Passfeder und Nut: Toleranzen, Drehmoment und die Welle

Ein Zahnrad entscheidet, ob eine Welle präzise dreht. Die Passfeder entscheidet, ob das Drehmoment unversehrt ankommt. Die beiden Flanken der Passfeder liegen an den Wandungen der Nut an, und das Drehmoment geht als Flächenpressung über die Verbindung. Das Spiel zwischen ihnen ist keine Frage des Griffgefühls bei der Montage: Es legt fest, wo die Last auf der Passfeder sitzt und wie viel Fläche sie trägt.

Der Querschnitt ergibt sich aus der Welle

DIN 6885-1 und ISO 773 dimensionieren eine Passfeder aus dem Wellendurchmesser statt aus dem Drehmoment, weil die Nuttiefe dadurch begrenzt ist, was der Wellenquerschnitt entbehren kann. Die Bereiche, die den Großteil der Getriebe- und Getriebemotorenarbeit abdecken:

Der Durchmesser ist ein Ausgangspunkt, kein Urteil. Eine Hohlwelle, ein leichter Antrieb oder eine dünne Nabenwand können einen kleineren Querschnitt rechtfertigen, sobald die Flächenpressung geprüft ist; ein umgekehrter Antrieb verlangt meist eine längere Passfeder statt einer höheren.

Drei Passungsklassen, drei Aufgaben

Die Passfederbreite ist in jedem Fall h9. Was variiert, ist die Toleranzzone an den beiden Nuten, und diese Wahl ist eine Aussage darüber, wie die Verbindung gewartet wird.

• Normal — N9 in der Welle, JS9 in der Nabe. Feste Nabe, gelegentlich demontiert. JS9 ist symmetrisch zum Nennmaß, sodass die Nabe in beiden Richtungen passt.
• Eng — P9 in beiden. Wechselndes Drehmoment, Stoßbelastung oder eine Verbindung, bei der Spiel nicht zulässig ist. Sie muss aufgepresst werden, und nach einmaligem Aufpressen und Abziehen hält sie nicht mehr.
• Frei — H9 in der Welle, D10 in der Nabe. Die Nabe gleitet entlang der Welle, wie bei einer Schaltmuffe.

Ein Getriebeausgang unter Reversierbetrieb und eine Lüfterwelle, die bei gleichmäßiger Last in eine Richtung dreht, sollten nicht dieselbe Passung teilen, selbst bei gleichem Durchmesser und gleichem Passfederquerschnitt.

So bemaßen, dass ein Prüfer es messen kann

Die Nuttiefe t1 ist schwierig zu verifizieren: Eine Schieblehre erreicht nicht vom Nutgrund zur gegenüberliegenden Wellenseite, und ein auf die Nutkante bezogenes Tiefenmessgerät misst etwas anderes.

Fertigungszeichnungen geben stattdessen d − t1 an, sodass der Prüfer vom Nutgrund zur gegenüberliegenden Mantellinie der Welle misst. Die Zahl ist dann mit einer Bügelmessschraube reproduzierbar. In der Nabe leistet d + t2 dasselbe. Das ist keine zeichnerische Geschmacksfrage; es entscheidet, welches Messmittel verwendet wird und ob zwei Prüfer am selben Teil denselben Wert erhalten.

Die Drehmomentkapazität wird zweimal geprüft

Die Passfederkapazität wird üblicherweise auf zwei Versagensarten geprüft, und der kürzere Wert entscheidet.

• Abscheren der Passfeder: τ = 2T / (d · b · L)
• Flächenpressung an der Flanke: σ = 4T / (d · h · L)

T ist das Drehmoment, d der Wellendurchmesser, b die Passfederbreite, h die Passfederhöhe, L die wirksame Kontaktlänge. Passfedern werden üblicherweise aus mittelkohlenstoffhaltigem Stahl gefertigt, und IS 2048 verlangt Passfederstahl mit einer Zugfestigkeit nicht unter 600 MPa.

Der in diese Formeln eingesetzte Wert ist die zulässige Spannung aus dem Konstruktionshandbuch, gewählt nach Werkstoff und Beanspruchung, nicht die Zugfestigkeit des Stabs. Die Zugfestigkeit als zulässige Spannung zu behandeln, ist der Grund, warum eine Verbindung, die sich rechnerisch bequem ausgeht, in der Praxis versagt.

Was die Nut mit der Welle macht

Das ist die Hälfte der Berechnung, die übersprungen wird.

Das Einschneiden der Nut reduziert den wirksamen Querschnitt von d auf d − t1, und die Torsionskapazität verläuft mit der dritten Potenz des Durchmessers. Nehmen wir eine 40-mm-Welle mit einer 12 × 8 Passfeder: t1 beträgt 5 mm, der Querschnitt an der Nut also 35 mm, und 35³ gegenüber 40³ lässt etwa zwei Drittel der Torsionskapazität übrig — ein Achtel Materialverlust, ein Drittel Festigkeitsverlust, bevor irgendeine Spannungskonzentration gezählt wird.

Der Nutgrund ist für sich genommen ein Spannungskonzentrator. Platziert man ihn auf einem ohnehin kleinen Zapfen oder neben dem Fußkreis eines Zahnrads, addiert sich diese Konzentration zur Biegespannung, die der Zahnfuß trägt. Ausfälle dieser Art beginnen auf der Linie zwischen den beiden Merkmalen, und die Passfeder sieht im Schadensbericht gut aus, weil die Passfeder nie das schwache Glied war.

Die Reihenfolge entscheidet, ob die Passung überlebt

Nuten werden in der Regel vor der Wärmebehandlung gefräst, gestoßen oder geräumt: Die Nut lässt sich im weichen Zustand leichter schneiden, und das Werkzeug hält länger. Nach dem Aufkohlen und Abschrecken verändern sich Nutbreite und Symmetrie — merklich an einer einsatzgehärteten Welle, und ungleichmäßig, wenn die Nut den Querschnitt nur auf einer Seite unterbricht.

Zwei Wege sind ehrlich. Aufmaß lassen und die Nut nach dem Härten durch Schleifen oder Räumen fertigbearbeiten: hält das Band, kostet eine Hartbearbeitungsoperation und erfordert auf der Zeichnung reserviertes Aufmaß. Oder die Breite im abgeschreckten Zustand akzeptieren und das Band erweitern, was günstiger ist und für viele allgemeine Antriebe in Ordnung ist, sofern die Passungsklasse für das erweiterte Band statt für das Nennmaß gewählt wird.

Beides funktioniert. Die Zeichnung muss eines benennen. Bleibt es der Werkstatt überlassen, trifft die Wahl, wer in dieser Schicht an der Maschine steht, und die nächste Charge kann anders ausfallen.

Was wir in der Produktion halten

Nuten bei PinyiGear werden durch Stoßen, Räumen und CNC-Fräsen geschnitten, mit Positionstoleranz von 0,01 mm. Symmetrie und Parallelität werden mit einer Nutlehre und einem Koordinatenmessgerät geprüft, weil eine Passfeder, die nur an einer Flanke trägt, meist ein Symmetrie- oder Parallelitätsproblem ist statt ein Maßproblem. Wellenoberflächen werden nach demselben Bezugsschema wie die Lagersitze gedreht und geschliffen, sodass Nut, Zahnradsitz und Zapfen eine Achse teilen statt drei.

Zahnräder und wellenförmige Antriebsteile werden nach Zeichnung von Modul M0.5 bis M20 gefertigt, mit Fertigungsgenauigkeit bei DIN 4–5 und geschliffenen Zähnen bis DIN 3. Werkstoffe umfassen 20CrMnTi, 20CrMo, 20CrNiMo, 42CrMo, 40Cr, 38CrMoAl und 45#, mit Aufkohlen, Nitrieren, Induktionshärten oder Vergüten je nach Beanspruchung. Die Prüfung läuft über ein Zahnradmesszentrum, Koordinatenmessgerät, Rundheits- und Härteprüfer, Rauheitsmessung und eine Eingriffsprüfung.

Wohin sich die Branche bewegt

Auf der IMTS 2026 ging der Impuls der Zahnradmaschinenhersteller in Richtung Werkzeugzustand und Prozessstabilität statt einer weiteren Dezimalstelle auf einem Datenblatt. Ein Hersteller gab einem Roboter-Kamerasystem seinen öffentlichen Auftritt, das maschinelles Sehen mit künstlicher Intelligenz zur Prüfung des Schneidwerkzeugzustands einsetzt, neben einer Formschleifmaschine für Zahnräder bis 260 mm Außendurchmesser und einer Power-Skiving-Maschine für Innen- und Außenverzahnung bis 300 mm Durchmesser, 100 mm Zahnbreite und 5.000 U/min Spindeldrehzahl (Quelle: Gear Solutions, September 2026, https://gearsolutions.com/news/nidec-machine-tool-america-touts-advanced-gear-manufacturing).

Für eine Nut ist die Implikation direkt. Ein driftendes Werkzeug zeigt sich an den nicht verzahnten Merkmalen, bevor jemand eine Zahnflanke misst, und Käufer, die eigene Prüfzellen betreiben, fragen heute Breite, d − t1, Symmetrie und Parallelität als Zahlen ab statt als Konformitätsetikett.

Sechs Zeilen entscheiden über die Lebensdauer einer Passfederverbindung: Breite mit ihrer Toleranzzone, d − t1 in der Welle, d + t2 in der Nabe, Nutlänge, der Bezug, auf den die Nut bezogen wird, und die Prozessfolge um die Wärmebehandlung. Senden Sie die Zeichnung an unsere Kontaktseite, und wir prüfen den Wellenquerschnitt vor der Angebotserstellung.

Weiterführende Lektüre: Präzisionswellen, Verzahnungen und Zahnradwellen.