Toleranz (Technik)
Die Toleranz bezeichnet den Zustand eines Systems, in dem eine von einer störenden Einwirkung verursachte Abweichung vom Normalzustand (noch) keine Gegenregulierung oder Gegenmaßnahme notwendig macht oder zur Folge hat. Im engeren Sinn ist Toleranz die Abweichung einer Größe vom Normzustand oder Normmaß, das die Funktion eines Systems gerade noch nicht gefährdet.
Fertigungstoleranz
Durch eine geeignete Festlegung der Toleranzen zusammengehöriger Teile ist eine vollständige Austauschbarkeit jedes Teils und damit die Serienfertigung und Massenproduktion möglich. Toleranzen erlauben es auch, gezielt eine gewünschte Spiel- oder Übermaßpassung (Presspassung) zwischen zwei Teilen zu erreichen.
Für die Fertigung soll die Toleranz möglichst nicht nach der Ausschuss-Seite hin bestimmt werden. Als Fertigungs-Nennmaß kann beispielsweise ein Wert innerhalb der Toleranz sehr nahe am oberen Grenzmaß, dem Höchst- bzw. Größtmaß, gewählt werden (für Wellen), der die Wegnahme von Werkstoff innerhalb der Toleranz noch ermöglicht. Bei Bohrungen kann das Istmaß näher am unteren Grenzmaß, dem Mindest- bzw. Kleinstmaß, liegen, um bei einer späteren Nacharbeit noch in der Toleranz zu bleiben. Dies hat den Vorteil, dass die vom Konstrukteur vorgegebene und für die Funktion des Bauteils einzuhaltende Toleranz von der sicheren Seite aus besser ausgenutzt und bei einer Nichterreichung des Konstruktions-Nennmaßes das betreffende Werkstück ggf. nachgearbeitet werden kann.
Weitere Möglichkeiten sind geeignete Formgebung (abgerundete oder spitze Kontakte), Führungsstifte und Führungsschienen, Langlöcher, Justier- und Kalibriereinrichtungen und Ähnliches.
Maßtoleranz
Die Toleranz bzw. „zulässige Abweichung“ vom Nennmaß ist eine konstruktions- und fertigungsbedingte Maßgröße. Sie bezeichnet die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Grenzmaß, also dem Höchst- und dem Mindestmaß. Innerhalb der Toleranz darf das Istmaß eines Werkstücks bzw. Bauteils vom jeweiligen Nennmaß (Null-Linie) abweichen.
Maßtoleranzen begrenzen somit die zulässige Abweichung der Bauteilabmessungen.
Maßtoleranzen lassen sich nach
- Allgemeintoleranzen,
- ISO-Toleranzen und
- freitolerierten Maßen
unterscheiden.
Längen und Winkel
Allgemeintoleranzen für Längen und Winkel
Allgemeintoleranzen für Längen und Winkel (ISO 2768-1) gelten für alle nicht separat tolerierten Maße und Winkel einer Zeichnung. Die Allgemeintoleranzen werden in Klassen unterteilt. Im Schriftfeld einer Technischen Zeichnung wird mit dem Kürzel ISO 2768-m die Toleranz für die gesamte Zeichnung festgelegt. Darüber hinaus können dann innerhalb der Technischen Zeichnung weitere Toleranzen für bestimmte Maße eingetragen werden. Die Allgemeintoleranzen untergliedern sich in:
- f (f) fein – z. B. Feinwerktechnik
- m (m) mittel – z. B. Maschinenbau (werkstattübliche Genauigkeit)
- c (g) grob – z. B. Gießereitechnik
- v (sg) sehr grob – Diese Toleranzklasse wird heute kaum mehr verwendet, da die modernen Fertigungsverfahren meist höhere Genauigkeiten zulassen.
ISO-Toleranzsystem
ISO-Toleranzsysteme gelten für Passungen (ISO 286, DIN 7154 und DIN 7155) und Passungsangaben nach ISO. ISO-Toleranzen mit ihren definierten Toleranzklassen (Lage und Größe eines Toleranzfeldes) sollten nur bei besonderen Funktions- und Passungsforderungen angewendet werden.
Form- und Lagetoleranz
Form- und Lagetoleranzen, mit deren Hilfe die fertige Gestalt eines Werkstückes im Montage- oder Funktionszusammenhang toleriert wird.
Angaben
Toleranzangaben können als Faktor des Sollwerts, als maximale oder minimale Abweichung vom Sollwert oder als bestimmter erlaubter Bereich angegeben werden.
Maßtoleranzen können symmetrisch, z. B. 40 ±0,1, oder asymmetrisch, z. B. 40 +0,2/−0,1, angegeben werden.
Allgemeintoleranzen für Form und Lage
Allgemeintoleranzen für Form und Lage (ISO 2768-2) gelten für alle nicht separat angegebenen Form- und Lagetoleranzen in einer Zeichnung und werden über dem Schriftfeld im sogenannten Zeichnungskopf angegeben. Diese sind nicht anzuwenden auf folgende Eigenschaften: Neigung, Position, Gesamtlauf, Koaxialität, Flächenform, Linienform und Zylinderform.
Spezifische Formtoleranzen
Spezifische Formtoleranzen begrenzen die zulässige Abweichung eines Elementes von seiner geometrisch idealen Form. Sie bestimmen die Toleranzen, innerhalb der das Element liegen muss und beliebige Form haben darf und werden in der Zeichnung angegeben. Zu den Formtoleranzen gehören: Geradheit, Ebenheit, Rundheit, Zylinderform, Linienprofil sowie die Flächenprofil. (Achtung: Linien- und Flächenprofil sind nur ohne Bezug als Formtoleranz zu werten. Mit Bezug handelt es sich im Lagetoleranzen.)
- Symbole für Formtoleranzen im Technischen Zeichnen
Geradheit
Ebenheit
Rundheit
Linienprofil
Flächenprofil
Geradheit
Bei ebenen Bauteilen wird die Toleranzzone in der Messebene durch zwei parallele Linien vom Abstand t begrenzt. Bei runden Bauteilen unterscheidet man zwei Fälle:
- Fall 1: Der Bezugspfeil der Toleranz zeigt auf den Maßpfeil der Durchmesserbemaßung des Zylinders. Die Achse des Zylinders muss sich innerhalb eines Zylinders vom Durchmesser t befinden.
- Fall 2: Der Bezugspfeil zeigt auf die Mantelfläche des Zylinders. Jede Mantellinie der tolerierten zylindrischen Fläche muss zwischen zwei parallelen Geraden vom Abstand t liegen.
Spezifische Lagetoleranzen
Spezifische Lagetoleranzen begrenzen die zulässigen Abweichungen von der idealen Lage zweier oder mehrerer Elemente oder Ebenen zueinander, von denen meist eine als Bezug festgelegt ist. Sie werden in der Zeichnung angegeben. Lagetoleranzen sind: Parallelität, Rechtwinkligkeit, Neigung, Position, Koaxialität, Konzentrizität, Symmetrie sowie die Lauftoleranzen: Rundlauf, Planlauf und die Gesamtlauftoleranzen: Gesamtrundlauf und Gesamtplanlauf.
- Symbole für Lagetoleranzen im Technischen Zeichnen
Parallelität
Rechtwinkligkeit
Neigung
Position
Konzentrizität und Koaxialität
Symmetrie
Rundlauf und Planlauf
Gesamtrundlauf und Gesamtplanlauf
Tolerierungsgrundsatz
Achtung: Bei Zeichnungen ohne Angabe zum Tolerierungsgrundsatz ist der Entstehungszeitpunkt zu beachten oder im Zweifelsfall der Ersteller zu fragen. Für Zeichnungen vor 2011 galt noch DIN 7167 (Hüllbedingung ohne Zeichnungseintrag). Für neue Zeichnungen gilt (gemäß ISO 14405-1) das Unabhängigkeitsprinzip nach ISO 8015.
Hüllprinzip (DIN 7167 (zurückgezogen))
Das gefertigte Formelement muss innerhalb der geometrisch idealen Hülle liegen. Für ein Dokument, z. B. eine Zeichnung, die vom Kunden an den Lieferanten weitergegeben wird und die Hüllbedingung als Tolerierungsgrundsatz festlegt, gilt:
- Jede Zylinderform und alle einander gegenüberliegenden parallelen Flächen unterliegen der Hüllbedingung, sofern sie bemaßt sind.
- Die geometrischen (Form-)Abweichungen müssen innerhalb der vorgegebenen Maßabweichungen liegen.
- Von den Form- und Lagetoleranzen sind über die Hüllbedingung lediglich die Parallelität (indirekt: Ebenheit, Geradheit) und die Zylinderform (indirekt: Geradheit, Kreisform) abgedeckt. Abweichende Form- und Lagetoleranzen müssen zusätzlich angegeben werden. (Anmerkung: das Hüllprinzip nach DIN 7184-1 (zurückgezogen, Vorgänger von DIN 7167) umfaßte auch Rechtwinkligkeitstoleranzen)
Nach DIN 7167 galt automatisch die Hüllbedingung, wenn in einem Dokument (z. B. einer Zeichnung) kein Tolerierungsgrundsatz eingetragen wurde. Für das Außerkraftsetzen der Hüllbedingung war es erforderlich, die Norm EN ISO 8015 im Dokument anzugeben.
Seit April 2011 wurde jedoch die DIN 7167 zurückgezogen und durch die EN ISO 14405 ersetzt. Diese schreibt vor, dass standardmäßig das Unabhängigkeitsprinzip nach EN ISO 8015 gilt. Das Hüllprinzip muss nun also extra gekennzeichnet werden, wenn es angewandt werden soll, vorzugsweise mit „Size ISO 14405 E“ über dem Schriftfeld; alternativ: „DIN 7167“ oder bei Allgemeintoleranzen nach „ISO 2768 - mK - E“ durch das angehängte „E“ (siehe ISO 2768-2).
Unabhängigkeitsprinzip (EN ISO 8015)
Maß-, Form-, Lage- und Oberflächentoleranzen sind jeweils unabhängig voneinander zu betrachten. Wenn in einem Dokument, z. B. einer Kundenzeichnung, das Unabhängigkeitsprinzip als Tolerierungsgrundsatz angegeben wurde, dann steht im Zeichnungskopf die Norm EN ISO 8015, die die Hüllbedingung außer Kraft setzt. Bei dieser Norm werden nur die wichtigsten Geometrieelemente in eine Hülle gepackt. Dies erfolgt durch die Eintragung eines „E“ zu dem jeweiligen Maß, für welches die Hüllbedingung gelten soll.
Nach ISO 14405-1 gilt das Unabhängigkeitsprinzip, wenn ein Dokument keinen Tolerierungsgrundsatz nennt. Da diese Regelung das genaue Gegenteil zur alten Regelung ist, sollten Zeichnungen nach dem Unabhängigkeitsprinzip mit „Size ISO 14405“ oder „ISO 8015“ gekennzeichnet werden. Alte gleichbedeutende Angaben: „Tolerierung DIN 2300“ und „Tolerierung ÖNORM M 1300“(Österreich).
Passungsangaben nach ISO
Das System der Passungsangaben nach ISO wird auch IT-Toleranzsystem genannt. IT bedeutet dabei: „ISO-Toleranz“.
Die Passungsangabe mit dem Toleranzkurzzeichen ø30 H7 in einer Technischen Zeichnung (Maßeintragung nach DIN 406-12) bedeutet:
- Nennmaß des Bohrungsdurchmessers 30 mm
- Passungssystem: Einheitsbohrung
- Toleranzfeldlage: H (auf Nulllinie)
- Grundtoleranzgrad (Qualität): 7
Bei ø30 entspricht dies:
- Mindestmaß 30,000 mm (dieses Maß darf nicht unterschritten werden)
- Höchstmaß 30,021 mm (dieses Maß darf nicht überschritten werden)
- Größe des Toleranzfeldes 21 µm
Die Angabe von ø30 m6 bedeutet analog:
- Nennmaß des Wellendurchmessers 30 mm
- Toleranzfeldlage: m (über der Nulllinie)
- Grundtoleranzgrad (Qualität): 6
Bei ø30 entspricht dies:
- Mindestmaß 30,008 mm (dieses Maß darf nicht unterschritten werden)
- Höchstmaß 30,021 mm (dieses Maß darf nicht überschritten werden)
- Größe des Toleranzfeldes 13 µm
Beide Bauteile würden gemeinsam eine Übergangspassung ergeben, die sich in der Regel noch ohne besondere Hilfsmittel montieren lässt.
Festlegung der Toleranz
Die Toleranz wird bei der Konstruktion eines Bauteils ermittelt und in den Konstruktions- und Fertigungsunterlagen festgelegt. Sie kann über, unter oder beiderseits des Nennmaßes liegen. Der Konstrukteur gibt die Toleranz direkt in Zahlen zum Nennmaß an oder er verwendet je nach Passungssystem genormte Toleranzsymbole in der Maßangabe. Zur analytischen Bestimmung der Toleranzen dient die Toleranzanalyse und Toleranzsynthese.
Auch bei Nennmaßen ohne direkte Toleranzangabe (Freimaße) sind Toleranzen bzw. Vorgaben zur Maßgenauigkeit einzuhalten, die beim Konstruieren entsprechend beachtet werden müssen. Daher werden Angaben zur allgemeinen Maßgenauigkeit und Oberflächengüte im Schriftfeld der Technischen Zeichnung eingetragen, während spezifische Angaben zu speziellen Toleranzen oder Oberflächegüten direkt in der Zeichnung einzutragen sind.
Siehe auch
- Spiel (Technik), Klaffung
- Nachbarschaftsgenauigkeit, Messabweichung
Nicht-geometrische Toleranzen
Außer den Fertigungstoleranzen sind auch Toleranzen der Umgebungsbedingungen, wie z. B. Betriebstemperatur oder Luftfeuchte festzulegen, um gefahrbringende Situationen und deren Risiken zu vermeiden und Sicherheitsmaßnahmen während der Konstruktion zu berücksichtigen.
Verwendungsbeispiele
In der Fahrzeugindustrie werden im Rahmen des Toleranzmanagements die Auswirkungen der einzelnen Toleranzen auf das Gesamtsystem untersucht und statistisch ausgewertet. Dies reduziert die Fehlerquote in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses.
Literatur
- Hans Hoischen, Wilfried Hesser: Technisches Zeichnen. 32. Auflage. Cornelsen Verlag, Berlin 2009, ISBN 978-3-589-24132-3.
- Walter Jorden, „Form- und Lagetoleranzen“, 3. Auflage, Hanser Verlag München Wien 2004, ISBN 3-446-22754-7.
- Georg Henzold, „Form und Lage“, Beuth Verlag (DIN), ISBN 3-410-12658-9
- Georg Henzold, „Anwendung der Normen über Form- und Lagetoleranzen in der Praxis“, DIN-Normenheft 7, Beuth Verlag, ISBN 3-410-14821-3
- Susanna Labisch, Christian Weber: „Technisches Zeichnen“, 2. Auflage, Vieweg Verlag, Wiesbaden 2005, ISBN 3-8348-0057-0
- Verband Schweizerischer Maschinen-Industrieller, „VSM Normen-Auszug 2002“, Seite 53 bis 76, ISBN 3-905430-03-7