kontaktstress

Kontaktstress bezeichnet die lokal auftretenden Normal- und Reibspannungen an Kontaktflächen zweier Bauteile, wenn diese belastet werden. Er ergibt sich aus der Geometrie der Kontaktzone, den Materialeigenschaften und den auftretenden Reibkräften. Typische Beispiele finden sich in Wellen- und Lagerkontakten, Zahnrädern, Gleis-Rad-Kontakten, Schmierfilmen und Werkzeugkontakten.

Die Spannungsverteilung an der Kontaktfläche ist in der Regel nicht gleichmäßig. Hohe Kontaktspannungen können Plastizität, Oberflächenrissbildung, Verschleiß oder vorzeitigem Versagen vorbeugen oder dazu beitragen. Reibung, Temperatur und Schmierung beeinflussen zusätzlich die Größe und Verteilung der Kontaktspannungen.

Theorie und Berechnung beruhen wesentlich auf der Hertzschen Kontaktmechanik. Für elastische Körper nimmt man Geometrieabhängigkeiten in Form von Kontaktradius und reduzierten Größen. Für kugel-auf-ebene Kontakte gilt grob: a = [ (3F R') / (4 E') ]^(1/3) und p0 = 3F/(2π a^2), wobei F die Normallast, R' der reduzierte Radius und E' der reduzierte Elastizitätsmodul ist. Ähnliche Formeln existieren für andere geometrische Konstellationen wie Zylinder-auf-Ebene oder konformen Kontakten.

Bedeutung und Anwendung: Kontaktspannungen sind zentral für das Design von Bauteilen, da sie die Lebensdauer durch Risswachstum, Flächenverschleiß und plastische Verformung beeinflussen. Ingenieure berücksichtigen sie bei Materialauswahl, Oberflächenbearbeitung, Schmierung und Lastfälle, etwa in Getrieben, Lagern oder Schienen-Systemen.

Messung und Modellierung erfolgen durch Experimente, Messmethoden der Tribologie und numerische Methoden wie die Finite-Elemente-Analyse. Realweltverhältnisse wie Oberflächenrauheit, Mehrfachkontakt und Zeitabhängigkeiten erfordern oft integrierte Ansätze.