Stick-Slip-Effekt

Der Stick-Slip-Effekt (von engl. stick „haften“ und slip „gleiten“) bzw. Haftgleiteffekt bezeichnet das Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern. Bekannte Beispiele sind knarzende Türen und ratternde Scheibenwischer.

Ursache

Der Effekt kann auftreten, wenn die Haftreibung merklich größer ist als die Gleitreibung. Dabei üben gedämpft gekoppelte Oberflächenteile eine schnelle Bewegungsfolge aus Haften, Verspannen, Trennen und Abgleiten aus. Der Effekt verschwindet, sobald die Reibpartner durch den Schmierstoff vollständig getrennt werden (hydrodynamische Gleitreibung).

Mechanismus

Modell zum Stick-Slip-Effekt

V sei ein Linearantrieb (Kurbel mit Gewindespindel), R symbolisiert eine Federkonstante und M die auf einer Platte liegende Masse.

Der Antrieb V führt dazu, dass die Feder R gespannt wird, bis die Federkraft die Haftreibungskraft der Masse M auf der Platte übersteigt und diese in Bewegung versetzt. Abhängig von der Geschwindigkeit sinkt der Reibwert, siehe Stribeck-Kurve. Die Geschwindigkeit der Masse überschreitet bald die Geschwindigkeit des Antriebs, wodurch sich die Feder entspannt. Durch die Trägheit der Masse bewegt sich die Masse ein Stück über den Punkt hinaus, an dem die Federkraft gleich der Gleitreibkraft ist. Nach dem Anhalten holt der Antrieb erst dieses Stück auf und steigert dann wieder die Federspannung bis zur Haftreibungsgrenze.

Variationsbreite

Bei der Plattentektonik sind relativ kurze Gleitphasen (die Erdbeben) durch lange Pausen getrennt, weil die Reibung im Verhältnis zur Steifigkeit der Feder groß ist und der Antrieb langsam.

Bei einem Streichinstrument ist die Reibung klein und die räumlich verteilte Masse und Feder – die Saite ist beides zugleich – zu Schwingungen mit ihrer Eigenfrequenz fähig. Ein sauberer Ton entsteht, wenn die Gleitphase relativ lang ist.

Die zu dem Effekt führende Instabilität wird verstärkt, wenn die Verformung beim Spannen der Feder die aneinander reibenden Flächen dynamisch gegeneinander presst, die Entspannung dagegen die Pressung vermindert. Beispiel ist das Schieben der Gabel über den Teller.

Beim Schubladeneffekt dominiert der Einfluss der Geometrie. In seiner Reinform hat er mit Stick-Slip-Effekt nichts zu tun.

Auswirkungen und Gegenmaßnahmen

Der Stick-Slip-Effekt ist in technischen Anwendungen häufig unerwünscht. Er erzeugt Lärm und Körperschall, der oft als unangenehm wahrgenommen wird, siehe Noise, Vibration, Harshness, und zu erhöhtem Verschleiß und Materialermüdung führen kann.

Gegenmaßnahmen umfassen die Verringerung des Unterschieds zwischen Gleit- und Haftreibung, oft durch Verringerung der Reibung insgesamt, etwa durch Schmierung, eine Erhöhung der Steifigkeit des Antriebs oder der Körper selbst, Verringerung der beteiligten Massen, größere Dämpfung sowie eine die Instabilität mindernde Geometrie.

Literatur

• F.P. Bowden, D. Tabor: The Friction and Lubrication of Solids, Oxford University Press, 2001, 424 p, ISBN 0198507771.
• N.M. Kinkaid, O.M. O'Reilly, P. Papaclopoulos: Automotive disc brake squeal - Journal of sound and vibration, 2003, v. 267, Issue 1, pp. 105-166.
• K. Magnus, K. Popp: Schwingungen: eine Einführung in physikalische Grundlagen und die theoretische Behandlung von Schwingungsproblemen. Stuttgart, Teubner, 2005, 400 S.
• Bo N.J. Persson: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002, ISBN 3540671927.
• Valentin L. Popov: Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer-Verlag, 2009, 328 S., ISBN 978-3-540-88836-9.
• Ernest Rabinowicz: Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995, ISBN 0471830844.