Krafteinleitungen bei Druckkraftsensoren

Die messtechnischen Eigenschaften und auch die Lebensdauer eines Kraftaufnehmers  werden nicht nur vom Kraftaufnehmer selbst, sondern auch von dessen Design und der Ausführung der Krafteinleitung bestimmt. Konstruktionselemente, an denen Kraftsensoren angeschlossen werden, müssen gewissen technischen Anforderungen genügen. Die Bedienungsanleitungen geben hierzu detaillierte Hinweise.

Um die Messgenauigkeit und die Haltbarkeit der Sensoren bestmöglich auszunutzen, ist es empfehlenswert folgende Bedingungen in Bezug auf die Lasteinleitungen zu schaffen:

  • Eine wesentliche Forderung ist eine ausreichende Härte (40HRC) der Krafteinleitungen, um den Verschleiß in Grenzen zu halten.
  • Die Krafteinleitungen sollen eine geschliffene Oberfläche aufweisen. (Ra=0,8 µm)
  • Unter Last dürfen sich die Lasteinleitungen nicht stark verformen.
  • Die Lasteinleitungen sollen Sorge dafür tragen, dass die Kraft mittig und gleichmäßig verteilt in den Sensor geleitet wird.
Thomas Kleckers, HBM
Produktmanager Kraftaufnehmer bei HBM

Ballige Lasteinleitung

Viele Druckkraftsensoren weisen an ihrer Oberseite eine ballige Lasteinleitung auf, die automatisch für eine Zentrierung – also eine mittige Krafteinleitung – sorgt. Dies wird dadurch erreicht, dass sich der höchste Punkt der Lasteinleitung exakt im Zentrum des Sensors befindet.

Kraftaufnehmer C10 mit balliger Lasteinleitung

Vor allem bei Kraftaufnehmern für sehr große Kräfte entstehen an dieser Stelle sehr hohe mechanische Spannungen (Hertzsche Pressung), die der Konstrukteur des Sensors über den Radius der Krafteinleitung beeinflussen kann und zu Gunsten einer hohen Genauigkeit auslegt.

Diese Spannungen sind bei der Auslegung des Gegenstückes unbedingt zu beachten -  es besteht durchaus die Gefahr, dass sich das Gegenstück verformt. Daher werden zu allen Kraftaufnehmern für Druckbelastung und auch für einige, die für Zug- und Druckbelastung ausgelegt sind, sogenannte Druckstücke angeboten, die die oben genannten Bedingungen erfüllen und das angeschlossene Konstruktionselement schonen. 

Kraftaufnehmer C10 mit aufgesetztem Druckstück

Besonderheiten von Ringkraftsensoren und Druckstäben

Ringkraftsensoren und Druckstäbe, wie z.B. C6B von HBM, weisen sehr viele Vorteile auf:

  • Sehr hohe Steifigkeit mit hoher Grundresonanzfrequenz - die ideale Wahl für die Messung schneller Vorgänge
  • Robuster Aufbau, unempfindlich gegen Korrosionseinfluss sowie Vibrationen oder Schocks
  • Wirtschaftliche Lösung
  • Für extrem hohe Nennkräfte verfügbar (bei HBM bis 10 MN)

Solche Druckkraftaufnehmer weisen keine ballige Lasteinleitung auf, sodass der mechanische Anschluss einfach zu bewerkstelligen ist.

Gleichmäßige Krafteinwirkung

Die hohe Steifigkeit und das Fehlen einer zentrierenden Krafteinleitung erfordern bei der sachgerechten Montage der Sensoren ein gewisses Maß an Sorgfalt. Die Dehnungsmessstreifen, die die eingeleitete Kraft in die messbare Widerstandsänderung wandeln, sind über den Umfang des Aufnehmers an vier verschiedenen Punkten angebracht. Um gute Ergebnisse zu erzielen, muss die Kraft gleichmäßig auf den Umfang wirken, sodass die eingeleitete Kraft wiederum möglichst gleichmäßig in Dehnung gewandelt wird. Da der Messweg solcher Sensoren sehr klein ist, werden Unebenheiten und Schiefstellung nicht durch den Sensor ausgeglichen.

Kompakte versus lange Bauform

Ein einfacher Weg, eine gleichmäßige Verteilung der mechanischen Spannung zu erreichen, besteht darin, die Sensoren möglichst lang zu bauen - die Dehnungsverteilung über den Umfang wird dann immer günstiger. Dies widerspricht allerdings dem häufig geäußerten Kundenwunsch nach kompakter Bauweise und geringem Gewicht (für hochpräzise Referenzkraftaufnehmer ist diese Herangehensweise akzeptabel und entsprechende Sensoren sind auch so konstruiert).

Neuer Ringkraftsensor C6B - gut zu erkennen: die innere Bohrung, die auch geeignet ist eine Kraftrückführung zu installieren. Ab einer Nennkraft von 5 MN entfällt die Bohrung.

HBM bietet für den Druckkraftaufnehmer C6B Einbauteile an, die die oben genannte Bedingung – eine gleichmäßige Verteilung der mechanischen Spannung  - erfüllen. Grundsätzlich sind Ringkraftaufnehmer und Druckstäbe, die zudem kompakt ausfallen, jedoch etwas empfindlicher gegenüber ihrer Einbausituation. Um dem entgegenzuwirken, kann C6B zusammen mit den Lasteinleitungen bestellt werden. Das Besondere: Die Kalibrierung erfolgt mit genau den Lasteinleitungsteilen, die auch in der Anwendung genutzt werden. Die Teile sind bei Auslieferung entsprechend gekennzeichnet, sodass immer die Kombination zur Messung eingesetzt wird, mit der auch die Messung bei HBM stattgefunden hat. Neben Kalotten (siehe Bild unten) können auch Lastknöpfe eingesetzt werden, die dann wiederum eine ballige Lasteinleitung garantieren - hierzu stehen passende Druckstücke zur Verfügung.

C6B mit Kugelkalotte ZK. Die beiden Teile der Lasteinleitung können sich zueinander bewegen, wodurch ein Winkelausgleich möglich ist. Bis 2 MN ist eine Bohrung angebracht, sodass eine Kraftrückführung installiert werden kann. So können z.B. Seilspannungen einfach gemessen werden, indem das Seil durch C6B rückgeführt wird (Wandlung einer Zugkraft in eine Druckkraft).
C6B mit Lastknopf (dieser verfügt über eine ballige Lasteinleitung) und Druckstück. Das Bild stammt aus der Entwicklungsphase des Sensors.
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