Lagerbuchsen aus Bronze: Maße, Werkstoffe und Einsatzgrenzen
Eine Lagerbuchse ist das Verschleißteil zwischen Welle und Gehäuse: Sie führt die Bewegung, verteilt die Last auf eine große Fläche und nimmt den Verschleiß auf sich, damit Gehäuse und Welle nicht verschleißen. Diese Seite beschreibt die Bauformen und Kupferlegierungen, aus denen wir Buchsen fertigen, die Kennwerte für die Auslegung und die Fälle, in denen eine Bronze-Gleitlagerbuchse die falsche Wahl ist.
Custom-Made Bronze Lagerbussen Bushings
Im Unterschied zum Wälzlager arbeitet die Buchse über einen durchgehenden Kontakt zwischen Bohrung und Welle. Daraus folgen vier Aufgaben, die sich teilweise widersprechen:
- Führen — die Bohrung legt die Lage der Welle fest; Maß, Rundheit und Konzentrizität bestimmen die Führungsgenauigkeit.
- Last aufnehmen — Radial- und Axiallast werden über den projizierten Flächendruck p = F / (d × L) aufgenommen, nicht über Punktkontakte.
- Reibung und Wärme beherrschen — der Reibungswert und das Produkt aus Flächendruck und Gleitgeschwindigkeit bestimmen die Erwärmung.
- Verschleiß auf sich nehmen — als geplantes Verschleißteil schützt die Buchse die teureren Bauteile. Das ist der Grund, warum sie nach einer gewissen Laufzeit getauscht wird.
Daraus ergibt sich auch das Einsatzgebiet: Gleitlagerbuchsen werden dort eingesetzt, wo hohe Lasten bei niedriger Drehzahl oder oszillierender Bewegung auftreten, wo der Bauraum knapp ist, wo Stöße abgefangen werden müssen oder wo geschmiert werden müsste, aber nicht geschmiert werden kann. Typische Beispiele sind Gelenkstellen an Baumaschinen, Rollen und Führungen im Walzwerk, Ruder- und Decksausrüstung im Schiffbau sowie Ventile und Pumpen. Eine Übersicht nach Branchen findet sich unter Anwendungen nach Branche.
Bauformen
| Bauform | Kennzeichen | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Zylinderbuchse | glatter Mantel, metrische und Zollmaße | Allgemeine Radiallagerung, Umbau von Gleitstellen |
| Bundbuchse (Flanschbuchse) | Flansch am Kopf oder in der Mitte | zusätzliche Axiallast, axiale Fixierung |
| Geteilte Buchse | zwei Halbschalen, Teilungsebene nach Zeichnung | Stellen, die sich nicht axial ausbauen lassen |
| Anlaufscheibe (Thrust Washer) | Innen-, Außendurchmesser, Dicke | axiale Führung an Stirnflächen |
| Gleitplatte / Verschleißplatte | Länge, Breite, Dicke, Bohrbild | lineare Führungen, Auflagen, Rohrunterstützungen |
| Kalottenlager | sphärische Gleitfläche, angegebener Schwenkwinkel | Gelenke mit Winkelfehlern, Hydraulikzylinder |
Werkstoffe im Vergleich
Die Legierung entscheidet über Tragfähigkeit, Notlaufeigenschaften und Korrosionsverhalten. Die Zusammensetzungen richten sich nach ASTM-Bezeichnungen oder den EN-Werkstoffnummern; maßgeblich sind die Angaben auf dem Abnahmezeugnis. Eine Einordnung der Normen ist auf der Seite zu ASTM- und DIN-Werkstoffnormen zusammengestellt.
| Legierung | Gängige Bezeichnung | Eigenschaften | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Bleihaltiges Zinnbronze-Lager | CuSn7Zn4Pb7 (C93200 / SAE 660) | nimmt Schmutz gut auf, verzeiht Kantentragen, mittlere Tragfähigkeit | Landmaschinen, Pressen, Getriebe |
| Zinnbronze | CuSn8, CuSn6 | feines Gefüge, konstantes Verhalten, dünnwandig wickelbar | gewickelte Buchsen, kleine Durchmesser |
| Zinnbronze, gegossen | C90500 (SAE 62 / CuSn10Zn2) | höhere Festigkeit als CuSn8, gute Notlaufeigenschaften | Stranggießanlagen, schwere allgemeine Lagerstellen |
| Manganbronze | CuZn25Al5 (C86300) | sehr hohe Last bei niedriger Drehzahl, braucht zuverlässige Schmierung | Walzwerkskästen, Erdbewegungsmaschinen |
| Aluminiumbronze | CuAl10Fe (C95400) | hohe Festigkeit, korrosionsbeständig, fordert harte Welle | Pumpen, Armaturen, Minenausrüstung |
| Nickel-Aluminiumbronze | CuAl10Ni (C95800) | beständig in Meerwasser und gegen Kavitation | Propellernaben, Seewasserpumpen, Offshore |
| Kupfer-Nickel-Zinn mit Graphit | CuNi15Sn8, graphitiert | hohe Festigkeit mit Festschmierstoff, auch bei korrosiver Umgebung | schwere Gelenkstellen, Hydraulik, Schiffbau |
Als grobe Orientierung: Manganbronze und Aluminiumbronze tragen höhere Lasten als Zinnbronze, verlangen aber eine harte Welle und eine saubere Ausrichtung. Bleihaltige Zinnbronze verzeiht mehr, trägt weniger. Besteht die Umgebung aus Meerwasser oder chloridhaltigem Kühlwasser, führt der Weg in der Regel zu Aluminiumbronze-Legierungen mit Nickelanteil.
Festschmierstoff: Buchsen mit Graphitstopfen
Bei einer selbstschmierenden Buchse sind Stopfen aus Graphit oder Graphit-Mischungen in die Wand eingelassen. Bei jeder Bewegung wird ein Anteil des Festschmierstoffs auf die Welle übertragen; es entsteht ein Transferfilm, der den Kontakt auch ohne Öl oder Fett trennt. Der Flächenanteil der Stopfen liegt je nach Bauform typischerweise im Bereich von 20 bis 30 % der Gleitfläche. Der genaue Anteil, das Rastermaß und der Abstand zum Rand werden nach Betriebsdaten festgelegt; Grundlagen dazu zeigt die Seite zur Auslegung von Schmierstoffstopfen.
Das Prinzip entfaltet seinen Vorteil bei oszillierender Bewegung. Bei einer durchlaufenden Drehbewegung baut sich ein Schmierfilm auf, auch ohne Festschmierstoff. Bei einer Schwenkbewegung von wenigen Grad — Gelenke eines Baggerarms, Zylinderösen, Klappenscharniere — reicht der Schmierstofftransport nicht aus, und genau dort trägt der Festschmierstoff die Versorgung der Kontaktfläche. Eine Übersicht der Bauarten findet sich im Beitrag zu Bronze-Graphitbuchsen.
Auslegung: Flächendruck, Geschwindigkeit, PV-Wert
Drei Größen bestimmen Werkstoffwahl und Geometrie:
- Flächendruck p in MPa — Last geteilt durch die projizierte Fläche (Wellendurchmesser × Buchsenlänge). Bei großen Radiallasten ist eine lange Buchse oft die ruhigere Lösung als eine härtere Legierung.
- Gleitgeschwindigkeit v in m/min — aus Wellendurchmesser und Drehzahl, bei Schwenkbewegung aus Winkel und Frequenz.
- PV-Wert in MPa·m/min — das Produkt beider Größen ist ein Maß für die entstehende Reibungswärme. Das Überschreiten des zulässigen PV-Wertes ist die häufigste Ursache für Überhitzung und Fressen.
| Betriebsfall | Richtwert | Anmerkung |
|---|---|---|
| Flächendruck, statisch, Bronzebuchse | etwa 25 bis 70 N/mm² je nach Legierung | höhere Werte mit Mangan- oder Aluminiumbronze |
| Gleitgeschwindigkeit, Festschmierstoffbuchse | niedrige bis mittlere Werte, häufig unter 30 m/min | höhere Werte erfordern Öl- oder Fettschmierung |
| PV-Wert, trocken laufend | konservativ ansetzen, deutlich unter dem Wert geschmierter Paarungen | Festschmierstoff leitet Wärme schlechter ab als zirkulierendes Öl |
| Spiel gegenüber Fettschmierung | etwa 10 bis 20 % mehr | Transferfilm braucht Raum, Wärmedehnung wirkt ohne Ölkühlung |
Die Werte sind Orientierungswerte für die Vorauslegung. Verbindlich sind die Angaben aus Zeichnung, Werkstoffzeugnis und Prüfbericht des jeweiligen Auftrags.
Passung, Toleranz und Einbau
Eine Buchse muss zwei Aufgaben zugleich erfüllen: außen festsitzen und innen Freigang lassen. Zwei Regeln haben sich bewährt:
- Außenübermaß — als Ausgangswert etwa 0,02 bis 0,05 mm je 25 mm Gehäusedurchmesser, gängig als r6 bis s6 auf ein H7-Gehäuse. Ein zu großes Übermaß verengt die Bohrung nach dem Einpressen; das ist die häufigste Ursache für eine klemmende Welle.
- Innenspiel — im Regelfall 0,1 bis 0,2 % des Wellendurchmessers, ergänzt um die erwartete Wärmedehnung. Die Berechnung erfolgt über Δd = d × α × ΔT, für Stahl ist α ≈ 11 × 10⁻⁶ /K. Die Welle wird häufig auf f7 oder g6 gefertigt.
Gemessen wird bei 20 °C mit demselben Messmittel wie in der Endprüfung; Vorgehen und Prüfaufbau beschreibt die Seite zum Messen von Lagertoleranzen. Beim Einbau wird die Buchse axial über einen passenden Dorn eingepresst, nicht über die Bohrung abgestützt, damit die Wand nicht gestaucht wird. Bohrungen und Schmiernuten dürfen nicht scharfkantig stehen bleiben; Grate an Ölbohrungen erzeugen Streifen auf der Welle.
Bei Aluminiumbronze ist die Wellenoberfläche entscheidend: Diese Legierungen sind härter als ungehärteter Stahl und würden eine weiche Welle aufrauen. Üblich sind Wellenhärten ab etwa 300 HB und eine Oberfläche besser als Ra 0,8 µm (32 µin). Für gedrehte Buchsen nach Zeichnung siehe auch gedrehte Bronzebuchsen im Überblick der CNC-Bearbeitung von Bronze.
Wann eine Bronze-Gleitlagerbuchse nicht passt
Gleitlager aus Bronze decken einen weiten Bereich ab, aber nicht jeden. In folgenden Fällen ist eine andere Lösung meist sinnvoller:
- Hohe Drehzahlen bei geringer Last. Dort ist das Wälzlager das richtigere Bauteil; die Reibleistung einer Gleitpaarung würde Kühlung verlangen.
- Sehr beliebiges PV-Niveau ohne Schmierung. Ohne Festschmierstoff und ohne Ölfilm ist der Bereich eng, auch bei Bronze.
- Weiche oder raue Wellen. Harte Legierungen tragen den Verschleiß dann in die Welle.
- Unkontrollierte Ausrichtung. Bronzebuchsen verzeihen Kantenlast weniger als elastische Kunststoffpartner; Schiefstellung verkürzt die Lebensdauer erheblich.
- Schwefelwasserstoff und reduzierende Säuren. Kupferlegierungen sind dort ungeeignet.
- Galvanische Kopplung in Seewasser ohne Isolierung oder Schutzmaßnahmen, wenn weniger edle Metalle im Kreislauf liegen.
- Sehr trockene Umgebung oder Vakuum. Der Graphit-Transferfilm baut sich ohne ausreichende Restfeuchte schlechter auf; dann wird der Festschmierstofftyp nach Betriebsdaten gewählt.
Ein Vergleich geschmierter und wartungsfreier Ausführung mit den jeweiligen Bedingungen steht im Beitrag zu selbstschmierenden gegenüber geschmierten Buchsen; eine Sortierung nach gängigen Lagerwerkstoffen hilft bei der ersten Eingrenzung.
Angaben für die Anfrage
- Geometrie — Zeichnung oder Innen-, Außendurchmesser, Länge und Maße eines Flansches.
- Werkstoff — Legierung mit Normbezeichnung oder die Betriebsdaten, aus denen wir einen Vorschlag ableiten.
- Last und Bewegung — Radial- und Axiallast in N, Drehzahl oder Schwenkwinkel und Frequenz.
- Temperaturbereich im Betrieb und bei Stillstand.
- Umgebung — Meerwasser, Staub, Chemikalien, häufige Hochdruckreinigung.
- Welle — Werkstoff, Härte, Oberflächengüte.
- Stückzahl und Folgeabruf; davon hängt ab, ob Formwerkzeug sinnvoll ist.
- Dokumentation — Abnahmezeugnis EN 10204 3.1, Maßbericht, RoHS- oder REACH-Konformität.
Ersatzteile ohne Zeichnung. Ist ein ausgebautes Muster vorhanden, genügen häufig drei Maße und ein Foto zur Identifikation. Wir fertigen auch dann nach Zeichnung, wenn das Muster nicht mehr beschaffbar ist; die Toleranzen werden dabei nach Einbaufunktion vereinbart.
Technische Rückmeldung anfordern
Senden Sie Betriebsdaten oder Zeichnung. Die Antwort enthält einen Legierungsvorschlag mit Kennwerten, eine Empfehlung zu Passung und Stopfenbild sowie das Angebot gegen Ihre Zeichnung.
Häufige Fragen
Können selbstschmierende Lagerbuchsen vollständig trocken laufen?
Ja, wenn der PV-Wert im für die Legierung vorgesehenen Bereich bleibt und Festschmierstoffstopfen vorhanden sind. Bei mittleren Lasten und langsamer Bewegung ist der wartungsfreie Betrieb der Normalfall. Steigt Last oder Geschwindigkeit, wird der Stopfenanteil nach Betriebsdaten ausgelegt und das thermische Verhalten geprüft.
Welches Spiel ist gegenüber einer gefetteten Buchse einzuplanen?
Etwa 10 bis 20 % mehr. Der Transferfilm beansprucht Raum, und die Erwärmung wird nicht durch zirkulierendes Schmiermittel abgeführt. Bei hohen Betriebstemperaturen kommt zusätzlich die Wärmedehnung von Welle und Buchse hinzu.
Muss die Welle gehärtet sein?
Bei bleihaltigen Zinnbronzen nicht zwingend, wohl aber bei hohen Lasten empfohlen. Bei Aluminium- und Manganbronze ist eine harte Welle Voraussetzung: Die Legierung ist härter als weicher Stahl und würde dessen Oberfläche aufrauen.
Sind Zollmaße für Maschinen aus US-Fertigung lieferbar?
Ja. Ersatzteile für Anlagen amerikanischer Herkunft sind häufig zöllig; Nachfertigungen werden im ursprünglichen Maßsystem ausgeführt, damit die Toleranzangaben der Zeichnung erhalten bleiben.
