Eine stramme Passung ist nicht unbedingt eine gute

Die Quelle ist A Paper on Standard Decimal Measures of Length, vorgetragen auf der Versammlung der Institution of Mechanical Engineers, Manchester, 1857, im selben Sammelband von 1858 wie der Gewindeaufsatz, den diese Website zuletzt gelesen hat. Der Text ist gemeinfrei und vollständig gescannt. Die Textebene des Scans verfälscht Ziffern erheblich, deshalb wurde jede Zahl unten an den Seitenbildern abgelesen.

Drei Lehren und ein Tropfen Öl

Die Vorführung, die er zur Versammlung mitbrachte, ist der beste Teil des Vortrags, und sie ist reproduzierbar. Eine Innenlehre mit zylindrischer Bohrung von 0,5770 Zoll. Zwei Außenlehren, massive Zylinder, eine mit 0,5769 und eine mit 0,5770 Zoll. Der Unterschied zwischen den beiden Zylindern beträgt ein Zehntausendstel Zoll.

Sauber und trocken sitzt der größere Zylinder stramm in der Innenlehre. Der kleinere ist darin so lose, dass er gar nicht zu passen scheint. Ein Zehntausendstel Zoll, und der eine geht kaum hinein, während der andere zu klappern scheint.

Dann gibt er einen Tropfen feines Öl darauf, und das Ergebnis ist der Grund, warum man sich diese Vorführung merken sollte. Die Passung des größeren Zylinders wird leichter, die des kleineren strammer. Das Öl lockert den strammen und strafft den losen.

Er erklärt den Mechanismus für beide Hälften. Der größere Zylinder und die Innenlehre liegen so nah beieinander, dass trocken der eine nicht durch den anderen geht, und beim Hineinpressen bestünde die Gefahr, dass sich die Oberflächenteilchen des einen in oder zwischen die des anderen eindrücken, was ich schon gesehen habe, und dann trennt sie keine Kraft mehr. Öl trennt die Flächen, und sie bewegen sich leicht. Der kleinere Zylinder ist ein Zehntausendstel kleiner als die Bohrung, also bleibt zwischen den Flächen ein Raum von der Hälfte dieses Betrags; er füllt sich mit Öl, daher der strammere Sitz.

Ein Ölfilm von einem Fünfzigmillionstel Meter entscheidet, welches von zwei Teilen sich stramm anfühlt. Wer ein Gewinde schon einmal nass und dann trocken gelehrt hat, kennt das Gefühl; dies ist die Erklärung von 1857 dafür.

Das Spiel hängt vom Öl des Kunden ab

Auf die Definition der guten Passung folgt unmittelbar ein Beispiel, das das Spiel greifbar macht, und es handelt gar nicht von der Maschine.

Der Zylinder des beweglichen Spindelstocks einer Drehbank verlangt eine möglichst gute Passung, doch in der Praxis zeigt sich, dass der Zylinder um 0,0005 Zoll, ein Zweitausendstel Zoll, zu klein sein muss. Der Grund liegt nicht in der Fertigung. Er liegt darin, dass Maschinen häufig nicht ordentlich sauber gehalten oder aus falscher Sparsamkeit mit schlechtem Öl geschmiert werden. Schmutz greift die Flächen an; schlechtes Öl wird klebrig und ranzig und verdirbt das Arbeiten einer guten Passung.

Dann macht er den Punkt an zwei namentlich genannten Ölen fest. Bei Maschinen für Betriebe, die Rüböl verwenden, muss in den Passungen mehr Spiel und Lose vorgesehen werden, als nötig wäre, wenn besseres Öl wie Walratöl verwendet würde. Das Spiel auf der Zeichnung bestimmt sich danach, was der Käufer in die Maschine gießt.

Daneben gestellt sei das Wort, wie es eine spätere Norm definiert. Der Bericht der amerikanischen Gewindekommission von 1918 führt allowance in seiner Terminologie: ein Maßunterschied mit vorgeschriebenen Grenzen, der verschiedene Arten oder Klassen von Passungen ermöglichen soll. Sechzig Jahre früher ist der Begriff bereits voll ausgebildet und bereits an die Einsatzbedingungen gebunden. Diese Seite stellt beides nebeneinander und behauptet keine Abstammung.

Warum er Dezimalzahlen wollte

Die These des Vortrags lautet, Ingenieure und Maschinenbauer sollten aufhören, in Achteln, Sechzehnteln und Zweiunddreißigsteln Zoll zu denken, und anfangen, in Zehnteln, Hundertsteln und Tausendsteln zu denken und zu sprechen. Sein Grund ist nicht Eleganz. Das Bruchsystem kann die Maße nicht tragen, nach denen seine Werkstatt bereits arbeitete.

Bei der Herstellung meiner Normallehren messen die Arbeiter auf ein Zwanzigtausendstel Zoll, schreibt er, und diese Maße seien ihnen so vertraut und fassbar wie jedes größere. Eine Skala für so kleine Unterschiede muss dezimal sein, weil jede andere unüberwindliche Schwierigkeiten, wenn nicht völlige Verwirrung stiften würde.

Und dann der Satz, der eigentlich von Toleranzen handelt, geschrieben, bevor jemand das Wort benutzte. „Welche genaue Vorstellung kann irgendjemand von einem Maß wie einem knappen Sechzehntel oder einem vollen Zweiunddreißigstel haben; und welche misslichen Folgen können aus den unterschiedlichen Vorstellungen verschiedener Arbeiter vom Wert dieser Begriffe entstehen.“ Ein Adjektiv an einem Bruch ist kein Maß. Zwei Menschen lesen es verschieden, und der Unterschied kommt in der Montage an.

Mit dem Tastsinn gemessen, nicht mit dem Auge

Die überraschendste Aussage des Vortrags betrifft das Instrument. Kein Messsystem, das auf der Sehkraft beruht, eignet sich, um die Größe der arbeitenden Teile von Maschinen zu bestimmen, schreibt er. Wo genaues Maß oder gute Passung verlangt ist, ist auf den Tastsinn weit mehr Verlass.

Seine Normalmaße entstehen mit einem System, dessen Genauigkeit auf dem Tastsinn beruht, und mit einem Instrument mit mechanischem Vervielfältiger, der dem Auge einen Raum zeigt, der viele tausend Mal größer ist als die gemessene Strecke. Das Auge liest den Vervielfältiger ab, die Hand das Teil.

Im Jahr zuvor hatte er vor derselben Institution in Glasgow eine kleine Maschine vorgestellt, mit der ein Längenunterschied von einem Millionstel Zoll sofort erkannt wird, wieder nach dem Prinzip, den Tastsinn statt des Sehens einzusetzen. Legt man einen Gegenstand zwischen zwei parallele wahre Ebenen, so eingestellt, dass die Hand die Berührung gerade spürt, und rückt die Ebenen um, wie es gedruckt steht, the 50-thousandth of an inch näher zusammen, sitzt der Gegenstand deutlich strammer.

Unter allem liegt die Ebene. Er nennt die Wahrheit der Fläche jenes niemals versagende Element des Erfolgs, und in der Glasgower Rede sagt er es noch nüchterner: alle Vortrefflichkeit der Arbeit hängt davon ab, eine wahre Ebene als Bezugsnormal zu besitzen.

Wozu Dezimalzahlen dienten: aufschreiben, was der alte Meister weiß

Die Stelle, die den ganzen Vorschlag begründet, handelt nicht von Arithmetik. Ein guter Arbeiter erwirbt durch Erfahrung ein intuitives Wissen um die Spiele, die in verschiedenen Fällen nötig sind. Mit einer dezimalen Schreibweise lässt sich dieses Wissen anderen in genauen Begriffen weitergeben, was dem jungen Anfänger von unschätzbarem Nutzen sein wird. Viele wichtige Informationen können aufbewahrt und die Erfahrung der Vergangenheit jederzeit herangezogen werden, ohne dass sie Gefahr laufen, durch Nichtgebrauch, Unachtsamkeit oder andere Ursachen verloren zu gehen.

Er benennt auch, was ohne sie schiefgeht, und es liest sich wie ein heutiges Problem der Lieferkette. Wenn sich eine Maßschablone abnutzte oder veränderte, war sie unwiederbringlich verloren, weil es kein Mittel gab, das genaue Maß festzustellen und festzuhalten. Schlimmer noch: Fehler in den Normalen pflanzen sich nicht nur in den Kopien fort, sondern kommen zu den Fehlern der Ausführung hinzu, was besonders dann eintritt, wenn ein Hersteller Maschinenteile für einen anderen liefert.

Die Prüfung, die beschädigt, was sie durchlässt

Ein weiteres Argument lohnt das Herausheben, weil diese Website seiner Form immer wieder begegnet. Er wendet sich gegen die Art, wie Gewehrläufe geprüft wurden, nämlich durch Beschuss mit starker Ladung. Übersteht der Lauf den Beschuss ohne sichtbaren Schaden, gilt er als gut, obwohl er gerade bei der Prüfung einen so bleibenden Schaden erlitten haben kann, dass sein Gebrauch höchst gefährlich ist.

Seine Alternative ist, den Lauf nach dem Beschuss zu vermessen und festzustellen, was sich bleibend verändert hat, also ein genaues und befriedigendes Verfahren an die Stelle einer unsicheren und zweifelhaften Probe zu setzen. Ein Bestehen, das nichts beweist, weil die Prüfung einen Teil dessen verbraucht hat, was sie prüfte. Die heutige Fassung derselben Klage ist eine Prüfung, die ihre eigene Norm von der Abnahme ausschließt.

Der Vorschlag, aus dem nichts wurde

Am Ende des Vortrags kommt Whitworth auf Drahtlehren und schlägt das Naheliegende vor. Die Skala beginnt bei der kleinsten Größe und steigt in Tausendsteln Zoll. Entgegen dem üblichen Brauch bei der Bezeichnung der Drahtlehre habe ich die kleinste Größe Nr. 1 genannt, ein Tausendstel Zoll, Nr. 2 zwei Tausendstel und so weiter: bis Nr. 20 um ein Tausendstel je Nummer, von Nr. 20 bis Nr. 40 um zwei Tausendstel und von Nr. 40 bis Nr. 100 um fünf Tausendstel.

Dann die Empfehlung selbst. „Ich schlage daher vor, die bisher für die verschiedenen Drahtlehren verwendeten Bezeichnungsnummern abzuschaffen und die Größen einfach mit ihren aussagekräftigen Zahlen in Tausendsteln Zoll zu benennen.“

Lehrennummern abschaffen und die Tausendstel sagen. Wir schreiben 2026, Lehrennummern sind noch immer in Gebrauch, und auf dieser Website gibt es eine Seite über ein amerikanisches Gesetz von 1893, dessen Blechlehren-Nummern sich als Gewichte entpuppen. Whitworth sah das Problem, nannte die Lösung und wurde mindestens einhundertneunundsechzig Jahre lang überhört.

Er achtete darauf, wie weit er gehen durfte. Die empfohlene Skala war so gewählt, dass sie in jedem möglichen Fall mit dem alten System übereinstimmt, denn solange die bereits gebauten Maschinen existieren, können die Größen ihrer Teile nicht aufgegeben werden. Er wollte die größtmöglichen Vorteile bei der geringstmöglichen Änderung. Das ist derselbe Instinkt wie im Gewindeaufsatz von 1841, der den Durchschnitt dessen nahm, was die Werkstätten bereits taten, statt der besten verfügbaren Geometrie.

Was man daraus mitnehmen kann

• Eine gute Passung enthält ein bewusst vorgesehenes Spiel. Whitworths Definition stellt wahre Flächen und ein angemessenes Spiel zusammen und sagt ausdrücklich, dass eine stramme Passung nicht unbedingt eine gute ist
• Das Spiel bestimmen die Einsatzbedingungen, nicht die Maschine. Sein Beispiel ist ein Drehbank-Spindelstock, der ein halbes Tausendstel zu klein gefertigt wird, weil der Kunde ihn schmutzig betreiben und schlecht schmieren wird
• Ein Adjektiv ist kein Maß. Ein knappes Sechzehntel und ein volles Zweiunddreißigstel bedeuten für verschiedene Menschen Verschiedenes, und der Unterschied zeigt sich in der Montage
• Ein Zehntausendstel Zoll entscheidet zwischen Passung und Klappern, und ein Ölfilm kann umkehren, was was ist
• Normale wandern, und ihre Fehler addieren sich zu den Fehlern der Ausführung, was laut Whitworth besonders dann eintritt, wenn ein Hersteller Teile für einen anderen liefert

Der rote Faden ist in allen drei Dokumenten aus dieser Zeit, die diese Website inzwischen gelesen hat, derselbe. Die Zahl, die in der Norm landet, wird danach gewählt, was sich zu der Zeit herstellen, messen und prüfen lässt. Whitworth ist nur darin ungewöhnlich, dass er das offen sagt und die Lehren zur Versammlung mitbrachte, damit das Publikum den Unterschied selbst fühlen konnte.

Dieser Beitrag gehört nicht zu nur einem der sechs Schritte. Er betrifft mehrere Schritte oder Vorgänge nach der Montage. Die zugrunde liegenden Entscheidungen stehen im englischen Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Was ist laut Whitworth eine gute Passung?

In seinem Vortrag von 1857 über dezimale Normallängenmaße schrieb er, eine stramme Passung sei nicht unbedingt eine gute; seien aber die Flächen wahr und bei der Größe der zusammenarbeitenden Teile ein angemessenes Spiel vorgesehen, dann erhalte man eine gute Passung. Er fügte hinzu, was ein angemessenes Spiel ausmache, hänge von der Art des Falls und von der Behandlung ab, die die Maschine erfahren werde.

Warum sollte ein Drehbank-Spindelstock absichtlich mit Untermaß gefertigt werden?

Wegen der Pflege, die er bekommen wird. Whitworth schreibt, der Zylinder des beweglichen Spindelstocks verlange eine möglichst gute Passung, müsse in der Praxis aber um 0,0005 Zoll, ein Zweitausendstel Zoll, zu klein sein, weil Maschinen häufig nicht sauber gehalten oder aus falscher Sparsamkeit mit schlechtem Öl geschmiert werden. Außerdem brauchten Maschinen für Betriebe, die Rüböl verwenden, mehr Spiel als bei besserem Öl wie Walratöl.

Wie lief die Vorführung mit den drei Lehren ab?

Eine Innenlehre mit zylindrischer Bohrung von 0,5770 Zoll und zwei massive Zylinder mit 0,5769 und 0,5770 Zoll, ein Unterschied von einem Zehntausendstel Zoll. Sauber und trocken sitzt der größere Zylinder stramm in der Innenlehre, während der kleinere so lose ist, dass er gar nicht zu passen scheint. Ein Tropfen feines Öl kehrt den Eindruck um: Der größere geht leichter, der kleinere sitzt strammer.

Warum fühlt sich die losere Lehre mit Öl strammer an?

Whitworth nennt den Mechanismus. Der kleinere Zylinder ist ein Zehntausendstel Zoll kleiner als die Bohrung, also bleibt zwischen den Flächen ein Raum von der Hälfte dieses Betrags, der sich mit Öl füllt, daher der strammere Sitz. Beim größeren Zylinder, der trocken nicht hindurchgeht und bei dem die Gefahr besteht, dass sich die Oberflächenteilchen des einen zwischen die des anderen eindrücken, trennt das Öl die Flächen, sodass sie sich leicht und gleichmäßig bewegen.

Wie genau maß Whitworth in den 1850er-Jahren?

Er schreibt, bei der Herstellung seiner Normallehren mäßen die Arbeiter auf ein Zwanzigtausendstel Zoll. In Glasgow zeigte er im Jahr zuvor eine Maschine, mit der ein Längenunterschied von einem Millionstel Zoll sofort erkannt wird; sie beruht auf dem Prinzip, den Tastsinn statt des Sehens einzusetzen, und hat einen mechanischen Vervielfältiger, der dem Auge einen viele tausend Mal größeren Raum als die gemessene Strecke zeigt.

Wollte Whitworth die Nummern der Drahtlehren abschaffen?

Ja. Er schlug vor, die bisher für die verschiedenen Drahtlehren verwendeten Bezeichnungsnummern abzuschaffen und die Größen einfach mit ihren aussagekräftigen Zahlen in Tausendsteln Zoll zu benennen. Seine eigene Skala nannte entgegen dem Brauch die kleinste Größe Nr. 1 mit einem Tausendstel Zoll und stieg bis Nr. 20 um ein Tausendstel je Nummer, bis Nr. 40 um zwei und bis Nr. 100 um fünf Tausendstel.

Was hielt Whitworth von der Beschussprüfung?

Er nahm Gewehrläufe als Beispiel und wandte ein, ein Lauf, der den Beschuss ohne sichtbaren Schaden übersteht, gelte als gut, obwohl er gerade bei der Prüfung einen bleibenden Schaden erlitten haben könne, der seinen Gebrauch höchst gefährlich mache. Er plädierte dafür, den Lauf nach dem Beschuss zu vermessen, um festzustellen, was sich bleibend verändert hat, und so ein genaues und befriedigendes Verfahren an die Stelle einer unsicheren und zweifelhaften Probe zu setzen.

Quellen

• Joseph Whitworth, „A Paper on Standard Decimal Measures of Length“, vorgetragen vor der Institution of Mechanical Engineers, Manchester, 1857, in Miscellaneous Papers on Mechanical Subjects, 1858, Seiten 55 bis 70; dazu die Rede vor derselben Institution in Glasgow, 1856, Seite 42. Vollständiger Scan im Internet Archive
• Whitworths Gewindeaufsatz von 1841, im selben Band
• Progress Report of the National Screw Thread Commission, 1921, dessen Terminologie allowance definiert

Der Band ist gemeinfrei und wurde aus dem gescannten Text des Exemplars im Internet Archive gelesen, Kennung miscellaneouspa03whitgoog, ohne Zugangsbeschränkung. Die Texterkennung dieses Scans verfälscht Ziffern, deshalb wurde jede oben zitierte Zahl an Bildern der gedruckten Seiten geprüft, nämlich der Seiten 42, 60, 62 und 66. Diese Prüfung änderte drei Werte: Die Textebene gibt 0,6770, wo die Seite 0,5770 druckt, gibt 0,0006 Zoll, wo die Seite neben einem Zweitausendstel 0,0005 Zoll druckt, und gibt sechs Tausendstel, wo die Seite fünf für den oberen Teil der Drahtlehren-Skala druckt. Zwei davon hätten, hätte man ihnen vertraut, einen falschen Befund innerer Widersprüchlichkeit ergeben. Keine Tabelle des Vortrags wird hier wiedergegeben, weder die empfohlene Dezimalskala noch die Drahtlehren-Tabelle, und kein Endpunkt der Drahtlehren-Skala wird berechnet, da die Tabelle selbst nicht gelesen wurde und die Wendung über einen halben Zoll die Skala als Ganzes beschreiben kann. Die Wendung the 50-thousandth of an inch ist wie gedruckt übernommen und als ein Fünfzigtausendstel Zoll gelesen, im Einklang mit dem Millionstel im vorangehenden Satz. Diese Seite behauptet nichts darüber, ob der Dezimal- oder der Drahtlehren-Vorschlag übernommen wurde, denn das Dokument sagt dazu nichts, und zwischen Whitworths Gebrauch von allowance und der Definition im amerikanischen Bericht von 1921 wird keine Abstammung behauptet; beide werden nur nebeneinandergestellt. Nichts wird mit heutigen Toleranzsystemen verglichen, von denen für diese Seite keines gelesen wurde. Zitate sinngemäß aus dem Englischen übersetzt.