Stick-Slip Effekt / Haftgleiteffekt

Aus dem englischen ins Deutsche übersetzt bedeutet Stick-Slip Haft-Gleiten oder auch Ruck-Gleiten.

Ursachen sind einerseits gegenseitiges Verhaken zwischen den Mikrostrukturen der Körperoberflächen, die Abgleiten in dem Ausgenblick verhindern.

Anderseits können intermolekulare Kräfte zwischen den Körpern (Adhäsion), verhindern, dass die Körper gegeneinander abgleiten.  Außerdem ist der Stick-Slip-Effekt auch von der Bewegungsfolge der in Kontakt stehenden Körper abhängig.

Die Oberflächen von Festkörpern können rau, glatt, weich, fest etc. sein und damit die Reibung beeinflussen.

Was bedeutet Haftgleiteffekt?

Im Grunde ist der Haftgleiteffekt die direkte Übersetzung aus dem englischen für den Stick-Slip-Effect. Im internationalen Gebrauch hat sich die Verwendung des Begriffes ‘Stick-Slip-Effect’ statt ‘Haftgleiteffekt’ durchgesetzt.

Der Stick-Slip-Effekt breitet sich über Körperschall – abhängig von der Dämpfung der Materialpaarung und der Steifigkeit der Körper – aus und kann zu sehr unerwünschten Störgeräuschen, zum Beispiel in Fahrzeugen, führen. Man kennt das von knarzenden und quietschenden Türen, ratternden Scheibenwischern oder knarzenden Geräuschen in Fahrzeuginnenräumen. Außerdem kann Stick-Slip, viel mehr als eine gleichmäßige Reibung, zu erhöhtem Verschleiß und Materialermüdung und Instabilitäten führen. Kleinste Bewegungen in Präzisionsmaschinen, Gewindespindeln, Gleitlagern und sonstigen Antrieben sind aufgrund gegenseitigen Verspannens der Komponenten empfindlich gestört.

Der Stick-Slip-Effekt hat aber auch eine schöne Seite. Ohne Stick-Slip gäbe es keine Streichinstrumente, die uns in der Musik höchste Hörgenüsse bescheren.

So, wie sich die physikalischen Eigenschaften von Materialien durch den Einfluss von Temperatur und Luftfeuchtigkeit verändern können, so beeinflusst auch das Klima das Stick-Slip-Verhalten. Oft nimmt dieses bei höheren Temperaturen zu, wie z. B. bei Leder und Kunstleder in Kontakt mit sich selbst oder mit Hartkunststoffen.

Andere Polymerwerkstoffe, wie z. B. Polyamid (PA), reagieren auf hohe Luftfeuchtigkeit mit einer Zunahme des Stick-Slip-Effekts. Auch Bauteile aus Elastomerwerkstoffen, wie Dichtungen in Verbindung mit Glas oder lackierten Oberflächen, neigen bei hoher Feuchtigkeit zu stick-slipinduzierten Schwingungen und Quietschen.

Auch Faktoren wie die Relativ-Geschwindigkeit beeinflussen das Geräuschverhalten. Festkörper mit weicher Oberfläche haben bei niedrigen Geschwindigkeiten eine höhere Neigung zum Ruckgleiten, während viele Hartkunststoffe den gegenteiligen Effekt zeigen. Die Gegenmaßnahmen sind dann dementsprechend anzupassen.

Die Auswirkungen des Stick-Slip-Effekts hinsichtlich Geräuschbildung sind dabei immer abhängig von der Eigenfrequenz und Steifigkeit des Bauteils und damit auch von dessen Masse.

In der Materialentwicklung ist daher die Vermeidung von Stick-Slip ein wachsender Aspekt bei den Werkstoffanforderungen.

Nun stellt sich die Frage, kann man Stick-Slip messen?

Wenn ja, wie?

Wir haben bereits vor 20 Jahren den ersten Stick-Slip-Prüfstand nach einem patentierten Prüfverfahren entwickelt und auf den Markt gebracht. Bei dem Verfahren werden zwei Materialien mit einer einstellbaren Normalkraft in Kontakt gebracht und gegenseitig mit einer ebenfalls einstellbaren Geschwindigkeit transversal bewegt (s. Skizze des Funktionsprinzips). Durch die Haftreibung wird eine Blattfeder in Richtung der Bewegung ausgelenkt. Die Rückstellkraft der Feder übersteigt irgendwann die Haftreibung der beiden Materialien, und es kommt zu einem plötzlichen Übergang vom Haften zum Gleiten. Dabei wird Energie freigesetzt. Diese Energie bestimmen wir mit Hilfe eines Beschleunigungssensors.

Nicht nur in der Automobilbranche treffen Materialien aufeinander, welche durch unterschiedliche Schwingungen und bei unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt treten können, wodurch ein Stick-Slip-Effekt entsteht und damit verbundene Störgeräusche auftreten können.

Störende Geräusche wie Quietschen, Knarzen oder Knacken sind ebenso unerwünscht wie stockende Bewegungsabläufe und daraus resultierende Fehlfunktionen. Diese Aussage trifft nahezu auf jede Anwendung und Anforderung zu, weshalb wir mit den unterschiedlichsten Branchen zusammenarbeiten.

In PKW-Innenräumen sind oft Materialpaarungen aus Echt- oder Kunstleder zu finden – nicht nur aus dem Luxussegment – welche häufig für unterwünschten Störgeräuschen verantwortlich sind. Die daraus entstehenden Kundenreklamationen und die damit verbundenen hohen Kosten bei den Automobilherstellern, haben den VDA (Verband der Deutschen Automobilindustrie) dazu gebracht, 2005 eine Prüfnorm (VDA 230/206) herauszubringen, die genau diesem Problem Rechnung trägt.

Die meisten deutschen und zahlreiche weltweiten Automobilhersteller haben diese VDA Norm 230/206 in ihre Prüfspezifikationen mit dem Ziel übernommen, dass deren Lieferanten stick-slip-freie Materialien liefern. Leder beispielsweise kann man durch eine modifizierte Zurichtung optimieren. Bei Kunstleder wird das durch eine modifizierte Materialrezeptur erzielt.

Bei Haushaltsgeräten kann sich der Stick-Slip-Effekt ebenfalls durch unangenehme Geräusche äußern, was besonders im privaten Wohnbereich kritisch ist. Beispielsweise können bei Kühl-Gefrierkombinationen dermaßen laute Knackgeräusche entstehen, dass die Bewohner sich erschrecken, bzw. sogar deren Nachtruhe gestört wird.

In unserem Labor können wir durch eigens angebrachte Körperschallsensoren sowie Mikrofone verschiedene Tests durchführen, sodass der genaue Bereich als Geräuschquelle lokalisiert werden kann.

Im nächsten Schritt werden die ursächlichen Kontaktstellen ausfindig gemacht, um herauszufinden, woher die Relativbewegung kommt, die dafür verantwortlich ist, dass Kontaktstellen überhaupt Geräusche verursachen.

Auch bei Lampen kann der Stick-Slip-Effekt vorkommen, der sich durch Knarz-, Quietsch- und auch Knackgeräusche äußert.

Verursacht werden diese durch Temperaturänderungen in den Lampen, welche eine ständige Materialausdehnung und –schrumpfung nach sich ziehen. Dadurch entstehen Relativbewegungen aufgrund von nicht kompatiblen Materialpaarungen.

Ein gutes Beispiel sind Insulinpens als Hilfsmittel für Diabetiker zur einfachen und exakten Verabreichung einer genau bestimmten Menge Insulins.

Der Drehknopf zur Dosierung verfügt über eine Rastung mit akustischer und taktiler Rückmeldung, damit Menschen mit Sehbehinderung die zu verabreichende Menge genau dosieren können. Die Gleitphasen im Rastmechanismus dürfen durch nichts beeinträchtigt werden, um Fehlbedienungen, die fatale Folgen nach sich ziehen würden, zu vermeiden.

In unserem Beispiel haben inkompatible Materialkombinationen innerhalb des Insulinpens Stick-Slip verursacht und die akustische und taktile Rückmeldung behindert. Wir konnten die kritischen Materialpaarungen messtechnisch feststellen und unseren Kunden bei der Suche nach Alternativmaterialien erfolgreich unterstützen.

Oft werden Schmierstoffe zur Verringerung oder sogar zur Vermeidung des Stick-Slip-Effekts zwischen zwei Körpern oder Bauteilen herangezogen.

Leider hat es sich gezeigt, dass bei verschiedenen Kontaktverhältnissen bestimmte Schmierstoffe entweder nicht helfen oder durch Mangelschmierung (fehlende Schmiertaschen) die Situation sogar verschlimmern. Das liegt in der Regel daran, dass einerseits der Schmierstoff nicht zu den Materialien der Reibpartner, anderseits nicht zur Kontaktsituation – Stichwort: Flächenpressung – passt.

In unserem Physiklabor sind wir in der Lage, mit dem Prüfstand H3P den Stick-Slip-Effekt zwischen Materialpaarungen unter dem Einfluss von Schmierstoffen zu messen und damit einen wichtigen Beitrag zur Vermeidung von störenden Geräuschen sowie zur Optimierung der Abrieb- und Verschleißeigenschaften zu leisten.

Auch bei Fahrrädern können Stick-Slip-Effekte zu Einschränkungen im positiven Produkterleben des Kunden führen wie beispielsweise beim Treten in die Pedale. Mit Hilfe unseres Prüfstands können verantwortliche Kontaktstellen festgestellt werden, wie zum Beispiel der Zahnkranz im Kontakt mit der Kette. Anhand dieser Erkenntnis kann eine geeignete Beschichtung des Zahnkranzes festgelegt werden, die nachhaltig und langanhaltend Stick-Slip verhindert und das positive Produkterlebnis des Endkunden wieder herstellt.

Täglich kommen wir in Situationen, in welchen uns der Stick-Slip-Effekt begegnen kann. In Deutschland sitzt der Mensch durchschnittlich 7,5 Stunden am Tag. Nicht nur beim Hinsetzten, auch beim Aufrichten, beim Aufstehen oder bei einer kleinen Gymnastikeinheit auf dem Bürostuhl kann es zu quietschenden, knarzenden und knackenden Störgeräuschen kommen. Diese entstehen durch die horizontale Kraft, welche von dem eigenen Gewicht ausgeht.

Bei einer Bewegung reiben durch die Federkraft in dem Bürostuhl einige Materialien aneinander, sodass Geräusche entstehen. Auch bei dem Kontakt zwischen Stuhloberfläche und Hose (z.B. Stoff auf Leder) kann der Stick-Slip-Effekt entstehen.

In Führungen der Lineartechnik, Schraubverbindungen, Gleitlager, Spindelhubanlagen, Bremsen  und anderen Situationen bzw. Anlagen, bei denen Festkörper in Kontakt sind und Relativbewegung ausüben, kann der Stick-Slip-Effekt unerwünschte Auswirkungen nach sich ziehen. Von störenden Geräuschen, Vibrationen und Verhindern präziser Bewegungen, bis hin zu erhöhtem Abrieb und Verschleiß sind die Auswirkungen vielfältig.

Beispielsweise kann das Schiffswellenlager eines Unterseebootes unter dem Einfluss von Druckflüssigkeit (Meerwasser) betroffen sein, welches aufgrund des Stick-Slip-Effekts erhebliche Vibrationen erzeugt und daher im Ernstfall bei Unterwasserfahrt leicht zu orten wäre. Die Prüfungen, die wir mit Hilfe unseres Prüfstandes anhand von herausgetrennten Proben unter Zugabe von Meerwasser durchführen können, ermöglichen es uns, die Situation im Fahrbetrieb nachzustellen und eine Lösung aufzuzeigen.

• Verminderung der Haftreibung durch Schmierung (Schmiertaschen)
• Bei Kunststoffen kann die Zugabe bestimmter Zusätze das Gleitvermögen beeinflussen
• Entkopplung des Kontaktes durch gleitoptimierte Folien oder durch Filze
• Änderung der Kontaktfläche und damit der Adhäsion
• Bei Kontakten zwischen harten und weichen Werkstoffen kann durch eine gezielte Modifizierung der Kontaktgeometrie die Haftung so verstärkt werden, dass Relativbewegung ausgeschlossen wird
• Relativbewegung und damit Stick-Slip kann durch eine form- oder sogar stoffschlüssige Verbindung der Bauteile erzielt werden