Stick-slip fenomeen in mechanische systemen en de rol van oliesmering
Wat is stick-slip?
Stick-slip (ook wel slip-stick genoemd) is een fenomeen waarbij twee oppervlakken die over elkaar bewegen niet vloeiend glijden, maar afwisselend blijven “plakken” en dan plotseling losschieten. Tijdens de stick-fase worden de oppervlakken door statische wrijving tegengehouden en treedt er (kortstondig) geen beweging op, totdat de drijvende kracht groot genoeg wordt om die wrijving te overwinnen*. Vervolgens begint de slip-fase: één oppervlak schiet abrupt vooruit onder de opgebouwde kracht tot het weer dezelfde snelheid heeft als het andere oppervlak, waarna de statische wrijving ze opnieuw tot stilstand “plakt” – en de cyclus herhaalt zich*. Dit leidt tot een schokkende, ongelijkmatige beweging in plaats van gelijkmatig glijden, vaak herkenbaar aan trillingen of geluid (denk aan het piepen van schoenen op een vloer of het krijt op een schoolbord)*. In sommige situaties is stick-slip nuttig, bijvoorbeeld het strijken van een strijkstok op een vioolsnaar voor muziek – maar in de meeste mechanische toepassingen is het ongewenst vanwege de resulterende trillingen, slijtage en verminderde precisie
Fysische oorzaken: wrijving en elasticiteit
De hoofdoorzaak van stick-slip ligt in het verschil tussen statische en dynamische wrijving, in combinatie met enige elasticiteit in het systeem. Statische wrijving (de weerstand bij het starten van beweging) is vrijwel altijd hoger dan dynamische (glij-)wrijving zodra er beweging is*. Wanneer een aangedreven onderdeel (bijv. een schuif) in eerste instantie probeert te bewegen, houdt de hoge statische wrijving het tegen (“stick”) totdat genoeg elastische energie is opgeslagen (in bijvoorbeeld een veer, tandriem of flexibel frame) om los te breken*. Op het moment dat de statische wrijving wordt overwonnen, schiet het onderdeel vooruit; de wrijving valt terug naar de lagere kinetische waarde, en de opgebouwde elastische energie versnelt de beweging*. Al snel zorgt die versnelling en ontlading ervoor dat de drijvende kracht niet langer de beweging hoeft te ondersteunen, en doordat de kinetische wrijving lager is, vertraagt het onderdeel weer tot stilstand – waarna de cyclus opnieuw begint*². Dit verklaart het kenmerkende zaagtandpatroon in de wrijvingskracht over de tijd bij stick-slip*.
Een tweede belangrijke factor is de elasticiteit of flexibiliteit in het mechanisch systeem. Stick-slip doet zich voor als er iets mee kan veren: bijvoorbeeld een veerverbinding, speling of vervorming die de energie kan opslaan en abrupt kan afgeven. Zonder enige elasticiteit (in een volledig star systeem) zou een groter aandrijfkracht gewoon direct de wrijving overwinnen en een gelijkmatige glijbeweging inleiden, zonder oscillaties. Met elasticiteit echter kan de drijvende component blijven duwen terwijl het contact nog vast “kleeft”, waardoor energie wordt opgebouwd totdat het punt van slip bereikt is en die energie ineens vrijkomt als versnelling*.
Wrijvingsregimes en Stribeck-curve: De overgang van stick naar slip wordt mede beïnvloed door het smeerregime waarin de oppervlakken zich bevinden. In grenssmering (boundary lubrication) maken ruwe oppervlakteschaduwjes direct contact met elkaar, en de wrijving wordt voornamelijk bepaald door oppervlakteeigenschappen en eventuele minimale smeerfilm. In gemengde smering dragen zowel de contactasperities als de smeervloeistof bij aan de wrijving. Bij hydrodynamische smering daarentegen scheidt een volledige vloeistoffilm de oppervlakken en wordt de wrijving vooral bepaald door de viscositeit van de olie*. Deze regimes worden vaak weergegeven in de Stribeck-curve, waarin de wrijvingscoëfficiënt afneemt naarmate er een dikkere smeerfilm ontstaat bij hogere snelheid, tot een minimum, en vervolgens weer toeneemt door viscose weerstand bij zeer hoge snelheden*². Stick-slip treedt vooral op in het lage-snelheidsgebied van de Stribeck-curve waar wrijving een negatief hellingsverloop heeft ten opzichte van de snelheid*. Met andere woorden: bij lage schuifsnelheden neemt de wrijving toe als de snelheid daalt (typisch voor grens- of gemengde smering), wat een instabiliteit veroorzaakt. Een negatieve helling bevordert stick-slip sterk, maar het kan ook ontstaan door andere niet-lineaire wrijvingseffecten*². Zodra de schuifsnelheid hoog genoeg is dat de wrijving niet meer sterk afhangt van snelheid (of zelfs toeneemt in het hydrodynamisch regime), verdwijnt het stick-slip gedrag doorgaans en stabiliseert de beweging*.
Invloed van oliesmering op stick-slip
Smering als remedie: In veel gevallen is smeren met olie of vet een oplossing om wrijving te verlagen en soepele beweging te verkrijgen. Een oliefilm tussen twee oppervlakken kan direct metaal-op-metaal contact verminderen, waardoor zowel de statische als kinetische wrijving afneemt. In ideaal geval – bijvoorbeeld volledige hydrodynamische smering – zijn beide oppervlakken door een dunne olielaag gescheiden en is de wrijving laag en stabiel, zodat stick-slip niet optreedt. Bovendien bevatten speciale smeermiddelen vaak frictie-modificatoren (additieven) die de wrijvingseigenschappen gunstig beïnvloeden. Moderne glijbaanoliën voor machinegeleidingen, bijvoorbeeld, zijn geformuleerd met additieven om de statische wrijvingscoëfficiënt te verlagen en een vloeiende overgang van stilstand naar beweging te bevorderen*. Hierdoor wordt voorkomen dat de wrijving een piek vertoont bij het opstarten – de belangrijkste oorzaak van stick-slip. Dergelijke oliën zorgen voor een “afgestemde” wrijving: lage statische wrijving (voor makkelijk loskomen) en een gelijkmatige glijwrijving over een breed snelheidsbereik*². Zo blijft de verhouding van statische tot dynamische wrijving dicht bij 1 of lager, wat essentieel is om stick-slip te elimineren (een bekende norm is dat deze verhouding < 0,8 moet zijn voor goede “anti-stick-slip” prestaties, dit is de Cincinnati-Lam testlimiet is enkel voor slideways niet universeel)*.
*Wanneer smering stick-slip kan verergeren: Verrassend genoeg is smering niet in alle gevallen een garantie tegen stick-slip. In bepaalde situaties kan een smeermiddel zelf aanleiding geven tot schokkerig gedrag. Dit gebeurt met name in het grenssmeringsgebied: wanneer de smeerfilm extreem dun is (orde van nanometers) en onder hoge druk komt, kan de vloeistof zich als een vast materiaal gaan gedragen. Experimenteel is vastgesteld dat bij bijvoorbeeld eenvoudige oliën de moleculen zich in 3-6 monomoleculaire lagen kunnen “ordenen” tot een halfvaste film*². Bij lage schuifsnelheid “kleeft” zo’n vaste smeerlaag tussen de oppervlakken, totdat de schuifspanning groot genoeg wordt om deze te vervloeien – dan treedt ineens slip op. Met andere woorden: de smeerfilm ondergaat cyclisch een afschuif-geïnduceerde overgang van vast (stick) naar vloeibaar (slip)*. Dit verklaart waarom stick-slip ook in aanwezigheid van olie kan voorkomen: de olie film breekt periodiek af en bouwt zich weer op tijdens de beweging.
Daarnaast kan een te lage kinetische wrijving in verhouding tot de statische wrijving het probleem juist versterken. Een voorbeeld is het zogenaamde “maandagochtend-effect” dat in hydraulische machines is waargenomen: wanneer de machine na een weekend stilstand koud wordt gestart, is de olie nog viskeus (dik) en vormt een dikkere film, waardoor de glijwrijving opvallend hoog is. Tegelijkertijd kan de statische wrijving bij het opstarten nog relatief hoog zijn (bijvoorbeeld door afgekoelde dichtingen of geadereerde oppervlakken). Deze combinatie – zeer lage kinetische wrijving versus nog aanzienlijke aanvangswrijving – bevordert juist stick-slip oscillaties*². Onderzoek heeft aangetoond dat veel trillings- en “stotter”-klachten in hydraulische cilinders vooral voorkomen bij lage temperatuur en hoge belasting, precies omdat dan de olie een hogere viscositeit heeft en de glijwrijving dus afneemt, waardoor de verhouding μ_static/μ_dynamic toeneemt*. In zulke gevallen kan een andere smeermiddelkeuze of additiefpakket (bijv. een “anti-stick-slip” olie) soelaas bieden – in één studie werd aangetoond dat met de juiste wrijvingsmodificerende additieven in de olie het optreden en de ernst van stick-slip in een afdichtingscontact drastisch verminderd kan worden*².
Toepassingen gevoelig voor stick-slip
Stick-slip komt voor in allerlei mechanische systemen waar delen langs elkaar bewegen onder wrijving. Enkele typische voorbeelden:
Glijlagers en lineaire geleidingen: Overal waar een schuivend lager of slede is (bijvoorbeeld de geleidebanen van werktuigmachines, lineaire rails, etc.) bestaat kans op stick-slip, vooral bij lage snelheden of cyclische beweging. Slideways (glijgeleidingen) van machines zijn berucht omdat ze vaak in stapvoets regime werken en veel tijd in gemengde smering doorbrengen, wat ze extra vatbaar maakt voor stick-slip.
Wentellagers en draaiende assen: Hoewel rollende elementen (zoals in kogellagers) minder last hebben van statische wrijving, kunnen in bepaalde omstandigheden – bijvoorbeeld zeer lage rotatiesnelheden onder hoge belasting, of bij uitschakeling – ook stick-slip-achtige trillingen ontstaan in lagers. Tevens kunnen contactvlakken in scharnieren of gewrichten (mechanische koppelingen) dit gedrag vertonen.
Hydraulische cilinders en kleppen: In hydraulische actuatoren, met name de zuigerstangafdichtingen (rod seals) van cilinders, ziet men vaak stick-slip bij lage beweging snelheden. Dit uit zich in trillingen of een schokkerige beweging van de cilinder (“stiction” of stick-slip squawk genoemd). De wrijving tussen de rubber afdichting en de metalen stang kan bij start-stop bewegingen blijven hangen en dan losschieten.
Schroefspindels en lineaire schroefdrijven: Voedingsschroeven (zoals kogelomloopspillen of trapeziumspindels) kunnen bij lage snelheid of hoog koppel ook onregelmatig bewegen als de wrijving in de moer wisselt tussen stilstand en glijden. Vooral in droge of slecht gesmeerde spindels is dit merkbaar als een haperende voortgang.
Rem- en koppelingssystemen: Stick-slip is de oorzaak van het bekende gepiep van schijfremmen als de pads over de remschijf schokken in plaats van gelijkmatig te slepen. Ook in koppelingen kan het optreden als platen of wrijvingsmaterialen opeens grip pakken en dan weer slippen, wat tot schokkend aangrijpen leidt.
Wielen op ondergrond: Het slippen van auto- of treinwielen is eveneens gerelateerd fenomeen – een band kan eerst grip verliezen (slip) en dan weer pakken (stick), wat kan leiden tot piepende banden of wieldoorslip oscillaties.
Overige voorbeelden: Zelfs in minder voor de hand liggende situaties komt stick-slip voor. Bijvoorbeeld bij textielmachines (het spinnen van garen) kan variërende garenwrijving door stick-slip leiden tot onregelmatige draadspanning en kwaliteitsproblemen. In precisie-instrumenten (microscopen, lineaire stages) kan “stiction” kleine positioneerfouten veroorzaken. En op heel andere schaal treedt het op in geologie: het schoksgewijze verschuiven langs een breuklijn in de aardkorst – met aardbevingen als gevolg – wordt gemodelleerd als een stick-slip fenomeen van gigantische schaal.
Voorbeelden van stick-slip problemen in de praktijk
Hieronder bekijken we enkele concrete situaties waar stick-slip optreedt en waarom dat problematisch is:
Machinetool geleidingen: In verspanende werktuigmachines (draaibanken, freesbanken) zijn de tafel- en sledengeleidingen kritische componenten. Bij stick-slip gedrag van deze glijgeleidingen gaat de beweging van de gereedschapsslede met horten en stoten in plaats van vloeiend. Dit heeft directe gevolgen voor de nauwkeurigheid: de voeding hapert, wat leidt tot slechte oppervlakteafwerking en maatonnauwkeurigheid van het bewerkte werkstuk. Bovendien kan de bestuurder speling of vertraging merken bij langzame assenbeweging. Omdat slideways lineaire bewegingen maken en telkens moeten stoppen en starten, bevinden ze zich veel in gemengde smering – een recept voor stick-slip als de smeerolie niet perfect is. Fabrikanten lossen dit doorgaans op door speciale anti-stick-slip geleidebaanoliën te gebruiken, en door in de constructie materialen te kiezen die goed op elkaar glijden. Een bekend praktijkcriterium (van Cincinnati Machine) is dat de statische-frictiecoëfficiënt maximaal 80% van de dynamische mag bedragen om stick-slip-vrije beweging te garanderen.
Hydraulische cilinders (“rijdende” kranen en simulators): In hydraulische systemen kan stick-slip van cilinderafdichtingen leiden tot gevaarlijke situaties. Bijvoorbeeld in de hydraulische steunpoten of armen van kranen, hoogwerkers of bucket trucks kan een stotende cilinderbeweging oscillaties en instabiliteit van de giek veroorzaken. Operators merken dit als een schok of trilling bij fijnpositie van de arm. Dit is niet alleen ongewenst voor de precieze controle, maar kan ook de veiligheid compromitteren (denk aan een bakje dat onverwacht schokt met een persoon erin). Een ander voorbeeld zijn vliegtuigsimulatoren: deze staan op hydraulische poten om beweging te simuleren. Als de lip-seals van die actuatoren stick-slip vertonen, voelt de piloot in opleiding onbedoelde trillingen of schokjes, waardoor de illusie van echt vliegen verdwijnt. In al deze gevallen is het van groot belang dat de gebruikte hydraulische vloeistof en afdichtingsmaterialen zodanig zijn gekozen dat de wrijving stabiel is. Fabrikanten van hydrauliekoliën ontwikkelen daarom producten met anti-stick-slip eigenschappen (soms expliciet vermeld voor cilinders). Ook kunnen constructieve maatregelen helpen, zoals het toepassen van dubbelseals of voorzien van microscopische beweginkjes in de besturing om de statische weerstand te doorbreken.
Boormachines en boorstangen: In de olie- en gasindustrie is torsionele stick-slip een berucht fenomeen bij lange boorstangen. De boorkop diep in de bodem kan periodiek tot stilstand komen (stick) en dan weer ineens versnellen (slip), terwijl de boorpijp vanuit de bovenkant continu wordt aangedreven. Deze oscillatie in draaisnelheid veroorzaakt zware trillingen, onvoorspelbaar boogedrag en verhoogde slijtage of zelfs breuk van de boor of stang. Het vermindert ook de boorprestatie (lagere boorsnelheid) en kan leiden tot schade aan downhole instrumentatie. De oorzaak ligt in complexe interacties: wrijving tussen boorkop en gesteente, en de elastische “twist” van de lange boorstring. Om dit te mitigeren worden speciale booraandrijvingsprogramma’s gebruikt (bijv. rotatiecontrolesystemen die oscillaties dempen) en soms dempers in de boorkolom geïntegreerd. Stick-slip in boorstangen illustreert dat dit fenomeen zich niet beperkt tot glijdende lineaire contacten, maar ook in roterende systemen met wrijving en elasticiteit optreedt.
Overige industrieën: In de textielindustrie treedt stick-slip op bij het wrijven van garens over geleiders, wat kan leiden tot onregelmatige spanning en draadbreuk. Bij hoogprecisie positioneersystemen (bijv. lineaire motoren of nanopositioneerstages) kan zelfs minimale stick-slip leiden tot overshoot of trillingen die de resolutie beperken. Vandaar dat men in zulke systemen vaak luchtlagers of magnetische (wrijvingsloze) geleidingen toepast, of piepkleine oscillaties (‘dither’) toevoegt om stiction te vermijden.
Maatregelen en oplossingen tegen stick-slip
Omdat stick-slip in veel toepassingen schadelijk of hinderlijk is, zijn diverse strategieën ontwikkeld om dit fenomeen te voorkomen of te onderdrukken. Enkele belangrijke maatregelen zijn:
Gebruik van geschikte smeermiddelen: Verreweg de meest toegepaste oplossing is het optimaliseren van de smering. Dit houdt in: kiezen voor oliën of vetten met eigenschappen die stick-slip minimaliseren. Anti-stick-slip oliën hebben een zorgvuldig gebalanceerde combinatie van basisolieviscositeit en additieven zoals wrijvingsmodifiers, anti-slijtage en EP-additieven. Deze additieven (bijvoorbeeld bepaalde polaire moleculen) vormen een dunne film op de oppervlakken die de statische wrijving verlaagt, of zorgen ervoor dat de overgang van stilstand naar glijden soepel verloopt. Voor machineglijbanen bestaan speciale geleidebaanoliën (bijv. ISO VG 68 met stick-slip test certificering) die garanderen dat de wrijvingscoëfficiënten onder een bepaalde ratio blijven. In hydraulische systemen kunnen stick-slip free hydrauliekoliën of additiefpakketjes (zoals door sommige fabrikanten aangeboden) de neiging tot stotteren in cilinders wegnemen. Kortom, de juiste smeerolie kiezen – qua viscositeit én additieven – is een eerste verdedigingslinie tegen stick-slip in elk tribologisch systeem.
Viscositeit en temperatuurbeheer: Omdat extreme verschillen tussen statische en dynamische wrijving vaak optreden bij ongunstige viscositeiten (bv. te dik fluid bij lage snelheid), kan het helpen de viscositeit aan te passen aan de bedrijfsomstandigheden. Dit kan betekenen: een dunner smeermiddel bij lage snelheden/temperaturen, of het opwarmen van machines voordat precisiebewegingen worden uitgevoerd, zodat de olie op bedrijfstemperatuur en dus minder stroperig is. Ook multigrade oliën met hoge viscositeitsindex (VI) kunnen ervoor zorgen dat de olie niet te dik wordt bij koude start, wat het “maandagochtend-effect” tegengaat. Het vermijden van zeer lage schuifsnelheden in het proces (indien mogelijk) is eveneens verstandig – liever continu iets sneller bewegen dan kruipen binnen het stick-slip gebied.
Oppervlaktebehandeling en materiaalkoppels: De keuze en afwerking van de contactoppervlakken speelt een grote rol. Gladheidsbewerkingen (fijn slijpen, honen of superfinish) kunnen de amplitude van wrijving verminderen, maar paradoxaal genoeg kan een beetje ruwheid soms helpen olie vast te houden (in de valleien) om grenssmering te verbeteren. Specifieke coatings of oppervlaktebehandelingen zijn beschikbaar om wrijving te managen: bijvoorbeeld teflon- of molybdeensulfide-coatings verlagen de wrijvingscoëfficiënt en daarmee de kans op stick-slip. In machinegeleidingen wordt vaak gekozen voor combinaties van materialen die goed samen glijden – bijv. gehard staal tegen fosforbrons of kunststofgeleiders – omdat sommige materiaalparen veel minder geneigd zijn tot aankleven. Zo hebben polymeer- of composietlagers vaak een lager verschil tussen aanvangs- en glijwrijving vergeleken met puur metaal-metaal contact. Als men merkt dat een bepaald materiaalpaar problematisch is (zoals staal op bepaalde plastics, wat in tests soms heel verschillende stick-slip resultaten geeft afhankelijk van de olie, kan overstappen op een ander koppel of een andere tegenmateriaal-coating het probleem oplossen.
Verhoogde stijfheid en demping: Vanuit dynamisch oogpunt kan men stick-slip ook bestrijden door de mechanische eigenschappen van het systeem aan te passen. Een hoger stijfheid in de aandrijving of constructie betekent minder elasticiteit om energie in op te slaan – dus minder marge voor het opbouwen van een stick-slip oscillatie. Zo kan het gebruik van een kogelomloopspindel in plaats van een trapeziumspindel (die speling en elasticiteit heeft) het risico verminderen. Extra demping toevoegen is eveneens effectief: een demper (bijvoorbeeld een viskeuze schokdemper of rubber tussenlaag) zal de trillingsenergie sneller absorberen, waardoor de zaagtandoscillatie uitdooft. In formules wordt wel aangegeven dat het verhogen van systeemdemping de neiging tot zelfbekrachtigde trillingen onderdrukt. In de praktijk zijn er bijvoorbeeld kits om in hydraulische cilinders demping te verhogen of servovalven die micro-oscillaties genereren om de boel “los” te houden.
Snelheids- en motion control: Een andere aanpak is via de besturing van het bewegingssysteem. Door de snelheid boven een bepaalde drempel te houden, blijft men uit het stick-slip gebied. Bij CNC-machines past men soms dither toe: een hoogfrequente, kleine oscillatie wordt over de voedingsbeweging gesuperponeerd om te voorkomen dat de sledes volledig tot stilstand komen (zo wordt de statische wrijving vermeden). Een menselijk voorbeeld is hoe men een zwaar object in beweging houdt door het een beetje te laten schudden – dat continuïteit in beweging voorkomt vastplakken. Moderne motion controllers kunnen zulke technieken automatisch toepassen. In hydraulische regelingen is het principe van een dither signaal (bijvoorbeeld een paar Hz trilling op een klepsturing) gangbaar om klepstiction te verminderen. Recent onderzoek met ultrasone trillingen heeft laten zien dat het toedienen van zeer hoge frequenties aan een glijdend contact de wrijving dramatisch kan verlagen: in een test nam de wrijvingskracht met ~89% af en de stick-slip uitwijking met ~61% onder droge condities door ultrasoon vibraties toe te voegen*²(Dits is labopstelling; reprodruceerbaarheid onder condities in het veld is nog onzeker). Deze methode is vooral veelbelovend voor situaties waar smering beperkt is of waar men geen additieven kan toepassen. (NB: Bij gesmeerde condities bleek het effect van ultrasoon trillen minder stabiel, waarschijnlijk door complexe interactie met de vloeistoffilm*).
Constructieve alternatieven: Ten slotte kan men overwegen het gehele tribologische systeem te wijzigen om stick-slip te omzeilen. Bijvoorbeeld, in plaats van een glijlager een rollend lager gebruiken (kogellager of rollenbaan) – daarmee wordt statische wrijving praktisch geëlimineerd ten gunste van rollen zonder slip. In lineaire aandrijvingen vervangen kogelomloopgeleidingen vrijwel volledig de vroegere sledegeleidingen met vee-geleidingen om reden van stick-slip. Waar mogelijk kan ook lucht- of magnetische lagering worden toegepast voor uiterst precieze bewegingen zonder wrijving. Dit zijn rigoureuze veranderingen, maar in high-end toepassingen (halfgeleiderindustrie, ruimtevaart) soms gerechtvaardigd om elke vorm van stiction uit te sluiten.
Conclusie
Stick-slip is een complex maar goed te begrijpen verschijnsel dat voortkomt uit het samenspel van wrijving en elasticiteit. In mechanische toepassingen is het doorgaans een ongewenst effect dat kan leiden tot trillingen, geluid, slijtage en prestatieverlies. Door inzicht te hebben in de oorzaken – met name de rol van statische versus kinetische wrijving en de invloed van smeercondities – kunnen ingenieurs gerichte maatregelen nemen. Oliesmering speelt hierin een dubbele rol: een adequaat smeermiddel met de juiste viscositeit en additieven is vaak de sleutel tot het voorkomen van stick-slip, maar onjuiste of ontoereikende smering kan het effect juist in de hand werken. Gelukkig staat de tribologische wetenschap niet stil. Recente ontwikkelingen, van slimme smeermiddelen tot trillingsdempende technologieën, bieden nieuwe tools om stick-slip onder controle te houden. Daarmee kunnen we zorgen voor soepel glijdende machines, nauwkeurige bewegingen en minder ongewenste trillingen in uiteenlopende industrieën – van zware hydrauliek tot fijnmechanica – zelfs nu de eisen aan precisie en snelheid steeds hoger worden.
