Конструкторы и инженеры обычно стараются избегать или уменьшать трение в системах линейного перемещения. Хотя трение не всегда вредно — в некоторых случаях оно может обеспечивать демпфирующий эффект и помогать улучшить настройку сервопривода — в системах линейного перемещения оно увеличивает усилие, необходимое для перемещения груза, выделяет тепло, увеличивает износ и сокращает срок службы.
В системах линейного перемещения возникает трение, вызванное множеством факторов, некоторые из которых можно уменьшить за счет правильного проектирования и надлежащего технического обслуживания. В этой статье мы рассмотрим факторы, способствующие возникновению трения в системах линейного перемещения, и обсудим способы его снижения путем выбора компонентов и проектирования системы.

Скользящий и катящийся контакт
Один из основных способов снижения трения в системах линейного перемещения — использование компонентов с катящимся, а не скользящим контактом. Например, ходовые винты и направляющие на подшипниках скольжения, которые используют скользящее движение, по своей природе испытывают большее трение, чем элементы с катящимся контактом, из-за большей площади контакта между несущими поверхностями.
Подшипники со скользящим контактом также испытывают большую разницу между статическим (пусковым) и динамическим (кинетическим) трением, что приводит к эффекту, известному как «залипание» или «стирание». Залипание может привести к тому, что система выйдет за пределы целевого положения в начале движения из-за перехода от (более высокого) статического трения к (более низкому) динамическому трению.
Геометрия дорожки качения

Хотя подшипники качения имеют гораздо меньшее трение, чем подшипники скольжения, они не являются полностью безфрикционными. Ряд факторов, многие из которых присущи конструкции подшипника, влияют на трение в подшипнике качения. Одним из таких факторов является геометрия дорожки качения, или тип и площадь контакта между элементом качения и дорожкой качения.
В подшипниках качения обычно используется одна из двух геометрий дорожек качения: двухточечная круговая дугообразная геометрия или четырехточечная готическая дугообразная геометрия (хотя существуют и некоторые вариации этих двух конструкций). Для применений с низким трением обычно предпочтительнее двухточечная круговая дугообразная геометрия, поскольку она испытывает меньшее дифференциальное проскальзывание и, следовательно, меньшее трение, чем четырехточечная готическая дугообразная конструкция.

Рециркуляция

В подшипниках качения с шариками и роликами количество элементов, воспринимающих нагрузку, постоянно колеблется по мере того, как катящиеся элементы входят в зону нагрузки и выходят из нее. Это вызывает колебания силы трения, что может быть вредно для высокочувствительных применений, таких как микрообработка и метрология. Для уменьшения этих колебаний трения производители линейных направляющих с рециркуляцией (и шариковых винтовых передач) вложили значительные усилия в исследования и разработки по оптимизации компонентов и процесса рециркуляции. В целом, подшипники более высоких классов точности имеют более плавные и стабильные профили трения.

Предварительная загрузка

Предварительная нагрузка устраняет зазор между подшипником и направляющей (или гайкой и винтом) за счет увеличения площади контакта между компонентами. Это обеспечивает подшипнику более высокую жесткость и уменьшает деформацию, но также приводит к увеличению трения. Именно поэтому рекомендуется использовать минимальный уровень предварительной нагрузки, обеспечивающий необходимую жесткость и точность.

Тюлени

Из всех конструктивных и рабочих особенностей линейных направляющих и винтовых механизмов наибольший трение часто возникает при использовании уплотнений. В большинстве случаев линейные подшипники, работающие на шариках или роликах (с рециркуляцией или без нее), требуют уплотнений для удержания смазки внутри и предотвращения попадания загрязнений. А в сильно загрязненных средах обычно требуются как боковые (поперечные), так и торцевые уплотнения.
Хотя производители предлагают разнообразные материалы и типы уплотнений — от уплотнений с небольшим зазором до уплотнений с двусторонним профилем полного контакта — наиболее эффективными, конечно же, являются те уплотнения, которые обеспечивают максимальный контакт с направляющей или винтовым компонентом. Но больший контакт означает большее трение. Как и в случае с предварительной нагрузкой, при выборе уплотнения используйте варианты, подходящие для конкретного применения и условий эксплуатации, но не переусердствуйте.

Смазка

Одна из ключевых функций смазки — снижение трения между катящимися или скользящими элементами. Однако использование слишком большого количества смазки или смазки с высокой вязкостью может фактически увеличить трение. Поэтому важно следовать инструкциям производителя и использовать как правильный тип, так и правильное количество смазки.

Радиальные подшипники

Радиальные подшипники присутствуют практически во всех системах линейного перемещения, поддерживая вращающиеся компоненты, такие как шариковые или винтовые валы, или шкивы в системах с ременным приводом. Хотя они относительно малы по сравнению с линейной направляющей или винтом, эти радиальные подшипники также создают трение, которое следует учитывать при проектировании и расчете размеров системы.