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