Spielpassung

Spielpassung

Eine Spielpassung ist eine Passung zwischen einer Bohrung und einer Welle, bei der nach dem Fügen immer ein messbarer Zwischenraum vorhanden ist. Die Welle ist selbst im ungünstigsten zulässigen Toleranzfall kleiner als die Bohrung.

Dadurch können sich die Bauteile gegeneinander bewegen oder ohne große Kraft zusammengefügt und getrennt werden.

Typische Anwendungen sind:

• Gleitlagerungen,
• Führungen,
• leicht lösbare Verbindungen,
• Wellen in Gehäusebohrungen,
• Bolzenverbindungen,
• Zentrierungen mit Bewegungsmöglichkeit,
• Bauteile mit thermischer Ausdehnung,
• Montageverbindungen mit bewusstem Freiraum.

Grundprinzip

Eine Passung entsteht durch die Kombination der Maßtoleranzen von Bohrung und Welle.

Bei einer Spielpassung gilt:

kleinstes zulässiges Bohrungsmaß > größtes zulässiges Wellenmaß

Damit bleibt auch bei der größtmöglichen Welle und der kleinstmöglichen Bohrung ein positives Spiel vorhanden.

Die Welle kann deshalb in die Bohrung eingeführt werden, ohne dass eine Überdeckung entsteht.

Nennmaß

Das Nennmaß ist das gemeinsame Ausgangsmaß von Bohrung und Welle.

Beispiel:

⌀40 H7/g6

Das gemeinsame Nennmaß beträgt 40 mm. Die Buchstaben und Zahlen legen fest, wo die jeweiligen Toleranzfelder liegen und wie breit sie sind.

Istmaß

Das Istmaß ist das tatsächlich am gefertigten Bauteil gemessene Maß.

Eine gefertigte Welle mit dem Nennmaß 40 mm kann beispielsweise ein Istmaß von 39,982 mm besitzen. Eine zugehörige Bohrung kann tatsächlich 40,015 mm groß sein.

Das vorhandene Istspiel beträgt dann:

40,015 mm − 39,982 mm = 0,033 mm

Grenzmaße

Grenzmaße bestimmen den Bereich, in dem das Istmaß eines Bauteils liegen darf.

Für eine Bohrung gibt es:

• das Bohrungsmindestmaß,
• das Bohrungshöchstmaß.

Für eine Welle gibt es:

• das Wellenmindestmaß,
• das Wellenhöchstmaß.

Ein Bauteil ist maßlich innerhalb der Toleranz, wenn sein gemessenes Istmaß zwischen dem unteren und oberen Grenzmaß liegt.

Mindestspiel

Das Mindestspiel ist das kleinste mögliche Spiel innerhalb der zulässigen Toleranzen.

Es entsteht aus:

• der kleinsten zulässigen Bohrung,
• der größten zulässigen Welle.

Die Berechnung lautet:

Mindestspiel = Bohrungsmindestmaß − Wellenhöchstmaß

Bei einer Spielpassung muss das Mindestspiel größer als null sein.

Höchstspiel

Das Höchstspiel ist das größte mögliche Spiel innerhalb der zulässigen Toleranzen.

Es entsteht aus:

• der größten zulässigen Bohrung,
• der kleinsten zulässigen Welle.

Die Berechnung lautet:

Höchstspiel = Bohrungshöchstmaß − Wellenmindestmaß

Toleranz

Die Maßtoleranz ist die Differenz zwischen dem oberen und unteren Grenzmaß.

Für die Bohrung gilt:

Bohrungstoleranz = Bohrungshöchstmaß − Bohrungsmindestmaß

Für die Welle gilt:

Wellentoleranz = Wellenhöchstmaß − Wellenmindestmaß

Die Gesamtbreite des möglichen Passungsspiels ergibt sich aus der Summe beider Einzeltoleranzen:

Höchstspiel − Mindestspiel = Bohrungstoleranz + Wellentoleranz

Berechnungsbeispiel

Für eine Passung gelten folgende Grenzmaße:

Bohrung

• Mindestmaß: 30,000 mm
• Höchstmaß: 30,021 mm

Welle

• Mindestmaß: 29,980 mm
• Höchstmaß: 29,993 mm

Das Mindestspiel beträgt:

30,000 mm − 29,993 mm = 0,007 mm

Das Höchstspiel beträgt:

30,021 mm − 29,980 mm = 0,041 mm

Die Passung besitzt somit ein mögliches Spiel zwischen:

0,007 mm und 0,041 mm

Da selbst das Mindestspiel positiv ist, handelt es sich eindeutig um eine Spielpassung.

Toleranzfeld

Ein Toleranzfeld beschreibt:

• die Lage der Toleranz zum Nennmaß,
• die Breite des zulässigen Maßbereichs.

Die Lage wird durch einen Buchstaben angegeben. Die Toleranzqualität beziehungsweise Toleranzbreite wird durch eine Zahl gekennzeichnet.

Beispiele:

• H7
• G6
• h6
• g6
• f7

Großbuchstaben kennzeichnen Bohrungen. Kleinbuchstaben kennzeichnen Wellen.

Bedeutung der Buchstaben

Die Buchstaben bestimmen die Lage des Toleranzfeldes zur Nulllinie beziehungsweise zum Nennmaß.

Beispiele:

• H: Bohrung, deren unteres Abmaß bei null liegt,
• h: Welle, deren oberes Abmaß bei null liegt,
• g: Wellentoleranzfeld unterhalb der Nulllinie,
• f: Wellentoleranzfeld weiter unterhalb der Nulllinie.

Je weiter das Wellentoleranzfeld unterhalb des Nennmaßes liegt, desto größer wird normalerweise das Spiel zur H-Bohrung.

Die genauen Abmaße hängen zusätzlich vom Nennmaßbereich ab.

Bedeutung der Zahlen

Die Zahl hinter dem Buchstaben bezeichnet die IT-Toleranzqualität.

Beispiele:

• IT5
• IT6
• IT7
• IT8
• IT9

Eine kleinere IT-Zahl steht normalerweise für eine engere Maßtoleranz und damit für höhere Fertigungsanforderungen.

Eine H6-Bohrung besitzt beispielsweise eine engere Toleranz als eine H8-Bohrung desselben Nennmaßbereichs.

Die Zahl gibt keinen festen Wert in Millimetern an. Die tatsächliche Toleranzbreite hängt vom jeweiligen Nennmaß ab.

Einheitsbohrung

Beim System Einheitsbohrung wird für die Bohrung grundsätzlich das Toleranzfeld H verwendet. Die gewünschte Passungsart entsteht durch die Auswahl des Wellentoleranzfeldes.

Beispiele für Spielpassungen im System Einheitsbohrung sind:

• H7/h6,
• H7/g6,
• H7/f7,
• H8/f7,
• H8/e8,
• H8/d9.

Das System Einheitsbohrung wird häufig eingesetzt, weil Bohrwerkzeuge wie Reibahlen in standardisierten Abmessungen wirtschaftlich verfügbar sind.

Einheitswelle

Beim System Einheitswelle wird für die Welle das Toleranzfeld h verwendet. Die gewünschte Passung entsteht durch die Auswahl des Bohrungstoleranzfeldes.

Dieses System kann sinnvoll sein, wenn:

• eine gezogene oder geschliffene Welle bereits im Maß h vorliegt,
• mehrere Bauteile mit unterschiedlichen Passungen auf derselben Welle montiert werden,
• die Bearbeitung der Bohrungen einfacher angepasst werden kann,
• eine durchgehende Welle nicht mehrfach abgestuft werden soll.

In der allgemeinen Fertigung ist das System Einheitsbohrung jedoch häufiger anzutreffen.

Typische Spielpassungen

Die tatsächliche Eignung hängt von Nennmaß, Belastung, Temperatur, Schmierung und geforderter Beweglichkeit ab.

Passung	Typische Eigenschaft
H7/h6	Sehr kleines Spiel; bei Grenzmaßen kann das Mindestspiel null betragen
H7/g6	Geringes, eindeutig vorhandenes Spiel
H7/f7	Gut bewegliche Lauf- oder Gleitpassung
H8/f7	Größeres Spiel und wirtschaftlichere Fertigung
H8/e8	Deutliches Bewegungsspiel
H8/d9	Großes Spiel für grobe Lagerungen oder starke Verschmutzung

H7/h6 wird häufig als enge Spielpassung eingeordnet. Da das theoretische Mindestspiel null betragen kann, liegt nicht in jedem Grenzfall ein messbarer Zwischenraum vor. Eine Überdeckung entsteht jedoch nicht.

Enge Spielpassung

Eine enge Spielpassung besitzt nur einen kleinen Abstand zwischen Welle und Bohrung.

Sie eignet sich für:

• genaue Führungen,
• präzise Zentrierungen,
• langsam bewegte Bauteile,
• lösbare Verbindungen mit geringer Lageabweichung,
• Lagerungen mit kontrolliertem Schmierfilm.

Enge Spielpassungen stellen hohe Anforderungen an Formgenauigkeit, Oberflächenqualität und Sauberkeit.

Bereits kleine Grate, Rundheitsfehler oder Temperaturunterschiede können die Montage erschweren.

Weite Spielpassung

Eine weite Spielpassung besitzt einen größeren Abstand zwischen Welle und Bohrung.

Sie eignet sich für:

• grobe Bewegungsverbindungen,
• Bauteile mit starker Temperaturänderung,
• verschmutzte Umgebungen,
• hohe Relativgeschwindigkeiten,
• Verbindungen mit geringer Genauigkeitsanforderung,
• Bauteile, die häufig montiert und demontiert werden.

Ein zu großes Spiel kann jedoch Geräusche, Schwingungen, Stoßbelastungen und eine ungenaue Führung verursachen.

Laufpassung

Eine Laufpassung ist eine Spielpassung, die für eine dauerhafte Relativbewegung zwischen Welle und Bohrung ausgelegt ist.

Dabei müssen zusätzlich zur Maßpassung berücksichtigt werden:

• Drehzahl,
• Gleitgeschwindigkeit,
• Schmierstoff,
• Belastung,
• Oberflächenrauheit,
• Betriebstemperatur,
• Werkstoffpaarung,
• erforderliche Schmierfilmdicke.

Eine geometrisch passende Spielpassung ist nicht automatisch eine geeignete Gleitlagerung.

Gleitpassung

Eine Gleitpassung ermöglicht eine langsame oder gelegentliche axiale beziehungsweise rotierende Bewegung.

Typische Anwendungen sind:

• Schieber,
• Führungsbolzen,
• Einstellringe,
• austauschbare Buchsen,
• Montageführungen,
• verschiebbare Zahnräder.

Die Bauteile sollen sich bewegen lassen, dürfen dabei aber nicht unnötig stark kippen.

Spiel und Oberflächenrauheit

Das rechnerische Maßspiel allein bestimmt nicht, ob sich die Bauteile tatsächlich leicht bewegen lassen.

Bei sehr engen Spielpassungen können Rauheitsspitzen einen erheblichen Anteil des vorhandenen Spiels beanspruchen.

Zu berücksichtigen sind:

• Rautiefe,
• Welligkeit,
• Rundheit,
• Zylindrizität,
• Geradheit,
• Kanten und Grate,
• Beschichtungen,
• Verunreinigungen.

Eine präzise Spielpassung benötigt daher nicht nur enge Maßtoleranzen, sondern auch geeignete Form- und Oberflächentoleranzen.

Formabweichungen

Eine Bohrung kann an mehreren Stellen innerhalb der Maßtoleranz liegen und trotzdem ungeeignet sein.

Mögliche Formfehler sind:

• Ovalität,
• Konizität,
• Tonnenform,
• Taillenform,
• Mehrkantigkeit,
• mangelnde Zylindrizität.

Das Zweipunktmaß allein erfasst nicht jede Formabweichung. Bei funktionskritischen Passungen müssen deshalb zusätzliche Formtoleranzen angegeben und geprüft werden.

Temperatureinfluss

Bohrung und Welle verändern ihre Abmessungen mit der Temperatur.

Die Längenänderung lässt sich näherungsweise berechnen mit:

Δd = α × d × ΔT

Dabei bedeuten:

• Δd: Durchmesseränderung,
• α: Wärmeausdehnungskoeffizient,
• d: Ausgangsdurchmesser,
• ΔT: Temperaturänderung.

Bestehen Welle und Gehäuse aus unterschiedlichen Werkstoffen, können sie sich unterschiedlich stark ausdehnen.

Beispielsweise dehnt sich ein Aluminiumgehäuse bei Erwärmung stärker aus als eine Stahlwelle. Das Betriebsspiel kann dadurch größer werden.

Bei tiefen Temperaturen kann sich das Spiel entsprechend verringern.

Beschichtungen

Beschichtungen verändern die Abmessungen der Passflächen.

Zu berücksichtigen sind beispielsweise:

• galvanische Beschichtungen,
• Hartchrom,
• chemisch Nickel,
• Eloxalschichten,
• Lackierungen,
• thermische Spritzschichten,
• Verschleißschutzschichten.

Wird eine Welle rundum mit einer Schichtdicke von 10 µm beschichtet, nimmt ihr Durchmesser theoretisch um 20 µm zu.

Bei der Festlegung der Vorbearbeitungsmaße muss die spätere Schichtdicke deshalb berücksichtigt werden.

Schmierung

Bei bewegten Spielpassungen kann ein Schmierstoff:

• Reibung reduzieren,
• Verschleiß verringern,
• Wärme abführen,
• Korrosion verhindern,
• Ruckgleiten vermindern,
• einen tragfähigen Schmierfilm bilden.

Das erforderliche Spiel hängt unter anderem von der Viskosität und der Zuführung des Schmierstoffs ab.

Ein zu kleines Spiel kann die Schmierstoffzufuhr behindern. Ein zu großes Spiel kann den Aufbau eines tragfähigen Schmierfilms erschweren oder zu hohem Schmierstoffverlust führen.

Werkstoffpaarung

Die Werkstoffpaarung beeinflusst Reibung, Verschleiß, Korrosion und Wärmeausdehnung.

Typische Kombinationen sind:

• Stahlwelle in Bronzebuchse,
• gehärtete Stahlwelle in Gleitlagerkunststoff,
• Stahlwelle in Graugussgehäuse,
• Edelstahlwelle in Kunststoffbuchse,
• beschichtete Welle in Aluminiumgehäuse.

Bei gleichartigen Werkstoffen kann unter ungünstigen Bedingungen Fressen auftreten. Dies gilt beispielsweise für bestimmte Edelstahlpaarungen.

Fertigung von Bohrungen

Bohrungen für Spielpassungen können abhängig von Toleranz und Oberflächenanforderung hergestellt werden durch:

• Bohren,
• Aufbohren,
• Reiben,
• Ausdrehen,
• Feinbohren,
• Honen,
• Rundschleifen,
• Läppen.

Für enge H7-Bohrungen werden häufig Reiben, Feinbohren oder Ausdrehen eingesetzt.

Die Verfahrensauswahl hängt von Durchmesser, Tiefe, Stückzahl und geforderter Formgenauigkeit ab.

Fertigung von Wellen

Wellenpassflächen können hergestellt werden durch:

• Drehen,
• Feindrehen,
• Schäldrehen,
• Rundschleifen,
• Spitzenlosschleifen,
• Hartdrehen,
• Läppen,
• Polieren.

Für eine g6- oder h6-Welle ist häufig eine präzise Dreh- oder Schleifbearbeitung erforderlich.

Prüfung von Bohrungen

Geeignete Prüfmittel sind:

• Grenzlehrdorn,
• Innenmessschraube,
• Dreipunkt-Innenmessgerät,
• Zweipunkt-Innenmessgerät,
• pneumatisches Messgerät,
• Koordinatenmessgerät,
• Formmessgerät.

Ein Grenzlehrdorn prüft nach dem Gut-/Ausschuss-Prinzip, liefert aber keinen konkreten Istwert.

Prüfung von Wellen

Wellen können geprüft werden mit:

• Bügelmessschraube,
• Grenzrachenlehre,
• Feinzeiger-Messgerät,
• pneumatischer Messtechnik,
• Koordinatenmessgerät,
• Rundheitsmessgerät.

Bei engen Passungen sollten Werkstück und Messmittel eine möglichst einheitliche Temperatur besitzen.

Gut- und Ausschusslehren

Bei einer Bohrung gilt grundsätzlich:

• Die Gutseite muss sich vollständig einführen lassen.
• Die Ausschussseite darf nicht beziehungsweise nur entsprechend der Prüfvorschrift ansetzen.

Bei einer Welle gilt:

• Die Gutseite der Rachenlehre muss über die Passfläche gehen.
• Die Ausschussseite darf nicht über die Passfläche gehen.

Die konkrete Anwendung richtet sich nach der jeweiligen Lehren- und Prüfnorm.

Häufige Fehler

Nur das Nennmaß betrachtet

Zwei Bauteile mit demselben Nennmaß bilden nicht automatisch eine definierte Passung. Erst die Toleranzfelder bestimmen das tatsächliche Spiel.

Groß- und Kleinbuchstaben verwechselt

Großbuchstaben gelten für Bohrungen, Kleinbuchstaben für Wellen.

Tabellenwert für falschen Nennmaßbereich verwendet

Die Grenzabmaße verändern sich mit dem Nennmaßbereich. Ein H7-Wert ist nicht für alle Durchmesser gleich.

Formfehler nicht berücksichtigt

Ein passendes gemessenes Zweipunktmaß garantiert keine ausreichende Rundheit oder Zylindrizität.

Temperatur nicht berücksichtigt

Warme Werkstücke können zu falschen Messergebnissen führen.

Beschichtung vergessen

Eine nachträgliche Beschichtung kann das Spiel deutlich verkleinern oder vollständig beseitigen.

Rauheit zu groß

Bei kleinen Spielen können Rauheitsspitzen die Beweglichkeit beeinträchtigen.

Fehlerbilder und mögliche Ursachen

Fehlerbild	Mögliche Ursache
Welle lässt sich nicht montieren	Maßfehler, Grat, Formfehler oder zu geringe Temperatur
Verbindung klemmt	Mindestspiel zu klein, schlechte Rundheit oder Verschmutzung
Zu großes Kippeln	Höchstspiel zu groß oder Bauteil verschlissen
Ungleichmäßiger Lauf	Ovalität, Rundlauffehler oder Fluchtungsfehler
Starker Verschleiß	falsche Passung, mangelhafte Schmierung oder ungeeignete Werkstoffpaarung
Geräusche und Schläge	zu großes Betriebsspiel
Passung verändert sich im Betrieb	Temperatur, Verschleiß oder Beschichtungsabtrag
Messwerte schwanken	Werkstücktemperatur, Messkraft oder ungeeignetes Messverfahren

Auswahl einer Spielpassung

Für die Auswahl müssen die funktionalen Anforderungen bekannt sein:

• Soll sich die Welle drehen oder axial verschieben?
• Welche Geschwindigkeit tritt auf?
• Welche Kräfte wirken?
• Wie genau muss geführt werden?
• Welche Betriebstemperatur liegt vor?
• Welche Werkstoffe werden kombiniert?
• Ist eine Schmierung vorhanden?
• Wie häufig wird die Verbindung montiert?
• Welche Fertigungsverfahren stehen zur Verfügung?
• Welche Messmittel können eingesetzt werden?

Eine möglichst enge Passung ist nicht automatisch die beste Lösung. Sie kann Fertigungskosten, Montageaufwand und Fressgefahr erhöhen.

Abgrenzung zu Übergangs- und Übermaßpassung

Neben der Spielpassung gibt es zwei weitere grundlegende Passungsarten.

Übergangspassung

Bei einer Übergangspassung können abhängig von den tatsächlichen Istmaßen sowohl Spiel als auch Übermaß entstehen.

Sie wird beispielsweise für genaue Zentrierungen eingesetzt.

Übermaßpassung

Bei einer Übermaßpassung ist die Welle größer als die Bohrung. Die Teile müssen durch Pressen oder thermisches Fügen montiert werden.

Sie wird für feste und kraftübertragende Verbindungen verwendet.

Passungsart	Mögliches Ergebnis
Spielpassung	Spiel oder bei Grenzfall Nullspiel
Übergangspassung	Spiel oder Übermaß
Übermaßpassung	Übermaß

Zusammenfassung

Eine Spielpassung ist eine Kombination aus Bohrungs- und Wellentoleranz, bei der keine unzulässige Überdeckung entsteht. Die Welle kann dadurch montiert und abhängig von der gewählten Passung gegenüber der Bohrung bewegt werden.

Das Mindestspiel ergibt sich aus der kleinsten Bohrung und der größten Welle:

Mindestspiel = Bohrungsmindestmaß − Wellenhöchstmaß

Das Höchstspiel ergibt sich aus der größten Bohrung und der kleinsten Welle:

Höchstspiel = Bohrungshöchstmaß − Wellenmindestmaß

Für die Funktion sind neben dem rechnerischen Spiel auch Formgenauigkeit, Oberflächenrauheit, Temperatur, Schmierung, Werkstoffpaarung und mögliche Beschichtungen entscheidend.