Von Kurt Sassmannshausen (Leiter Produktentwicklung)
Führungsbänder und -buchsen aus Bronze sind seit Jahrzehnten die traditionelle „go-to”-Lösung für Führungs- und Traglösungen. Einsatzgebiete sind z.B. Hydraulikzylinderführung und Wellenlagerung. Durchbrüche in Werkstoffen, die in Modellen und Experimenten getestet wurden, haben jedoch die Schwächen bei der Verwendung von Metallbuchsen in solchen Anwendungen offengelegt. Gleichzeitig wurden Kompositbuchsen wegen ihrer intrinsischen Vorteile wie z.B. bessere Lastverteilung und Tragfähigkeit, geringere Reibung, Selbstschmierung, bessere Verschleißfestigkeit und weniger Korrosion erfolgreich als Ersatz eingesetzt.
Ein häufiger Grund, warum Bronzebuchsen empfohlen werden, ist ihre höhere Belastbarkeit gegenüber Kompositbuchsen. Dieses Konzept ignoriert jedoch die Lastkonzentration, die durch steifere Werkstoffe wie Bronze und andere Legierungen erzeugt wird. Auf der anderen Seite bieten Kompositbuchsen aufgrund ihrer einzigartigen Mischung aus Steifigkeit und Flexibilität eine konturierte Führung und eine gleichmäßigere Lastverteilung. So passt sich ein Verbundwerkstoff bei gleicher Belastung stärker an als Bronze und verteilt die Last gleichmäßiger über die Bandfläche, wodurch die maximale Belastung reduziert wird.
FEA-Modell der Composite-Buchse
Modelle zur Spannungs- und Lastverteilung für eine starre Buchse weisen darauf hin, dass die Belastungen auf starre Buchsen an der vorderen Ladekante anwachsen und radial und von vorne nach hinten abnehmen, wenn eine Zylinderstange aufgrund von Toleranzen, Biegungen und Drehmomenten seitlichen Belastungen ausgesetzt ist.
Die FEA-Analyse der Spannungsverteilung für Bronze- vs. Komposit zeigt jedoch, dass sich die Spannungen in Kompositbuchsen gleichmäßiger verteilen. Dies führt zu einer geringeren Spannungsspitze, was wiederum die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen durch hohe Beanspruchung reduziert.
2D-Spannungsmodell bei starren Buchsen – hohe Kantenspannung
3D-Spannungsmodell bei starren Buchsen – hohe Kantenspannung
Die FEA-Ergebnisse zeigen niedrigere Spannungen im Verbundstoff (links) im Vergleich zur Bronze (rechts).
Experimentelle Bestätigung: Zur Bestätigung von Computersimulationsmodellen wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem Bronze- und Kompositbuchsen mit jeweils 25 mm Durchmesser einer Biegebeanspruchung ausgesetzt wurden – ähnlich wie im realen Betrieb. Die berechneten projizierten Kontaktspannungen betrugen 5.200 psi, 6.900 psi und 8.600 psi. Zwischen Stab und dem Muster wurde ein Druckkontaktfilm angebracht. Wie die Ergebnisse unten zeigen, war die Druckverteilung auf dem Verbundwerkstoff gleichmäßiger, während die Bronze Hinweise auf Spannungen in der Nähe der Vorderseite der Ladefläche aufwies.
Prüfstand Verbundwerkstoff Bronze
Fazit: Kompositbuchsen sind Bronzebuchsen überlegen, da sie sich den Biegeverformungen anpassen können, die durch die seitliche Belastung entstehen. Dies führt zu geringeren Spannungsspitzen und einer besseren Lastverteilung und verhindert Schäden, die durch höhere Spannungen von Bronzebuchsen entstehen können.
