verfahren mit konstanten Geschwindigkeiten.


Bild 3: Reibkraft-Verschiebungs-Diagramm bei sinusförmigen Bewegungen mit Amplituden von 8 µm bis 30 µm, 1Hz	Bild 4: Reibkraft-Verschiebungs-Diagramm bei sinusförmigen Bewegungen mit Amplituden von 1 µm bis 8 µm, 1Hz

[1] R. Meeß, F. Löffler: Design and Evaluation of a Rolling Friction Apparatus for Micro Linear Bearings; Friction, Wear and Wear Protection, Aachen, 9.-11. April, 2008

[2] R. Meeß, S. Bütefisch, F. Löffler: Linear ball bearings as a safety clutch for micro-tactile sensors European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, 10th Anniversary International Conference, Zurich, 18th-22nd May, 2008

Ansprechpartner:

R. Meeß, AG 5.54, E-Mail: rudolf.meess@ptb.de