Leitfaden zu ISO-Toleranzen für Passungen von Bohrungen und Wellen

In der Konstruktion von Maschinen hat die Sicherstellung präziser Passungen zwischen Komponenten direkten Einfluss auf die Leistung, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Ausrüstung. Das ISO-Toleranzsystem als international anerkannter technischer Standard bietet klare Maßabweichungen und Toleranzgrade für Bohrungs- und Wellenpassungen und dient als Grundlage für den austauschbaren Fertigungsprozess und die Qualitätssicherung.

Das ISO-Toleranzsystem basiert auf Standard-Toleranzgraden (IT-Grade) und Grundabweichungscodes, die zulässige Maßabweichungen für Komponenten festlegen. Dieses System stellt sicher, dass Teile, die von verschiedenen Herstellern gefertigt werden, während der Montage die beabsichtigten Passungseigenschaften erreichen, einschließlich Spielpassungen, Übergangspassungen oder Übermaßpassungen. ISO 286-2 beschreibt insbesondere Bohrungs- und Wellentoleranzen und ist damit eine wesentliche Referenz in der Konstruktion von Maschinen.

Bohrungstoleranzen bestehen aus Nennmaß, Toleranzlagenbezeichnung und Toleranzgrad. Die Toleranzlagenbezeichnung gibt die Lage der Zone relativ zum Nennmaß an, während der Toleranzgrad die Größe der Zone bestimmt. Gängige Grundabweichungscodes für Bohrungen sind G, H, J, K, M und N, die jeweils unterschiedliche Abweichungsrichtungen und -werte darstellen.

• G: Positive untere Abweichung für Bohrungen, geeignet für Passungen, die größere Spielräume erfordern.
• H: Null untere Abweichung, dient als gemeinsame Referenz für Bohrungs-Passungen.
• J: Negative untere Abweichung, geeignet für Übergangspassungen.
• K: Negative untere Abweichung, verwendet für engere Übergangspassungen.
• M: Sowohl obere als auch untere Abweichungen negativ, ausgelegt für Übermaßpassungen.
• N: Beide Abweichungen negativ, bestimmt für stärkere Übermaßpassungen.

ISO-Toleranzgrade (IT-Grade) dienen als kritische Indikatoren für die Maßgenauigkeit, wobei kleinere Zahlen eine höhere Genauigkeit darstellen. Gängige Bohrungstoleranzgrade sind IT6, IT7, IT8 und IT9. Die Auswahl erfordert ein Gleichgewicht zwischen funktionalen Anforderungen, Herstellungskosten und Montageüberlegungen.

Grenzabmaße stellen maximal zulässige Abweichungen vom Nennmaß dar, die durch Grundabweichungen und Toleranzwerte bestimmt werden. Ingenieure müssen geeignete Toleranzlagenbezeichnungen und -grade auswählen, um sicherzustellen, dass die tatsächlichen Maße innerhalb der Spezifikationen bleiben.

Die folgende Tabelle zeigt die Grenzabmaße (in μm) für Bohrungen über verschiedene Bezeichnungen und Grade:

Das Wellentoleranzsystem spiegelt das Bohrungssystem wider und umfasst Nennmaß, Toleranzlagenbezeichnung und Grad. Gängige Wellenabweichungscodes sind e, f, g, h, j, k, m, n, p und r, die jeweils spezifische Abweichungseigenschaften definieren.

• e: Negative obere Abweichung, für große Spielpassungen.
• f: Negative obere Abweichung, für Spielpassungen.
• g: Negative obere Abweichung, für kleine Spielpassungen.
• h: Null obere Abweichung, die Wellen-Bezugsgröße.
• j: Positive obere Abweichung, für Übergangspassungen.
• k: Positive obere Abweichung, für enge Übergangspassungen.
• m: Beide Abweichungen positiv, für Übermaßpassungen.
• n: Beide Abweichungen positiv, für starke Übermaßpassungen.
• p: Beide Abweichungen positiv, für größere Übermaße.
• r: Beide Abweichungen positiv, für maximales Übermaß.

Die richtige Passungsauswahl ist von entscheidender Bedeutung für die mechanische Leistung. Es gibt drei primäre Passungskategorien, die jeweils unterschiedlichen Anwendungen dienen.

Gekennzeichnet durch Bohrungsmaße, die die Wellenmaße überschreiten, wodurch Spiel entsteht. Ideal für sich bewegende Baugruppen wie Lager und rotierende Wellen, wobei die Schmierung und die Präzision der Bewegung berücksichtigt werden müssen.

Bei denen die Bohrungsmaße größer oder kleiner als die Wellenmaße sein können, wodurch entweder Spiel oder Übermaß zulässig ist. Wird für die präzise Positionierung mit Demontagemöglichkeit verwendet, z. B. für Passstifte und Zahnräder.

Mit Wellenmaßen, die die Bohrungsmaße überschreiten, wodurch eine Kompression entsteht. Unverzichtbar für die Drehmomentübertragung in eingepressten Lagern und Kupplungen, wobei eine Spannungsanalyse erforderlich ist.

Schlüsselparameter sind das maximale/minimale Spiel (oder Übermaß) und die Passungstoleranz, berechnet als:

• Maximales Spiel = Maximales Bohrungsmaß - Minimales Wellenmaß
• Minimales Spiel = Minimales Bohrungsmaß - Maximales Wellenmaß
• Maximales Übermaß = Maximales Wellenmaß - Minimales Bohrungsmaß
• Minimales Übermaß = Minimales Wellenmaß - Maximales Bohrungsmaß
• Passungstoleranz = Bohrungstoleranz + Wellentoleranz

Zwei Hauptpassungssysteme steuern die Fertigungsansätze.

Behält feste Bohrungstoleranzen (typischerweise H7) bei, während die Wellentoleranzen variiert werden, um die gewünschten Passungen zu erzielen. Vorteile sind die vereinfachte Bohrungsbearbeitung und die standardisierte Produktion.

Behält feste Wellentoleranzen (typischerweise h6) bei, während die Bohrungstoleranzen variiert werden. Vorteile sind die reduzierte Wellenvielfalt und das vereinfachte Bestandsmanagement.

Über die ISO-Standards hinaus beeinflussen mehrere Variablen die Passungsqualität.

Präzisionsverfahren wie Schleifen und Honen erzielen eine überlegene Maßgenauigkeit und Oberflächengüte.

Elastizitätsmodul und Wärmeausdehnungskoeffizienten beeinflussen die Verformung und Spannung unter Belastung.

Maßänderungen durch Temperaturschwankungen erfordern in extremen Umgebungen einen Ausgleich.

Die Rauheit beeinflusst die Reibung und die Kontaktfläche, was insbesondere für hochpräzise Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Das ISO-Toleranzsystem bietet unverzichtbare technische Spezifikationen für die Konstruktion von Maschinen und legt klare Maßstandards für Bohrungs- und Wellenpassungen fest. Durch die Beherrschung dieser Prinzipien und die praktische Anwendung können Ingenieure Passungen entwickeln, die vielfältigen funktionalen Anforderungen gerecht werden und letztendlich die Produktleistung, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit verbessern. Eine erfolgreiche Umsetzung erfordert eine ganzheitliche Betrachtung der Fertigungsprozesse, der Materialeigenschaften, der Umgebungsbedingungen und der Oberflächeneigenschaften, um die Konstruktionsziele zu erreichen.