Kraftaufnehmer haben in den letzten Jahren einen sehr hohen technischen Standard erreicht. Ein Teil der hohen Genauigkeit erzielen die Aufnehmer auch durch die verbesserten Möglichkeiten der Kalibrierung. In sehr vielen Fällen kann ein Kraftaufnehmer, anders als z. B. Wägezellen, nicht in der Anwendung kalibriert werden. Um zu guten und zuverlässigen Messergebnissen zu gelangen, gilt es also, der Montagesituation der Kalibrierung im Praxiseinsatz möglichst nahe zu kommen und nur Abweichungen innerhalb der gültigen technischen Spezifikationen zuzulassen.

Die Messgenauigkeit eines Kraftaufnehmers hängt im starken Maße von der Einbausituation ab. Ungünstige Einbausituationen verschlechtern die Messgenauigkeit, aber auch die dynamischen Eigenschaften der Messkette sowie die Empfindlichkeit gegen Einflüsse elektromagnetischer Felder.

1. Einfluss der Kraftrichtung

a. Schräge Krafteinleitung

In den Bedienungsanleitungen von Kraftaufnehmern, z. B. des HBM-Kraftaufnehmers C2, wird verlangt, dass „…die auf den Kraftaufnehmern wirkenden Kräfte möglichst genau in Messrichtung wirken sollen.“

Dafür gibt es mehrere Gründe. Zunächst entsteht ein systematischer Messfehler, da der Kraftaufnehmer nur Kräfte in Messrichtung misst. Kräfte, die quer hierzu angreifen, werden zu einem großen Teil kompensiert, da Querkräfte im Allgemeinen nicht das Messziel sind.

 

Im Beispiel wird die zu messende Kraft Fin schräg um den Winkel α in den Aufnehmer eingeleitet. Der Kraftvektor der eingeleiteten Kraft wird dann in die zwei Komponenten Fz  und Fx aufgeteilt. Gemessen wird am Sensor nur die Kraft in Z-Richtung, die kleiner ist als die eingeleitete Kraft.

Es gilt:

Fz = Fin ⋅ cos(α)

Das Messergebnis ist also um den Faktor cos(α) zu klein.

Hinzu kommt, dass in dieser Situation eine Querkraft auf den Sensor wirkt, die sich mit

Fx = Fin sin(α)

berechnen lässt.

Der Messfehler bei Schiefeinleitung bei Winkeln bis zu fünf Grad ist in der folgenden Tabelle beschrieben:

1° = 0,015 %

2° = 0,06 %

3° = 0,14 %

4° = 0,24 %

5° = 0,38 %

Zum Vergleich: Der größte Einzelfehler moderner Kraftaufnehmer (S9M, S2M) liegt bei 0,02 %.

2. Einfluss von Querkräften, Biegemomenten und Drehmomenten

a. Querkräfte

Querkräfte sind Kräfte, die rechtwinklig zur Messrichtung des Aufnehmers wirken. In der deutschen Norm VDI/VDE2638 wird dabei von einer Kraft gesprochen, die an einem Punkt auf die Lasteinleitung wirkt. 

Solche Querkräfte können zum Beispiel durch das Eigengewicht von Anbauteilen entstehen oder durch eine schräge Lasteinleitung. Im Allgemeinen verursacht eine Querkraft immer ein Biegemoment, da die Querkraft selten auf der Höhe der DMS-Installationen angreift. Je nach der Querkraftempfindlichkeit des Aufnehmers ergibt sich ein zusätzlicher Fehler. Dieser Fehler liegt bei den meisten Aufnehmern deutlich unter 1 % der Kraft in Messrichtung (Fz), wenn die Querkraft 10 % der von Fz beträgt.

b. Biegemomente

Große Winkelfehler der Lasteinleitung können den Aufnehmer zerstören. Auch ein Biegemoment überlagert in der Praxis häufig die eigentlich zu messende Kraft.

Die Skizze oben deutet die Situation an. Zusätzlich zur eingeleiteten Kraft wird der Aufnehmer durch ein Biegemoment belastet. Entstehen kann ein Biegemoment durch eine Querkraft an der Lasteinleitung, z. B. durch das Eigengewicht von Lasteinleitungsbauteilen bei horizontaler Montage des Aufnehmers. Auch eine außermittige Lasteinleitung erzeugt ein Biegemoment.

Hier gilt: Dieses Moment (in der Skizze rechtsdrehend) entlastet den Aufnehmer auf der linken Seite und belastet ihn auf der rechten Seite. Vor allem rotationssymmetrische Kraftaufnehmer (C2, U2B oder U10M) sind unempfindlich gegen Biegemomente, da sie durch den Einsatz mehrerer Messstellen, die über den Umfang verteilt sind, Biegemomente kompensieren. Die Kraftaufnehmer U10M und U10S verfügen über einen Biegemomentabgleich, der den Biegemomenteinfluss auf 0,01 % verringert. Hierbei macht man sich zunutze, dass die Verschaltung der einzelnen Messstellen immer den Mittelwert ausgibt.

Unabhängig davon kann ein großes Biegemoment einen Kraftaufnehmer zerstören. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass das Biegemoment nicht angezeigt wird, wie oben ausgeführt.

Bitte beachten sie auch, dass Biegemomente in vielen Fällen eine Querkraft nach sich ziehen, die den Aufnehmer zusätzlich belastet. Beachten Sie hierzu die Skizzen unten:

 

Auf der linken Seite entsteht ein Biegemoment, da die Last außermittig eingetragen wird. In diesem Fall entsteht keine Querkraft.

Auf der linken Seite entsteht ein Biegemoment, da das Eigengewicht der Lasteinleitung einen Hebel erzeugt. Der Abstand des Schwerpunktes zum Kraftaufnehmer ist dabei die Hebellänge. Das Gewicht erzeugt in diesem einfachen Fall eine Kraft. Aus der Multiplikation von Kraft und Hebelarm ergibt sich das Moment. Zusätzlich wirkt die Gewichtskraft auf den Aufnehmer als Querkraft. Beide parasitären Einflüsse sind zu beachten.

c. Drehmomente

Kraftaufnehmer für Druck- und Zugbelastung werden mit Innengewinden (S9, S2, U10) oder Gewindebolzen (U15, Z4, U2B) ausgeliefert. Bei der Montage der Aufnehmer ist es wichtig, dass diese Verschraubungen mit geeignetem Drehmoment gekontert werden. Das maximale Drehmoment wird häufig bei der Montage überschritten. Beachten Sie: Kontern Sie so, dass kein Drehmoment durch den Aufnehmer geleitet wird. Hierbei ist das maximale Drehmoment zu beachten, da der Aufnehmer bei Überschreiten des Grenzwertes dauerhaft zerstört werden kann.

Das Drehmoment im laufenden Betrieb wird durch die Geometrie des Aufnehmerkörpers und den Ort der DMS-Installation weitestgehend kompensiert.

d. Zusammenwirken aller Momente und der Querkraft

Die maximalen Belastungsgrenzen sind immer so zu verstehen, dass der Aufnehmer bei Belastung mit Nennkraft zusätzlich mit einer der parasitären Einflüsse belastet werden kann. Wirken mehrere Einflüsse gleichzeitig auf den Kraftaufnehmer, gilt:

  • Mehrer Komponenten gleichzeitig in maximal erlaubten Beträgen zerstören den Aufnehmer
  • Wenn gleichzeitig mehrere Einflüsse auf den Aufnehmer wirken, so können die Anteile addiert werden. Die Summe darf nicht größer als 100 % werden. Beispiel: 50 % des zulässigen Drehmomentes, 40 % des zulässigen Biegemomentes und 10 % der zulässigen Querkraft sind ausgenutzt. Der Aufnehmer ist dann maximal belastet, da die Summe 100 % entspricht.

 

3. Kraftaufnehmer für Druckkräfte mit balliger Krafteinleitung

Aufnehmer, deren Konstruktion nur die Erfassung von Kräften in Druckrichtung erlaubt, werden im Regelfall mit einer balligen Lasteinleitung ausgerüstet.

Die Realisierung der Krafteinleitung auf den Lastknopf kann über die für viele Modelle zur Verfügung stehenden Lasteinleitungshilfen geschehen. Dies sind zum Beispiel Druckstücke, wie in der Skizze unten gezeigt.

 

Ein solches Druckstück wird einfach auf die Lasteinleitung gelegt. Dabei ist nur darauf zu achten, dass sich keine Fremdkörper zwischen Druckstück und Kraftaufnehmer befinden. Das Druckstück ist drehbar gelagert und es kann seinen Winkel zum Aufnehmer verändern, sodass Biegemomente und Drehmomente nicht in den Aufnehmer getragen werden.

Wird ein Kraftaufnehmer ohne ein solches Druckstück installiert, so sind an das Bauteil, das mit der balligen Krafteinleitung in Berührung kommt, folgende Anforderungen zu stellen:

  • HBM empfiehlt eine Härte von mindestens 43 HRC
  • Das Werkstück soll geschliffen sein
  • Die Montage soll so erfolgen, dass das Gegenstück nicht abhebt und Schläge auf den Aufnehmer entstehen können
  • Wenn möglich soll das Gegenstück drehbar und schwenkbar gelagert sein, um Biege- und Drehmomente zu verhindern.

Im Regelfall werden Druckaufnehmer in ihrer Anwendung in die Konstruktion gestellt, d. h. die Kraft wird auf die Konstruktion unter dem Kraftaufnehmer weitergeleitet. Eine horizontale Montage ist jedoch ebenso denkbar. Hierbei soll der Aufnehmer mit der Konstruktion fest verbunden sein.

In jedem Fall muss das Konstruktionsbauteil, auf dem die Unterseite des Aufnehmers montiert wird, so gestaltet sein, dass die Kräfte unter nur geringen Verformungen aufgenommen werden. Hierzu ist eine ausreichende Steifigkeit vorzusehen.

Weiterhin ist es wichtig, dass die Fläche eben ist - eine Unebenheit von maximal 0,005 mm kann toleriert werden. Eine ebene Untergrundkonstruktion garantiert, dass sich der Kraftaufnehmer so verformt, wie es zum Erreichen der vollen Messgenauigkeit seitens des Herstellers notwendig ist.

Außerdem soll die Untergrundkonstruktion verformungssteif sein und sie muss einen größeren Durchmesser als der Kraftaufnehmer aufweisen. Eine sich stark verformende Unterkonstruktion, zu kleine Fläche oder Unebenheiten der Kraftausleitung führen zu Verformungszuständen, die bei der Konstruktion des Aufnehmers nicht berücksichtigt wurden. Die technischen Daten hinsichtlich Kennwert, Linearität und Hysterese können sich deshalb verändern.

Wesentliche Anforderung an die Auflagefläche eines Kraftaufnehmers: Ausreichende Größe, Ebenheit und ausreichende Steifigkeit.

4. Kraftaufnehmer für Zug- und Druckkräfte mit anschraubbaren Krafteinleitungen

Sollen neben Zug- auch Druckkräfte gemessen werden, so ist eine ballige Lasteinleitung natürlich ungeeignet.

Bei Zugkrafttaufnehmern oder solchen, die für Zug- und Druckkräfte geeignet sind, werden deshalb die Bauteile, die die Kraft in den Aufnehmer einbringen mit dem Aufnehmer verschraubt. Einige Kraftaufnehmer, wie zum Beispiel die Z4A oder die U2B weisen an der Oberseite Außengewinde und an der Unterseite Innengewinde auf. Kraftaufnehmer der Serie U10M und U10S sind an beiden Anschlussseiten mit Innengewinden ausgestattet.

Innengewinde bauen erheblich kompakter und eignen sich deshalb für Kraftaufnehmer, die flach bauen sollen. Bei Außengewinden ergibt sich zwangsläufig ein höherer Abstand zwischen der Anschlussverschraubung und der DMS-Installation, was sich positiv auf verschiedene messtechnische Eigenschaften (Hysterese!) auswirkt. Kraftaufnehmer für Zug- und Druckbelastung mit sehr hohen Ansprüchen an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit weisen deshalb in der Regel ein Außengewinde auf und nur an der unkritischen Seite ist ein Innengewinde vorgesehen.

Für Innengewinde gilt:

Bei jeder Verschraubung eines Kraftaufnehmers muss eine ausreichend hohe Flächenpressung von der Mutter auf den Kraftaufnehmer ausgeübt werden. Hierzu gibt es zwei verschiedene Verfahren:

a.    Verschraubung mittels Applikation einer Kraft, die größer ist als die größte Betriebskraft

  • Verbindungselemente beidseitig in den Kraftaufnehmer einschrauben.
  • Den Kraftaufnehmer über seine Betriebslast hinaus belasten (Maximalgrenzen nicht überschreiten)
  • Die Kontermuttern handfest anziehen
  • Jetzt kann die Kraft vom Aufnehmer genommen werden, der Sensor ist korrekt montiert

Die erforderliche Überlast ist der Montageanleitung zu entnehmen.

b.    Montage mittels geeignetem Drehmoment

  • Verbindungselemente einschrauben
  • Kontermuttern gemäß der in der Montageanleitung angegebenen Drehmomente anziehen

Hierbei ist zu beachten, dass das zur Montage notwendige Moment keinesfalls durch den Aufnehmer geleitet werden darf, da dieser sonst zerstört werden kann.

Bei Kraftaufnehmern mit Außengewinde gilt:

Das anzuschließende Bauteil wird zumindest bei dynamischer Belastung mittels einer Mutter gekontert. Bei rein statischer Kraftmessung kann hierauf verzichtet werden. Die Drehmomente sind in den Bedienungsanleitungen der Kraftaufnehmer angegeben.

 

 

Die Z4A (rechts) wird nur an dem Innengewinde gekontert. Das Außengewinde der U2B (links) ist immer eine Konterung durch eine Mutter notwendig

HBM bietet für fast alle Aufnehmer, die für Zug- und Druckkräfte geeignet sind, Gelenkösen an. Werden Kraftaufnehmer unter Verwendung mindestens einer Gelenköse montiert, so werden Torsionsmomente nicht in den Aufnehmer geleitet.

Bei Verwendung von zwei Gelenkösen werden zusätzlich Biegemomente und Schrägeinleitung vom Kraftaufnehmer fern gehalten.

 

Anwendung von zwei Gelenkösen bei der Kalibrierung einer U10M mit 500 kN Nennlast

Gelenkösen sind grundsätzlich nicht geeignet, um dynamische Kräfte zu messen, da sich das Lagerspiel mit der Zeit vergrößert und somit Messfehler entstehen können. Außerdem ist der Frequenzbereich, innerhalb dessen Gelenkösen eingesetzt werden können, auf etwa 10 Hz begrenzt.

Bei dynamischen Anforderungen empfiehlt sich von daher die Verwendung von Krafteinleitungen, die biegeweich ausgeführt sind.

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