Rubber roller friction in contact with steel

Abstract

This thesis was done for KONE Corporation. The work aimed to investigate how external factors such as acceleration, velocity, and applied force influence the friction behavior between a specific rubber roller and a steel counter surface. The focus was on two main areas of friction behavior: static friction during rolling for speed detection and sliding friction for generating friction force. The work began with a literature review, where different theories and test observations were gathered and studied. Based on the acquired knowledge, the work continued with the development of a test plan focusing on the aforementioned key areas and the execution of physical tests in a typical elevator operating environment.

The results related to sliding friction indicate that increasing normal force increases friction force, mainly in direct proportion. The relationship is also influenced by velocity and acceleration. At a constant low velocity, the coefficient of friction decreases as the normal force increases. During acceleration from a standstill, such as in a free-fall scenario, the friction force, and thus the coefficient of friction, does not reach the levels observed at a constant low velocity. Friction force levels during a free-fall scenario remained at a relatively steady level instead of significantly changing depending on the speed.

The results related to static friction during rolling show that the normal force levels used in the tests ensure that no significant slippage occurs between the roller and counter surface during acceleration from a standstill, such as in a free-fall scenario. Additionally, the results indicate that as the mass of the rotating components increases, the roller’s ability and response time to detect speed, such as in a free-fall situation, weakens.

Tämä opinnäytetyö tehtiin KONE Oyj:lle. Työn tavoitteena oli selvittää, miten ulkoiset tekijät, kuten kiihtyvyys, nopeus ja käytetty voima, vaikuttavat kitkakäyttäytymiseen erään kumirullan ja teräksisen vastinpinnan välillä. Kitkakäyttäytymisessä keskityttiin kahteen pääalueeseen: Staattiseen kitkaan pyörimisen aikana nopeuden tunnistamiseksi sekä liukukitkaan kitkavoiman tuottamiseksi. Työ aloitettiin tekemällä kirjallisuuskatsaus, jossa kerättiin ja tutkittiin eri teorioita ja testien havaintoja. Hankitun tiedon pohjalta jatkettiin työtä laatimalla testisuunnitelma, jossa keskityttiin edellä mainittuihin pääalueisiin, ja suorittamalla fyysisiä testejä hissille tyypillisessä toimintaympäristössä.

Liukukitkaan liittyvät tulokset osoittavat, että normaalivoiman lisääminen kasvattaa kitkavoimaa, pääosin suorassa suhteessa. Suhteeseen vaikuttavat myös nopeus ja kiihtyvyys. Tasaisella, matalalla nopeudella kitkakerroin pienenee normaalivoiman kasvaessa. Paikaltaan lähtiessä kiihtyvällä nopeudella kuten esimerkiksi vapaapudotuksessa kitkavoima, ja siten kitkakerroin, ei saavuta tasoa, jota havaittiin tasaisella, matalalla nopeudella. Vapaapudotustilanteessa kitkavoiman tasot pysyivät suhteellisen vakaina sen sijaan, että ne olisivat muuttuneet merkittävästi nopeuden mukaan.

Pyörimisen aikana tapahtuvaan staattiseen kitkaan liittyvät tulokset osoittavat testeissä käytettyjen normaalivoimatasojen varmistavan sen, ettei paikaltaan lähtiessä kiihtyvällä nopeudella kuten esimerkiksi vapaapudotuksessa rullan ja vastinpinnan välillä tapahdu merkittävää liukumista. Lisäksi tuloksista on havaittavissa, että kun pyörivien osien massaa kasvatetaan, rullan kyky ja reagointiaika havaita nopeutta esimerkiksi vapaapudotus tilanteessa heikkenee.