Was verursacht Haftreibung? So reduzieren Sie sie.

Sofern Sie nicht gerade Geige spielen, ist Haftreibung oder Ruckgleiten ein unerwünschter Zustand, der durch den Unterschied zwischen statischer und dynamischer Reibung zwischen den beiden Oberflächen verursacht wird. Tritt Haftreibung in Linearführungen auf, kann dies zu Rattern („ruckartigen“ Bewegungen), Blockieren, schwankendem Drehmomentbedarf oder Genauigkeitsverlust durch Überschwingen führen.

Was verursacht Haftreibung?

Der statische Reibungskoeffizient (μs) zwischen zwei Oberflächen ist fast immer höher als der dynamische (kinetische) Reibungskoeffizient (μk), und diese Reibungsschwankung ist die zugrunde liegende Ursache für Ruckgleiten.

Alle Oberflächen weisen eine gewisse Rauheit auf. Selbst hochglanzpolierte Oberflächen sind nicht vollkommen glatt – sie weisen Spitzen (sogenannte „Unebenheiten“) und Täler auf, die die effektive Kontaktfläche der Oberflächen verringern. Anders ausgedrückt: An manchen Stellen berühren sich nur die Spitzen der beiden Oberflächen, während sich an anderen Stellen die Spitzen der einen Oberfläche in die Täler der anderen Oberfläche legen. Und an manchen Stellen besteht kein Kontakt zwischen den Oberflächen.

Da die einzelnen Kontaktflächen sehr klein sind, ist der Druck zwischen den Oberflächen extrem hoch (Druck = Kraft ÷ Fläche) und es kommt an diesen Stellen durch einen als Kaltschweißen bekannten Prozess zur Haftung.

Bevor sich die Oberflächen bewegen können, müssen die Bindungen, die diese Haftung verursachen, aufgebrochen werden. Ebenso muss dort, wo sich die Oberflächen verhaken (die Spitzen einer Oberfläche verhaken sich in den Tälern der anderen Oberfläche), Abrieb oder plastische Verformung auftreten, um diese Verhaken aufzubrechen und die Bewegung der Oberflächen zu ermöglichen.

Sobald die Antriebskraft hoch genug ist, um diese Bindungen zwischen den Oberflächen aufzubrechen und die Haftreibung zu überwinden, beginnt die Bewegung. Doch selbst während der Bewegung kommt es zu Abrieb, da die Oberflächen noch nicht vollkommen glatt sind. Der Bewegungswiderstand aufgrund der verbleibenden Oberflächenrauheit wird als dynamische oder kinetische Reibung bezeichnet.

So reduzieren Sie die Haftreibung

Bei Linearlagern mit Schmierung (praktisch alle Umlauflager und einige Gleitlager) gelangt durch die Bewegung zwischen den Lagerflächen Schmiermittel in die mikroskopisch kleinen Zwischenräume. Mit zunehmender Relativgeschwindigkeit der Oberflächen wird der Schmierfilm dicker und der Oberflächenkontakt verringert sich, wodurch die Reibung zwischen den Oberflächen abnimmt.

Linearlager legen jedoch eine begrenzte Strecke zurück und kehren anschließend in die entgegengesetzte Richtung zurück (im Gegensatz zu Radiallagern, die sich unbegrenzt in die gleiche Richtung drehen können). Daher befinden sie sich lange Zeit in der sogenannten Mischreibung, bei der die Reibung sowohl von den Oberflächeneigenschaften als auch von den Eigenschaften des Schmierstoffs bestimmt wird. Daher ist eine ordnungsgemäße Schmierung die beste Methode, um die Auswirkungen der Haftreibung in Umlauflagern (und einigen Gleitlagern) zu kontrollieren oder zu reduzieren.

Stick-Slip oder Haftreibung ist bei Gleitlagern oft problematischer als bei Umlauflagern. Dies liegt daran, dass bei Gleitlagern ein größerer Unterschied zwischen statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten besteht. Der Reibungskoeffizient eines Gleitlagers kann je nach Belastung, Verschleiß und Umgebungsfaktoren variieren.

Bei Gleitlagern auf runden Wellen besteht eine Möglichkeit, Stick-Slip-Effekten entgegenzuwirken, darin, Wellen mit der bestmöglichen Oberflächengüte (geringste Oberflächenrauheit) zu wählen. Um Stick-Slip-Effekten in Gleitlagern vorzubeugen, ist es häufig notwendig, das 2:1-Verhältnis (auch 2:1-Regel oder Bindungsverhältnis genannt) einzuhalten, das besagt, dass der Hebelarmabstand nicht mehr als die doppelte Lagerlänge betragen sollte.

Eine weitere Möglichkeit, Stick-Slip zu minimieren oder sogar zu verhindern, ist der Einsatz von Luftlagerführungen. Bei Luftlagern ist die Reibung ausschließlich eine Funktion der durch die Bewegung verursachten Luftscherung. Daher ist der Unterschied zwischen statischer und kinetischer Reibung in einer Luftlageranordnung praktisch null, sodass das Stick-Slip-Problem praktisch eliminiert ist.