Toleranzmanagement im Maschinen- und Fahrzeugbau

Für die geometrische Produktbeschreibung sind im Zuge der Globalisierung DIN EN ISO-Normen geschaffen worden, die das Fertigungs-Know-How durch Symbole verschlüsseln. Mittlerweile existieren 40 solcher DIN EN ISO-Normen, die ein Ingenieur kennen müsste. Die Praxis zeigt jedoch, dass dem nicht so ist. Diesem Zustand entgegenzuwirken ist Ziel dieses Buches.

Es enthält - unter Berücksichtigung des aktuellen Normungsstandes - eine umfassende Einführung in die geometrische Produktspezifizierung und das Toleranzmanagement, eine Erläuterung der Symbolik und deren Wirken, viele praktische Beispiele sowie einen Anhang mit typischen Maschinenteilen und deren Spezifizierung sowohl über Maßtoleranzen als auch über Form- und Lagetoleranzen. Das gut strukturierte Buch wendet sich an Studenten jedes Hochschultypus (Berufsakademien, FHs und Unis) im Grundstudium Maschinenbau.

Der Autor

Prof. Dr. Bernd Klein ist 1. Vorsitzender des VDI (Verein Deutscher Ingenieure), Nordhessen, er hält regelmäßig Weiterbildungsseminare zu Toleranzmanagement.

1 Allgemeines (S. 1-2)

1.1 Einleitung

Das Prinzip der Austauschbarkeit von Bauteilen ist eines der Grundlagen der industriellen Fertigung. Erst dieses macht es möglich, Einzelteile von Erzeugnissen örtlich und zeitlich getrennt zu fertigen. Nur so können die Vorteile einer Arbeitsteilung wirtschaftlich genutzt werden. Um die Austauschbarkeit eines Bauteils zu sichern, müssen seine Eigenschaften und Spezifikationen [TRU 97] eindeutig festgelegt sein.

In den USA organisierte Ely Whitney bereits um 1800 die Fertigung von 10.000 Musketen in einem Los nach einer arbeitsteiligen Methode. Hierzu entwickelte er vereinfachte Werkzeugmaschinen und benutzte Gegenlehren zur Prüfung von Einzelteilen. Die Prüfung des Spiels zwischen Schlagbolzen und Bohrung erfolgte mit Lagen von Papier. Ließ sich eine Lage Papier dazwischenschieben, handelte es sich noch um ein Gutteil, bei zwei Lagen Papier lag ein Ausschussteil vor. Diese Prüfung war eine Art Grenzlehrung, die aus der französischen Waffenproduktion (Le Blanc 1785) übernommen wurde.

Der amerikanische Nähmaschinenhersteller Wheeler &, Wilson produzierte um 1860 bereits 50.000 Nähmaschinen pro Jahr und garantierte seinen Kunden einen einwandfreien Teile-Service per Post, weshalb auch er reproduzierbare Verhältnisse schaffen musste. Dies wurde durch eine beachtliche Fertigungsgenauigkeit und zusätzliche Kompensationsteile erreicht. In Europa herrschte zu dieser Zeit noch die handwerkliche Tradition vor, welche vom Prinzip der Einmaligkeit oder vollständigen Austauschbarkeit von Bauteilen ausging. So zählte beispielsweise die Pariser Werkzeugmaschinenfabrik Panhard et Levassor zu den führenden Automobilmanufakturen der Welt, die im Jahre 1890 bereits schon einige hundert Autos im Jahr herstellte. Basis war die von Gottlieb Daimler erworbene Lizenz zum Bau von Hochgeschwindigkeits- Benzinmotoren, um die herum Karosseriebauer ein ansprechendes Kleid schneiderten. Die Herstellung war so organisiert, dass selbstständige Zulieferanten Teile beistellten, die in der Fabrik von ausgebildeten Handwerkern angepasst wurden, da keinerlei Maßsystem existierte. Ratlos war man insbesondere gegenüber dem Phänomen der schleichenden Maßwanderung, die aus dem Fehlen von Lehren bzw. Vorrichtungen resultierte und jede Teilebevorratung unmöglich machte.

Autofabrik konzipierte. Sein T-Modell war die zwanzigste Konstruktion, denn Ford ließ sich von der Einsicht leiten, dass eine vollständige und passgenaue Austauschbarkeit sowie eine einfache Montage sichergestellt werden muss. Dazu galt es, ein verbindliches Maß- und Lehrensystem zu schaffen, welches erst in Verbindung mit der Fließbandproduktion 1913 eine konkurrenzlos günstige Fertigung ermöglichte.

Die Firma Daimler Benz sah sich zu dieser Zeit noch in der Tradition der Handwerksbetriebe und organisierte die Fertigung unter der Zielvorgabe so gut wie möglich. Damit war zwar ein hoher Qualitätsanspruch verbunden, machte die Autoproduktion aber vergleichsweise teuer. Dies alles bildet den Hintergrund für die Einführung einer Normung, deren Aufgabe es bevorzugt war, einen hohen Fertigungsstand zu ermöglichen. Hiermit war verbunden, dass innerhalb der DIN-Normen ein Maß- und Passungssystem (1917) geschaffen wurde, welches verbindliche Regeln und Vorgaben definierte. Das DIN-Normensystem wird heute immer mehr durch ISO-Normen ergänzt. Bezüglich der Bauteilfertigung ist heute die ganze Breite an zulässigen Maß-, Geometrie- und Oberflächenabweichungen festgeschrieben. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen worden für die Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie (DNC), für bessere Qualitätsfähigkeit (SPC) und die Adaption neuartiger Montagetechniken (DFMA1). Eine besonders zentrale Bedeutung hat in diesem Umfeld die Form- und Lagetolerierung, die zukünftig in das System der Geometrischen Produktspezifizierung (GPS-Norm) aufgehen wird.

Intention des Buches ist es, den praktisch tätigen Konstrukteuren die notwendigen Hilfen für die Erstellung richtiger Zeichnungen [JOR 91b] geben zu wollen. Es ist insofern selbstredend, dass damit auch die Wirtschaftlichkeit, Qualitätsfähigkeit und die schnelle Realisierung angesprochen sind.

1.2 Übersicht über die verwendeten Normen

Zur Problematik Tolerierung und Toleranzen existieren mehr als 40 DIN-, DIN EN ISO- und VDI/VDE-Normen bzw. Richtlinien (siehe auch Tabelle 1.1). Die Anzahl der Normen unterstreicht in diesem Fall die Bedeutung dieses Themas für die Industrie, kann aber auch zu einer gewissen Unsicherheit in der Anwendung führen. Um einen roten Faden entwickeln zu können, wird hier nur auf die maßgeblichen Kernnormen eingegangen. Inhaltlich sind dies die folgenden Normen:

• DIN ISO 129 Maße und Toleranzen,
• DIN ISO 286 Toleranzen und Passungen,
• DIN 7167 Zusammenhang zwischen Maß-, Form- und Parallelitätstoleranz,