Reibung

Reibung (Grundlagen & Arten)

Reibung ist der physikalische Widerstand, der auftritt, wenn sich zwei berührende Körper gegeneinander bewegen (oder bewegen wollen).
In der Technik ist Reibung oft unerwünscht (Verschleiß, Energieverlust), aber manchmal zwingend notwendig (Bremsen, Schraubverbindungen, Riemenantriebe).

Das Grundgesetz (Coulomb-Reibung)

Die Reibungskraft () hängt nur von zwei Dingen ab:

  1. Wie fest werden die Teile aneinander gedrückt? (Normalkraft )
  2. Wie rau/glatt sind die Oberflächen? (Reibwert )

(Die Auflagefläche spielt theoretisch keine Rolle!)

1. Die drei Reibungszustände

Man unterscheidet je nach Bewegungszustand drei Arten. Die Kraft, die nötig ist, um den Widerstand zu überwinden, sinkt von oben nach unten drastisch.

A. Haftreibung ( oder )

  • Zustand: Die Körper bewegen sich nicht zueinander. Sie "kleben" aneinander.
  • Kraft: Am höchsten. Man braucht viel Kraft, um einen schweren Schrank loszuschieben (Losbrechmoment).
  • Beispiel: Eine angezogene Schraube (Selbsthemmung), ein Reifen, der auf der Straße greift (nicht rutscht).

B. Gleitreibung ()

  • Zustand: Die Körper gleiten flächig aufeinander.
  • Kraft: Geringer als Haftreibung. Sobald der Schrank rutscht, geht es leichter.
  • Beispiel: Trapezgewinde, Gleitlager, Schlitten auf einer Führung, blockierende Reifen (Bremsplatten).
  • Nachteil: Hoher Verschleiß (Abrieb) und Wärmeentwicklung.

C. Rollreibung ()

  • Zustand: Wälzkörper (Kugeln, Rollen) rollen zwischen den Flächen.
  • Kraft: Extrem gering (oft 100-mal kleiner als Gleitreibung!).
  • Beispiel: Kugelgewindetrieb (KGT), Kugellager, Autoreifen (beim Fahren).
  • Vorteil: Kaum Verschleiß, sehr effizient.

2. Der Reibwert () im Vergleich

Hier sieht man, warum Wälzlager (Kugellager) im Maschinenbau so dominant sind.

Paarung Reibungsart Reibwert (ca.)
Stahl auf Stahl (trocken) Haftreibung 0,15 - 0,30
Stahl auf Stahl (geölt) Gleitreibung 0,05 - 0,10
Stahl auf Kunststoff (Teflon) Gleitreibung 0,04
Kugellager (Stahl/Stahl) Rollreibung 0,001 - 0,002
Fazit

Rollreibung ist ca. 50 bis 100 Mal leichter als Gleitreibung! Deshalb haben Kugelgewindetriebe einen Wirkungsgrad von >90%, während Trapezgewinde (Gleiten) oft unter 50% liegen.

3. Der Stick-Slip-Effekt (Ruckgleiten)

Ein gefürchtetes Phänomen bei CNC-Maschinen und Führungen.

Ursache:
Die Haftreibung ist deutlich größer als die Gleitreibung ().

Ablauf:

  1. Ein Schlitten soll bewegt werden. Der Motor drückt, aber die Haftreibung hält dagegen ("Stick").
  2. Spannung baut sich auf, bis die Kraft die Haftreibung überwindet.
  3. Der Schlitten bricht los. Plötzlich wirkt nur noch die (viel kleinere) Gleitreibung.
  4. Der Schlitten schießt nach vorne ("Slip"), die Spannung im Antrieb fällt ab.
  5. Der Schlitten bleibt wieder stehen (Haftreibung greift wieder).
  6. Es beginnt von vorne Rattern / Ruckeln.

Lösung:

  • Verwendung von Rollführungen (Kugellager), da hier Haft- und Rollreibung fast gleich sind.
  • Spezielle Gleitbahöle ("Bettbahnöl"), die die Haftreibung senken.

4. Schmierung (Tribologie)

Um Gleitreibung zu reduzieren und Verschleiß zu verhindern, nutzt man Schmierstoffe (Öl, Fett). Man unterscheidet nach der Stribeck-Kurve:

  1. Festkörperreibung: Metall berührt Metall (Verschleiß!).
  2. Mischreibung: Ein bisschen Öl ist da, aber die Spitzen berühren sich noch (beim Anfahren).
  3. Flüssigkeitsreibung (Hydrodynamik): Ein Ölfilm trennt die Teile komplett. Die Welle "schwimmt" auf dem Öl (Idealzustand im Gleitlager bei hoher Drehzahl).

Siehe auch