Höchste Genauigkeit mit preiswerten S-förmigen Kraftaufnehmern

Auf der Suche nach hoher Genauigkeit zum günstigen Preis landet der Maschinenbauer schnell bei
S-förmigen Kraftaufnehmern. Diese Sensoren bieten ein erstaunliches Preis-Leistungs-Verhältnis. Bei Baugröße und Querkräften werden jedoch ihre Grenzen deutlich.
 

Foto: TCA, Kleine Nennlasten sind mit großen Messwegen verbunden, daher ist bis zur Nennlast 50N eine Überlastsicherung in beide Kraftrichtungen möglich

Universell einsetzbar

Die Kraftaufnehmer der Baureihen TS, TCA und KAP-S sind sehr universell anwendbar. Ihre großen Krafteinleitungsflächen erlauben Druckkraftmessungen ohne Aufwand. Für die Einleitung von Zugkräften gibt es Innengewinde. Achtung, bei Nennkräften ab 20kN kommt Feingewinde zum Einsatz.

Foto: Der KAP-S ist auch für mobile Druckkraftmessungen an Maschinen bestens geeignet

Die Vorteile: Hohe Genauigkeit zum kleinen Preis

Technisch betrachtet ist die Sache einfach: Diese Aufnehmer sind Doppelbieger oder Scherbieger, bei denen der Kraftfluss in eine Linie gebracht wurde. Das macht dein Einbau in eine Maschine oder Anlage sehr leicht. Durch die großzügig dimensionierte Verformungszone und die gute Zugänglichkeit lassen sich die Dehnungsmessstreifen während der Herstellung exakt und sicher positionieren. Somit sind Genauigkeitsklassen von 0,03% kein Problem. Die optimale Kraftdurchleitung sichert eine sehr hohe Reproduzierbarkeit. Foto: Verformungszone mit Dehnungsmesstreifen

Einsetzbar ab 0,5 Prozent Auslastung

Fast alle Kraftaufnehmer schmiegen sich unter zunehmender Belastung an ihre Umgebung an. Dabei treten winzige Verformungen auf der Sensoroberfläche auf. Diese führen bei vielen Bauformen zu großen Nichtlinearitäten und Hysterese im unteren Lastbereich. S-Form Aufnehmer haben dieses Problem nicht. Durch den langen Weg von der Krafteinleitung am Innengewinde bis zum Dehnungsmessstreifen werden lokale Spannungen an den Krafteinleitungsflächen ausgemittelt und erreichen die Verformungszone nicht. Man kann bedenkenlos ab 0,5% der Nennlast messen.

Skizze. Der Kraftfluss zu den Dehnungsmesstreifen (rot)

Das verführt schnell dazu, mit extremen Auflösungen von über 100 000 Teilen zu experimentieren. Erstaunt stellt man fest, dass aus die letzte Stelle noch reproduzierbar ist. Ein weiteres Plus ist die durchgehend hohe Fertigungsqualität. Diese entsteht durch vor allem durch die großen Fertigungsstückzahlen dieser Baureihen. MecSense-Lieferanten verwenden hysteresearmen Stahl bzw. Aluminium und Qualitäts-Dehnungsmessstreifen, um eine gute Langzeitstabilität zu erreichen. Ein KAP-S/10kN/0,05 erreicht bei einer Auslastung von 0,5% einen Gesamtfehler von unter 1% vom Messwert.

Diagramm: Ein Linearitätsfehler von 0,22% vom Messwert bei 50 N

Labormessungen bei 0,05% der Nennlast, mit Anzeige AE 703, Belastung durch Gewichtsauflage es wurden die max. Abweichungen berücksichtigt 

Hinweis: Diese Messungen beschreiben Einzelexemplare und geben insofern nur Größenordnungen an 

Die Nachteile: Baugröße und Querkraftempfindlichkeit

S-förmige Aufnehmer haben eine Bauhöhe von mindestens 52 Millimetern – für einige Anwendungen ist das zu viel. Zudem sind Sie empfindlich auf Biegemomente quer zur schmalen Seite. Die Biegemoment¬empfindlichkeit ist im Datenblatt meist nicht spezifiziert, da sie stark vom Exemplar und Richtung abhängt. Messungen beim sehr schmalen KAP-S/100N haben ergeben, dass eine Querkraft von 10% der Nennkraft in Richtung der schmalen Seite des Aufnehmers eine Abweichung von 0,5 Prozent vom Endwert erzeugt. In diesem Fall beträgt die Querauslenkung knapp 0,06mm. Potentielle Biegemomente sollten also durch den mechanischen Aufbau der Messeinrichtung abgefangen werden. Das kann durch Kugelbuchsen oder Lenker erfolgen.

Foto: Fest montierte Stäbe können leicht Biegemomente einbringen (Biegelinie blau).

Insbesondere bei schmalen Bauformen und bei Biegung um die schmale Seite führen diese zu Messabweichungen von etwa 0,5% vom Endwert. In Zugrichtung ist eine momentfreie Krafteinleitung sehr einfach mit Gelenkköpfen zu realisieren. Leider hat sich die erforderliche Bauhöhe durch die Gelenkköpfe nun mindestens verdoppelt. Wird der Sensor auf Druck belastet, muss sich der Konstrukteur mehr Gedanken machen – insbesondere wenn angrenzende Bauteile Querkräfte erzeugen. Dies kann leicht durch Temperaturänderungen, Durchbiegen von Bauteilen, nichtlineare Kraftverläufe oder durch schwierige Montagebedingungen passieren. Die möglichen Lösungen sind Lasteinleitungsknöpfe bei Druckkraft, Gelenkköpfe oder reibungsarme Kugelbuchsen zur Führung von Stäben bei Einleitung von Zugkräften. Weitere Nachteile wie geringe Eigenfrequenz/großer Messweg und ein mit der Kraft zunehmender minimaler seitlicher Versatz der Kraftlinien werden nur in speziellen Anwendungen spürbar.

Foto: ein Lastknopf ist das Mittel der Wahl für Druckkrafteinleitung. Er verhindert wirkungsvoll das Einleiten von Querkräften  

Einfachste Anbindung mit Gelenkköpfen

Ist genug Bauraum vorhanden um Gelenkköpfe einsetzen zu können, lässt sich die Anbindung der S-förmigen Aufnehmer schnell und sicher erledigen. Im Maschinenbau sind die Anwendungsmöglichkeiten für S-förmige Aufnehmer nahezu unerschöpflich: Drehmomentstützen, Zugkräfte in Stangen oder Seilen, Kraftmessungen der Prüftechnik, hochpräzise Verwiegungen oder Ähnliches.

Foto: TS/5kN: optimale Zugkrafteinleitung mit Gelenkköpfen

Vorsicht beim Heben von Lasten

S-Form-Aufnehmer werden gern als kostengünstige Kranwaage verwendet, also zur Verwiegung von Gütern. Denken Sie bei Anwendungen in der Hebetechnik immer an die Bruchlast. Diese liegt bei 300% der Nennlast. Somit wird die gesetzlich vorgeschriebene fünffache Sicherheit von Lastaufnahmemitteln nicht erreicht. Hier ist es klug, eine höhere Nennlast zu wählen und einen Aufkleber mit der Maximallast anzubringen.

Wenn Standard nicht genügt: MecSense anrufen!

Im MecSense-Shop finden sie die Baureihen TS, TCA und KAP-S. Auch der zylinderförmige TCETM gehört genau genommen zu den S-Form-Aufnehmern. Sollten die angebotenen Typen Ihre Anforderungen nicht erfüllen, z.B. weil der Kabelabgang unpassend ist, finden wir auch noch ähnliche Bauformen oder modifizieren die Ausführung. Wir versuchen immer, Ihre Messaufgabe optimal zu erfüllen, dazu verlassen wir auch gern die Palette unserer Standardprodukte. Ebenfalls im Shop finden Sie die besprochenen Krafteinleitungsteile. Sollten Sie unsicher sein, ob ein Sensor geeignet ist, mieten Sie doch einfach ein Kraftmessgerät mit dem gewünschten Sensortyp!

Peter Holz 11.11.2016