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Haftreibung

Um zwei auf­ein­ander glei­tende Körper in Be­we­gung zu hal­ten, muss die Gleit­reibung über­wunden wer­den. Aber auch be­reits im Ruhe­zu­stand wir­ken zwi­schen den bei­den Reib­part­nern Kräfte. Um aus dem Ruhen in das Glei­ten über­gehen zu kön­nen, muss die so­ge­nannte Haft­rei­bung über­wun­den wer­den.

Schon Leo­nardo DaVinci unter­nahm erste Ver­suche zur Haft­rei­bung. Er ver­wen­dete hier­zu eine schiefe Ebene, deren Nei­gungs­win­kel α er so­lange er­höhte, bis der da­rauf haf­ten­de Klotz ins Rutschen kam. Zwi­schen dem kri­ti­schen Win­kel α0 und dem Haft­rei­bungs­koeffizien­ten μH = FH/FN be­steht der ein­fache Zu­sammen­hang μH = tan α0.

Heute wird der Haft­reibungs­koeffizient von Werk­stoff­paarungen mit Hilfe eines Tribo­meters, z.B. mit dem Atlas TT der Nano­Profile GmbH be­stimmt. Hierbei messen wir streng nach den Vor­schrif­ten der ASTM G137: Die Reib­paarung wird mit defi­nierter Flächen­pressung kontaktiert. Dann legt der Prüf­stands­antrieb ein kleines Dreh­moment an, das je­doch zu­nächst nicht aus­reicht, um die zwischen den Reib­part­nern herrschende Haf­tung zu über­win­den. Nach dem zwei­ten Newton­schen Axiom (actio = reactio) ent­steht in der Kontakt­fläche jedoch eine Haft­kraft, die ein dem An­triebs­dreh­moment ent­gegen­gesetztes Mo­ment er­zeugt. Durch dieses Kräfte- und Momenten­gleich­ge­wicht ver­harren die bei­den Reib­partner in rela­tiver Ruhe zu­ein­ander (erstes Newton­ches Axiom). Die zur Auf­recht­er­hal­tung des Ruhe­zu­stands not­wen­dige Haft­kraft wird von der Hebel­me­cha­nik des Atlas TT von der Kon­takt­zone auf den ent­sprech­enden Kraft­auf­nehmer über­setzt:

Abbildung 1: Links: Schema des Ver­suchs­auf­baus zur Be­stimmung des Haft­rei­bungs­ko­effi­zien­ten.
Rechts: Kräfte- und Mo­menten­gleich­ge­wicht im Moment des Los­brechens.

Das an­lie­gende An­trieb­sdreh­mo­ment wird von der Prüf­stands­steuerung nun (nach den Vor­gaben des Be­nutzers) immer wei­ter er­höht. Hier­mit syn­chron wächst je­doch auch die Haft­kraft in der Kon­takt­fläche, so­dass das herrschende Kräfte- und Momenten­gleich­ge­wicht zu je­dem Zeit­punkt er­hal­ten bleibt. Die Haft­rei­bung ist je­doch in Ihrer Höhe be­grenzt, so­dass das An­triebs­moment die Haft­reibung letzt­lich über­win­det. Die maxi­male Haft­kraft, die im Augen­blick des Los­brechens wirkt, ge­teilt durch die auf der Kon­takt­fläche lastende Normal­kraft wird als Haft­rei­bungs­ko­effi­zient μH be­zeich­net.

Mit dem Los­brechen setzt die Re­lativ­be­wegung zwischen den bei­den Reib­part­nern ein. Nun ist nicht mehr die Haft- sondern die Gleitreibung zu über­win­den. Da diese geringer als die Haft­rei­bung ist, herrscht nun kein Kräfte­gleich­ge­wicht mehr und der An­trieb kann die Gegen­kör­per­welle auf die Ge­schwin­dig­keit be­schleu­nigen, mit der die an­schließen­de "Block auf Ring"-Messung durch­ge­führt wer­den soll. Die­ser di­rekte Über­gang von der Messung des sta­tischen Rei­bungs­ko­effi­zienten in eine Messung des dy­na­mischen Gleit­rei­bungs­ko­effi­zienten (sowie der spe­zi­fi­schen Ver­schleiß­rate) ent­spricht exakt den Vor­gaben der ASTM G137.html.

Die fol­gen­de Ab­bildung zeigt das Er­geb­nis einer sol­chen Messung am Bei­spiel der Paarung PEEK/100Cr6:

Abbildung 2: Er­geb­nis der Messung des sta­tischen und des dyna­mi­schen Gleit­rei­bungs­ko­effi­zienten der Paarung PEEK/100Cr6 nach ASTM G137.

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