Was verursacht Haftreibung? Wie man sie reduziert.

Sofern Sie nicht gerade Geige spielen, ist Haftreibung oder Stick-Slip ein unerwünschter Zustand, der durch den Unterschied zwischen statischer und dynamischer Reibung zwischen den beiden Oberflächen verursacht wird. Wenn in Linearführungen Haftreibung auftritt, kann dies zu Rattern („ruckartiger“ Bewegung), Bewegungsblockaden, schwankenden Drehmomentanforderungen oder einem Genauigkeitsverlust in Form von Überschwingen führen.

Was verursacht Haftreibung?

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

Alle Oberflächen weisen eine gewisse Rauheit auf. Selbst hochbearbeitete und polierte Oberflächen sind nicht vollkommen glatt – sie weisen Spitzen (sogenannte „Unebenheiten“) und Täler auf, die die effektive Kontaktfläche der Oberflächen verringern. Mit anderen Worten: An manchen Stellen berühren sich nur die Spitzen der beiden Oberflächen, während an anderen Stellen die Spitzen einer Oberfläche in die Täler der anderen Oberfläche sinken. Und an manchen Stellen gibt es keinen Kontakt zwischen den Oberflächen.

Da die einzelnen Kontaktflächen sehr klein sind, ist der Druck zwischen den Flächen extrem hoch (Druck = Kraft ÷ Fläche) und es kommt an diesen Stellen zu einer Verklebung durch einen Prozess, der Kaltschweißen genannt wird.

Bevor sich die Oberflächen bewegen können, müssen die Bindungen, die diese Adhäsion bewirken, gelöst werden. Ebenso muss dort, wo die Oberflächen ineinandergreifen (die Spitzen einer Oberfläche setzen sich in die Täler der anderen Oberfläche), Abrieb oder plastische Verformung auftreten, um diese ineinandergreifenden Bereiche 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. Aber auch während der Bewegung kommt es zu einem gewissen 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, die eine Schmierung verwenden (fast alle Umlauflager und einige Gleitlager), zieht die Bewegung zwischen den Lageroberflächen Schmiermittel in die mikroskopisch kleinen Räume zwischen den Oberflächen. Mit zunehmender Relativgeschwindigkeit der Oberflächen wird der Schmierfilm dicker und der Kontakt zwischen den Oberflächen nimmt ab, sodass die Reibung zwischen den Oberflächen abnimmt.

Linearlager legen jedoch eine endliche Strecke zurück und kehren dann in die entgegengesetzte Richtung zurück (im Gegensatz zu Radiallagern, die sich unbegrenzt in die gleiche Richtung drehen können), sodass sie viel Zeit in der sogenannten Mischschmierung verbringen, wo Reibung herrscht wird sowohl durch die Eigenschaften der Oberflächen als auch durch die Eigenschaften des Schmiermittels bestimmt. Daher ist eine ordnungsgemäße Schmierung die beste Möglichkeit, die Auswirkungen der Haftreibung in Umlauflagern (und in einigen Gleitlagern) zu kontrollieren oder zu reduzieren.

Stick-Slip oder Haftreibung ist bei Gleitlagern oft problematischer als bei Umlauflagern. Dies liegt daran, dass Gleitlager einen größeren Unterschied zwischen statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten aufweisen. Und der Reibungskoeffizient eines Gleitlagers kann je nach Belastung, Verschleiß und Umgebungsfaktoren variieren.

Bei Gleitlagern, die auf runden Wellen laufen, besteht eine Möglichkeit, den Effekten des Ruckgleitens entgegenzuwirken, darin, Wellen mit der höchsten Oberflächengüte (geringste Oberflächenrauheit) zu wählen, die praktisch ist. Und die Einhaltung des 2:1-Verhältnisses (auch als 2:1-Regel oder Bindungsverhältnis bezeichnet) – das besagt, dass der Momentenarmabstand nicht mehr als das Doppelte der Lagerlänge betragen darf – ist sehr oft notwendig, um Stick-Slip-In zu verhindern Gleitlageranwendungen.

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 Luftscherung durch Bewegung. Daher ist der Unterschied zwischen statischer und kinetischer Reibung in einer Luftlageranordnung im Wesentlichen Null, sodass das Problem des Ruckgleitens praktisch ausgeschlossen ist.