Ein Zugkraftaufnehmer wird in einen Prüfstand eingebaut und zeigt bei einer bekannten Belastung einen plausiblen Wert. Nach dem Umbau einer Halterung, dem Austausch eines Schäkels oder einer Änderung der Zugrichtung entsteht jedoch eine Abweichung. Der Sensor selbst wurde weder elektrisch verändert noch überlastet. Trotzdem unterscheiden sich die Ergebnisse, weil die Kraft nicht mehr unter denselben mechanischen Bedingungen eingeleitet wird.
Bei der Zugkraftmessung entscheidet die gesamte Verbindung zwischen den belasteten Bauteilen über die Qualität des Messergebnisses. Schäkel, Gelenkköpfe, Bolzen und Zugstangen sollen die Kraft möglichst entlang der vorgesehenen Messachse übertragen. Seitliche Versätze, verkantete Verbindungen und eingeschränkte Gelenkbewegungen können dagegen Querkräfte, Biegemomente und mechanische Verspannungen erzeugen. Ein elektrisch einwandfreier Kraftsensor kann dadurch ein fehlerbehaftetes Signal liefern.
Dieser Fachbeitrag erläutert, wie Zugkraft-Messketten mechanisch richtig aufgebaut und geprüft werden. Im Mittelpunkt stehen die Unterschiede zwischen Schäkel und Gelenkkopf, die Wirkung von Seitenkräften und Biegemomenten, die Auswahl geeigneter Kraftaufnehmer sowie die Bewertung von Dynamik, Signalverarbeitung und Kalibrierung. Entscheidend ist nicht nur, welche Kraft aufgebracht wird, sondern auch, auf welchem Weg sie den Messkörper erreicht.
Inhaltsverzeichnis
- Die Messaufgabe und die tatsächliche Kraftgröße festlegen
- Den vollständigen Kraftfluss der Messkette verstehen
- Schäkel, Gelenkkopf und Gabelverbindung unterscheiden
- Wie Seitenkräfte und Biegemomente entstehen
- Rechenbeispiel: Winkelabweichung und außermittige Krafteinleitung
- Die richtige Kraftaufnehmer-Bauform auswählen
- Schäkel und Bolzen mechanisch richtig belasten
- Gelenkköpfe zur kontrollierten Ausrichtung verwenden
- Fluchtung, Lagerung und Montagegeometrie prüfen
- Gewindeverbindungen, Vorspannungen und Montagekräfte berücksichtigen
- Nennkraft, Überlast und zulässige Tragfähigkeit unterscheiden
- Dynamische Zugkräfte, Schwingungen und Stoßbelastungen bewerten
- Seilführungen, Umlenkungen und wechselnde Zugrichtungen beurteilen
- DMS-Messprinzip und unerwünschte Belastungsanteile verstehen
- Signalaufbereitung, Verstärkung und Messwerterfassung auslegen
- Nullpunkt, Setzverhalten und mechanische Hysterese prüfen
- Kraftaufnehmer mit geeigneter Referenz kalibrieren
- Die vollständige Messkette im eingebauten Zustand verifizieren
- Messunsicherheit und Einbaueinflüsse getrennt bewerten
- Typische Messabweichungen systematisch diagnostizieren
- Passende Kraftmesstechnik von ICS Schneider
- Fazit: Die Krafteinleitung ist Teil des Messsystems
- Häufige Fragen zur Zugkraftmessung mit Schäkel und Gelenkkopf
1. Die Messaufgabe und die tatsächliche Kraftgröße festlegen
Eine Zugkraftmessung kann unterschiedliche Aufgaben erfüllen. In einem Prüfstand wird möglicherweise die Kraft an einer Probe benötigt. An einer Seilwinde soll die aktuelle Seilzugkraft überwacht werden. In einer Hebeanwendung kann die Zugkraft Bestandteil einer Lastüberwachung sein. Obwohl in allen Fällen Kräfte gemessen werden, unterscheiden sich die mechanischen Randbedingungen erheblich.
Vor der Auswahl des Sensors muss deshalb feststehen, welche Kraft tatsächlich erfasst werden soll. Bei einem ideal axial belasteten Zugkraftaufnehmer entspricht die Messgröße der Kraft entlang seiner vorgesehenen Messachse. Das ist nicht automatisch identisch mit einer äußeren Gesamtkraft, einer Seilresultierenden oder dem Gewicht einer angehängten Last.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen einer Messung für Prozessüberwachung, einer Messung für Materialprüfung und einer sicherheitsbezogenen Lastüberwachung. Für die beiden letztgenannten Aufgaben können zusätzliche Anforderungen an Messunsicherheit, Rückführbarkeit, zulässige Belastungen und Sicherheitsfunktionen bestehen. Die mechanische Eignung des gesamten Kraftpfads ist dabei unabhängig von der elektrischen Genauigkeit des Sensors nachzuweisen.
Eine eindeutige Messaufgabe enthält daher nicht nur die erwartete maximale Zugkraft. Sie beschreibt auch die Richtung, den zeitlichen Verlauf, die Häufigkeit der Lastwechsel, mögliche Stöße und die Frage, ob sich die angeschlossenen Bauteile während der Messung bewegen können.
2. Den vollständigen Kraftfluss der Messkette verstehen
Der Kraftfluss beginnt an der Stelle, an der die Zugkraft entsteht, und endet an der mechanischen Gegenlagerung. Dazwischen können mehrere Verbindungselemente liegen. Jedes dieser Elemente verändert unter Umständen die Beweglichkeit, Steifigkeit und räumliche Lage der Verbindung.
Ein prinzipieller Aufbau für einen axial belasteten Zugkraftaufnehmer kann folgendermaßen aussehen:
Festes Widerlager → geeignete Gelenk- oder Bolzenverbindung → Zugkraftaufnehmer → geeignete Gelenk- oder Bolzenverbindung → belastetes Bauteil
Welche Verbindungselemente tatsächlich erforderlich sind, hängt von der Bauform des Kraftaufnehmers ab. Ein S-Typ-Sensor mit Gewindeanschlüssen benötigt eine andere Krafteinleitung als eine Zugmesslasche mit Bolzenbohrungen. Auch ein Kraftaufnehmer mit integriertem Gelenkkopf darf nicht unabhängig von seiner vorgesehenen Einbaugeometrie betrachtet werden.
Für die Analyse wird die Kraftlinie vom Angriffspunkt der Last bis zum Widerlager verfolgt. Sie sollte möglichst durch die konstruktiv vorgesehene Messachse des Kraftaufnehmers verlaufen. Wird die Kraft außermittig eingeleitet oder durch eine starre Verbindung seitlich umgelenkt, können zusätzliche Beanspruchungen entstehen.
Ein wichtiger Unterschied besteht zwischen einer geänderten Lage der gesamten Messkette und einer fehlerhaften Belastung des Sensors. Eine frei bewegliche, vollständig fluchtende Messkette kann auch unter einem Winkel zur Vertikalen korrekt axial belastet sein. Kritisch wird es, wenn die Richtung der eingeleiteten Kraft von der Sensorachse abweicht oder die Bewegung durch die Anschlüsse eingeschränkt wird.
3. Schäkel, Gelenkkopf und Gabelverbindung unterscheiden
Schäkel und Gelenkköpfe werden häufig gemeinsam mit Zugkraftaufnehmern eingesetzt. Ihre mechanischen Funktionen unterscheiden sich jedoch. Ein Schäkel verbindet Bauteile über einen Bügel und einen Bolzen. Ein Gelenkkopf besitzt ein Gelenklager, das innerhalb seiner konstruktiven Grenzen Winkelbewegungen zwischen angeschlossenen Teilen ermöglicht.
Beide Elemente können zur günstigen Krafteinleitung beitragen. Keines von ihnen garantiert aber allein eine querkraftfreie Belastung des Sensors.
| Verbindungselement | Mechanische Funktion | Wichtiger Prüfpunkt |
|---|---|---|
| Schäkel mit Bolzen | Verbindet Zugglieder und erlaubt abhängig von Geometrie und Gegenstück bestimmte Relativbewegungen | Zulässige Lastrichtung, Bolzenbelastung, Zentrierung und Tragfähigkeit |
| Gelenkkopf mit Gelenklager | Erlaubt begrenzte Winkelbewegungen zwischen angeschlossenen Bauteilen | Schwenkbereich, Lagerbelastung, Reibung und Ausrichtung der Kraftlinie |
| Gabelkopf mit Bolzen | Überträgt Kraft über eine gelenkige Bolzenverbindung | Zentrische Lastverteilung, Bolzendurchmesser, Lagerspiel und Bewegungsrichtung |
| Starre Zugstange | Überträgt Zugkräfte zwischen festen Anschlussstellen | Fluchtung, Gewindeeingriff und mögliche Verspannung |
| Zugmesslasche | Misst die Kraft direkt als tragendes Verbindungselement | Korrekte Belastung der vorgesehenen Bolzenbohrungen und Messrichtung |
Die zulässigen Bewegungsrichtungen werden durch die jeweilige Verbindung bestimmt. Eine einfache Bolzenverbindung kann eine Drehung um ihre Bolzenachse ermöglichen, aber nicht beliebige räumliche Winkelabweichungen kompensieren. Ein Gelenkkopf mit sphärischem Lager besitzt zusätzliche Winkelbeweglichkeit, deren Grenzen jedoch eingehalten werden müssen.
Bei der Konstruktion sollten deshalb alle relevanten Freiheitsgrade betrachtet werden. Die Verbindung muss die während des Betriebs erforderlichen Bewegungen zulassen, darf aber keine unkontrollierten Ausweichbewegungen oder ungünstigen Zusatzbelastungen erzeugen.
4. Wie Seitenkräfte und Biegemomente entstehen
Eine reine Zugkraft belastet den Messkörper entlang der vorgesehenen Achse. Weicht die Kraftrichtung davon ab, lässt sich die äußere Kraft in eine axiale und eine quer zur Messachse wirkende Komponente zerlegen.
Für den Winkel α zwischen Kraftvektor und Sensorachse gilt:
Faxial = F · cos(α)
Fquer = F · sin(α)
Diese Gleichungen beschreiben zunächst nur die geometrische Zerlegung der äußeren Kraft. Wie der Kraftaufnehmer auf den Queranteil reagiert, hängt von seiner Konstruktion und den tatsächlichen Lagerungsbedingungen ab. Aus der Winkelabweichung allein lässt sich deshalb keine allgemein gültige Messabweichung berechnen.
Ein Biegemoment kann entstehen, wenn die Kraft mit einem seitlichen Abstand e zur vorgesehenen Messachse eingeleitet wird. Für die vereinfachte Betrachtung einer parallel zur Achse wirkenden, außermittigen Kraft gilt:
M = F · e
Dabei bezeichnet M das Biegemoment, F die wirkende Kraft und e den senkrechten Abstand zwischen Kraftlinie und Bezugsachse.
Querkräfte und Biegemomente können gleichzeitig auftreten, müssen aber nicht dieselbe Ursache haben. Ein schräg ziehendes Seil kann beispielsweise eine Querkraft erzeugen. Ein nicht zentrierter Bolzen kann ein zusätzliches Moment verursachen. Eine starre Verschraubung kann außerdem mechanische Zwangskräfte in die Messkette einbringen, selbst wenn gerade keine äußere Nutzlast wirkt.
Die Auswirkungen reichen von veränderten Anzeigen und schlechterer Wiederholbarkeit bis zu örtlich erhöhter Beanspruchung oder dauerhaften Schäden. Ein Sensor mit hoher Genauigkeitsklasse ist gegen solche Einflüsse nicht automatisch geschützt.
5. Rechenbeispiel: Winkelabweichung und außermittige Krafteinleitung
Ein idealisiertes Beispiel betrachtet eine Zugkraft von 20 kN. Die Kraft wirkt unter verschiedenen Winkeln zur vorgesehenen Sensorachse. Aus der geometrischen Zerlegung ergeben sich folgende Komponenten:
| Winkel zur Sensorachse | Axiale Komponente | Querkomponente | Einordnung |
|---|---|---|---|
| 0° | 20,00 kN | 0,00 kN | Ideale axiale Kraftrichtung |
| 2° | 19,99 kN | 0,70 kN | Bereits eine nennenswerte Querkomponente |
| 5° | 19,92 kN | 1,74 kN | Zusatzbeanspruchung muss bewertet werden |
| 10° | 19,70 kN | 3,47 kN | Deutliche Abweichung von der axialen Belastungsrichtung |
Die Tabelle zeigt, dass auch kleine Winkelabweichungen relevante Querkräfte erzeugen können. Bei 5° und einer äußeren Zugkraft von 20 kN beträgt die Querkomponente bereits rund 1,74 kN. Daraus folgt jedoch nicht, dass der Kraftaufnehmer exakt 19,92 kN anzeigen muss. Die Anzeige hängt von seiner Querempfindlichkeit, der tatsächlichen Krafteinleitung und dem mechanischen Verhalten der gesamten Messanordnung ab.
Ein zweites Beispiel betrachtet einen seitlichen Versatz von 5 mm bei einer parallel zur Messachse wirkenden Kraft von 20 kN:
F = 20.000 N
e = 0,005 m
M = 20.000 N · 0,005 m = 100 Nm
Das vereinfachte Modell ergibt ein Biegemoment von 100 Nm. Ob dieses Moment tatsächlich am empfindlichen Messkörper wirksam wird, hängt von der Lagerung und den Verbindungselementen ab. Eine geeignete Gelenkanordnung kann ungünstige Momente reduzieren, während starre oder verkantete Anschlüsse sie übertragen können.
Beide Beispiele sind reine mechanische Rechenmodelle und stellen keine zulässigen Betriebsgrenzen eines konkreten Kraftaufnehmers dar. Sie zeigen jedoch, weshalb kleine geometrische Abweichungen in einer hoch belasteten Messkette nicht vernachlässigt werden dürfen.
6. Die richtige Kraftaufnehmer-Bauform auswählen
Die Bauform des Kraftaufnehmers bestimmt wesentlich, wie die Last eingeleitet werden muss. Ein S-Typ-Sensor besitzt in der Regel zwei gegenüberliegende Gewindeanschlüsse. Er eignet sich für Zug- und Druckmessungen, sofern die Krafteinleitung den konstruktiven Anforderungen entspricht. Gelenkköpfe oder geeignete Gabelverbindungen können helfen, eine günstige axiale Belastung zu erreichen.
Ein zylindrischer Zug-/Druckkraftaufnehmer mit integriertem Gelenkkopf ermöglicht eine andere mechanische Einbindung. Der Gelenkkopf kann Winkelbewegungen zulassen und dadurch Verspannungen reduzieren. Entscheidend bleibt, ob die vollständige Messkette die Kraft unter den vorgesehenen Bedingungen entlang der Messachse führt.
Zugmesslaschen besitzen dagegen Bolzenbohrungen und werden unmittelbar als tragende Verbindungselemente in den Kraftfluss integriert. Sie kommen beispielsweise bei Seilwinden, Hebezeugen und industriellen Zuganwendungen zum Einsatz. Ihre Lager- und Bolzengeometrie ist Bestandteil des Messsystems. Eine ungeeignete Bolzenauflage kann die Belastungsverteilung verändern.
Eine Kraftmessachse misst wiederum die Belastung innerhalb einer Bolzen- oder Lageranordnung. Sie ist kein beliebig austauschbarer Ersatz für einen axialen Zugkraftaufnehmer, denn ihre Messgröße und Kalibrierung beziehen sich auf eine andere Krafteinleitung. Die Entscheidung zwischen diesen Bauformen muss daher aus der tatsächlichen Maschinengeometrie abgeleitet werden.
Bei jeder Ausführung sind außerdem Nennkraft, zulässige Zusatzlasten, mechanische Schnittstellen, gewünschtes Ausgangssignal und dynamische Eignung zu prüfen. Eine mechanisch ungeeignete Bauform wird durch eine bessere elektronische Auflösung nicht zur richtigen Lösung.
7. Schäkel und Bolzen mechanisch richtig belasten
Schäkel verbinden Bauteile über einen Bügel und einen Bolzen. Für eine sichere und reproduzierbare Kraftübertragung muss die Last entsprechend der vorgesehenen Geometrie eingeleitet werden. Eine zentrische Belastung in der bestimmungsgemäßen Ebene des Schäkels unterscheidet sich deutlich von einer außermittigen oder seitlichen Belastung.
Die konkrete Tragfähigkeit eines Schäkels wird über seine Herstellerkennzeichnung und Dokumentation bestimmt. Insbesondere bei Schäkeln für Hebeanwendungen ist die Working Load Limit, kurz WLL, zu beachten. Eine seitliche Belastung kann eine Reduzierung dieser zulässigen Tragfähigkeit erforderlich machen. Die dafür geltenden Winkel und Reduktionsfaktoren sind produkt- und herstellerspezifisch. Bestimmte Schäkelausführungen dürfen überhaupt nicht seitlich belastet werden.
Für die Messkette bedeutet das: Ein Schäkel darf nicht nur nach seinem Bolzendurchmesser oder seiner äußerlich passenden Form ausgewählt werden. Entscheidend sind zulässige Lastrichtung, WLL, Bolzen- und Bügelgeometrie, Verschlussart und die Eigenschaften der angeschlossenen Bauteile.
Auch die Lage der Gegenlasche auf dem Bolzen ist wichtig. Eine schmale Lasche, die seitlich gegen eine Bügelwange drückt, kann zu einer ungünstigen Lastverteilung führen. Eine geeignete Zentrierung ist nach den Vorgaben des Herstellers herzustellen. Beliebige Unterlegscheiben oder improvisierte Distanzstücke sind kein allgemeingültiger Ersatz für eine dafür ausgelegte Verbindung.
Bei der Montage müssen Bolzen, Sicherungen und Gewinde vollständig den Herstellervorgaben entsprechen. Bei bewegten oder wiederholt belasteten Anwendungen darf eine mögliche Drehung des Bolzens nicht zum unbeabsichtigten Lösen der Sicherung führen. Eine sichtbar passende Verbindung ist erst dann geeignet, wenn auch ihr zulässiger Lastfall nachgewiesen ist.
8. Gelenkköpfe zur kontrollierten Ausrichtung verwenden
Gelenkköpfe werden eingesetzt, um Winkelbewegungen zwischen verbundenen Bauteilen zuzulassen. In Zugkraft-Messketten können sie dadurch verhindern, dass bereits geringe Änderungen der Einbaulage als Biegemoment oder mechanische Verspannung in den Kraftaufnehmer eingeleitet werden.
Besonders bei Zugstangen, Spindelantrieben und Prüfmaschinen verändern sich unter Belastung die Positionen der beteiligten Bauteile geringfügig. Eine gelenkige Verbindung kann solche Bewegungen aufnehmen, solange sie innerhalb ihrer zulässigen Bewegungsfreiheit bleiben.
Der Gelenkkopf ersetzt jedoch keine durchdachte Konstruktionsgeometrie. Sind zwei Anschlussstellen dauerhaft seitlich versetzt oder wird eine Zugstange durch ein starres Bauteil in einer ungeeigneten Lage gehalten, kann die Verbindung weiterhin eine unerwünschte Querbelastung erzeugen. Die Kraftlinie muss sich unter der tatsächlichen Last möglichst entlang der vorgesehenen Messachse einstellen können.
Außerdem sind Gelenklager keine reibungsfreien idealen Gelenke. Reibung, Vorspannung, Schmierzustand, Verschleiß oder zu geringes Bewegungsspiel können die Kraftübertragung beeinflussen. Ein Gelenkkopf, der bereits am Anschlag seines Schwenkbereichs arbeitet, verliert seine gewünschte Ausgleichswirkung teilweise oder vollständig.
Bei der Auswahl zählen daher nicht nur die Gewindegröße und die nominelle Tragfähigkeit. Zu prüfen sind zulässige radiale und gegebenenfalls axiale Lagerbelastung, statische und dynamische Grenzwerte, Schwenkwinkel, Anschlussbreite, Bolzenpassung und Wartungsbedingungen.
9. Fluchtung, Lagerung und Montagegeometrie prüfen
Die mechanische Ausrichtung muss im tatsächlichen Belastungszustand stimmen. Eine im unbelasteten Zustand gerade wirkende Zugstange kann sich nach dem Aufbringen der Kraft anders einstellen. Elastische Verformungen von Halterungen, Spiel in Bolzenverbindungen und Bewegungen der Maschine verändern die Lage der Kraftlinie.
Vor dem Einbau werden deshalb die Anschlussmittelpunkte und ihre räumlichen Positionen betrachtet. Im Idealfall ist die Messachse des Kraftaufnehmers mit der resultierenden Kraftlinie deckungsgleich. Wo konstruktiv Winkelbewegungen auftreten, benötigen die Verbindungselemente eine dafür geeignete Beweglichkeit.
Besonders problematisch sind starre Anschlussketten mit mehreren geometrisch nicht fluchtenden Bauteilen. Wird ein Kraftaufnehmer eingesetzt, um einen seitlichen Versatz mechanisch zu überbrücken, entstehen möglicherweise bereits beim Zusammenbau erhebliche Zwangskräfte. Eine nachträgliche Nullpunkteinstellung kann diese mechanische Beanspruchung verdecken, aber nicht beseitigen.
Auch die Baulänge ist zu berücksichtigen. Schäkel, Gelenkköpfe und Adapter benötigen Bewegungsraum. Bei maximaler Belastung dürfen sie nicht gegen benachbarte Gehäuse, Anschläge oder Halterungen stoßen. Eine Verbindung, die zunächst frei beweglich ist, kann unter zunehmender Dehnung oder bei geändertem Winkel mechanisch blockieren.
Für den Service sollte die Messkette so konstruiert sein, dass Bolzen und Gelenke zugänglich bleiben und ihre korrekte Lage ohne Demontage der gesamten Maschine beurteilt werden kann. Die erforderlichen Sicherungen müssen dabei erhalten bleiben.
10. Gewindeverbindungen, Vorspannungen und Montagekräfte berücksichtigen
Gewindeanschlüsse übertragen nicht nur die spätere Betriebskraft. Bereits bei der Montage können sie Kräfte und Momente in den Messkörper einleiten. Das gilt insbesondere, wenn ein Kraftaufnehmer durch Verdrehen seines Gehäuses in eine bestimmte Einbaulage gebracht oder eine Gewindestange zur Korrektur einer fehlerhaften Fluchtung angezogen wird.
Ein Zugkraftaufnehmer darf deshalb nicht ohne Herstellerfreigabe als Werkzeug oder Hebel für die Montage verwendet werden. Gegenhalten, Montagedrehmoment und zulässige Einschraubtiefe müssen zur konkreten Ausführung passen. Auch die Gewindefestigkeit der angeschlossenen Teile ist zu überprüfen.
Bei manchen Anwendungen ist eine definierte mechanische Vorlast vorgesehen, beispielsweise um Spiel zu beseitigen oder den Kraftfluss über einen bestimmten Bereich aufrechtzuerhalten. Diese Vorlast muss jedoch konstruktiv geplant werden. Sie ist nicht mit einer zufällig entstandenen Verspannung gleichzusetzen.
Eine typische Fehlersituation liegt vor, wenn sich der Nullpunkt beim Lösen einer Befestigung deutlich verändert. Das kann ein Hinweis auf eingeleitete Montagekräfte, Reibung oder die Veränderung eines belasteten Kraftpfads sein. Vor einer elektrischen Nullpunktkorrektur muss deshalb geprüft werden, ob der mechanische Ausgangszustand tatsächlich lastfrei und bestimmungsgemäß ist.
Bei der Montage empfindlicher Kraftaufnehmer ist eine angeschlossene und überwachte Messanzeige sinnvoll, sofern dies der Hersteller vorsieht. Sie kann unerwartete Belastungen frühzeitig erkennen lassen. Sie ersetzt jedoch keine mechanische Bewertung der Verbindung.
11. Nennkraft, Überlast und zulässige Tragfähigkeit unterscheiden
Bei einer Zugkraft-Messkette werden unterschiedliche mechanische Grenzwerte verwendet. Die Nennkraft Fnom bezeichnet den vorgesehenen Kraftmessbereich eines Sensors. Darüber können je nach Produkt Grenzkräfte oder Bruchkräfte angegeben sein. Diese Werte dürfen nicht miteinander verwechselt werden.
Ein Kraftaufnehmer kann beispielsweise eine Grenzkraft oberhalb seiner Nennkraft besitzen. Daraus folgt keine Freigabe, ihn dauerhaft in diesem höheren Bereich zu betreiben. Ebenso wenig ist die Bruchkraft eine zulässige Betriebsbelastung. Messabweichung, Lebensdauer und mechanische Integrität können bereits vor Erreichen eines Bruchzustands beeinträchtigt werden.
Bei Schäkeln und anderen Anschlag- oder Verbindungsmitteln kann die zulässige Tragfähigkeit durch WLL oder entsprechende Herstellerangaben beschrieben werden. Diese Werte beziehen sich auf definierte Lastfälle und sind nicht automatisch mit der Nennkraft des Sensors gleichzusetzen.
Für die vollständige Messkette gilt deshalb, dass sämtliche beteiligten Komponenten für die tatsächlich auftretenden Lasten geeignet sein müssen. Dabei sind neben der axialen Kraft auch Querkräfte, Biegemomente, Schwingungen, Stoßbelastungen und mögliche ungünstige Betriebszustände zu berücksichtigen.
Für sicherheitsbezogene Anwendungen, insbesondere an Hebezeugen oder bei schwebenden Lasten, ist außerdem ein eigenständiger Nachweis der erforderlichen Sicherheitsfunktionen und mechanischen Eignung notwendig. Ein Kraftaufnehmer mit geeignetem Messbereich ist nicht automatisch ein zugelassenes Lastaufnahmemittel oder eine vollständige Überlastsicherung.
12. Dynamische Zugkräfte, Schwingungen und Stoßbelastungen bewerten
Bei dynamischen Anwendungen verändert sich die Zugkraft über die Zeit. Typische Beispiele sind Beschleunigungsvorgänge an Seilwinden, wiederholte Prüfzyklen, schnell bewegte Maschinenachsen und das schlagartige Straffen eines zunächst lockeren Zugglieds.
Die maximale dynamische Kraft kann deutlich über dem quasistatischen Wert liegen. Eine rein statische Betrachtung anhand der Gewichtskraft oder einer eingestellten Prüfmaschinenkraft ist daher nicht immer ausreichend. Entscheidend ist der tatsächliche Verlauf F(t), einschließlich der auftretenden Lastspitzen.
Für die mechanische Auslegung sind insbesondere Lastwechselzahl, Kraftamplitude, Mittelbelastung, maximale Kraft, mögliche Lastumkehr und Stoßbeanspruchung zu untersuchen. Ein Sensor, der für eine bestimmte statische Nennkraft geeignet ist, muss nicht dieselbe Belastbarkeit bei häufig wechselnden oder stoßartigen Lasten besitzen.
Zusätzlich beeinflussen die Verbindungselemente das dynamische Verhalten. Spiel zwischen Bolzen und Bohrung kann bei wechselnder Kraftrichtung zu einer stoßartigen Lastübertragung führen. Lose oder nur unter bestimmten Bedingungen belastete Gelenke können schlagartig in eine neue Lage springen.
Die Messkette besitzt außerdem eine eigene mechanische Steifigkeit und damit mögliche Eigenfrequenzen. Bei ungünstiger Anregung können Schwingungen verstärkt werden. Der Kraftsensor misst dann nicht nur einen langsam veränderlichen Prozesswert, sondern reagiert auf das dynamische Verhalten der gesamten Konstruktion.
Die zulässige dynamische Beanspruchung muss aus den Daten der konkreten Ausführung hervorgehen. Eine allgemein angegebene hohe Messgenauigkeit belegt weder Stoßfestigkeit noch ausreichende Ermüdungsfestigkeit.
13. Seilführungen, Umlenkungen und wechselnde Zugrichtungen beurteilen
Bei Seilwinden und Umlenkungen verändert sich die Kraftrichtung häufig während des Betriebs. Das Seil kann auf einer Trommel seitlich wandern oder sich beim Bewegen der Last gegenüber der Messachse ausrichten. Dadurch entstehen wechselnde geometrische Bedingungen, auch wenn die eigentliche Seilzugkraft annähernd konstant bleibt.
Wird ein Zugkraftaufnehmer über Schäkel in einen solchen Kraftpfad integriert, muss die Verbindung die vorgesehenen Bewegungen aufnehmen können. Dabei sind nicht nur die momentane Winkelstellung, sondern auch die erreichbaren Extrempositionen zu betrachten.
Bei einer Umlenkrolle unterscheidet sich die auf den Lagerpunkt wirkende resultierende Kraft von der Zugkraft in einem einzelnen Seilabschnitt. Sie ergibt sich aus der vektoriellen Summe der Seilkräfte und hängt von der Umschlingungsgeometrie ab. Eine Messachse an der Rolle und ein axialer Kraftaufnehmer im Seil messen deshalb nicht zwangsläufig dieselbe Kraftgröße.
Auch an mehrsträngigen Aufhängungen kann die Zugkraft in einzelnen Strängen größer sein als eine vereinfachte Betrachtung der Gesamtlast vermuten lässt. Winkel der Zugglieder und die tatsächliche Lastverteilung müssen in die mechanische Auslegung einfließen.
Für veränderliche Seilführungen ist es daher besonders wichtig, die Messgröße eindeutig zu definieren. Ein einzelner Kraftsensor kann nur die ihm konstruktiv zugeordnete Kraft erfassen. Eine vollständige Last- oder Momentenberechnung kann zusätzliche geometrische Informationen benötigen.
14. DMS-Messprinzip und unerwünschte Belastungsanteile verstehen
Viele industrielle Kraftaufnehmer arbeiten mit Dehnungsmessstreifen, kurz DMS, oder nutzen eine verwandte dehnungsabhängige Sensortechnik. Die aufgebrachte Kraft verändert die elastische Verformung eines definierten Messkörpers. Diese Verformung wird in ein elektrisches Signal umgesetzt.
Bei einem typischen DMS-Kraftaufnehmer sind die Messstreifen so angeordnet, dass der gewünschte Belastungsfall möglichst empfindlich und reproduzierbar erfasst wird. Eine geeignete Brückenschaltung kann bestimmte unerwünschte Einflüsse reduzieren. Das bedeutet jedoch nicht, dass Querkräfte oder Biegemomente grundsätzlich keinen Einfluss mehr besitzen.
Eine zusätzliche Belastung kann andere Spannungsverteilungen im Messkörper erzeugen als die reine axiale Kraft. Die dadurch entstehenden Dehnungen können in das Messsignal eingehen oder örtlich zu höheren mechanischen Beanspruchungen führen.
Ein nominell für Zug- und Druckkraft kalibrierter Sensor besitzt deshalb nicht automatisch eine bekannte Messcharakteristik für beliebige mehrachsige Lastfälle. Wenn der Hersteller Querempfindlichkeiten oder zulässige Seitenlasten spezifiziert, müssen diese Angaben für die betreffende Ausführung und Einbausituation ausgewertet werden.
Auch eine aufwendige elektronische Kompensation kann nur die Einflüsse behandeln, für die ein geeignetes Modell und entsprechende Informationen vorhanden sind. Eine unbekannte Kombination aus Biegung, Reibung und Montageverspannung lässt sich nicht allgemein durch einen festen Korrekturfaktor beseitigen.
15. Signalaufbereitung, Verstärkung und Messwerterfassung auslegen
Nach der mechanischen Verformung des Messkörpers folgt die elektrische Messkette. Bei passiven DMS-Kraftaufnehmern besteht sie typischerweise aus Brückenspeisung, Brückensignal, Messverstärker und Anzeige oder Datenerfassung. Andere Kraftaufnehmer besitzen bereits einen integrierten Verstärker mit einem standardisierten Ausgangssignal.
Ein DMS-Sensor mit einem Nennkennwert von beispielsweise 2 mV/V erzeugt unter den zugehörigen Nennbedingungen bei 10 V Brückenspeisung idealisiert ein Signal von 20 mV. Dieser Wert ist ein Rechenbeispiel und keine allgemeine Spezifikation der genannten Produkte. Die tatsächlichen Speisespannungen und Ausgangskennwerte sind geräteabhängig.
Die geringe Signalhöhe passiver DMS-Aufnehmer macht geeignete Leitungsführung und Signalaufbereitung wichtig. Brückenspeisung, Leitungswiderstände, Schirmung, elektromagnetische Störungen und Verstärkereinstellung beeinflussen die Signalqualität. Eine ungeeignete elektrische Verbindung kann Rauschen oder Drift verursachen, ohne dass sich der mechanische Kraftfluss verändert hat.
Aktive Kraftaufnehmer können beispielsweise 4 … 20 mA oder 0 … 10 V bereitstellen. Beim Anschluss muss die tatsächliche Signalvariante beachtet werden. Ein Dreileiter-Stromausgang ist nicht ohne Weiteres wie ein schleifengespeister Zweileitertransmitter anzuschließen. Die elektrische Dokumentation der konkreten Ausführung ist maßgeblich.
Bei dynamischen Zugkraftmessungen kommen Abtastrate, Messbandbreite und Filterung hinzu. Ein langsam aktualisierter oder stark gedämpfter Messwert kann kurzzeitige Lastspitzen unterschätzen. Die notwendige Erfassungsbandbreite richtet sich nach dem zeitlichen Lastverlauf und der gewünschten Aussage. Auch die höchste interessante Frequenz, Antialiasing und die dynamische Übertragung des Sensors müssen berücksichtigt werden.
Ein stabil angezeigter Wert bestätigt daher noch nicht, dass die reale Kraft korrekt erfasst wird. Mechanische Einbaueinflüsse und elektrische Signalfehler müssen getrennt geprüft werden.
16. Nullpunkt, Setzverhalten und mechanische Hysterese prüfen
Nach dem Zusammenbau einer Zugkraft-Messkette können sich Bolzen, Gelenkköpfe und Anschlussteile bei den ersten Belastungen geringfügig setzen. Die Kontaktstellen verändern ihre Lage, Spiel wird aufgenommen und Reibkräfte werden überwunden. Dadurch kann sich die Beziehung zwischen äußerer Last und Sensoranzeige zunächst verändern.
Für eine reproduzierbare Prüfung sollte deshalb ein festgelegter Ablauf verwendet werden. Er kann beispielsweise definierte Vorbelastungen, Entlastungen und wiederholte Laststufen enthalten. Die konkrete Vorgehensweise ergibt sich aus dem Kalibrierverfahren, dem Sensortyp und dem zulässigen Lastbereich.
Die Hysterese beschreibt Unterschiede zwischen Messwerten beim Be- und Entlasten unter vergleichbaren Bedingungen. Sie kann Beiträge des Messkörpers enthalten, aber auch durch Reibung, Spiel und Setzvorgänge der mechanischen Verbindung beeinflusst werden.
Ein charakteristischer Hinweis auf mechanische Einflüsse ist eine Nullpunktänderung nach dem Neuorientieren eines Gelenkkopfs oder nach einer erneuten Montage des Schäkels. Bleibt der elektrische Aufbau unverändert, ist zunächst der Kraftfluss zu untersuchen.
Eine Nullpunkteinstellung beseitigt lediglich den aktuellen Signaloffset. Sie korrigiert weder eine schräg eingeleitete Kraft noch ein Biegemoment. Deshalb sollte ein auffälliger Nullpunkt nicht wiederholt elektrisch abgeglichen werden, bevor die mechanische Ursache verstanden wurde.
17. Kraftaufnehmer mit geeigneter Referenz kalibrieren
Eine Kalibrierung vergleicht die Anzeige beziehungsweise das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers mit einer rückführbaren Kraftreferenz. Dabei müssen Messbereich, Belastungsrichtung, mechanische Krafteinleitung und die relevante Unsicherheit zum Prüfauftrag passen.
Für einen Zugkraftaufnehmer wird eine geeignete Zugkraft-Kalibriereinrichtung verwendet. Entscheidend ist, dass die Referenzkraft unter definierten Bedingungen und in der vorgesehenen Richtung in den Prüfling eingeleitet wird. Die verwendeten Verbindungselemente dürfen dabei keine unzulässigen Zusatzkräfte oder Momente erzeugen.
Je nach Kalibrierverfahren können Vorbelastungen, wiederholte Messreihen und steigende beziehungsweise fallende Laststufen erforderlich sein. Damit lassen sich Wiederholbarkeit, Umkehrverhalten und gegebenenfalls Einflüsse veränderter Einbaulagen bewerten.
Die ISO 376 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung von Kraftmessgeräten, die zur statischen Verifizierung einachsiger Prüfmaschinen verwendet werden. Sie ist nicht automatisch auf jede industrielle Kraftmessstelle oder jede sicherheitsbezogene Anwendung als vollständige Prüfvorschrift übertragbar. Für eine konkrete Aufgabe muss festgelegt werden, welcher Kalibrierumfang tatsächlich erforderlich ist.
Auch der Unterschied zwischen Kalibrierung und Justierung bleibt wichtig. Eine Kalibrierung dokumentiert die Abweichung. Eine Justierung verändert die Zuordnung zwischen Kraft und Ausgangssignal. Werden danach Verbindungselemente ausgetauscht oder die Krafteinleitung verändert, können neue Anwendungseinflüsse entstehen, obwohl der Sensor im Labor zuvor einwandfrei war.
Die Kalibrierdokumentation sollte daher die verwendete Anschlusskonfiguration und die Belastungsrichtung eindeutig beschreiben. Ein Kalibrierschein ohne diese Informationen reicht nicht aus, um jede beliebige spätere Einbausituation zu bewerten.
18. Die vollständige Messkette im eingebauten Zustand verifizieren
Eine Labor- oder Werkskalibrierung bewertet den Kraftaufnehmer unter den dort verwendeten Bedingungen. Im eingebauten Zustand kommen Schäkel, Gelenkköpfe, Halterungen, Bolzen und möglicherweise zusätzliche Krafteinflüsse hinzu. Deshalb kann für anspruchsvolle Anwendungen eine Überprüfung der vollständigen Messkette sinnvoll oder erforderlich sein.
Die Prüfung beginnt mit einer mechanischen Kontrolle. Dabei werden die Lage der Anschlüsse, die freie Beweglichkeit der Gelenke, die Zentrierung der Bolzen und die Einhaltung des vorgesehenen Kraftpfads überprüft. Der Sensor darf weder als starres Ausgleichselement für einen Versatz dienen noch gegen konstruktive Anschläge gezwungen werden.
Danach wird mit einer geeigneten und unabhängigen Kraftreferenz eine definierte Belastung hergestellt. Die Methode muss so gewählt werden, dass sie den vorgesehenen Lastfall möglichst gut repräsentiert. Für die Bewertung wird festgehalten, an welcher Stelle die Referenzkraft wirkt und welche Komponenten tatsächlich in den Nachweis einbezogen sind.
Ein praxisgerechter Prüfablauf kann folgende Schritte umfassen:
- Messkette dokumentieren: Sensor, Schäkel, Gelenkköpfe, Bolzen, Adapter und mechanische Bezugspunkte eindeutig erfassen.
- Belastungsrichtung festlegen: Tatsächliche und vorgesehene Kraftlinie einschließlich möglicher Winkelabweichungen beurteilen.
- Mechanik kontrollieren: Freie Bewegung, Bolzensicherungen, Gewindeverbindungen, Spiel und Anschläge prüfen.
- Nullzustand aufnehmen: Anzeige und gegebenenfalls vorhandene Vorlast unter definierten Bedingungen dokumentieren.
- Referenzkraft aufbringen: Geeignete Laststufen mit ausreichender Stabilisierung und nachvollziehbarer Referenz erfassen.
- Lastfolge wiederholen: Wiederholbarkeit und Unterschiede zwischen Be- und Entlastung überprüfen.
- Relevante Betriebszustände beurteilen: Soweit sicher möglich, Änderungen der Kraftlinie oder Betriebsposition berücksichtigen.
- Ergebnisse dokumentieren: Abweichungen, Unsicherheit, Einbaubedingungen und gegebenenfalls erforderliche Maßnahmen festhalten.
Für bewegte Maschinen reicht eine einzelne statische Prüfung möglicherweise nicht aus. Wenn sich die Geometrie oder Kraftrichtung im Betrieb ändert, sind die relevanten Betriebspositionen zusätzlich zu betrachten.
Der Prüfablauf darf keine unzulässige Belastung der Messkette erzeugen. Sicherheitsbezogene Lasten und Prüfaufbauten benötigen eine entsprechend ausgelegte und freigegebene Durchführung.
19. Messunsicherheit und Einbaueinflüsse getrennt bewerten
Die Messunsicherheit einer Zugkraftmessung umfasst die relevanten Beiträge des verwendeten Messsystems. Dazu können Referenzkraft, Sensorverhalten, Auflösung, Wiederholbarkeit, Umkehrverhalten, Temperatur, Signalaufbereitung und zeitliche Messwerterfassung gehören.
Die mechanische Krafteinleitung muss zusätzlich berücksichtigt werden. Ein Winkelversatz kann dazu führen, dass die äußere Kraft nicht entlang der vorgesehenen Sensorachse wirkt. Eine außermittige Belastung kann weitere Spannungsanteile erzeugen. Diese Effekte lassen sich nicht pauschal durch Addition einer festen prozentualen Unsicherheit beschreiben.
Ist die Querempfindlichkeit des Sensors für den tatsächlich auftretenden Belastungszustand bekannt, kann sie gegebenenfalls in einem geeigneten Messmodell berücksichtigt werden. Fehlen solche Angaben, muss zunächst geprüft werden, ob die mechanische Anordnung verbessert oder der Einfluss experimentell eingegrenzt werden kann.
Ein besonders aufschlussreicher Vergleich besteht darin, dieselbe Referenzkraft bei unveränderter Sensor- und Elektronikkonfiguration mit zwei unterschiedlichen, zulässigen mechanischen Anordnungen zu messen. Ändert sich das Ergebnis reproduzierbar, weist das auf einen Einbaueinfluss hin. Die tatsächliche Ursache muss anschließend anhand der Mechanik und der Messdaten untersucht werden.
Der Begriff Messunsicherheit darf nicht mit einer unzulässigen oder unbekannten mechanischen Belastung verwechselt werden. Eine nicht spezifizierte Seitenkraft kann die Funktionsbedingungen des Sensors verlassen. Sie lässt sich nicht allein durch einen größeren Unsicherheitswert zu einer fachgerecht ausgelegten Messung machen.
Für die Bewertung sind daher zwei Fragen getrennt zu beantworten: Arbeitet der Kraftaufnehmer innerhalb seiner vorgesehenen mechanischen Einsatzgrenzen? Und welche Messunsicherheit besitzt die vollständige Messung unter diesen Bedingungen?
20. Typische Messabweichungen systematisch diagnostizieren
Bei einer auffälligen Zugkraftmessung sollte nicht sofort eine elektrische Justierung vorgenommen werden. Zunächst wird geprüft, ob die mechanische Belastung dem vorgesehenen Lastfall entspricht. Die Art der Abweichung kann Hinweise auf die Ursache geben.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Anzeige verändert sich nach dem Drehen oder Neuorientieren eines Gelenkkopfs | Änderung der Krafteinleitung, Reibung oder mechanische Verspannung | Fluchtung, Beweglichkeit und Nullpunkt bei identischem Lastzustand vergleichen |
| Messwert weicht nach dem Austausch eines Schäkels ab | Andere Bolzengeometrie, Zentrierung oder Kraftlinie | Abmessungen, Lastangriff und zulässige Belastungsrichtung prüfen |
| Unterschiedliche Werte beim Be- und Entlasten | Mechanische Hysterese, Reibung, Spiel oder Sensorverhalten | Lastfolge wiederholen und Verbindungselemente getrennt beurteilen |
| Nullpunkt verändert sich nach dem Lösen einer Verschraubung | Montagevorspannung oder mechanische Zwangskraft | Einbaugeometrie und ordnungsgemäßen lastfreien Zustand prüfen |
| Anzeige hängt von der Maschinenposition ab | Wechselnde Kraftlinie, Seitenkraft oder veränderte Lastverteilung | Relevante Betriebspositionen mit derselben geeigneten Referenz vergleichen |
| Kurzzeitige Lastspitzen fehlen in der Aufzeichnung | Zu geringe Messbandbreite, starke Filterung oder zu niedrige Abtastrate | Dynamische Eigenschaften der vollständigen Messkette überprüfen |
| Starke Signalschwankungen ohne erkennbare mechanische Änderung | Elektrische Störungen, instabile Speisung oder fehlerhafte Signalaufbereitung | Rohsignal, Versorgung, Schirmung und Verstärkereinstellungen kontrollieren |
| Nach einem Stoß bleibt eine dauerhafte Nullpunktabweichung bestehen | Mögliche mechanische Überlastung oder bleibende Veränderung des Sensors | Messstelle außer Betrieb beurteilen und erforderlichenfalls As-found-Kalibrierung veranlassen |
| Schäkelbolzen oder Gelenklager zeigt ungewöhnlichen Verschleiß | Ungünstige Lastverteilung, Bewegung oder unzulässige Seitenbelastung | Bauteilzustand, Ausrichtung und zulässige Belastungen prüfen; geschädigte Teile ersetzen |
Die Tabelle beschreibt mögliche Ursachen, keine eindeutigen Ferndiagnosen. Ein mechanischer Fehler kann gleichzeitig mehrere Symptome verursachen. Ebenso können sich ein ungünstiger Kraftfluss und ein elektrischer Signalfehler überlagern.
Eine zweckmäßige Diagnose arbeitet daher von außen nach innen: Zuerst die tatsächliche Kraftlinie und die Verbindungselemente prüfen, dann Sensor und Montagezustand beurteilen und erst anschließend den elektrischen Signalweg sowie die Auswertung untersuchen.
21. Passende Kraftmesstechnik von ICS Schneider
21.1 WIKA F2303: Zug-/Druckkraftaufnehmer mit Gelenkkopf
Der WIKA F2303 ist ein Zug-/Druckkraftaufnehmer mit Dünnfilmtechnik und Gelenkkopf für axiale Kraftmessungen. Die bei ICS gelisteten Messbereiche reichen von 0 … 10 kN bis 0 … 45 kN. Er besitzt einen integrierten Verstärker und ist in korrosionsbeständiger CrNi-Stahl-Ausführung erhältlich.
Als Ausgangssignale werden je nach Ausführung unter anderem 4 … 20 mA und 0 … 10 V angeboten. Der integrierte Gelenkkopf ist für Anwendungen interessant, bei denen eine geeignete Beweglichkeit des Anschlusses zur Reduzierung mechanischer Verspannungen beiträgt. Auch bei diesem Kraftaufnehmer muss die vollständige Messkette korrekt axial ausgerichtet sein.
21.2 WIKA F2802: S-Typ-Kraftaufnehmer für Zug- und Druckmessungen
Der WIKA F2802 ist ein S-Typ-Zug-/Druckkraftaufnehmer mit Messbereichen von 0 … 0,5 kN bis 0 … 50 kN. Die Krafteinleitung erfolgt über die dafür vorgesehenen Gewindeanschlüsse.
Diese Bauform eignet sich für Prüfstände und industrielle Kraftmessaufgaben, bei denen eine definierte axiale Belastung hergestellt werden kann. Passende Gelenkköpfe oder andere geeignete Anschlussmittel sind entsprechend der konkreten Sensor- und Gewindeausführung auszuwählen. Das Herstellerdatenblatt weist auf die notwendige zentrische und querkraftfreie Krafteinleitung hin.
21.3 WIKA F7301, F73C1 und F73S1: Zugmesslaschen für direkte Kraftübertragung
Die WIKA-Zugmesslaschen F7301, F73C1 und F73S1 sind für statische und dynamische Messaufgaben im direkten Kraftfluss vorgesehen. Sie werden beispielsweise in Hebezeugen, Krananlagen, Antrieben und Seilwindensystemen eingesetzt. Die Baureihe umfasst Messbereiche ab 0 … 5 kN.
Je nach Konfiguration stehen aktive Strom- und Spannungsausgänge, digitale Schnittstellen und redundante Ausgänge zur Verfügung. Für die Einbindung über Schäkel oder Bolzen sind die konkrete Laschengeometrie, zulässige Belastungsrichtung, Anschlussausführung und gegebenenfalls erforderliche Sicherheitszulassungen entscheidend.
21.4 HySense FO210: Zugkraftmessung in Richtung der Längsachse
Der HySense FO210 ist ein Zugkraftsensor für die Kraftmessung in Richtung seiner Längsachse. Er besitzt einen aktiven 4 … 20-mA-Ausgang in Dreileitertechnik und eignet sich für passende industrielle Messaufgaben.
Für die Auswahl sind die konkrete Kraftmessspanne, Anschlussgeometrie, Signalversorgung und zulässigen mechanischen Belastungen zu berücksichtigen. Die axiale Messrichtung verdeutlicht, weshalb eine geeignete Krafteinleitung erforderlich ist und der Sensor nicht als allgemeiner mehrachsiger Kraftaufnehmer betrachtet werden darf.
Weitere Kraftsensoren, Kraftmessachsen, Zugmesslaschen und passende Messsysteme bietet die Kategorie Kraft-, Wäge- und Wegmesstechnik von ICS Schneider. Für die vollständige Lösung müssen Sensor, mechanische Verbindungselemente und Signalaufbereitung gemeinsam ausgewählt werden.
22. Fazit: Die Krafteinleitung ist Teil des Messsystems
Eine zuverlässige Zugkraftmessung entsteht durch das Zusammenspiel aus geeigneter Sensorik und einer definierten mechanischen Krafteinleitung. Schäkel und Gelenkköpfe können dabei helfen, Kräfte günstig zu übertragen und erforderliche Bewegungen zuzulassen. Sie ersetzen jedoch keine korrekte Ausrichtung und keine Prüfung der zulässigen Belastungsgrenzen.
Bereits geringe Winkelabweichungen oder seitliche Versätze können relevante Querkräfte und Biegemomente verursachen. Ob daraus eine Messabweichung, erhöhte mechanische Beanspruchung oder beides entsteht, hängt von der vollständigen Konstruktion ab. Eine hohe Sensorgenauigkeit allein bietet dafür keine ausreichende Sicherheit.
Ebenso wichtig ist die Trennung zwischen Sensorprüfung und Systemprüfung. Eine rückführbare Kalibrierung bestätigt das Verhalten unter den dokumentierten Prüfbedingungen. Erst die Bewertung der eingebauten Messkette zeigt, ob Kraftfluss, Verbindungselemente, Dynamik und Signalaufbereitung zur tatsächlichen Anwendung passen.
Messgröße festlegen → Kraftfluss analysieren → Schäkel und Gelenkköpfe auswählen → Fluchtung und Beweglichkeit prüfen → Nennkraft und dynamische Lasten bewerten → Sensor und Signalweg kalibrieren → vollständige Messkette verifizieren
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Ein Zugkraftaufnehmer misst nur dann unter den vorgesehenen Bedingungen, wenn die mechanische Konstruktion die Kraft zuverlässig in der definierten Messrichtung einleitet und unzulässige Seitenkräfte sowie Biegemomente vermeidet.
23. Häufige Fragen zur Zugkraftmessung mit Schäkel und Gelenkkopf
23.1 Warum braucht ein Zugkraftaufnehmer einen Gelenkkopf?
Ein Gelenkkopf kann begrenzte Winkelbewegungen zwischen den angeschlossenen Bauteilen zulassen. Dadurch lässt sich die Gefahr von Verspannungen und unerwünschten Biegemomenten reduzieren. Ob er erforderlich ist, hängt von der Sensorbauform und der gesamten Anschlussgeometrie ab.
23.2 Kann ich einen Zugkraftsensor direkt mit einem Schäkel verbinden?
Das ist möglich, wenn die mechanischen Schnittstellen und zulässigen Belastungen zusammenpassen. Bolzengeometrie, Kraftrichtung, Zentrierung, Tragfähigkeit und notwendige Sicherungen müssen dafür geeignet sein. Die bloße Übereinstimmung des Anschlussdurchmessers reicht nicht aus.
23.3 Was ist der Unterschied zwischen Schäkel und Gelenkkopf?
Ein Schäkel ist ein Verbindungselement aus Bügel und Bolzen. Ein Gelenkkopf besitzt ein Gelenklager und ermöglicht definierte Winkelbewegungen. Beide können in Zugkraft-Messketten eingesetzt werden, haben aber unterschiedliche Freiheitsgrade und Belastungsgrenzen.
23.4 Welche Fehler verursachen Seitenkräfte bei einem Kraftaufnehmer?
Je nach Bauform und Belastungszustand können zusätzliche Querkräfte das Ausgangssignal verändern, die Wiederholbarkeit verschlechtern oder örtlich höhere mechanische Beanspruchungen verursachen. Eine allgemeingültige prozentuale Messabweichung lässt sich ohne sensorspezifische Informationen nicht angeben.
23.5 Wie entsteht ein Biegemoment bei der Zugkraftmessung?
Ein Biegemoment kann entstehen, wenn die Kraftlinie einen seitlichen Abstand zur vorgesehenen Messachse besitzt. Im vereinfachten Fall einer parallel versetzten Kraft gilt M = F · e. Auch starre oder verkantete Verbindungen können zusätzliche Momente einleiten.
23.6 Wie groß darf die Winkelabweichung bei einem Zugkraftsensor sein?
Eine pauschale Grenze gibt es nicht. Sie hängt von Sensorbauform, zulässigen Querbelastungen, angeschlossenen Gelenken und der Anwendung ab. Der Schwenkbereich eines Gelenkkopfs ist außerdem nicht mit einem automatisch zulässigen Kraftwinkel des Sensors gleichzusetzen.
23.7 Verhindert ein Gelenkkopf grundsätzlich alle Biegemomente?
Nein. Ein Gelenkkopf kann bestimmte Winkelabweichungen ausgleichen. Dauerhafte seitliche Versätze, blockierte Gelenke, Reibung oder ungünstige Lastangriffspunkte können dennoch zu Zusatzbelastungen führen.
23.8 Darf ein Schäkel seitlich belastet werden?
Das hängt von der konkreten Schäkelausführung ab. Bei manchen Produkten sind seitliche Belastungen innerhalb definierter Grenzen mit einer Reduzierung der zulässigen Tragfähigkeit möglich. Andere Ausführungen dürfen nicht seitlich belastet werden. Maßgeblich sind ausschließlich die Herstellerangaben für das verwendete Produkt.
23.9 Warum verändert sich der Messwert nach dem Austausch eines Schäkels?
Ein anderer Schäkel kann die Lage der Bolzenachsen, die Zentrierung oder den Kraftangriff verändern. Dadurch entstehen möglicherweise andere mechanische Belastungen des Sensors. Vor einer elektrischen Justierung sollte die neue Verbindung auf Geometrie und Kompatibilität geprüft werden.
23.10 Kann ich eine schlechte Fluchtung durch Nullpunkteinstellung korrigieren?
Nein. Eine Nullpunkteinstellung verändert den elektrischen Signalbezug, aber nicht die mechanische Beanspruchung. Querkräfte, Biegemomente und Verspannungen bleiben bestehen. Zuerst muss die mechanische Ursache beurteilt und gegebenenfalls beseitigt werden.
23.11 Ist die Nennkraft eines Sensors mit der Tragfähigkeit des Schäkels gleichzusetzen?
Nein. Die Nennkraft bezeichnet den vorgesehenen Messbereich des Kraftaufnehmers. Die zulässige Tragfähigkeit des Schäkels bezieht sich auf definierte mechanische Lastfälle. Beide Größen müssen für die konkrete Anwendung unabhängig voneinander geprüft werden.
23.12 Welche Kraft misst ein Sensor an einer Seilumlenkung?
Das hängt von seiner Einbauposition ab. Ein Sensor im Seil kann die Kraft eines Seilabschnitts erfassen. Eine Messachse an einer Umlenkrolle reagiert dagegen auf die über die Rolle eingeleitete Kraftresultierende. Diese ergibt sich aus den wirkenden Seilkräften und deren Richtungen.
23.13 Warum zeigt der Kraftsensor bei steigender und fallender Belastung unterschiedliche Werte?
Mögliche Ursachen sind Hysterese des Messkörpers, Lagerreibung, Spiel oder Setzvorgänge in der mechanischen Verbindung. Auch die Signalverarbeitung kann bei dynamischen Vorgängen eine Rolle spielen. Eine Prüfung mit definierter Lastfolge hilft, die Ursachen einzugrenzen.
23.14 Kann ein Kraftaufnehmer dynamische Lastspitzen zuverlässig erfassen?
Nur wenn Sensor, Mechanik und Datenerfassung für den zeitlichen Lastverlauf geeignet sind. Messbandbreite, Abtastrate, Filterung und mechanische Eigenfrequenzen müssen berücksichtigt werden. Eine hohe statische Messgenauigkeit garantiert keine vollständige Erfassung schneller Lastspitzen.
23.15 Reicht ein Werkskalibrierschein für die vollständige Messkette?
Ein Werkskalibrierschein beschreibt den dokumentierten Kalibrierumfang und die zugehörigen Bedingungen. Er bestätigt nicht automatisch den Einfluss aller später montierten Schäkel, Gelenkköpfe und Halterungen. Bei hohen Anforderungen sollte die vollständige Einbausituation zusätzlich bewertet werden.
23.16 Wann sollte die Kraftmesskette nach einem Umbau erneut geprüft werden?
Eine erneute Bewertung ist sinnvoll, wenn sich Kraftrichtung, Anschlussgeometrie, Lagerung oder verwendete Verbindungselemente verändern. Auch nach Überlast, einem Stoßereignis, auffälligen Nullpunktänderungen oder mechanischem Verschleiß kann eine Prüfung erforderlich sein.
23.17 Welche Kraftaufnehmer eignen sich besonders für Messketten mit Gelenkkopf oder Schäkel?
Für gelenkig angebundene Zugstangen kommen beispielsweise geeignete Zug-/Druckkraftaufnehmer mit Gelenkkopf oder S-Typ-Sensoren mit passenden Anschlussmitteln infrage. Für bolzenbasierte Verbindungen können Zugmesslaschen geeignet sein. Die Auswahl richtet sich nach Nennkraft, Geometrie, Belastungsart, Signal und erforderlicher mechanischer Zulassung.
23.18 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Benötigt werden die gewünschte Messgröße, minimale und maximale Zugkraft, mögliche Spitzen- und Querbelastungen, Lastwechsel, Betriebsfrequenz und die Einbaugeometrie. Wichtig sind außerdem Zeichnungen der Anschlussstellen, Bolzendurchmesser, Gewinde, verfügbare Einbaulänge, Gelenkbewegungen und gegebenenfalls die Anforderungen an Schäkel oder andere tragende Elemente. Für die elektrische Integration werden Ausgangssignal, Versorgung, Messbandbreite, Umgebungsbedingungen, gewünschte Messunsicherheit, Kalibrieranforderungen und gegebenenfalls erforderliche Sicherheitszulassungen benötigt.