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Die Norm ASME Y14.5 definiert fünf Arten von GD&T-Toleranzen auf Grundlage der Aspekte des Merkmals, die sie steuern – Form, Ausrichtung, Lage, Profil und Rundlauf.
Innerhalb jeder dieser Kategorien gibt es mehrere verschiedene Toleranzen. Die Parallelität gehört, zusammen mit der Winkligkeit und der Rechtwinkligkeit, in die Kategorie der Ausrichtung, in der die Toleranzen die Winkelbeziehungen zwischen den einzelnen Elementen eines Teils steuern.
Was ist die Parallelität (GD&T)?
Die Parallelität stellt eine Ausrichtungstoleranz im GD&T dar, die gewährleistet, dass ein Merkmal (eine Ebene, Achse oder Mittelebene) entlang seiner gesamten Länge im gleichen Abstand zu einer Bezugsebene oder -achse bleibt (eine 0°‑Ausrichtung). Einfach gesagt stellt dies sicher, dass die gesteuerte Ebene oder Achse strikt parallel zu einer Datumsebene oder -achse beibehalten wird.
Da die Parallelität, strikt die Ausrichtung, aber nicht die Lage, steuert, muss das Merkmal über seine gesamte Länge einen konstanten Abstand zum Datum wahren, ganz egal, wo es sonst physisch im Raum platziert wird.
Die Parallelität kann auf drei hauptsächliche Arten von Merkmalen angewendet werden:
- Oberflächenparallelität: Stellt sicher, dass eine Oberfläche parallel zu einer Bezugsoberfläche verbleibt, die in der Regel eine Passfläche ist. Dies stellt die häufigste Form der Anwendung dar.
- Achsenparallelität: Steuert die Mittelachse eines Merkmals der Größe, wie bei Stiften oder Bohrungen.
- Mittelebenenparallelität: Steuert die Mittelebene eines Merkmals (wie Schlitze oder Laschen) so, dass sie parallel zu einer anderen Oberfläche verbleibt. Die Mittelebene wird dadurch ermittelt, dass die Ordinaten über die Fläche des Merkmals gemittelt werden.
Die Wahl der Parallelität ist jedoch nicht immer die richtige Wahl. Die folgende Tabelle hilft Ingenieuren dabei, sich schnell zu entscheiden, wenn diese sich für den Einsatz der Parallelität entscheiden.
| Funktionales Ziel | Parallelität einsetzen? | Bessere GD&T-Alternative, wenn nicht |
| Halten Sie eine Oberfläche zu einer Bezugsfläche hin ausgerichtet | Ja | Ebenheit, wenn nur die lokale Form zählt. |
| Halten Sie die Achse einer Bohrung parallel zur Basis | Ja | Lage, falls die Lage der Achse ebenfalls entscheidend ist |
| Eine Oberfläche in 30° oder 45° zu einem Datum halten | Nein | Winkligkeit |
| Eine Oberfläche flach zu halten, ohne sich auf ein anderes Merkmal zu beziehen | Nein | Ebenheit |
Technische Tipps für Konstrukteure
- Nutzen Sie NICHT die Parallelität, wenn die Position und Lage wichtig sind → Lage nutzen
- Nutzen Sie NICHT die Parallelität, wenn Sie steuern wollen, wie flach und glatt ein Merkmal ist → Ebenheit nutzen
- Setzen Sie die Parallelität von Achsen nur ein, wenn die Rotation/Passung von der Ausrichtung abhängig sind
Beispiel: Flanschverbindungen
Das Callout für die Parallelität wird häufig dafür eingesetzt, die Flanschflächen an industriell eingesetzten Rohren auszurichten. Die zusammengehörigen Flansche müssen innerhalb einer spezifischen Toleranz parallel zueinander sein, um sicherzustellen, dass die Verbindung richtig ausgerichtet und dicht ist.
Während einem Fehlversatz (einer Fehlausrichtung durch Versatz) durch eine Steuerung der Lage und Koaxialität entgegengewirkt wird, so wird eine Fehlausrichtung durch einen Winkel hauptsächlich durch die Parallelität vermieden (oft im Zusammenwirken mit der Ebenheit oder einem Oberflächenprofil). Indem die Parallelität als Toleranz auf eine Flanschfläche angewendet wird, und dabei die andere Fläche als Datum verwendet wird, können die Konstrukteure sicherstellen, dass eine gleichmäßige Lastenverteilung über die Schrauben erfolgt, die Dichtung gleichmäßig angepresst wird und nur ein minimales Risiko für Fehler besteht.
Die Toleranzzone der Parallelität
Die Toleranzzone der Parallelität ist eine physikalische Grenze, die die zulässige Varianz in der darüber zu steuernden Oberfläche bestimmt. Das Teil wird zufriedenstellend passen und funktionieren, solange all die Punkte des zu steuernden Merkmals in dieser Zone liegen.
- Für die Parallelität von Oberflächen und Mittelebenen: Die Toleranzzone besteht standardgemäß aus zwei parallelen Ebenen. Der Abstand zwischen diesen beiden Ebenen ist die Toleranzgrenze. So gilt zum Beispiel, dass, falls eine Oberflächenparallelitätstoleranz bei 0,05 mm liegt, alle Punkte dieser Oberfläche innerhalb der genau 0,05 mm auseinanderliegenden Ebenen zu finden sein müssen.
- Für die Parallelität von Achsen: Die Toleranzzone ist in diesem Fall eine zylindrische Hülle, die um die abgeleitete Mittelachse (Meridian) herum definiert wird. Damit ein solches Teil die Prüfung besteht, müssen alle Punkte der Achse innerhalb dieses definierten Zylinders liegen.
Die Anatomie des Merkmalskontrollrahmens (FCF) für Parallelität
Die Parallelitätstoleranz wird auf einer CAD-Zeichnung über einen sogenannten Merkmalskontrollrahmen (vom englischen Feature Control Frame, kurz FCF) angewendet. Dieser Rahmen besteht aus drei bestimmten Blöcken: dem GD&T-Symbolblock, dem Toleranzblock und dem Datumsblock.
Das Symbol für Parallelität des GD&T (gem. ASME Y14.5) besteht aus zwei parallelen Linien, die beide in ca. 60° zur Horizontalen stehen.
1. Der GD&T-Symbolblock
Dieser Block informiert den Anwender über die eingesetzte geometrische Tolerierung. Jede Toleranz in der GD&T hat ein spezifisches Symbol, das in diesen ersten Block eingesetzt wird. Das Symbol für Parallelität des GD&T (gem. ASME Y14.5) besteht aus zwei parallelen Linien, die beide in ca. 60° zur Horizontalen stehen.
2. Der Toleranzblock
In diesem Block wird beschrieben, wie die Toleranz angewendet wird, wie die Toleranzzone geformt ist, welche Werte verwendet und welche Materialbedingungen angewendet werden können.
- Zonenform: Für die Parallelität der Achsen wird ein Durchmessersymbol (Ø) verwendet, welches eine zylindrische Zone spezifiziert. Die Oberflächenparallelität hingegen nutzt zwei parallele Ebenen, welche (basierend auf dem Symbol) der Standard gemäß GD&T sind, und deshalb kein spezielles Symbol benötigen.
- Toleranzwert: Dieser kennzeichnet entweder den Durchmesser des Zylinders der Toleranzzone (für Achsen) oder den Abstand der zwei Ebenen, welche die Toleranzzone (für Oberflächen) bilden. Gemäß GD&T Regel Nr. 1 (dem Hüllkurvenprinzip), darf die Parallelitätstoleranz nicht die festgelegte Größentoleranz des Merkmals überschreiten.
- Materialmodifikatoren: Sogenannte Materialzustandsmodifikatoren (wie MMC oder LMC) können auf Achsen- und Mittelebenenparallelität angewendet werden, um die Merkmale der Größe (wie von Bohrungen oder Stiften) zu steuern. Da diese Modifikatoren aber von der Größe abhängig sind, sind sie für ebene Oberflächen ungültig. Gemäß ASME Y14.5 gilt, dass, falls kein Modifikator angegeben wird, die Toleranz „Unabhängig von der Merkmalsgröße“ bzw. RFS (Regardless of Feature Size) ist.
3. Der Datums-Block
Weil die Parallelität eine Lagesteuerung darstellt, erfordert sie ein Bezugsmerkmal (ein sogenanntes Datum), gegen welches die Lage geprüft wird. Das Datum definiert dabei die Bezugsausrichtung und schränkt die Freiheitsgrade des zu steuernden Merkmals ein.
Das Datum ist im Datum-Block, der direkt rechts neben dem Toleranzblock liegt.
- Die Parallelität der Oberfläche und die Parallelität der Mittelebene erfordern nur ein Datum.
- Je nach Komplexität des Teils kann die Achsenparallelität ein oder mehr Datums erfordern.
- Die Parallelität wird in der Regel niemals mit drei Datums spezifiziert. Die größte und stabilste Oberfläche wird im Allgemeinen als das primäre Datum gewählt. Es ist aber möglich, mehrere primäre oder sekundäre Datums einzusetzen. Wenn zwei primäre oder sekundäre Datums als Bezug verwendet werden, also zum Beispiel A und B, dann werden sie zusammen spezifiziert und im gleichen Merkmalskontrollrahmen platziert, wobei sie durch einen Bindestrich (A-B) separiert werden.
Die Bonustoleranz Verstehen
Wenn die Parallelität von Achsen oder Mittelebenen eingesetzt wird, und dabei Materialmodifikatoren wie MMC oder LMC genutzt werden, dann besteht die Möglichkeit, sogenannte Bonustoleranzen zu nutzen.
Bonustoleranzen sind in diesem Kontext eine zusätzliche zulässige Abweichung in der Parallelität, die dann auftreten darf, wenn ein Merkmal der Größe (die Parallelität ist ein Merkmal der Lage) im Kontext der Materialbedingungen im Merkmalskontrollrahmen der Parallelität spezifiziert wird. Sie errechnet sich aus der Differenz der tatsächlich gemessenen Größe (des Merkmals der Größe) und den Werten der MMC/LMC.
- Für innenliegende Merkmale (Bohrungen): Die Bonustoleranz wird durch eine Vergrößerung der physikalischen Größe erworben. (z.B. erhält eine Bohrung mit einem MMC von 10,00 mm und einer tatsächlichen Größe von 10,10 mm eine 0,10 mm große Bonustoleranz)
- Für außenliegende Merkmale (Stifte): Die Bonustoleranz wird durch eine Verringerung der physikalischen Größe erworben. (z. B. erhält eine Welle mit einem MMC von 10,00 mm und einer tatsächlichen Größe von 9,90 mm eine Bonustoleranz von 0,10 mm.)
Die gesamte zulässige Parallellitätstoleranz ist die Summe der genannten Toleranzen im Merkmalskontrollrahmen plus der berechneten Bonustoleranzen.
Parallelität vs. Andere Callouts
Die Parallelität kann manchmal mit anderen Callouts verwechselt werden, da diese scheinbar gleiche Aspekte eines Merkmals steuern. Um ein Overengineering oder deine fehlerhafte Tolerierung zu vermeiden, ist es entscheidend, zu verstehen, wie sich die Parallelität von anderen scheinbar gleichartigen GD&T-Callouts unterscheidet.
Parallelität vs. Ebenheit
Sowohl die Parallelität als auch die Ebenheit werden auf planare Oberflächen angewendet und verwenden eine Toleranzzone, die aus zwei parallelen Ebenen besteht.
- Die Ebenheit ist dabei ein Steuerelement der Form. Sie ähnelt darin der Geradheit, Rundheit, und Zylindrizität.
- Sie bezieht sich dabei nicht auf ein Datum. Sie befasst sich hingegen nur mit der Form der Oberfläche an sich.
- Die Parallelität ist hingegen ein Steuerelement der Lage. Sie bewahrt eine 0°-Ausrichtung zu einem Bezugselement, einem Datum. Eine Oberfläche kann zum Beispiel (wie bei einem Küchenmesser) vollkommen eben sein, aber dennoch jede Prüfung der Parallelität nicht bestehen, da die Fläche in Relation zur Datum-Ebene (z.B. die gegenüberliegende Seite der Messerklinge) angekippt ist.
Parallelität vs. Winkligkeit
Beide stellen ein Steuerungselement in Relation zu einem Datum dar.
- Die Parallelität erzeugt strikt nur eine einzige Toleranzzone, und zwar jene, die parallel (0°) zur Bezugsebene, dem Datum, liegt.
- Die Winkligkeit hingegen erzeugt eine angewinkelte Toleranzzone und wird für nicht-parallele/nicht-rechtwinklige Winkel zwischen 0° und 90° (z.B. 30° oder 45°) verwendet. Eine Oberfläche, die in einem Winkel von 2° zu einem Datum liegt, würde die Prüfung der Parallelität nicht bestehen. Wäre die Toleranz hingegen eine der Winkligkeit, so könnte sie diese Prüfung bei einer entsprechend spezifizierten Toleranz durchaus bestehen.
| Steuer- element | Datum nötig | Steuert | Typische Anwendungsgebiete |
| Ebenheit | Nein | Oberflächenform | Nur für die Form von Dichtungs- oder Kontaktflächen |
| Parallelität | Ja | 0° Ausrichtung | Fügeflächen, Achsausrichtung |
| Winkligkeit | Ja | Winkel ungleich Null | Geneigte Oberflächen |
| Lage | Ja | Lage und Ausrichtung von Merkmalen der Größe | Bohrungen, Stifte, Schlitze in Baugruppen |
Wie wird die Parallelität gemessen?
Bei der Parallelität handelt es sich um eine Lagetoleranz, die immer mit Bezug auf ein bestimmtes Datum als Bezugselement angewendet wird. Für die Messung der Parallelität muss die Messung als Teil der Prüfung also immer im Hinblick auf dieses Datum ausgeführt werden.
Es gibt mehrere verlässliche Methoden, um die Parallelität zu messen. Die genaueste Methode zur Parallelitätsmessung ist unter diesen der Einsatz eines Koordinatenmessgeräts (KMG). In Fällen, in denen das nicht möglich ist, kann eine Messuhr mit einem Datumssimulator, etwa einer Oberflächenplatte, in der Regel zufriedenstellende Ergebnisse liefern.
Koordinatenmessgeräte
Oft für hochpräzise Messungen reserviert, kann ein KMG Oberflächen-, Achsen- und Mittelebenenparallelität mit einer bemerkenswerten Präzision messen. Die Sonde der KMG tastet mehrere Punkte auf der Bezugsoberfläche ab, um das Datum zu erzeugen, und tastet dann die obenliegende Oberfläche ab.
Die Software berechnet daraus den minimalen Abstand zwischen zwei parallelen Ebenen, der alle erfassten Datenpunkte der Oberfläche beinhaltet. Diese Abweichung ist der sogenannte Parallelitätsfehler. Während KMG sehr präzise sind, so sind sie jedoch auch teuer, nicht tragbar und erfordern eine teure jährliche Wartung von etwa 15 bis 20%.
Oberflächenplatte und Messuhr
Eine häufig eingesetzte, tragbare Methode aus der Fertigung umfasst eine Oberfläche in Form einer Granitplatte und eine Messuhr. Die Datumsoberfläche wird dabei direkt auf die saubere Granitplatte platziert, und simuliert das Datum.
Die Sonde der Messuhr berührt die Oberseite und fährt über das Teil hinweg. Der Unterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Messwert ergibt dabei den Parallelitätstoleranzwert (z. B. ergibt eine maximale Messung von 0,08 mm und eine minimale Messung von 0,02 mm einen Parallelitätsfehler von 0,06 mm).
Laserinterferometer und Autokollimator
Für extrem große Teile oder Teile, die nicht einfach bewegt werden können, stellen das Laserinterferometer und der Autokollimator die ideale Lösung für die Prüfung dar.
Diese Werkzeuge analysieren die Winkelabweichung oder die Interferenzmuster in einem reflektierten Lichtstrahl, um eine Genauigkeit im Submikronbereich zu erzeugen. Sie sind jedoch höchst empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie thermischer Ausdehnung, Feuchtigkeit oder Luftturbulenzen.
Die Lagesteuerung Meistern
Die Parallelität ist eine grundlegende GD&T-Lagetoleranz, die entscheidend für eine verlässliche Produktion paralleler Oberflächen ist. Durch die Beibehaltung eines gleichmäßigen Abstands und der Ausrichtung innerhalb der erforderlichen Grenzmaße und Passungen, stellt es eine korrekte Montage sicher, und erzeugt eine sichere Abdichtung sowie eine langfristige mechanische Verlässlichkeit.
Das Verständnis der Toleranzzonen und Materialbedingungen erlaubt es Ingenieuren, die Parallelität effektiv einzusetzen, ohne die Fertigungskosten unnötig in die Höhe zu schrauben.
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