Wellen und Lager: Passungen verstehen und richtig wählen

Eine Wellenpassung legt durch ISO-Toleranzfelder (z. B. H7/k6) nach DIN ISO 286 fest, ob Lager und Welle mit Spiel, Übergang oder Presspassung gefügt werden. Passungen sind das Fundament zuverlässiger Maschinensysteme: Ob Wellen in Lagern, Naben auf Wellen oder Gehäusekomponenten – die richtige Passung bestimmt über Montierbarkeit, Lebensdauer und Betriebssicherheit.

Dieses Tutorial erklärt das ISO-Toleranzsystem (DIN ISO 286), zeigt die verschiedenen Passungsarten und gibt praktische Empfehlungen für Wellen, Lager und Naben-Verbindungen. Mit diesem Wissen können Sie Fertigungszeichnungen richtig spezifizieren und teure Fehlgriffe vermeiden.

Das ISO-Toleranzsystem nach DIN ISO 286

Jede ISO-Toleranzangabe besteht aus einem Buchstaben (Toleranzfeld, Position über oder unter Nennmaß – Großbuchstaben für Löcher, Kleinbuchstaben für Wellen) und einer Zahl (Toleranzgrad, Breite des Toleranzbereichs). Bei Ø 20 H7/h6 etwa ergeben sich daraus wohldefinierte Grenzmaße und eine reproduzierbare Spielpassung.

Die vollständige Systematik der Grundabmaße und Toleranzklassen mit µm-Werten ist nicht Schwerpunkt dieses Montage-Tutorials. Eine ausführliche Erklärung der Toleranzfelder samt Tabellen finden Sie im Referenzartikel ISO-Passungen H7/h6: das Toleranzsystem.

Drei Passungsarten

ISO 286 kennt drei Passungsarten: die Spielpassung (Loch stets größer als Welle, z. B. H7/h6 – für drehende Außenringe und Führungswellen), die Übergangspassung (Spiel oder leichte Pressung je nach Fertigung, z. B. H7/k6 – für Wälzlager-Innenringe) und die Presspassung (Welle stets größer als Loch, z. B. H7/p6 – für Zahnräder und Riemenscheiben unter hohem Drehmoment). Welche Kombination Sie in diesem Tutorial konkret wählen, zeigen die folgenden Abschnitte zu Welle-Nabe- und Wälzlager-Sitzen.

Eine ausführliche Herleitung der Passungsarten mit allen genormten Toleranzfeld-Kombinationen lesen Sie in ISO-Passungen H7/h6: das Toleranzsystem.

Welle-Nabe-Verbindungen

Passfeder nach DIN 6885

Die Passfeder ist eine einfache, kostengünstige Verbindungsmethode. Sie wird in eine Nut in Welle und Nabe eingefräst und verhindert relative Drehung durch Formschluss. DIN 6885 standardisiert Größen: Breite b, Höhe h, und Tiefe t. Für Wellendurchmesser 12–17 mm ist typischerweise 5×5 mm erforderlich, für 20–25 mm ist 6×6 mm Standard.

Vorteile: Einfach, kostengünstig, Standard. Nachteile: Der Schlitz in der Welle schwächt diese um bis zu 20%, Passfedern können nicht axial verschieben.

Keilwelle nach DIN 5480

Keilwellen sind eine robustere Alternative zu Passfedern. Die Welle hat mehrere Zähne (4, 6, oder 10), die in entsprechende Nuten in der Nabe passen. Das Drehmoment wird auf mehrere Kontaktflanken verteilt, nicht auf eine Passfeder.

Vorteile: Höhere Tragfähigkeit, mehrere Kontaktflanken, ermöglichen axiale Verschiebung (wichtig für Schaltgetriebe). Nachteile: Teurere Fertigung, schwachen die Welle ebenfalls, aber weniger als Passfedern.

Spannsatz

Ein Spannsatz (oder Schnellspanner) ist eine axial verschiebbare Nabe mit Presspassung. Durch Axialverschiebung wird die Nabe auf der Welle geklemmt. Dies ermöglicht schnelle Montage/Demontage ohne Pressen oder Heizen. Spannsätze sind teuer, aber wertvoll für häufig wechselnde Naben.

Typische Passungen bei Wälzlagern

Wälzlager (nach DIN 625 / ISO 15) haben standardisierte Passungsempfehlungen in ihrer technischen Dokumentation. Hier die wichtigsten Kombinationen:

Innenring auf der Welle

• j5 / j6: Leichte Übergangspassung. Der Innenring sitzt leicht und kann unter hoher Last Spiel entwickeln. Standard für stehende Wellen oder Punktlast am Innenring.
• k5 / k6: Übergangspassung mit leichter Presspassung. Der festere Sitz verhindert Kriechbewegung des Innenrings bei Umfangslast. Standard für drehende Wellen (rotierende Innenringlast).
• m6: Moderate Presspassung. Für hohe Lasten und schnelle Drehzahlen erforderlich.

Außenring im Gehäuse

• H7 / H8: Spielpassung. Der Außenring sitzt locker im Gehäuse und kann leicht ausgetauscht werden. Standard für ruhende Ringe.
• G7: Spielpassung mit mehr Spiel als H7. Standard für Loslager (Floating Bearings), wo der Außenring leicht axial verschiebbar sein soll, um Wärmedehnung auszugleichen.
• J7 / K7: Übergangspassung. Für hohe Radiallasten oder bei umlaufender Last erforderlich.

Faustregel: Rotierender Ring = Presspassung (j/k/m), ruhender Ring = Spielpassung (H/G). Die genauen Werte sind in DIN 625 Tabellen definiert und hängen von Größe, Last und Drehzahl ab.

Passungstabelle mit Empfehlungen

Für Zahnräder und Ritzel nach Zeichnung legt TEA Passungsangaben direkt in die Fertigungsunterlagen ein — siehe Sonderverzahnung nach Zeichnung.

Zahlenwerte: Grenzabmaße nach ISO 286

Die folgenden Grenzabmaße (unteres/oberes Abmaß in µm gegenüber dem Nennmaß) gelten für die gängigen Wälzlager-Passungen nach ISO 286:

k6 ergibt am Wälzlager-Innenring eine leichte Übergangs-/Presspassung gegen Kriechbewegung, n6 eine festere Pressung für stoßende oder hohe Umfangslasten. Die Toleranz der Lagerbohrung selbst folgt ISO 492 (enger als ein normales Loch nach ISO 286) — dadurch fällt die effektive Passung k6/Lagerbohrung fester aus als k6/H7. Alle Werte sind Richtwerte aus ISO 286; verbindlich sind Norm und Lagerherstellerangaben.

Kerbwirkung der Passfedernut: Festigkeit nach DIN 743

Die Aussage „eine Passfedernut schwächt die Welle“ lässt sich quantifizieren. DIN 743 („Tragfähigkeitsberechnung von Wellen und Achsen“) erfasst die örtliche Spannungsüberhöhung an Kerben über die Kerbwirkungszahl β. Die Passfedernut zählt dabei zu den kritischsten Querschnitten einer Welle, weil sie eine scharfkantige Längsnut genau dort einbringt, wo das Drehmoment übertragen wird.

Formzahl, Kerbwirkungszahl und Kerbempfindlichkeit

Die Formzahl α beschreibt die rein geometrische Spannungsüberhöhung (Maximalspannung im Kerbgrund bezogen auf die Nennspannung) bei rein elastischem Verhalten. Die für die Dauerfestigkeit maßgebliche Kerbwirkungszahl β ist nach DIN 743 stets kleiner als α, weil reale Werkstoffe die Spannungsspitze nur teilweise „spüren“:

Die Stützziffer n (auch Stützfaktor) berücksichtigt das bezogene Spannungsgefälle im Kerbgrund: Bei einer scharfen Kerbe fällt die Spannung steil ab, sodass nur ein kleines Werkstoffvolumen hoch belastet ist – der Werkstoff „stützt“ sich. n wächst mit schärferer Kerbe und mit niedrigerer Werkstofffestigkeit. Die reduzierte Kerbwirkungszahl β der Passfedernut mindert die Bauteil-Wechselfestigkeit gegenüber der glatten Probe:

Für die Passfedernut nach DIN 6885 liegt die Kerbwirkungszahl für Biegung typischerweise im Bereich β​_b ≈ 1,6 … 2,4 und für Torsion bei β​_t ≈ 1,3 … 1,8 – abhängig von Wellendurchmesser, Nutform (Scheibenfräser- vs. Fingerfräser-Nut) und Werkstoff-Zugfestigkeit R​_m. Höherfeste Stähle reagieren empfindlicher (höheres β), weil ihre Stützwirkung geringer ist.

Richtwerte Kerbwirkungszahl Passfedernut

Die Werte sind Orientierungsgrößen in der Größenordnung der Diagramme aus DIN 743-2 bzw. Roloff/Matek und dem FKM-Richtlinien-Umfeld; verbindlich ist die normgerechte Einzelberechnung mit den dort hinterlegten Diagrammen für Formzahl und Stützziffer.

Rechenbeispiel: zulässiges Moment einer Welle mit Passfedernut

Eine Welle ⌀ 40 mm aus Vergütungsstahl (z. B. C45E, Wechselfestigkeit Torsion der glatten Probe τ​_tW ≈ 150 N/mm²) trägt eine Passfedernut nach DIN 6885 mit β​_t = 1,6. Gesucht ist die ertragbare Schub-Wechselspannung im Nutquerschnitt (vereinfacht, ohne weitere Einflussfaktoren wie Oberfläche oder Größenfaktor):

Mit dem polaren Widerstandsmoment der Vollwelle W​_t ≈ 12 566 mm³ ergibt sich das dauerfest ertragbare Wechsel-Torsionsmoment (ohne Sicherheitsbeiwert) zu:

Ohne Kerbe (β​_t = 1) läge derselbe Querschnitt bei τ​_tW = 150 N/mm² und damit T ≈ 1 885 Nm. Die Passfedernut senkt die ertragbare Torsions-Wechselbelastung also auf rund 1 / 1,6 ≈ 62,5 % – eine Minderung um etwa 37 %. Das zeigt: Bei dynamisch hoch belasteten Wellen lohnt der Schritt zur Keil- oder Zahnwellenverbindung oder zur Presspassung, die das Moment ohne scharfe Längsnut überträgt.

Hinweis zum Gültigkeitsbereich: Die Rechnung ist bewusst vereinfacht und dient der Größenordnung. Eine vollständige Auslegung nach DIN 743 berücksichtigt zusätzlich Größeneinflussfaktor, Oberflächen- und Randschichtfaktor, Mittelspannung sowie die geforderte Sicherheit gegen Dauerbruch.

Montagehinweise und Best Practices

Presspassung montieren

Presspassungen können kalten Stahlkomponenten bis ca. 50 kN Kraft widerstehen. Für höhere Momente: Hydraulische oder thermische Montage. Thermische Montage: Die Nabe auf 100–150 °C erwärmen, auf die kalte Welle schieben – beim Abkühlen entsteht die Presspassung automatisch. Dies ist schonender und zuverlässiger.

Spielpassung justieren

Spielpassungen (z.B. H7/h6) sollten vor dem Betrieb justiert werden. Radialspiel in Lagern kann durch Spannmuttern oder Spannscheiben eingestellt werden. Dies optimiert die Lebensdauer und reduziert Lärm.

Oberflächenbearbeitung beachten

Raue Oberflächen können Presspassungen schwächen. Nach Feinbearbeitung sollten Oberflächen Ra < 0,8 µm haben. Spezialbeschichtungen (z.B. Nickel, Chrom) können die Passung verändern – immer mit dem Hersteller klären.

Kontrolle und Prüfung

Nach Montage sollten Passungen mit Lehrdornen oder Messschiebern geprüft werden. Für kritische Anwendungen: Röntgen oder Ultraschall-Prüfung, um innere Spannungen zu erkennen.