Konstruktive Maßnahmen zur Reduzierung der Haftreibung in tribologischen Systemen

Konstruktive Maßnahmen zur Reduzierung der Haftreibung in tribologischen Systemen. Bild: Seibel

1. Einleitung

Haftreibung spielt eine wichtige Rolle in vielen tribologischen Systemen, wie zum Beispiel Bremsen, Kupplungen oder Gelenken. Es ist seit langem bekannt, dass Haftreibung sowohl von der Kontaktzeit [1] als auch der Belastungsrate [2] abhängig ist. Neueste Erkenntnisse zur Reibung in Grenzflächen haben zudem gezeigt, dass der Übergang von Haften zu Gleiten zweier in Kontakt stehender Körper insbesondere durch die Verteilung von Schub- zu Normalspannung in der Grenz- fläche bestimmt wird [3]. Durch eine gezielte Beeinflussung dieser Verteilung kann die Haftreibung sogar um bis zu 100 % variiert werden [4], wobei der Unterschied zwischen Haft- und Gleitreibung umso größer ausfällt, je ungleichförmiger die Verteilung ist. Diese Erkenntnis eröffnet ein großes Potential für die Technik, die in tribologischen Systemen vorherrschende Haftreibung mit entsprechenden konstruktiven Mitteln aktiv zu beeinflussen.

Aus diesem Grund werden in diesem Beitrag konstruktive Maßnahmen zur gezielten Beeinflussung der Spannungsverteilung in der Grenzfläche eines tribologischen Systems und damit zur Reduzierung der dort vorherrschenden Haftreibung in Form von Leitregeln zusammengefasst. Der wesentliche Unterschied der vorgestellten Maßnahmen zu den bereits bekannten, wie zum Beispiel Schmierung oder Oberflächenbeschichtung, liegt darin, dass dadurch die Gleitreibung nicht bzw. kaum beeinflusst wird und damit eine gezielte Reduzierung der Haftreibung in Richtung Gleitreibung realisiert werden kann. Dies ist insbesondere für solche Systeme relevant, die hohe Losbrechkräfte oder unerwünschte Stick-Slip-Erscheinungen aufweisen.

2. Leitregeln

Als Ausgangskonfiguration zur Formulierung der Leitregeln dient ein quaderförmiger Reibkörper, der symmetrisch durch eine Normalkraft F_N und eine Tangentialkraft F_T belastet wird (Bild). Diese Konfiguration weist eine annähernd gleichförmige Verteilung von Schub- zu Normalspannung in der Grenzfläche auf. In dem oberen Abschnitt wurde beschrieben, dass eine ungleichförmige Verteilung von Schub- zu Normalspannung in der Grenzfläche zu einer Reduktion der Haftreibung führen kann ohne dabei die Gleitreibung zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang lassen sich grundsätzlich vier konstruktive Maßnahmen zur Beeinflussung dieser Verteilung unterscheiden, die in zwei Gruppen unterteilt werden können (Bild).

2.1 Asymmetrische Kraftanordnung

Die ersten beiden Leitregeln betreffen die Anordnung der äußeren Kräfte am Reibkörper:

1.) Normalkraft: Die äußere Normalkraft sollte möglichst asymmetrisch am Reibkörper angeordnet werden.

Für einen quaderförmigen Reibkörper bedeutet dies, dass die Normalkraft exzentrisch angeordnet werden soll (Bild, Konfiguration I-a). Eine solche Anordnung der Normalkraft bewirkt neben einer ungleichförmigen Normalspannungsverteilung in der Grenzfläche auch ein leichtes Abheben des Reibkörpers an seinem vorderen Ende, was bei den Experimenten in [4] für eine PMMA-PMMA-Paarung eine Haftreibungsreduktion von circa 8 % bewirkte. Eine Anwendung dieser Leitregel auf eine Automobil-Scheibenbremse führte beispiels- weise zu einer Reduzierung der Haftreibung um circa 9 % [5]. Dadurch ist eine konstruktive Möglichkeit zur Unterdrückung des unerwünschten Bremsenknarzens gegeben.

2.) Tangentialkraft: Die äußere Tangentialkraft sollte möglichst asymmetrisch am Reibkörper angeordnet werden.

Bei einem quaderförmigen Reibkörper sollte die Tangentialkraft demnach seitlich und möglichst nahe der Grenzfläche angeordnet werden (Bild, Konfiguration I-b). Dadurch kommt es zu einer starken Erhöhung der Schubspannung an dem hinteren Ende des Reibkörpers, von dem aus das Losbrechen ausgeht. Das dabei zusätzlich entstehende Drehmoment um die Querachse (Nickmoment) begünstigt das Losbrechen sogar, weil dadurch die Verteilung von Schub- zu Normalspannung in der Grenzfläche insgesamt noch ungleichförmiger wird. Diese Maßnahme bewirkte bei den Experimenten in [4] für eine PMMA-PMMA-Paarung eine Reduk-tion der Haftreibung um mehr als 45 %.

2.2 Ungleichförmige Systemsteifigkeit

Bei der Systemsteifigkeit kann zwischen der Steifigkeit der Grenzfläche und der Steifigkeit des Reibkörpers unterschieden werden:

3.) Steifigkeit der Grenzfläche: Die Steifigkeit der Grenzfläche sollte möglichst ungleichförmig gestaltet werden.

Eine ungleichförmige Steifigkeit der Grenzfläche lässt sich zum Beispiel durch das Anbringen von Ober- flächennuten realisieren, die quer zur Bewegungsrichtung angeordnet sind (Bild, Konfiguration II-a). Der Einfluss solcher Nuten auf die Haft- reibung eines quaderförmigen Reibkörpers wurde in [6] mit Hilfe eines Simulationsmodells untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass mit steigender Anzahl der Oberflächennuten die Reduktion der Haftreibung überproportional abnimmt und ab einer gewissen kritischen Nutendichte praktisch nicht mehr vorhanden ist. Ursache dafür ist eine starke Erhöhung der Schubspannung an den Nutenkanten, wo sich das Material leichter verformen lässt und dadurch ein Losbrechen bei einer wesentlich geringeren Tangentialkraft realisiert werden kann als dies ohne Nuten der Fall wäre. Je größer die Nutendichte ist, desto gleichförmiger wird die Schubspannungsverteilung in der Grenz-fläche und desto größer wird die entsprechende Losbrechkraft.

4.) Steifigkeit des Reibkörpers: Die Steifigkeit des Reibkörpers sollte möglichst ungleichförmig gestaltet werden.

Eine grundsätzliche Möglichkeit, die Steifigkeit des Reibkörpers ungleichförmig zu gestalten, besteht in der Substitution oder der Wegnahme von Material. Die Konfiguration II-b [7] im Bild zeigt ein Beispiel für den ersten Fall. Bei dem dort dargestellten Reibkörper wurden zwei gestufte Blöcke unterschiedlicher Steifigkeit miteinander verbunden, wobei der obere Block eine wesentlich höhere Steifigkeit aufweist als der untere Block. Dadurch nimmt die Gesamtsteifigkeit des Reibkörpers in Bewegungsrichtung stufenweise ab, was dazu führt, dass unterschiedliche Bereiche der Grenzfläche während des tangentialen Belastungsprozesses zu unterschiedlichen Zeiten losbrechen und dadurch die für das Losbrechen des gesamten Reibkörpers erforder- liche Kraft wesentlich reduziert wird. Die experimentellen Ergebnisse für diese Konfiguration ergaben für eine Stahl/Elastomer-Stahl-Paarung eine Reduktion der Haftreibung um circa 20 %.

2.3 Theoretische Einschränkungen

Die in den oberen beiden Teilabschnitten beschriebenen Maßnahmen haben allerdings unter anderen folgende theoretische Einschränkungen [8]:

Je geringer der Unterschied in der Steifigkeit der beiden Reibpartner ist, desto geringer ist die mögliche Haftreibungsreduktion. Folglich lässt sich die Haftreibung bei Kunststoff-Metall-Paarungen durch die vorgenannten konstruktiven Maßnahmen stärker reduzieren als zum Beispiel bei Metall-Metall-Paarungen.

Je größer der Unterschied in der Querkontraktion der beiden Reibpartner ist, desto geringer fällt die mögliche Haftreibungsreduktion aus. Dies liegt daran, dass die Querkontraktion das Losbrechen der beiden Reibpartner durch Ver- haken der Grenzflächenkontakte behindert.

3. Zusammenfassung und Ausblick

Dieser Beitrag formuliert auf Basis der neuesten Grundlagenerkenntnisse zur Reibung in Grenzflächen [3, 4] allgemeine konstruktive Leitregeln zur Reduzierung der Haftreibung in Richtung Gleitreibung eines tribologischen Systems durch eine gezielte Beeinflussung der Spannungsverteilung in der Grenzfläche. Diese Leitregeln gilt es entsprechend auf reale tribologische Systeme anzuwenden und ihren quantitativen Einfluss experimentell nachzuweisen.

Die Gültigkeit der Leitregeln beschränkt sich dabei ausschließlich auf tribologische Systeme mit offenen Reibwirkflächen. Beispiele dafür sind die Scheibenbremse oder das Schraubengewinde. Die Übertragung der Leitregeln auf Systeme mit geschlossenen Reibwirkflächen, wie zum Biespiel die Scheibenkupplung, das Kugelgleit- gelenk oder die Schraubenkopfauflage, gilt es noch zu prüfen.

Literatur

[1] Dieterich, J. H.: Time-dependent friction in rocks. In: Journal of Geophysical Research 77 (1972), Nr. 20, S. 3690–3697.

[2] Johannes, V. I.; Green, M. A.; Brockley, C. A.: The role of the rate of application of the tangential force in determining the static friction coefficient. In: Wear 24 (1973), Nr. 3, S. 381–385.

[3] Ben-David, O.; Cohen, G.; Fineberg, J.: The dynamics of the onset of frictional slip. In: Science 330 (2010), Nr. 6001, S. 211–215.

[4] Ben-David, O.; Fineberg, J.: Static friction coefficient is not a material constant. In: Physical Review Letters 106 (2011), Nr. 25, Artikel 254301.

[5] Stingl, B.: Dynamik trockener Reibung in technischer Anwendung. Göttingen: Sierke, 2015.

[6] Capozza, R.; Pugno, N.: Effect of surface grooves on the static friction of an elastic slider. In: Tribology Letters 58 (2015), Nr. 3, S. 1–6.

[7] Lorenz, B.; Persson, B. N. J.: On the origin of why static or breakloose friction is larger than kinetic friction, and how to reduce it. In: Journal of Physics: Condensed Matter 24 (2012), Nr. 22, Artikel 225008.

[8] Capozza, R.; Urbakh, M.: Static friction and the dynamics of interfacial rupture. In: Physical Review B 86 (2012), Nr. 8, Artikel 085430.