Wie man die Auswirkungen von Haftreibung (Stick-Slip) in Linearführungen reduziert

Was verursacht Haftreibung? Wie man sie reduziert.

Wenn 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 Haftreibung in linearen Führungen auftritt, kann sie zu Klappern ("ruckartige" Bewegung), festhaltender Bewegung, schwankenden Drehmomentanforderungen oder einem Genauigkeitsverlust in Form von Überschwingen führen.

Was verursacht Haftreibung?

Der Koeffizient der Haftreibung (μs) zwischen zwei Oberflächen ist fast immer höher als der Koeffizient der dynamischen (kinetischen) Reibung (μk), und diese Reibungsvariation ist die Ursache für Stick-Slip.

Alle Oberflächen weisen eine gewisse Rauhigkeit auf. Selbst hochbearbeitete und polierte Oberflächen sind nicht vollkommen glatt - sie weisen Spitzen (als "Unebenheiten" bezeichnet) und Täler auf, die die effektive Kontaktfläche der Oberflächen verringern. Mit anderen Worten, an einigen 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 einigen 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 die Haftung erfolgt an diesen Stellen durch ein als Kaltschweißen bezeichnetes Verfahren.

Bevor sich die Oberflächen bewegen können, müssen die Bindungen, die diese Adhäsion verursachen, gelöst werden. In ähnlicher Weise muss dort, wo die Oberflächen ineinandergreifen (die Spitzen der einen Oberfläche setzen sich in die Täler der anderen Oberfläche ab), Abrieb oder plastische Verformung auftreten, um diese ineinandergreifenden Bereiche zu brechen und eine Bewegung der Oberflächen zu ermöglichen.

Sobald die Antriebskraft hoch genug ist, um diese Bindungen zwischen den Oberflächen zu lösen - und die Haftreibung zu überwinden - beginnt die Bewegung. Aber selbst während der Bewegung tritt immer noch ein gewisser Abrieb auf, weil die Oberflächen immer noch nicht perfekt glatt sind. Der Widerstand gegen die Bewegung aufgrund der verbleibenden Oberflächenrauhigkeit wird als dynamische oder kinetische Reibung bezeichnet.

Wie man die Haftreibung reduziert

Bei Linearlagern, die mit Schmierung arbeiten (praktisch alle Umlauflager und einige Gleitlager), zieht die Bewegung zwischen den Lageroberflächen die Schmierung in die mikroskopisch kleinen Zwischenräume zwischen den Oberflächen. Mit zunehmender Relativgeschwindigkeit der Oberflächen wird der Schmierfilm dicker und der Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche verringert, so dass die Reibung zwischen den Oberflächen abnimmt.

Aber Linearlager legen eine endliche Strecke zurück und kehren dann in die entgegengesetzte Richtung zurück (im Gegensatz zu Radiallagern, die sich unbegrenzt in dieselbe Richtung drehen können), so dass sie viel Zeit in der so genannten Mischschmierung verbringen, bei der die Reibung sowohl von den Eigenschaften der Oberflächen als auch von den Eigenschaften des Schmiermittels bestimmt wird. Daher ist die richtige Schmierung der beste Weg, um die Auswirkungen der Haftreibung in Umlauflagern (und in einigen Gleitlagern) zu kontrollieren oder zu verringern.

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. Und der Reibungskoeffizient eines Gleitlagers kann je nach Belastung, Verschleiß und Umgebungsfaktoren variieren.

Bei Gleitlagern, die auf runden Wellen laufen, besteht eine Möglichkeit, den Auswirkungen von Stick-Slip entgegenzuwirken, darin, Wellen mit der höchsten Oberflächengüte (niedrigste Oberflächenrauhigkeit) zu wählen, die praktikabel ist. Und die Befolgung des 2:1-Verhältnisses (auch als 2:1-Regel oder Bindungsverhältnis bezeichnet) - das besagt, dass der Momentarmabstand nicht mehr als das Doppelte der Lagerlänge betragen sollte - ist sehr oft notwendig, um Stick-Slip bei Gleitlageranwendungen zu verhindern.

Eine weitere Möglichkeit, Stick-Slip zu minimieren oder sogar zu verhindern, ist die Verwendung von Luftlagerführungen. Bei Luftlagern ist die Reibung ausschließlich eine Funktion der Luftscherung aus der Bewegung. Daher ist der Unterschied zwischen statischer und kinetischer Reibung in einer Luftlagerbaugruppe im Wesentlichen gleich Null, so dass das Problem des Stick-Slip praktisch ausgeschlossen ist.